Эскизы контуров силовой электроники середины текущего века

От истоков силового преобразования к перспективному развитию силовой электроники

Силовое преобразование от трансформаторов Теслы, селеновых выпрямителей, электровакуумных ламп, изобретенного 66 лет назад транзистора до систем и подсистем на современных IGBT, GTO, MOSFET, UFRED, SBD претерпело огромные изменения. Современная силовая электроника базируется на широком спектре силовых полупроводниковых ключей и пассивных компонентов (трансформаторы, конденсаторы, индуктивности, резисторы и др.), которые по физическим принципам переноса, а также коммутации электрической энергии делятся на приборы с переносом энергии электроном (дыркой), иначе говоря, электронные, и с фотонным переносом электромагнитной массы, т. е. не частицами заряда, а взаимодействием энергоколебаний атомов кристаллической решетки, причем скорость передачи электромагнитной энергии в этом случае в сотни раз выше, чем в полупроводниковых (твердотельных электронных) приборах.

В целом, силовое энергопреобразование происходит на низких, по меркам радиофизики, частотах, т. е. от 20–30 кГц (ШИМ-электропривод) до 1–2 МГц (что очень неплохо, — ВИП), а редко, в исключительных случаях, — до 10 МГц, с использованием питания от однофазного выпрямителя (АС/DC). Говорить о достижении частотного ВЧ-преобразования (≥30 МГц) при напряжениях питания не только 220 В, но и 110 В, пока не приходится. Но такая вероятность существует, причем не только в дальнем низкочастотном диапазоне, но и в ВЧ- (30–300 МГц) и даже в СВЧ-диапазоне. Насколько это реально — рассмотрено ниже. Но предварительно нужно подчеркнуть два момента.

Во-первых, фактически разработчики в области низкочастотного силового преобразования в любом наборе комбинаций АC- и DC-преобразователей вряд ли задумываются о наличии как минимум двух дополнительных энергопреобразователей — на входе и на выходе силового преобразователя. Мы считаем неправильным широко используемый в различных образовательных программах по физике постулат о том, что ток в проводниках — это направленное движение заряженных частиц — электронов. Это не так. Электроны в металлах под действием поля двигаются крайне медленно. Групповая скорость электронов находится на уровне скорости передвижения черепахи. В проводниках (металлах) перенос электромагнитной энергии происходит на субрелятивистских скоростях, т. е. в десятых долях от скорости света, точнее фотона, в вакууме, что свидетельствует о фотонном принципе переноса электромагнитной энергии.

Во-вторых, вследствие наличия электромагнитного релятивистского потенциала на гетерофазе металлический контакт/полупроводник, а также трансмутации энергии в оптопарах электромагнитная масса «тормозится», т. е. трансформируется в зонную модель проводимости полупроводникового прибора. При этом электромагнитная масса в виде электрических зарядов (электронов и дырок) передвигается со скоростями на 2–3 порядка ниже, чем скорость фотонов в подводимой гетеросреде — металлическом проводнике или источнике квантового излучения.

Пройдя по активным областям MOSFET, IGBT, UFRED и др., электромагнитная масса на выходе из полупроводника снова преобразуется в электромагнитную массу проводника, где на гетерогранице кристалла полупроводника с металлическим выводом/контактом ускоряется в сотни раз и преобразуется, предположим, в обмотке 400-Гц движка, а далее все происходит по закону εε₀E = μμ₀H. В данном случае мы имеем дело как бы с «квантовой задвижкой» — «квантовым вентилем», когда скорость переноса электромагнитной массы «сбрасывается» в сотни раз в объеме полупроводника и, в частности, в LPE i-GaAs [1].

Понимание приведенного выше открывает новые подходы и решения в силовом энергопреобразовании, в том числе «без посредников», т. е. субрелятивистское/субрелятивистское силовое преобразование без использования электронного механизма переноса энергии.

В итоге накапливается для обобщения несколько взаимосвязанных направлений развития силового преобразования электрической энергии в ближайшие десятилетия.

Во-первых, «зонное» преобразование, т. е. совершенствование мощных приборов в направлении резкого увеличения частоты коммутации прибора (энергоплотности) и рабочей температуры эксплуатации (удвоение на GaAs или утроение — на широкозонных полупроводниках).

Во-вторых, не «зонное», а субрелятивистское электромагнитное (не на частицах заряда) мощное преобразование электроэнергии, т. е. на скоростях на два-три порядка выше по сравнению с общепринятым в настоящее время.

