Силовая полупроводниковая электроника Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Силовая полупроводниковая электроника

Игорь ГРЕХОВ, д. ф.-м. н., член-корреспондент РАН, профессор

[email protected]

Во всех развитых странах свыше 60% вырабатываемой электроэнергии проходит через полупроводниковые преобразователи, и поэтому уровень преобразовательной техники оказывает существенное влияние на энергетику в целом. В России сегодня через полупроводниковые преобразователи проходит лишь 30% вырабатываемой электроэнергии. Оценки показывают, что рост этого значения до мирового уровня позволит экономить энергии больше, чем дает, например, вся атомная энергетика.

Примерная структура потребления электроэнергии показана на рис. 1. Около 60% потребления приходится на электропривод, где переход с нерегулируемого привода на регулируемый с помощью полупроводниковых преобразователей частоты, позволяет экономить в среднем более 25% электроэнергии. На транспорте регулируемый привод с рекуперацией энергии в сеть при торможении экономит около 30% энергии, большую экономию дают статические компенсаторы реактивной мощности линий электропередач и т. д.

Основными активными элементами преобразователя являются силовые полупроводниковые приборы, а основным полупроводниковым материалом вот уже более сорока пяти лет — монокристаллический кремний.

Условно современные силовые кремниевые приборы можно разделить на две большие группы. Первая группа приборов, применяемых в настоящее время в основном для преобразования очень больших мощнос-тей(от единиц мегаватт и выше), — это мощ-

ные диоды и тиристоры, а также запираемые тиристоры (ЗТ) и их модификации. Технологические основы производства приборов данной группы были заложены в 1960-70 годах. Приборы второй группы — полевые и биполярно-полевые транзисторы (МО8БЕТ и ЮВТ) — представляют, по сути, силовую интегральную схему из сотен тысяч элементарных приборных ячеек на одном чипе, изготовляемом на основе современных микроэлектронных технологий.

В диапазоне очень больших мощностей (десятки мегаватт и выше) доминирующим прибором является мощный высоковольтный тиристор. Полупроводниковая структура тиристора (рис. 2) состоит из четырех расположенных друг над другом слоев кремния чередующегося типа проводимости. Они образуют три рп-перехода; два крайних — эмиттеры — смещены в проводящем, а центральный — коллектор — в запорном направлении; он блокирует приложенное к прибору напряжение. Для переключения прибора в цепи база-катод пропускается короткий

импульс тока, сопровождающийся инжекци-ей электронов в р-базу. Поскольку из-за большого тангенциального сопротивления тонкой р-базы плотность управляющего электронного тока быстро уменьшается по мере удаления от базового контакта, то переключение прибора происходит в узкой (сотни микрон) области вдоль границы база-коллектор и затем медленно распространяется по всей площади. Именно поэтому тиристор не может быть выключен импульсом обратного тока в управляющей цепи; для выключения приходится прервать ток в силовой цепи на время, необходимое для рекомбинации электронно-дырочной плазмы в базах. Это является основным недостатком тиристора, из-за которого он был вытеснен приборами с полным управлением в сравнительно узкую область очень больших мощностей, где такие достоинства тиристора, как малое остаточное напряжение при большой плотности прямого тока и большом рабочем напряжении, высокая перегрузочная способность и относительно малая стоимость, являются определяющими.

Параметры современных высоковольтных тиристоров очень велики. Так, тиристор с кремниевой структурой диаметром 125 мм имеет средний рабочий ток более 5 кА при рабочем напряжении 6 кВ. Основные области применения — сверхмощные преобразователи в линиях электропередач (ЛЭП) постоянного тока, вставки постоянного тока между энергосистемами, статические компенсаторы реактивной мощности в ЛЭП переменного тока и другие мощные устройства. В качестве примера на рис. 3 показана вставка постоянного тока на напряжение 250 кВ и мощность 300 МВт между энергосистемами в Японии; более мощная вставка (400 кВ, 1400 МВт), расположенная у нас под Выборгом, уже почти двадцать лет бесперебойно передает энергию в энергосистемы Финляндии. На рис. 4 показан тиристорный блок (235 кВ, 800 А), разработанный для ЛЭП ПТ

