Мощный высоковольтный транзистор со статической индукцией КП926А, Б

В данной статье описаны свойства транзистора со статической индукцией КП926, который был разработан в советский период. Несмотря на свой возраст, он остается конкурентоспособным по своим технологическим параметрам и стоимости. В некоторых областях применения этот транзистор даже может превзойти современные силовые полупроводниковые приборы.

Транзистор с статической индукцией КП926 был создан в 1990 году, однако его ключевые характеристики до сих пор не освещены в научных работах. Это был первый высоковольтный транзистор такого типа, способный функционировать как в полевом, так и в биполярном режимах. Устройство предназначается для применения в источниках вторичного питания без трансформатора, в системах электропривода как постоянного, так и переменного тока, а также в регуляторах, стабилизаторах, усилительных устройствах и прочей радиоэлектронной технике. В данной статье предложены конструктивные и технологические усовершенствования транзистора КП926, которые позволяют уменьшить эффективную емкость затвора более чем в 30 раз и понизить сопротивление канала почти на три порядка. Эти доработки также дают возможность значительно увеличить максимальное рабочее напряжение и коэффициент усиления, а также обеспечить выходные характеристики кристалла, сопоставимые с биполярным транзистором.

Сравнение характеристик транзистора КП926, разработанного в 1990 году, с параметрами транзистора после его конструктивных улучшений вызывает определённый интерес.

Созданный в 1990 году высоковольтный транзистор со статической индукцией (СИТ) КП926 стал первым прибором, который мог функционировать как в полевом, так и в биполярном режимах благодаря усовершенствованной металлизации затвора. Это n-канальный транзистор с вертикальным каналом изготавливается по технологии планарно-эпитаксиального роста и использует метод самосовмещения для областей истока и затвора. Конструкция выполнена в металлостеклянном корпусе КТ-9. Данный транзистор произвел значительные изменения в области преобразовательной техники. Он отличался крайне низким сопротивлением канала в открытом состоянии (менее 22 мОм в корпусе КТ-9) и высоким быстродействием, что позволяло ему работать на частотах до 1 МГц.

Активная зона транзистора КП926 состоит из нескольких параллельно расположенных элементарных транзисторных ячеек, имеющих общую длину канала в 127,5 см. Также присутствуют девять периферийных делительных кольцов, которые способствуют обеспечению высоких значений пробивного напряжения на стоке. Затвор создаётся за счёт диффузии примеси р-типа на глубину 4,8 мкм и выполнен в виде ячеистой структуры, охватывающей n+-области истоков (каждая из которых имеет длину 250 мкм). Управление транзистором в режиме запирания происходит за счёт перекрытия проводящего канала областью пространственного заряда p-n-перехода, находящегося в обратном смещении, и изменения высоты потенциального барьера под воздействием электрического поля затвора и стока. Процесс открытия транзистора осуществляется путём подачи тока на затвор.

Ключевые электрические характеристики транзистора КП926А и КП926Б представлены в таблице 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 с статической индукцией, который был создан в 1990 году, до сих пор имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее распространёнными IGBT-транзисторами:

• значительно более низкое сопротивление в состоянии включения, так как отсутствуют p-n-переходы (в IGBT их три);
• высокая плотность тока в канале, что приводит к увеличению коэффициента усиления;
• более быстрое срабатывание, так как выключение происходит через затвор;
• лучшая способность справляться с перегрузками благодаря отрицательной температурной зависимости тока стока от температуры (см. рис. 4).

В отличие от полевых транзисторов на основе SiC, которые были разработаны за границей, данный транзистор обладает рядом значительных преимуществ:

• повышенная скорость работы (обусловленная более высокой подвижностью основных заряд carriers);
• упрощенное управление.

Кроме того, процесс производства транзистора КП926, который освоен в массовом производстве, значительно проще по сравнению с технологиями изготовления транзисторов IGBT, а особенно — транзисторов на основе SiC, так как по твердости SiC сопоставим с алмазом [3].

На сегодняшний день конструкция кристалла КП926 была усовершенствована [4], что дало возможность сократить эффективную ёмкость затвора в десять раз. Новое корпусирование кристалла обеспечивает снижение сопротивления устройства до 2–3 мОм.

В исследовании [5] представлена принципиально новая компоновка КП926, которая основана на использовании технологии Trench [6] вместе с основными методами создания СИТ [1]. Эта инновационная конструкция позволяет сократить эффективную ёмкость более чем в 30 раз, гарантируя при этом сопротивление канала в открытом состоянии менее 1 мОм (в современном корпусе) и удваивая коэффициент усиления по току.

В конструкциях транзисторов КП926 есть возможность замены n⁺-истока на изотипный гетеропереход, что может увеличить плотность основных носителей в канале в три раза [7]. Это изменение позволит транзистору функционировать исключительно в полевом режиме и поддерживать сопротивление канала ниже 0,01 мОм. Высокая плотность носителей в канале создаст условия для увеличения толщины эпитаксиальной структуры, что, в свою очередь, повысит рабочее напряжение в несколько раз без значительного влияния на сопротивление и быстродействие. Ожидается, что модифицированный транзистор КП926 сможет работать на частотах до 10 МГц и по основным характеристикам существенно превзойдёт транзисторы на SiC и GaN. Достоинством данного транзистора перед аналогами на SiC и GaN является также то, что его кристалл изготавливается с использованием простой и проверенной технологии массового производства.

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.

Источник