Трансмутация «зонного» энергопреобразования на электронах в субрелятивистское преобразование, т. е. постепенный уход от понятия полупроводниковая силовая электроника в баллистическую силовую электронику.

Резкое повышение эффективности силового преобразования электроэнергии на принципах совершенства «зонной» электронной трансформации (традиционная силовая электроника), перехода от «зонного» электронного преобразования к силовому сверхмощному баллистическому электронному переносу/трансформации электроэнергии и к безэлектронному субрелятивистскому электромагнитному переносу/преобразованию энергии требует немного более глубокого понимания физики переноса/преобразования электромагнитной энергии в твердых телах — металлах, диэлектриках, полупроводниках, на основе конгломерата которых будет выстраиваться новая силовая преобразовательная техника.

В данной публикации невозможно «объять необъятное», но несколько эскизных набросков новой компонентной силовой базы мы предлагаем вниманию специалистов.

В статье интерпретируются некоторые физические модели и конструкции, пока не известные научному сообществу. Традиционно начнем с диодов.

Высоковольтные GaAs-диоды

Высоковольтные скоростные GaAs-диоды выдерживают диапазон температур окружающей среды  60…+250 °С (температура чипа в прямовключенном состоянии может подниматься до +350 °С без заметного изменения свойств диода, обратносмещенного — до +300 °С). Диоды являются радиационно-стойкими. Время восcтановления обратного сопротивления находится в пределах:

• 1700 В — до 80–100 нс (+250 °С);
• 1200 В — 30–60 нс (+250 °С);
• 600 В — до 10 нс (с радиационной обработкой) или до 20–25 нс (без радиационной обработки).

Благодаря совершенной кристаллографической структуре GaAs-диоды выдерживают большие значения рассеиваемой реактивной мощности E =  LI²/2, а также имеют абсолютное превосходство по импульсным токам и, в частности, по ударным токам над кремниевыми диодами и тем более над карбид-кремниевыми [2, 3].

Диапазон частот коммутации следующий:

• 1700 В — до 1,0 МГц;
• 1200 В — до 5,0 МГц;
• 600 В — до 10 МГц и выше.

Важнейшее значение для высоковольтных диодов имеет подавление обратного тока при комбинации T_j = 300 °C и U_обр. = U_RRM.

В настоящее время достигнут заметный прогресс в этом направлении с помощью ALD (Atomic Layer Deposition) технологии пассивации меза-фаски p-i-n-GaAs-чипов, без которой, кстати, невозможно достичь в диодах для бета-генерации уровня темнового тока, равного 10^–10–10^–11 А/мм². P-i-n-технология диодов позволит реализовать исключительно привлекательные для входных СВЧ-трактов волнорезы электромагнитных импульсов (десятки киловатт в импульсе), а также сверхскоростные высоковольтные столбы (до 10 кВ) со временем восстановления до 50 нс (+250 °С).

Хорошие перспективы имеют оптодиодные столбы и дискретные оптодиоды для замены кремниевых ключей (IGBT, MOSFET) в IPM с плотностью 6, 9, 12 и более фаз. Это позволит проектировать простейшее ШИМ-управление оптоключами многофазных высокооборотных двигателей вплоть до 50 000 об/мин, а у вентильных двигателей — даже более, с минимизацией момента инерции (системы двигатель/колесо перспективных автомобилей). Новые типы диодов в сочетании с перспективными конструкциями СВЧ силовых GaAs-ключей позволяют проектировать двигатели с левитационной подвеской (без подшипников) [4].

В наших предыдущих статьях, опубликованных в журнале «Силовая электроника» [2], мы демонстрировали также открытые нами GaAs-COOL-диоды с плотностью тока:

• при 600 В — до 1500 А/см²;
• при 1200 В — до 800 А/см².

Они выдерживают те же рабочие температуры окружающей среды до +250 °С. Но данные диоды имеют одну особенность, удобную для IGBT (для IPM-управления электродвигателями на десятки/сотни киловатт), — это наличие коэффициента формы тока обратного восстановления, близкого к единице (вследствие наличия двух встречных диодов с электронной и дырочной инжекцией), и, следовательно, «мягкого» выключения.

