Электронная аппаратура. Транзисторные биполярные и полевые структуры

И. К. Никифоров





                ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА




ТРАНЗИСТОРНЫЕ БИПОЛЯРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ

Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.3
ББК 31.2
     Н62


Рецензент:
канд. техн, наук, доцент кафедры промышленной электроники ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова» Г. В. Малинин




       Никифоров, И. К.
Н62 Электронная аппаратура. Транзисторные биполярные и полевые структуры : учебное пособие / И. К. Никифоров. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 480 с. : ил., табл.

           ISBN 978-5-9729-1234-6


     Рассматриваются биполярные и полевые транзисторные структуры во всем их разнообразии как полупроводниковых приборов, их особенности и применение в устройствах электронной аппаратуры. Приводится ряд примеров схем, рекомендации и методики расчета типовых схем на этих транзисторах в качестве электронных ключей, применяемых в силовых электропреобразовательных установках и мощных источниках электропитания.
     Для студентов электротехнических и радиотехнических специальностей и специалистов, занимающихся разработкой силовых электронных преобразовательных устройств и мощных источников вторичного электропитания.



УДК621.3
ББК31.2


ISBN 978-5-9729-1234-6 © Никифоров И. К., 2023

                     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОБОЗНАЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН



b     толщина пленки напыляемого материала
C     электрическая емкость
с     удельная теплоемкость
Cб    барьерная емкость
Сд    диффузионная емкость
Dn    коэффициент диффузии электронов в полупроводнике п-типа
Dp    коэффициент диффузии «дырок» в полупроводнике^-типа
dк    толщина кристалла
Ё     напряженность внешнего электрического поля
Ef    энергия уровня Ферми
Eg    энергия запрещенной зоны
Eпр   электрическая прочность материала
е     условно свободный электрон
еь    ЭДС самоиндукции
е т   термоЭДС
е ф   фотоэлектрон
f     частота тока
h     постоянная Планка
hv    фотон
i     электрический ток
j     плотность электрического тока
l     средняя длина свободного пробега электрона
к постоянная Больцмана (если не указано иное в тексте) кг    коэффициент гармоник
кн    коэффициент несинусоидальности
кп    коэффициент пульсации
ксгл  коэффициент сглаживания
l     длина
М     коэффициент размножения носителей заряда
те    масса электрона
те    эффективная масса электрона
mu    эффективная масса «дырки»
Nа    число Авогадро
Па    концентрация акцепторных зарядов (дополнительных «дырок»)
Пе    концентрация электронов
nd    концентрация донорных зарядов (дополнительных электронов)
ni    концентрация «ловушек» в структуре кристаллической решетки
п     концентрация свободных носителей зарядов в собственном
       полупроводнике i-типа
Пи    концентрация «дырок»
Р     электрическая мощность
Q     электрический заряд на обкладках конденсатора

3

qₑ    заряд электрона
r     дифференциальное электрическое сопротивление
R     электрическое сопротивление или радиус, согласно тексту
R~    сопротивление переменному току
s     площадь сечения
Svd   дифференциальная крутизна ВАХ
sк    площадь кристалла
Т     абсолютная температура
t     время
tgS   тангенс угла диэлектрических потерь
t     среднее время свободного пробега электрона
U     электрическое напряжение
Ud    действующее значение напряжения
и     «дырка» (или протонный заряд)
U„б,, обратное приложенное напряжение
Uпр   прямое напряжение
wб    размер ширины базы
х„    размер сечения полупроводника, где рассматриваются процессы
ат    температурный коэффициент
у     коэффициент рекомбинации
Ао    ширина электронно-дырочного перехода
/.,,, теплопроводность материала
р     магнитная проницамость
ре    подвижность электронов
рi    подвижность ионов
цₙ    подвижность зарядов в  полупроводнике п-типа
цₚ    подвижность зарядов в  полупроводнике^-типа
цᵤ    подвижность «дырок»
т     постоянная времени какого-либо процесса
рᵥ удельное объемное электрическое сопротивление А     глубина проникновения тока
v     частота электромагнитных колебаний
е     диэлектрическая проницаемость
ео    диэлектрическая постоянная
ф     фотон
1     длина волны
р     удельное электрическое сопротивление
рn    удельное электрическое сопротивление n-области
рр    удельное электрическое сопротивление^-области
рs    удельное поверхностное электрическое сопротивление
о     скорость движения электрона
V     средняя скорость направленного движения электронов
го    циклическая частота