Электропривод переменного тока

45% Электроду привод

Электро- 6% постоянного

транспорт 10% 30% тока

Освещение, Тепловь|е>

химические, оытовая электрохимические техника процессы в

промышленности

Рис. 1. Структура потребления электроэнергии

Полупроводниковый элемент

®076 м

2 — коллекторный переход

4 — область объемного заряда коллектора

5 — область первоначального включения

U = 4,4 кВ; I = 1,6 кА

Рис. 2. Мощный высоковольтный тиристор (при диаметре кремния 125 мм рабочий ток 5 кА, блокируемое напряжение 6 кВ)

Рис. 3. Тиристорная вставка постоянного тока

между энергосистемами

(напряжение 250 кВ, мощность 300 МВт)

Рис. 4. Тиристорный блок для

ЛЭП ПТ Экибастуз—Центр (6000 МВт, 1,5 МВ, 2500 км).

Рабочее напряжение 235 кВ, ток 800 А

Экибастуз-Центр (1,5 млн В, 6000 МВт, 2500 км).

В области мощностей в единицы и десятки мегаватт доминирующим прибором является запираемый тиристор — ЗТ (рис. 5). Катодный п+р-эмиттер этого прибора состоит из нескольких тысяч полос, полуширина которых примерно равна ширине области первоначального включения (рис. 5б). При такой геометрии выключающий импульс управляющего тока воздействует на всю включенную область эмиттерной полоски, прерывая инжекцию электронов и приводя тем самым к выключению прибора. При этом совершенно необходимо обеспечить строгую синхронность выключения всех эмиттерных полос, поскольку рассогласование приводит к локализации тока и разрушению прибора. В современных ЗТ эта проблема решается путем так называемого «жесткого» выключения: выключающий импульс

Рис. 5. Запираемый тиристор ^ТО).

Запираемый ток до 6 кА,

блокируемое напряжение до 6 кВ, кремний 0140 мм

тока имеет амплитуду, сравнимую с силовым током, и время нарастания в доли микросекунды. Конструкция мощной малоиндуктивной системы для такого выключения приведена на рис. 5в. Данная конструкция ЗТ с интегрированной системой управления сейчас является основной; она получила название Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT). В настоящее время самым мощным в мире является ЗТ фирмы АВВ на кремнии диаметром 140 мм — выключаемый ток 6000 А, рабочее напряжение 6 кВ.

В диапазоне мощностей ниже единиц мегаватт и частот от десятков герц до десятков килогерц, где потребляется основное количество электроэнергии, доминирующий прибор — это биполярно-полевой транзистор (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT). Он представляет собой силовую интегральную схему, ее элементарная ячейка состоит из высоковольтного биполярного транзистора, в цепь управления которой включен полевой транзистор. Характерный размер ячейки 10-15 мкм, и на стандартном чипе площадью ~1 см2 размещается несколько сотен тысяч параллельно работающих ячеек. Конструкция элементарной ячейки показана нарис. 6. Она состоит из высоковольтного р+№№р+-биполярного транзистора и N+pN“ полевого транзистора с инверсионным каналом. При подаче положительного смещения на поликремниевый затвор полевого транзистора формирующийся в р-слое инверсный n-канал замыкает №-исток с N^-слоем. Электронный ток, протекающий в этой цепи, является током управления p+N+N“р+-биполяр-ного транзистора, через который протекает силовой ток. Для выключения к затвору прикладывается отрицательное смещение, что приводит к быстрому исчезновению инверсного канала и обрыву базового тока биполяр-

N + буферный слой

Р+ подложка

Рис. 6. Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT)

Рис. 7.

а) конструкция элементарной ячейки и чипа микротиристоров

б) низковольтный полевой транзистор 50 А, 30 В

в) высоковольтный микротиристорный чип 7x7 мм2, 20 А, 2,5 кВ

ного транзистора, который выходит из насыщения и выключается. Принципиальными достоинствами ЮВТ являются малая потребляемая мощность в цепи управления для включения и выключения, а также высокое быстродействие. Недостатками — повышенное (по сравнению с ЗТ) остаточное напряжение во включенном состоянии, сложность сборки чипов в корпус, а также высокая сложность технологии изготовления самих чипов.