В конце данного раздела приведем интересную конструкцию GaAs-диода, состоящую из двух гетеродиодов: GaAs-диода Шоттки (на гетерофазах металл/полупроводник) и n⁺—n-гетерофазного диода. Эскиз такого диода (рис. 1) демонстрируется впервые в мире. Варианты исполнения U_F: U_F ≤ 0 (1); U_F = 0 (2); U_F ≥ 0 (3).

Рис. 1. Схема диода

Графическое изображение прямой ВАХ приведено на рис. 2, а структура диода — на рис. 3.

Рис. 2. Прямые ВАХ Шоттки-изотипного i-GaAs-диода

Рис. 3. Структура высоковольтного Шоттки-изотипного диода электронного типа

Наличие отрицательной «пятки» или нулевой «пятки» прямой ВАХ (рис. 2, кривые 1, 2) регулируется уровнем легирования прибарьерного n-GaAs-слоя и величиной x-грамм/мольного состава гетерофазы Al_xGa_1-xAs.

Упрощенный вид зонных диаграмм ветвей 1, 2, 3 прямой ВАХ Шоттки-изотипной структуры показан на рис. 4–6.

Рис. 4. Зонная диаграмма Шоттки-изотипной структуры с отрицательной «пяткой» прямой ВАХ (1)

Рис. 5. Зонная диаграмма Шоттки-изотипной структуры с нулевой «пяткой» прямой ВАХ (2)

Рис. 6. Зонная диаграмма Шоттки-изотипной структуры с положительной «пяткой» прямой ВАХ (3)

Технология LPE выращивания i-GaAs-слоев с толщинами L_i 50–120 мкм в сочетании с советской GaAs-технологией обратного травления, разработанной ФГУП «НПП «Пульсар», позволяет обеспечить уверенную реализацию приведенных выше i-GaAs би-гетеродиодных структур. (Кстати, некоторые IGBT-чипы фирмы Infineon на 1200 В/100 А имеют толщину кристалла, равную примерно 120–130 мкм.)

Вероятно, вызовут интерес силовые высоковольтные фазовращательные i-GaAs ЛПД-диоды с opto-InGaAs/GaAs-запуском. Такие диоды можно будет в перспективе с успехом применять вместо Si-MOSFET и Si-IGBT, поскольку амплитуда и фаза токовой (кулоновской) посылки будут определяться силой электрического поля в i-слое и плотностью энергии квантового излучения (флюенсом инфрафотонов) InGaAs-светодиода. Фотоны ИК InGaAs/GaAs-светодиода, которые будут достаточно неплохо «просвечивать» i-слой, в результате активации глубоких амфотерных Si-центров, а также посредством эффекта Франца — Келдыша сформируют токовые импульсы необходимой плотности в любом из π/n, π/2n, π/4n и так далее фазовых периодов.

Данный способ удобен и для киловольтовых IPM скоростных инверторов, поскольку в нем используется оптическая или лазерная гальваноразвязка между управляющим входом и силовым выходом.

При наличии финансовой поддержки вполне допустимо в течение двух-трех лет реализовать скоростные высоковольтные диоды как наносекундного, так и пикосекундного диапазона с ДОС прямой ВАХ. Это так называемые диоды с гиперэлектронной инверсией (n_n ≥ 10²⁰ cм^-3) мегаквантовой i-ямы, когда при увеличении тока напряжение U_F0 ≈ 0,3–0,5 В в случае роста плотности электронной жидкости в i-слое будет стремиться к U_Fmax → 0,0 В. Прямая же проводимость станет практически «металлической».

GaAs силовые тиристоры на частоты коммутации 0,3–12 МГц

Первые LPE i-GaAs высоковольтные тиристоры (динисторы) на ток 63 А, блокирующее напряжение до 600 В, были выполнены в середине 80-х годов прошлого века в СССР [5]. Данные приборы легко коммутировали мощность на частотах 100 кГц при рабочих температурах до +250 °С. Совместная работа советских ученых — разработчиков из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (Ленинград), из НИИ при Электротехническом заводе им. М. И. Калинина (Таллин) и из ВЭИ им. В. И. Ленина (Москва) в середине 80-х годов оказалась успешной. Они создали GaAs-тиристор на десятки ампер и 600 В. Его устанавливали в первые космические аппараты с ядерным топливом, а также использовали в гидроакустическом оборудовании первых советских АПЛ (ультразвуковые частоты для «привода» магнитостриктеров на частотах больше 100 кГц).