4

            УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ


AC      Acces current                                             
ACCUFET Accumulation-layer MOSFET                                 
BISS    Breakthrough in Small Signal                              
CCM     Continuous Conduction Mode, режим непрерывных токов       
CrCM    Critical Conduction Mode, режим критической проводимости  
DC      Digital current                                           
DCM     Discontinuous Conduction Mode, режим прерывистых токов    
DMOS    Double-implanted MOS                                      
FBSOA   Forward Bias SOA                                          
FinFET  Fin Field Effect Transistor                               
FRD     Fast Recovery Diodes                                      
GAAFET  Gate-All-Around Field-Effect Transistor                   
GTO     Gate turn off                                             
HEMT    High Electron Mobility Transistor                         
HPHT    High Pressure High Temperature                            
HS      Hard Switch (режим «жесткого» переключения)               
IEGT    Injection Enhanced Gate Transistor                        
IGBT    Insulated Gate Bipolar Transistor                         
IPC     Intelligent Power Circuits                                
IPM     Intelligent Power Modules                                 
LDMOS   Lateral Double MOSFET                                     
LPE     Liquid Phase Epitaxi - жидкофазная эпитаксия              
MBCFET  Multi Bridge Channel FET                                  
MESFET  Metal-Semiconductor Field Effect Transistor               
MOSFET  Metall-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor        
RBSOA   Reverse Bias SOA                                          
RMG     Replacement metal gate                                    
SCSOA   Short Circuit SOA                                         
SIT     Static Induction Transistor                               
SJ      Super Junction (суперпереход)                             
SOA     Safe Operation Area                                       
SOD     Silicon-on-Diamond («Кремний на полиалмазе»)              
SON     Silicon-on-Nothing                                        
TSV     Through Silicon Via                                       
UIS     Unclamped inductive switching (режим индуктивной нагрузки)
UTB     Ultrathin Body                                            
VRG     Vertical Replacement Gate                                 
ZVS     Zero Voltage Switching, отключение при нулевом напряжении 
        (режим «мягкого» переключения)                            
БМТ     Биполярный мощный транзистор                              
(BPT)   (Bipolar Power Transistor)                                

5

BAX    Вольт-амперная характеристика                            
ГП     Гетеропереход                                            
ДЭг    Двухмерный электронный газ                               
ИВЭП   Источники вторичного электропитания                      
имс    Интегральная микросхема                                  
КЗ     Короткое замыкание                                       
ккм    Корректор коэффициента мощности (нагрузки)               
КМОП   Контакт-металл-окисел-полупроводник                      
кни    Кремний на изоляторе (Silicon On Insulator, SOI)         
КП     Коллекторный переход (коллектор-база) в ТБТ              
КТР    Коэффициент теплового расширения                         
ЛБТ    Лавинный биполярный транзистор                           
ЛИТ    Лавинно-инжекционный транзистор                          
ЛТОООЗ Лавинный транзистор с ограниченной областью объемного    
       заряда                                                   
МДП    Металл-диэлектрик-полупроводник                          
МОП    Металл-оксид-полупроводник                               
НВТ    Heterojunction Bipolar Transistor                        
ОБР    Область безопасной работы                                
ООЗ    Область объемного заряда                                 
ОС     Обратная связь                                           
ОТК    Однокаскадный транзисторный ключ (на ТБТ)                
ОЭТ    Одноэлектронные транзисторы                              
ПП     Полупроводник; полупроводниковый                         
ПТШ    Полевые транзисторах с затвором Шоттки на широкозонных ПП
РЭА    Радиоэлектронная аппаратура                              
СВЧ    Сверхвысокие(ой) частоты                                 
сии    Системы искусственного интеллекта                        
СИТ    Статический индукционный транзистор                      
СУ     Схема (система) управления                               
СФ     Стандартный формализованный (блок программы)             
СЭА    Силовая электронная аппаратура                           
ТБТ    Традиционный биполярный транзистор                       
ТЗ     Техническое задание                                      
ТУ     Технические условия                                      
УЗЧ    Ультразвуковая частота                                   
УНЧ    Усилитель низкой (звуковой) частоты                      
ШЗП    Широкозонные ПП                                          
ЭДП    Электронно-дырочный переход                              
ЭКБ    Электронно-коммутационные блоки                          
ЭМП    Электромагнитные помехи                                  
ЭМС    Электромагнитная совместимость                           
ЭП     Эмиттерный переход (эмиттер-база) в ТБТ                  
ЭС     Эпитаксиальная структура                                 
       6                                                        