Современный уровень микроэлектронных технологий позволяет производить ЮВТ-чипы площадью ~1см2 с приемлемым выходом годных; рабочий ток такого чипа ~50-70 А. Параллельное соединение чипов производится достаточно просто, и поэтому ЮВТ-модули на ток до нескольких килоампер являются в общем рядовой продукцией.

Самый массовый сектор мирового рынка силовой электроники — преобразователи в диапазоне напряжений 0,6-1,7 кВ — сейчас полностью базируется на ЮВТ. Следующий диапазон напряжений — до 3,3 кВ — в настоящее время интенсивно осваивается ведущими фирмами. В диапазоне напряжений 4,5-6,5 кВ, характерном для мегаваттных систем, ЮВТ пока проигрывают запираемым тиристорам.

Преобразователи малой мощности сегодня базируются в основном на мощных полевых транзисторах (МОПТ, МОЗБЕТ). Такой транзистор тоже представляет собой силовую интегральную схему, состоящую из сотен тысяч транзисторных ячеек. Рабочее напряжение мощных ПТ обычно не превышает 500 В; рабочий ток — от единиц до сотен ампер, а диапазон частот — до сотен мегагерц.

В СССР силовое полупроводниковое приборостроение как отрасль электротехнической промышленности было создано в 1960-70-е годы в результате совместной работы ФТИ им. Иоффе РАН, завода «Электровыпрямитель» (Саранск) и ВЭИ им. Ленина (Москва). Основные приборы того времени — силовые диоды и тиристоры — по параметрам соответствовали мировому уровню, их стоимость — во многом благодаря эффективной технологии — была примерно втрое ниже мировой, а объем производства на пяти специализированных заводах полностью обеспечивал потребности всех отраслей промышленности. В середине 1970 годов началось отставание отрасли от мирового уровня, которое стало катастрофическим в 1990-х, когда в мировой силовой электронике произошли революционные изменения, связанные с началом массового производства мощных полевых и биполярно-полевых транзисторов. В силу известных обстоятельств российская промышленность не могла принимать никакого участия в этом процессе. В результате сейчас в России нет собственного производства самых массовых приборов силовой электроники. В 2004 году структура российского рынка силовых полупроводниковых приборов с общим объемом около 2 млрд руб. выглядела так: приборы

1-й группы (тиристоры и диоды) — 44% (собственное производство и экспорт), приборы

2-й группы (ЮВТ, МО8БЕТ) — 56% (только импорт). Таким образом, сейчас Россия ежегодно тратит более миллиарда рублей на импорт, в основном ЮВТ, и, согласно прогнозу, в 2012 г. будет тратить более 6 млрд руб. Такая зависимость от импорта опасна не только экономически, но и стратегически.

Вообще говоря, маломасштабное сборочное производство ЮВТ на базе импортных чипов в России уже имеется. Также были предприняты попытки создать собственное производство чипов на диапазон напряжений 600-1700 В для наиболее массовых преобразовательных устройств, но конкуренция в этом диапазоне со стороны зарубежных фирм оказалась слишком высокой, а следующие диапазоны напряжений — до 3 кВ и 4,5-6,5 кВ — слишком сложными технически. Сейчас во ФТИ им. Иоффе совместно с АО «Светлана-Полупроводники» ведутся работы по созданию прибора, альтернативного ЮВТ и предназначенного для диапазона 2,5-6,5 кВ. Прибор представляет собой чип микротиристоров, управляемый одним внешним полевым транзистором с малым сопро-

тивлением канала. Такое разделение биполярной и полевой компонент резко упрощает технологию и в то же время позволяет получить статические характеристики, существенно лучшие, чем у ЮВТ. Работа находится в начальной стадии, но первые результаты обнадеживают. Конструкция элементарной ячейки и чипа микротиристоров показана на рис. 7.

Иная ситуация сложилась в области силовой полупроводниковой импульсной электроники. Конечно, по масштабам преобразования энергии эта область составляет очень малую часть всей силовой электроники, но она является принципиально важной для многих новых промышленных и оборонных технологий, а также для ряда базовых направлений физических исследований, таких, например, как термоядерный синтез с инерци-альным удержанием плазмы. Требуемая мощность импульса обычно находится в пределах от десятков мегаватт до десятков гигаватт и более, с временем нарастания импульса от десятков пикосекунд до десятков микросекунд. Физическая база для создания быстрых полупроводниковых переключателей, способных работать в данных диапазонах мощностей, была создана в нашей стране, и сейчас Россия продолжает занимать лидирующие позиции в этой области силовой электроники.