Спустя треть века на основе LPE i-GaAs (Si) можно изготовлять уже несколько более скоростные высоковольтные тиристоры с МОП-запиранием (ETO, MCT), конструкция которого отражена в патенте авторов статьи [6]. Кроме того, стало возможным создать уникальную оптотиристорную структуру на десятки ампер, сотни вольт, с di/dt-коммутацией тока включения в субнаносекундном диапазоне при временах запирания не более 100 нс. Это так называемый ФИИК (фотонно-инжекционный импульсный коммутатор) — тиристорная структура Ф. Ю. Солдатенкова (Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН), которую можно несколько доработать в части «остатков» и времени запирания (восстановления обратного сопротивления). Тем не менее данная структура уже подходит для программ того же типа, что и американская так называемая программа HAARP — электромагнитное воздействие на тропо- и стратосферу (изменение погодных условий, дисперсии величины ди­электрической проницаемости — как фактора искажения радиоволн).

Для коммутации огромной (десятки/сотни киловатт) мощности в диапазоне 4–18 МГц будут применяться opto-МОП комбинированные MCT/ETO конструкции GaAs высоковольтных тиристоров. Одна из модификаций таких структур показана на рис. 7.

Рис. 7. LPE i-GaAs высоковольтный мощный тиристор с opto-n-MOSFET/HBT-cубнановключением и p-MOSFET/p-n-p-запиранием

Физика включения вышеприведенного MCT/ETO-GaAs высоковольтного опто-тиристора достаточно проста. Скоростное включение «стандартной» лавины и значительно более скоростной Ганна-доменовской лавины в i-GaAs-слое происходит в результате катализации лавинного процесса коммутации в i-слое МОП путем инжекции электронов и опто-туннельно-полевой ионизации (фотонами и полем). Это более сложный, чем в модели Франца — Келдыша, наш вариант процесса генерации электронно-дырочных пар в сильном поле, как на амфотерных глубоких кремниевых центрах, так и на полевом переходе электрона зона/зона Келдыша. Кроме того, в нашей модели осуществляется инжекция (через MOSFET-инжектор) Ганновских доменов, которые резко ускоряют лавинизацию или коммутацию прямого тока.

В таком случае включение тиристорной структуры будет очень «глубоким», в отличие от ФИИК-структуры Ф. Ю. Солдатенкова, и достигнет значений прямого сопротивления примерно 0,01 Ом при 100 А и скорости включения в диапазоне 100–200 пс. Запирание производится p-канальным горизонтальным MOSFET GaAs встроенным транзистором, закорачивающим переход эмиттер-база управляющего GaAs n-p-n-транзистора тиристорной структуры. В итоге весь ток, вытекающий через p-i-p⁺-транзистор, «уходит в землю» (через p-канальный MOSFET).

Мы представили тиристорную структуру, способную коммутировать токи в мегагерцовом диапазоне до 200–300 А на чип при напряжениях 1200 В, со скоростями в 100–150 раз выше, чем у Si-IGBT, и при рабочих температурах до +250 °С.

Такая структура могла бы подойти не только для указанных выше специальных применений, но и для оснащения IPM (силовых интеллектуальных модулей), используемых при нефте- и газодобыче. Например, такой электроникой можно было бы оборудовать погружные вентильные насосы, предназначенные для высокоскоростной откачки из нефтепласта с температурой +100…+150 °С. В данном случае нефть будет служить радиатором для IPM-модуля, поскольку перепад температур i-GaAs тиристорного кристалла будет в пределах значений для кремния, т. е. DТ = T_jGaAS – T_нефти = 150 °С, а R_T = DT/P, причем в прямом включенном направлении температура i-слоя может достигать значений T_j ≥ 350 °C. Собственно, это же, по сути, было продемонстрировано в свое время лауреатом Нобелевской премии Ж. И. Алферовым [7]).