            ПРЕДИСЛОВИЕ



    Данное учебное пособие продолжает серию книг, объединенных под общим заглавием «Электронная аппаратура».
    В 1-й книге были рассмотрены основы электроники, радио-и электротехнические материалы и изделия на их основе; далее при ссылке на неё -1-я кн. серии.
    Во 2-й книге были рассмотрены резисторы, предохранители, конденсаторы, применяемые как в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), так и в силовой электронной аппаратуре (СЭА) и мощных источниках вторичного электропитания (ИВЭП); далее ссылка на неё - 2-я кн. серии.
    В 3-й книге рассмотрены основы магнитоэлектроники, индуктивные компоненты и элементы СЭА и ИВЭП; аналогично, ссылка на неё - 3-я кн. серии.
    В 4-й книге рассмотрены основные материалы и технологии, применяемые в микро- и наноэлектронике и некоторые технологии для устройств силовой электроники; далее при ссылке на неё - 4-я кн. серии.
    В 5-й книге рассмотрены диодные и тиристорные структуры, их особенности применения в СЭА и ИВЭП; далее при ссылке на неё - 5-я кн. серии.
    Для понимания материала данного учебного пособия необходимо иметь базовые знания по характеристикам и свойствам полупроводниковых материалов, которые были рассмотрены в 1-й кн. серии (см. подразд. 4).
    Основная задача данного учебного пособия показать все многообразие биполярных и полевых транзисторных структур, их особенности и предпочтительные сферы применения. Основное внимание в книге делается на применение рассматриваемых транзисторов, изготовленных по разным технологиям, как электронных силовых ключей.
    Приводимые ссылки, не только на книги, но и на статьи, должны способстовать выработке у студентов самостоятельного изучения и нахождения материала по интересуемым их вопросам.

7

            1. ТРАНЗИСТОРЫ. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ


    Транзистор происходит от английского слова transistor (англ, transforme of resistance). На схемах электрических принципиальных все типы транзисторов обозначаются буквами VT. В общем случае различают три больших класса транзисторов, исходя из основной технологии изготовления и принципа работы: биполярные, униполярные (полевые) комбинированные структуры. Данный раздел посвящен перспективам и общему обзору имеющихся структур и технологий по транзисторам.

    1.1. Транзисторные структуры, достигнутые результаты в технологиях и перспективы развития

    Этапы и перспективы развития электроники, применяемые материалы и технологии рассмотрены в 4-й кн. серии. Этот и последующий подразделы расширяют указанный материал.
    Основой нынешней цивилизации является электрическая энергия, и все это обеспечивает энергетика. А главным инструментом нынешней энергетики являются инновации в электронике и, прежде всего, в силовой электронике. Развитие электронной промышленности идет по трем основным направлениям: достижение более высоких значений рабочих температур ПП-кристаллов, скорость преобразования (коммутации) электрической энергии и мощность электропреобразовательных установок с пониженными собственными потерями энергии. Мировая электроника как инновационный инструмент энергетики развивается по трем основным направлениям: температура, скорость (частота преобразования) и мощность [1.6].
    1.    К 2015 г. на основе LPE i-GaAs удалось достичь рабочих значений температур ПП-кристаллов +250 °C. На ближайшие годы поставлена задача достигнуть значений температуры кристаллов +500...+600 °C. При этом параллельно развивается альтернативное направление - углеродная электроника. По прогнозам экспертов, компоненты на ее основе смогут работать при значениях температур корпусов приборов +900. .+1000 °C.