Возможность генерации субнаносекунд-ных импульсов большой мощности с помощью ударно-ионизационных волн в полупроводниках была впервые обнаружена в ФТИ им. Иоффе. Физическая природа этого явления выглядит в рамках современных представлений следующим образом.

Было установлено, что в кремниевых приборах с рп-переходами, изготовленных по принятой в России технологии глубокой диффузии алюминия из его окислов, в базовой области образуется довольно много (~1012 см-3) донорных термодефектов — электронных ловушек с двумя уровнями в запрещенной зоне кремния Е = 0,28 эВ (и-уровень) и Е = 0,54 эВ (М-уровень), рис. 8а. Сечение захвата дырок у этих уровней очень малое (10-17 см2 и <10-20 см2 соответственно), поэтому они практически не влияют на генерационно-рекомбинационные процессы. Оказалось, однако, что М-уро-вень, заполненный при рабочих температурах, играет определяющую роль в процессе субнаносекундного переключения.

При очень быстром нарастании импульса напряжения (порядка 1 кВ/нс) обычные термогенерационные процессы не успевают создать в расширяющейся области объемного заряда рп-перехода свободные носители в количестве, достаточном для развития лавинного пробоя. Однако, когда напряженность поля у рп-перехода достигает величины ~3-105 В/см (то есть в 1,5-2 раза больше критической величины Ев для лавинного пробоя в статических условиях), начинается туннельно-термическая ионизация электронных ловушек (рис. 8б). Освобождающиеся электроны оказываются в области сверхкритического поля

Рис. 8. Ударно-ионизационный фронт в кремнии

а)уровни донорных термодефектов (электронных ловушек) в S¡

(концентрация 1011—1013 см-3; сечение захвата дырок <10-20 см2)

б)туннельно-термическая ионизация ловушек

в) движение ударно-ионизационного фронта

(1 = 1! — начало переключения, ионизация ловушек; 1 = 12 — движение фронта)

и вызывают очень быстро развивающийся процесс ударной ионизации кремния и образование у рп-перехода узкой области электронно-дырочной плазмы высокой концентрации (рис. 8в). В плазме поле резко падает, но возрастает на ее правой границе, что вызывает там ионизацию ловушек и т. д. Формирующийся таким образом ионизационный фронт пробегает всю базовую область, заполняя ее хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой, напряжение на диоде падает, а ток в цепи резко возрастает. Скорость движения фронта определяется в основном величиной поля в за-критической области и обычно в 3-5 раз превышает предельно-возможную (насыщенную) скорость движения электронов в кремнии У5, что и делает возможным сверхбыстрое (суб-наносекундное) переключение диода.

Такие же процессы протекают в более сложных, тиристорных структурах. На рис. 9а показан процесс формирования ионизационных фронтов у коллектора динисторной струк-

Рис. 9. Динистор с быстрой ионизацией (FID)

а) процесс формирования ионизационных фронтов у коллектора динисторной структуры и заполнения плазмой базовых слоев

б) импульсный генератор для газовых лазеров (напряжение 15 кВ, ток 1 кА, фронт 3 нс, частота 100 Гц)

в) импульсный генератор для мощных ЭМ излучателей (напряжение 40 кВ, пик. мощн. 70 МВт, фронт 140 пс, частота 100 Гц)

туры и заполнения плазмой базовых слоев. После субнаносекундного переключения динистор поддерживается во включенном состоянии обычным тиристорным механизмом. Этот прибор, названный динистором с быстрой ионизацией (FID), сейчас является самым эффективным нано- и субнаносекундным переключателем, на основе которого выпускаются и экспортируются практически во все развитые страны мощные генераторы импульсов для многих отраслей науки и техники. На рис. 9б показан типичный генератор для питания азотного лазера, а внизу — мощный генератор субнаносекундных импульсов с пиковой мощностью 70 МВт. На основе таких генераторов в Институте теплофизики экстремальных состояний построены, например. фазированные решетки сверхмощных электромагнитных излучателей с пиковой мощностью порядка сотен мегаватт и более. Подобные системы сегодня могут быть созданы лишь в России, поскольку только здесь есть соответствующая элементная база.