Подводить черту под этими перспективными конструкциями тиристоров пока рано, поскольку в будущем мы планируем разработать решения по высоковольтным тиристорам нового типа — например, под условным названием «оптолазерные — Trench MCT/ETO тиристоры» со структурой безындуктивного типа, с множеством (до миллионов) субтиристорных ячеек с квантово-ямным i-каналом (по некоторой аналогии с TSBD-диодами Шоттки фирмы IRF или разрабатываемыми ЗАО «ВЗПП-Микрон»). Коаксиально-резонаторный микротиристорный канал будет выполнен ALD-методом на квантово-энергетических стенках (совместимых с GaAs) из AlGaAs или ZnSe (подробности решения остаются за рамками статьи). Физика включения такого тиристора достаточно проста: это сложение явлений доменно-лавинной ионизации, оптополевой ионизации, пар «электрон-дырка» и эффекта полевого туннелирования Франца — Келдыша. Релаксация квантово-ямной электронно-дырочной плазмы будет происходить с помощью молибдено-AlGaAs или ZnSe-электродов (аннигиляция заряда электрона).

Рассасывание накопленного ЭДП-заряда будет напоминать известное явление рассасывания накопленного заряда в COOL-MOSFET, но с той лишь разницей, что тиристорные прямые токи будут на два порядка больше, а быстродействие также на полтора-два порядка выше.

Следовательно, появляется инструментарий для военно-промышленного комплекса, который могут использовать разработчики соответствующих систем для различных специальных применений, которые заинтересованы в совершенствовании вооружения и военной техники.

Силовые комплементарные GaAs-транзисторы

i-GaAs HBT и BJT

На основе LPE i-GaAs (Si) монокристаллов, обладающих уникальными свойствами, появилась возможность реализовать различные классы комплементарных транзисторов, причем следует отметить, что подобные приборы невозможно изготовлять на базе других полупроводниковых материалов. Первые высоковольтные LPE HBT i-GaAs-транзисторы были созданы 10 лет назад Г. А. Ашкинази [8].

Позднее, в 2010–2011 гг., фирма Clifton AS (г. Тарту, Эстония) в сотрудничестве с НПК «Наука» (г. Киев, Украина), Львовским университетом и российскими фирмами изготовила первые высоковольтные сильноточные CВЧ p-n-p i-GaAs-HBT-транзисторы, конструкция и физика которых описаны в российском патенте [9].

Успехи, достигнутые в области диверсификации LPE-технологии от графитовой к кварцевой, обеспечили очень хорошую возможность реализовать сильноточные (до 50 А), высоковольтные (сотни вольт), высокотемпературные (до +300 °С), радиационно-стойкие СВЧ LPE i-GaAs-комплементарные транзисторы, причем как в биполярном исполнении (HBT), так и полевые (JFET, MOSFET и гибридные, уникальные по исполнению JFET+MOSFET-конструкции, называемые HMOSJFET-транзисторами).

Конструкции комплементарных HBT i-GaAs-, в том числе и opto-HBT-транзисторов, а также их свойства применительно к силовой преобразовательной технике достаточно полно представлены в работе [6]. Приведем некоторые фрагменты из этой статьи, в частности IPM-исполнение мультифазных и многоуровневых фазоинверторов с нулевой точкой. На рис. 8–10 показаны различные варианты исполнения SMART — IPM на базе комплементарных HBT и opto-HBT i-GaAs высоковольтных сильноточных транзисторов.

Рис. 8. Фазоинвертор с нулевой точкой и непосредственной связью/управлением

Рис. 9. Фазоинвертор с нулевой точкой с оптоуправлением

Рис. 10. Схема многоуровневого фазоинвертора с нулевой точкой с оптоуправлением

GaAs HBT значительно предпочтительнее кремниевых биполярных транзисторов, поскольку у них:

• низкая мощность управления;
• работоспособность при T_{окр. ср.} до +250 °С;
• более высокая радиационная стойкость;
• потенциально иной переходный процесс с носителями заряда зона/зона GaAs-кристаллы, что очень хорошо для квантово-фотонного приема/излучения;
• скорость передачи сигнала (частота, быстродействие) на порядок выше, чем в приборах на основе кремния;
• великолепная прямая (активная) и обратная (реактивная) ОБР вследствие наличия i-слоя;
• очень малые остаточные напряжения даже в активном режиме при ≤0,5 В.

У IPM-инверторов, блок-схемы которых приведены на рис. 8–10, следующие частоты коммутации:

• на 1200 В — до 5,0 МГц;
• на 600 В — до 10 МГц;
• на 300 В — до 20 МГц.

Инверторы на основе GaAs HBT n-p-n-типа способны коммутировать 1–3 кВт (при скважности около 0,3) в диапазоне частот в несколько сотен мегагерц в активном режиме включения (U_{КЭ нас.ВЧ} ≈ 0,7–1,5 В).

