Мощный высоковольтный транзистор со статической индукцией КП926А, Б

Транзистор со статической индукцией КП926 был разработан в 1990 году, но до сих пор его основные параметры не были представлены в литературе, хотя он был первым высоковольтным транзистором данного класса, способным работать как в полевом, так и в биполярном режиме. Транзистор предназначен для использования в источниках вторичного электропитания с бестрансформаторным входом, устройствах электропривода постоянного и переменного тока, регуляторах, стабилизаторах, усилителях мощности и другой радиоэлектронной аппаратуре. Сегодня автором данной статьи предложены конструктивно-технологические доработки транзистора КП926, которые обеспечивают снижение эффективной ёмкости затвора более чем в 30 раз, снижение сопротивления канала почти на три порядка, позволяют в несколько раз повысить максимально допустимое рабочее напряжение и коэффициент усиления, обеспечить выход годных по кристаллу, соизмеримый с биполярным транзистором.

Представляет интерес сравнение параметров транзистора КП926 разработки 1990 года с параметрами транзистора после конструктивных доработок.

Разработанный в 1990 году высоковольтный транзистор со статической индукцией (СИТ) КП926 с развитой металлизацией затвора был первым прибором, способным работать как в полевом, так и в биполярном режиме. Транзистор n-канального типа с вертикальной структурой канала изготавливается по планарно-эпитаксиальной технологии с использованием метода самосовмещения областей истока и затвора [1]. Конструктивно он выполнен в металлостеклянном корпусе КТ-9 (рис. 1). Транзистор произвёл целую революцию в преобразовательной технике. Он имел супернизкое сопротивление канала в открытом состоянии (в корпусе КТ-9 менее 22 мОм) и высокое быстродействие (способен был работать на частоте до 1 МГц).

Активная область транзистора КП926 состоит из параллельно соединённых элементарных транзисторных ячеек с суммарной протяжённостью канала 127,5 см и девяти периферийных делительных колец для обеспечения высоких пробивных напряжений стока. Затвор формируется диффузией примеси р-типа на глубину 4,8 мкм и выполнен в виде ячеистой структуры, охватывающей n+-области истоков (длина каждой области составляет 250 мкм). Управление транзистором при запирании осуществляется перекрытием проводящего канала областью пространственного заряда обратно-смещённого p-n-перехода затвор-исток и изменением высоты потенциального барьера полем затвора и стока, открывание – закачкой тока в затвор.

Основные электрические параметры транзистора КП926А, Б приведены в табл. 1.

Условные обозначения: I_{з ут} – ток утечки затвор-исток; I_{зс ут} – ток утечки затвор-сток; U_{зи отс} – напряжение отсечки; R_{си отк} – сопротивление в открытом состоянии; S – крутизна характеристики; β* – коэффициент усиления по току; μ* – коэффициент усиления по напряжению.

Максимально допустимые электрические параметры приведены в табл. 2.

U_{си макс} – максимально допустимое напряжение сток-исток;
U_{зс макс} – максимально допустимое напряжение затвор-сток;
U_{зи макс} – максимально допустимое напряжение затвор-исток;
I_{с макс} – максимально допустимый ток стока;
I_{пр.з макс} – максимально допустимый прямой ток затвора;
I_{пр з им макс} – максимально допустимый прямой ток затвора импульсный;
Р_макс – максимальная мощность при температуре корпуса от –60 до +25˚С.

На рис. 2 приведены выходные вольтамперные характеристики для двух режимов работы: полевого и биполярного.

На рис. 3 представлена зависимость Rси отк от тока затвора при различных значениях тока стока, на рис. 4 – зависимость Rси отк от температуры на корпусе, а на рис. 5 и 6 – соответственно зависимость ёмкостей затвор-исток и затвор-сток от прикладываемых напряжений [2].




Полевой транзистор КП926 со статической индукцией, разработанный в 1990 году, и сегодня обладает рядом преимуществ по сравнению с наиболее распространёнными транзисторами IGBT: 

• гораздо меньшее сопротивление в открытом состоянии, так как на пути протекания тока нет ни одного p-n-перехода (у IGBT их три);
• бóльшая плотность тока в канале и, соответственно, больший коэффициент усиления;
• более высокое быстродействие, так как выключается через затвор;
• более высокая перегрузочная способность, так как имеет отрицательную температурную зависимость тока стока от температуры (рис. 4). 

По сравнению с появившимися за рубежом полевыми транзисторами, выполненными на SiC, он также имеет ряд существенных преимуществ: 

• более высокое быстродействие (из-за более высокой подвижности основных носителей тока);
• более простое управление. 

Кроме того, технология изготовления транзистора КП926, освоенная в серийном производстве, намного проще, чем технология производства транзисторов IGBT и, особенно, транзисторов на SiC, так как SiC по твёрдости соизмерим с алмазом [3].

Сегодня конструкция кристалла КП926 доработана [4], что позволило уменьшить эффективную ёмкость затвора на порядок, а современное корпусирование кристалла позволит уменьшить сопротивление прибора до 2…3 мОм.

В работе [5] предложена принципиально новая конструкция КП926, которая основана на использовании Trench технологии [6] и базовой технологии создания СИТ [1]. Данная конструкция позволяет снизить эффективную ёмкость более чем в 30 раз, обеспечить сопротивление канала в открытом состоянии менее 1 мОм (в современном корпусе) и увеличить коэффициент усиления по току в 2 раза. 

Во всех конструкциях КП926 можно вместо n⁺-истока сформировать изотипный гетеропереход, что позволит повысить в канале плотность основных носителей на три порядка [7]. Это позволит работать транзистору только в полевом режиме и иметь при этом сопротивление канала менее 0,01 мОм. Такая высокая плотность в канале основных носителей позволит увеличить толщину эпитаксиальной структуры и тем самым увеличить рабочее напряжение в несколько раз без особого ущерба сопротивлению и быстродействию. Ожидается, что транзистор КП926 с такими доработками будет способен работать на частотах до 10 МГц и по основным параметрам значительно превосходить транзисторы на SiC и GaN. Также его достоинством перед транзисторами на SiC и GaN будет то, что кристалл изготавливается по довольно простой, хорошо отработанной в серийном производстве технологии.

Литература

• Максименко Ю.Н., Корнилова С.Н., Жуковский Н.М. Авторское свидетельство № 1215546 СССР, МКИ HOI 21/18. Способ изготовления полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом и вертикальным каналом: № 3052227 : заявл. 22.06.1982 : зарег. в Госреестре изобретений СССР 01.11.1985. 
• Агафонов С.М., Бономорский О.И., Макаров В.А. и др. Исследование вольфарадных характеристик транзисторных структур с электростатической // Сб. науч. трудов № 76. М.: Моск. энерг. ин-т, 1985. C. 111–113.
•  Войтович В.Е., Гордеев А.И. Эскизы контуров силовой электроники середины текущего века // Современная электроника. 2015. № 5.
• Максименко Ю.Н. Транзистор со статической индукцией КП926 с повышенным быстродействием // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 2022. № 3.
• Максименко Ю.Н. Мощный высоковольтный идеальный полупроводниковый ключ // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. 2022. Вып. 4. С. 165–166.
• Колпаков А. Технология построения силовых модулей IGBT-NPT, Trench, SPT… Что дальше? / // Силовая электроника. 2006. № 3. 
• Максименко Ю.Н. Мощные полупроводниковые приборы со статической индукцией: монография. Новосибирск: PVN, 2022. 214 с.