Недавно выполненное численное моделирование показало, что в определенных условиях может быть сформирован фронт нового типа с гораздо большей скоростью перемещения, чем обычный ударно-ионизационный фронт. Оказалось, что если к обратносмещенному кремниевому диоду без глубоких центров в n-базе приложить еще более быстро (~10 кВ/нс) нарастающий импульс перенапряжения, то ударная ионизация не развивается до тех пор,

пока напряженность поля у рп-перехода не превысит порог туннельной ионизации (~106 В/см). Появляющиеся после этого свободные электроны оказываются в области сверхсильного поля и инициируют интенсивный ударно-ионизационный процесс, сопровождающийся появлением электронно-дырочной плазмы высокой концентрации и перемещением туннельно-ударно-ионизационного фронта со скоростью на порядок большей, чем у обычных ударно-ионизационных фронтов. Как видно из рис. 10, переключатель, созданный на основе данного явления, должен иметь уникальные характеристики: кремниевый диод с толщиной базы 100 мкм и площадью

2-10-3 см2 формирует в нагрузке импульс тока в 200 А с напряжением 8 кВ и временем нарастания 20 пс, причем скорость движения ионизационного фронта в конце процесса лишь на порядок меньше скорости света.

Приборы, о которых шла речь, являются замыкающими переключателями для систем с емкостными накопителями. Генерация же мощных наносекундных импульсов в системах с индуктивным накоплением энергии производится с помощью быстрых размыкателей тока. Современные мощные наносекундные полупроводниковые размыкатели базируются на двух эффектах, открытых в России, — эффекте сверхбыстрого восстановления мощного диода, открытом в ФТИ им. Иоффе, и так называемом 808-эффекге, открытом в Институте электрофизики УрО РАН.

и

Рис. 10. Туннельно-ударноударно-ионизационный фронт в S¡ (численное моделирование: базовая система уравнений включает процессы переноса, ударную ионизацию и туннельную ионизацию зона-зона)

Параметры модельной р+пп+-структуры: Wn = 100 ^т, 1014см-3, иь= 1,5 кВ, S = 2-10-3 см2

Скорость нарастания перенапряжения ~10 кВ/нс

а) напряжение на структуре и ток в процессе переключения. Пунктиром показано внешнее напряжение

б) движение туннельно-ударно-ионизационного фронта. Кривые 1, 2, 3, 4 для 1 = 735, 745, 750, 752 пс, соответственно

К сожалению, в одной статье невозможно рассказать о физике процессов, протекающих в этих приборах при наносекундном размыкании больших токов. Отмечу только, что на их основе были созданы мощные, надежные и недорогие генераторы наносекундных импульсов с мощностью до нескольких гигаватт.

В качестве примера на рис. 11 показаны два мощных 808-генератора, выпускаемые в ИЭФ УрО РАН; мощность в импульсе более гигаватта при напряжении 1 МВ.

Микросекундная коммутация очень больших, в сотни тысяч и даже миллионы ампер, токов полупроводниковыми приборами стала возможной после создания во ФТИ РАН реверсивно включаемого динистора, РВД. Это прибор тиристорного типа, полупроводни-

Рис. 11. Наносекундные генераторы на основе SOS-диодов

а) напряжение 1 МВ, ток 1 кА, длительность 30 нс, частота 300 Гц

б)напряжение 400 кВ, ток 1,5 кА, длительность 30 нс, частота 300 Гц

ковая структура которого состоит из нескольких десятков тысяч чередующихся тиристорных и транзисторных секций с общим коллектором (рис. 12а). Для включения прибора полярность внешнего напряжения изменяется на короткое время (доли микросекунды), и через транзисторные секции проходит короткий импульс тока. Электронно-дырочная плазма инжектируется в п-базу, создавая тонкий плазменный слой по всей плоскости коллектора. Насыщающийся реактор L разделяет на это время силовую и управляющую цепи. Через доли микросекунды реактор насыщается и к прибору приклады-