В текущем десятилетии на мировом рынке неизбежно появятся лавинно-пролетные высоковольтные i-GaAs n-p-n-тиристоры с максимальными напряжениями 300–600 В и частотами переключения в ВЧ-диапазоне. Это так называемые GaAs-транзисторы «два в одном» [10], которые мы планируем заметно усовершенствовать, чтобы повысить быстродействие (скорость коммутации) и увеличить количество сверхпроводящих (не путать с сверхпроводимостью!) филаментарных доменно-лавинных каналов с плотностью тока на порядок выше, чем в таких металлах, как Cu, Al, Ag, Au и др., т. е. ≥10⁷ А/см².

Конструкция разработанных в Финляндии транзисторов «два в одном» представлена на рис. 11 [10].

Рис. 11. Схема структуры высоковольтного «два в одном» GaAs-транзистора и качественная демонстрация лавинно-доменных каналов и потоков тока переключения

В перспективе задача конструирования высоковольтного переключающего n-p-n-BJT GaAs-транзистора с dU/dt ≈ 100–200 пс (c 300–600 В до единиц вольт) будет сводиться к введению в конструкцию n-p-n-кристалла GaAs-транзистора (точнее, эмиттера — кольцевого или по типу спирали Архимеда) «тяговой» силы Лоренца (F_Л = qvBsina, где q — заряд электрона/дырки, v — скорость частицы, a — угол между вектором индукции →В и вектором скорости, а также к исследованию суперпозиции встроенного внешнего (эмиттерного) магнитного поля и Био — Савара-Лапласа магнитного поля частиц электронов и дырок (имеющих циклотронное движение) в i-слое с величиной поля

где ν — скорость частицы, q — заряд частицы.

Таким образом, суммарное векторное направление магнитного поля будет напоминать спиралевидный тор частицы с циклотронным движением вдоль силовых линий электрического поля. В результате в этом внутреннем микроколлайдере (50–100 мкм) в полях, близких к критическим ((2–4×10⁵ В/см), будет происходить скачкообразное изменение m (подвижности) и, следовательно, скорости движения электронов с классического значения от 2×10⁷ см/с до 6–8×10⁷ см/с, что приведет к очевидному, с точки зрения физики полупроводников, парадоксу — частица в виде электрона преодолеет область пространственного заряда в i-слое в 3–4 раза быстрее расчетного времени. Фактически, парадокса здесь нет, это связано со спецификой поляризации ионно-связанной молекулы GaAs (кремний имеет ковалентную межатомную связь), вследствие чего молекулярные диполи GaAs станут своеобразными ускорителями движения электронов, да еще с Лоренцовой «тягой». Здесь существует еще один фактор, обусловленный достаточно заметным изменением диэлектрической проницаемости во время срабатывания «третьего» транзистора, не связанный с зонными процессами проводимости, т. е. решетка GaAs подвергается субрелятивистскому энерговоздействию. На выходе возникнет ультракороткий импульс реактивного тока с длительностью в единицы пикосекунд и с таким размахом амплитуды, который позволит внешняя реактивная нагрузка. Другими словами, здесь с позиции теории переноса электромагнитного импульса много белых пятен, которые, так или иначе, но придется заполнить.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Реализация LPE-выращивания толстых высококачественных эпитаксиальных слоев i-GaAs расширяет возможности диверсификации разработок и производства высоковольтных GaAs-MOSFET-транзисторов как с n-каналом, так и с p-каналом. Предпочтительнее — ожидаемая Trench-конструкция либо с моно-, либо с гетероистоком. В случае гетероистока наряду с индукционным механизмом создания инверсного канала добавится еще и инжекционная (подканальная) составляющая тока. С учетом максвелловского сшивания пограничных сред в данном случае подзатворный диэлектрик — полупроводник ε₁ε₀E₁ = ε₂ε₀E₂, подзатворный окисел, также должен быть выполнен ALD-методом из диэлектрических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости ε_ox>>ε_GaAs, т. е. из комбинаций окислов металлов, таких как Ti, Ta, Hf, Cd и другие, с обязательным буферным нанослоем (<10 нм) широкозонного изолятора. Это не позволит переходить грань плотности поверхностных зарядовых состояний N_ss больше чем 3–5×10¹¹см^-2. В остальном конструкции n— и p-канальных LPE i-GaAs MOSFET практически схожи с Si-Trench-MOSFET и SiC-Trench-MOSFET, но с той лишь разницей, что значительную часть дрейфового стока занимает i-слой с встроенным полем в виде физического p-n-перехода. Плотность заряда инверсного канала несравнимо более высокая, чем в кремниевых и карбид-кремниевых MOSFET, а подвижность электронов в канале, или, точнее говоря, дрейфовая скорость пролета электронов в i-GaAs-MOSFET в 20 раз превышает кремниевый дрейф и тем более карбид-кремниевую скорость пролета. Что же касается «проходных» и «выходных» RC-цепочек, то и здесь преимущество будет за GaAs вследствие того, что выходная емкость при нуле смещения как минимум в 30 и в 10 раз меньше, чем в SiC- и Si-MOSFET соответственно (мощность динамических потерь при перезарядке/переключении управляющим драйвером). Сопротивление открытого канала у GaAs-MOSFET (R_{DSon GaAs}) очень близко к R_DSon SiC-MOSFET.