8

    2.     Частотный диапазон в ПП силовой электронике мегават-ного диапазона мощностей заметно поднялся - до единиц и десятков килогерц. В микроэлектронике получены транзисторы, способные работать в радиоактивной среде и при мягком рентгеновском излучении (плазменные поликремниевые транзисторы), т. е. освоены частоты в миллиарды терагерц. В цифровой электронике тактовая частота превысила терагерцовый диапазон, когда была внедрена FinFET-технология с топологическим размером элемента 7 нм.
    3.    Нынешние технологии транзисторной силовой электроники все увереннее осваивают мегаватный диапазон мощностей, до 2000-х гг. доступный только силовым SCR- и GTO-тиристорам (см. 5-ю кн. серии).
    Всеми этими задачами в РФ продолжает заниматься подразделение РАН, толчком для которой послужило ФЦП «Развитие электронной компонентной базы электроники на 2008-2015 гг.». Проект развития отечественной электроники имеет четыре ярко выраженных направления: 1) материал LPE i-GaAs и гетеросистемы на его основе; 2) ЭКБ силовой электроники; 3) силовые ЭКБ СВЧ и терагерцового диапазона; 4) фотоника.
    Основными типами ПП-приборов современной СЭА являются [1.24]: 1) полевые (MOSFET); 2) биполярные с изолированным затовором (IGBT); 3) запираемые тиристоры (GTO -Gate turn off) и их модернизированный вариант - коммутируемые по затовру запираемые тиристоры (IGCT - Integrated Gate-Commutated Thyristors); 4) биполярный транзистор с изолированным затовором и увеличенной ижекцией (IEGT - Injection Enhanced Gate Transistor).
    Силовые приборы GTO и IGCT производятся рядом зарубежных фирм, включая российские разработки (ЗАО «Контур-ИНЭЛС», г. Чебоксары). Этот класс ПП-приборов на ток 4,5 кА и напряжением до 6 кВ производится в виде таблеточной конструкции для прижимного варианта (press-pack). ПП-прибор IEGT объединяет преимущества IGBT - малую мощность управления и малые коммутационные потери, широкую область безопасной работы (ОБР) с преимуществами GTO - низким прямым падением напряжения. В последние годы (после 2010 г.) идет тенденция перехода изготовления силовых преоб


9

разовательных модулей на основе IGBT. Это связано с тем, что IGBT-модули перекрывают как средний, так и большой диапазоны коммутации (рис. 1.1).


Рис. 1.1. Сравнение современных ПП-приборов по коммутационным параметрам (мощности и частоте переключения) [1.24]

    IGBT-модули могут заменить отпираемые (SCR) тиристоры и все остальные типы транзисторов на частотах до 100 кГц, но пока не способны полноценно заменить модули на GTO и IGCT (мощность коммутации десятки мегавольт-ампер). Например, в ЗАО «Контур-ИНЭЛС» (г. Чебоксары) налажен выпуск IGBT-модулей с рабочими токами 10. ..2400 А на ряд рабочих напряжений: 0,6; 1,2; 1,7; 2,5 и 3,3 кВ. Типовая конструкция корпуса IGBT-модуля с рабочим током 1,4 кА и напряжением 1,8 кВпоказананарис. 1.2.
    В области микроэлектроники достигнуты следующие результаты (материал составлен из диалога с техническим директором компании Synopsys Антуаном Домиком) [1.11].
    КМОП-технология показала свою надежность в плане развития. В совершенно иных ПП-технологиях не видно большого прогресса. За последние полвека в КМОП-технологию было ин

10