вается напряжение первоначальной полярности. Внешнее поле вытягивает дырки из плазменного слоя в р-базу, вызывая инжекцию электронов п+-эмиттером и переключение прибора однородно и одновременно по всей площади, практически независимо от ее величины. Такой характер включения позволяет коммутировать очень большие токи с большой скоростью нарастания. Типичная осциллограмма коммутации показана на рис. 12б: РВД с диаметром кремния 76 мм после прохождения импульса накачки коммутирует ток в 200 кА со скоростью нарастания 50 кА/мкс. В принципе, РВД на доступном сейчас диаметре кремния 140 мм будет коммутировать ток около 1 млн А. Ограничивающим процессом является тепловое шнурование: когда концентрация термогенерируемых носителей приближается к концентрации инжектированной плазмы, происходит локализация тока и разрушение прибора. Типичные конструкции РВД-ключей приведены на рис. 12в, г.

В заключение несколько слов о перспективах. В течение более чем сорокапятилетнего господства кремния в силовой электронике было ясно, что карбид кремния по своим физическим свойствам является гораздо более перспективным материалом. На рис. 13 показаны сравнительные параметры этих материалов: 8Ю имеет на порядок большую напряженность поля лавинного пробоя, втрое большую теплопроводность и вдвое большую насыщенную скорость электронов. Рабочая

н

силовая . цепь '

р

W м/ \N t Mt \ь

|«*|р|„*|р|„*

упр.

цепь

1(кА)

И

tynp = 3,0 |js, LHac = 1,4 pH, dI/dt = tynp = 0,5 js, Lh3C = 0,23 jH, dI/dt 14,6 kA/ps

= 52 kA/ps

, ...

200 t(MS)

Рис. 12. Мощные переключатели на основе реверсивно включаемых динисторов(РВД)

а) полупроводниковая структура РВД

(U = 25 кВ, С = 2000 рФ, R = 0,11 Ом, 1_сц = 0,25 pH)

б) типичная осциллограмма коммутации в, г) типичные конструкции РВД-ключей

в) импульсный ток — 170 кА, ширина импульса — 500 ps, рабочее напряжение — 25 кВ, dI/dt — 20 кА/ps

г) импульсный ток — 200 кА, ширина импульса — 500 ps, рабочее напряжение —15 кВ, dI/dt — 50 кА/ps

Материал Si 4H-SiC

Ширина запрещенной зоны, eV 1,12 3,2

Критическое поле лавинного пробоя, В/см 2,5*105 3-106

Насыщенная скорость дрейфа электронов, см/сек 1-107 2*107

Теплопроводность, Вт/смК 1,3 4,9

Подвижность электронов, см2/Всек 1400 1000

Рис. 13. Карбид кремния, S¡C

а) объемные кристаллы S¡C (сублимационный метод выращивания)

б) пластина S¡C, отполированная с двух сторон

температура у него примерно втрое выше из-за большей ширины зоны, на два порядка выше радиационная стойкость. Такое сочетание параметров позволяет резко улучшить харак-

теристики практически всех приборов силовой электроники и преобразователей на их основе. Реально вЮ приборного качества стал коммерчески доступным в последние 5-6 лет, и работы по созданию вЮ-силовой электроники начали развиваться очень быстро, причем сейчас США являются бесспорным лидером. Предполагается, что к 2015 году основная часть военной и значительная часть общепромышленной силовой электроники там будут базироваться на вЮ.

В 1980-х годах СССР лидировал в области вЮ-технологий, но затем в связи с известными событиями финансирование этих работ прекратилось, и созданные технологии ушли за рубеж вместе с эмигрантами. В США при широкой государственной поддержке началось очень быстрое развитие вЮ-технологий, которое сейчас продолжается с нарастающими темпами. И если сегодня не принять решительных мер, наше отставание скоро станет безнадежным. До недавнего времени именно такой ход событий представлялся неизбежным, однако теперь появились некоторые надежды. В Республике Мордовия, где расположен крупный завод, выпускающий около 80% российских силовых полупроводниковых приборов, начались работы по созданию вЮ-индустрии. Из республиканского бюджета были выделены средства для организации Научно-производственного комплекса широкозонных материалов с филиалом в Санкт-Петербурге.

В течение нескольких лет планируется организовать небольшое производство с полным циклом: вЮ-монокристаллы, пластины, ерЬпленки и приборы на их основе. ■