По сочетанию параметров (600 В, 1200 В):

• T_j ≥ 300 °C;
• f_{преобраз.} — 5–15 МГц;
• радиационная стойкость GaAs-MOSFET вне конкуренции.

Силовые HJMOSFET высоковольтные GaAs-транзисторы (n- и p-канальные)

С учетом абсолютно новой физической модели полевых GaAs-MOSFET-транзисторов их, вероятно, следует принимать во внимание в качестве абсолютных конкурентов Si-IGBT-, SiC-MOSFET- и Si-MOSFET-транзисторам. Фактически, новое семейство еще неизвестных на мировом рынке GaAs полевых транзисторов с изолированным затвором можно будет обозначить следующим образом: гетероинжекционный полевой транзистор со статической индукцией, имеющий комбинированное гетеро-MOS/p-n-управление проводимостью канала, или HMOSJFET (где H — гетероинжекционный, MOS — МОП-затвор, J — p-n-затвор, FET — полевой). Его качественные вольт-амперные характеристики демонстрируются впервые в мире. На рис. 12 приведено условное обозначение такого транзистора.

Рис. 12. Условное обозначение полевых GaAs-транзисторов

Структура кристаллов n-канальных и p-канальных HMOSJFET GaAs-транзисторов идентична, но с зеркальным исполнением p— и n-слоев. Структура n-канального HMOSJFET GaAs-транзистора представлена на рис. 13. Расчетная физическая модель структуры приведена в нашем патенте РФ [11].

Рис. 13. Структура n-канального HMOSJFET GaAs-транзистораСтруктура n-канального HMOSJFET GaAs-транзистора

В зависимости от параметров (толщины, концентрации свободных носителей) n⁺ — AlGaAs, n — GaAs, i_n — GaAs, n^— — GaAs-слоев вольт-амперные характеристики нового HMOSJFET-транзистора будут или триодного (рис. 14), или пентодного (рис. 15) типа.

Рис. 14. Выходные триодные ВАХ HMOSJFET-транзистора

Рис. 15. Выходные ВАХ пентодного типа (по аналогии с Si-MOSFET)

Необходимо отметить, что HMOSJFET триодного типа по сравнению с пентодными HMOSJFET-структурами по расчетам будут иметь в несколько раз более низкие значения R_DSon, т. е. R_{DSon триод}/R_{DSon пентод} ≈ 0,5–0,1.

Входные емкости HMOSJFET-структур (эквивалент выходной мощности управляющего драйвера) практически почти на три порядка (в 1000 раз) меньше, чем входные С_GS у SiC- или Si-MOSFET, чем и объясняется их быстродействие.

Триодная структура GaAs полевого транзистора вследствие мощной электронной инжекции гетероизотипного истока (n⁺-AlGaAs/n-GaAs/i-GaAs) по плотности тока будет близка к Si-IGBT. По сути, триодная структура —электронный прототип Si-IGBT приборов, с той лишь разницей, что частота коммутации таких HMOSJFET- транзисторов будет находиться в мегагерцовом диапазоне. Но встает вопрос: какие мощности сможет коммутировать триодный GaAs-ключ и на каких частотах? Коммутируемые мощности — на уровне мощных (1200 В) IGBT-модулей, т. е. от единиц до десятков киловатт, но на частотах от 1 МГц (при максимуме 0,06–0,1 МГц на кремниевых IGBT).

Реактивные/субрелятивистские GaAs-триоды

Если структуру, показанную на рис. 13, слегка доработать, то получится новый реактивный, или диэлектрический, триод. Его условное обозначение показано на рис. 16. В данной триодной структуре отсутствуют такие понятия, как электронный, или дырочный, ток, по типу проводимости это не зонные приборы.

Рис. 16. Условное обозначение реактивного триода

Физика работы указанного мощного высоковольтного (до 1000 В) реактивного триода с частотами коммутации в СВЧ- и субтерагерцовом диапазоне подробно описана в работе [1]. Некоторые частотные характеристики указанного выше «диэлектрического»/реактивного триода приведены на рис. 17, 18.

Рис. 17. График зависимости комплексной проходной емкости реактивного GaAs-транзистора от частоты возбуждения на затворе

Рис. 18. Частотная зависимость формирования мощных электромагнитных импульсов в триодной структуре от DC-питания

Таким образом, реактивные GaAs высоковольтные СВЧ-ключи способны коммутировать огромные мощности в гипер­частотном диапазоне, что, вероятно, в корне изменит принципы силового преобразования.

Баллистическая силовая электроника

В нашей статье «Фотонная и релятивистская энергетика на основе LPE i-GaAs монокристаллов» в журнале «Современная электроника» (2015, № 7) [1] изложены принципы построения баллистического электронного коммутатора с физической моделью, находящейся вне рамок зонной теории проводимости на диапазон частот коммутации мегаамперной импульсной мощности в пределах вплоть до 10¹⁶–10¹⁸ Гц для беспроводной передачи электроэнергии.

Принцип баллистического, сверхмегаваттного (в импульсе) энергопреобразования частица — фотон основан на обеднении электронной оболочки атома. Поскольку количество членов «ядерного клуба» уже перевалило за десяток, можно полагать, что к середине столетия число ядерных держав увеличится. В новых условиях эффективность «ядерного зонтика», очевидно, резко упадет. В качестве его смены нужен непреодолимый «электромагнитный купол», построенный на огромной мощности электромагнитной энергии поражения (на базе баллистической силовой электроники). Для этого необходима технология с топологическими размерами от 4,5 нм, которой в России нет даже в проекте. Сегодня только три фирмы в мире (Intel, IBM, Samsung) преодолели проектный рубеж в 7,0 нм.

Заключение

Внешнеполитическая ситуация, геополитическое противоборство и экономические санкции, затрагивающие стратегически важные ресурсы, в значительной степени влияют на национальную безопасность России. Поэтому, чтобы дать эффективные ответы на вызовы современности, потребуются совместные усилия исследователей, гражданского общества, власти и бизнеса. Локомотивом усиления политической и военной мощи России должно стать развитие производства во всех областях народного хозяйства, и в первую очередь электроники, без которой невозможно развитие стратегически важных гражданских и военных отраслей.

Современная электроника — фундаментальная наука, каркасом которой является высокий технологический уровень развития, а главной движущей силой — наличие новых, прорывных идей и открытий. Без ее резкого развития возникает угроза национальной безопасности страны. Развитие современной электроники не должно сводиться лишь к импортозамещению. Программа импортозамещения в определенной степени нужна в возникшей политической и экономической ситуации, но в ней заведомо заложено отставание от мирового уровня, так как электронная продукция, на производство которой она нацелена, разрабатывалась и создавалась значительно раньше.

В электронике остро необходимы ФЦП опережающего уровня. Кроме того, требуется пересмотреть степень государственного участия в этой области. Для таких ФЦП нужны новые идеи, решения, платформы, программы. Публикацией своих статей в журналах «Силовая электроника» и «Современная электроника» мы стремились внести свою лепту в развитие данной сферы, предлагая идеи и решения, на годы опережающие мировой уровень, в области высокотемпературной, гиперскоростной, радиационно-стойкой электроники.

Основываясь на фундаментальных успехах академической науки (институтов РАН), выдающихся идеях в области ядерной физики, электронного материаловедения, на технологическом и интеллектуальном потенциале ведущих электронных промышленных площадок, ГНЦ, а также на разработках специалистов в области электроники, в том числе и на предлагаемых нами идеях и решениях, вполне реально, даже в случае определенного бюджетного дефицита, подготовить новую ФЦП по развитию и созданию передовых сегментов отечественной электроники, превосходящих мировой уровень.