МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Полезная модель представляет собой мощный полупроводниковый прибор для высокочастотного переключения, выполненный в виде интегральной сборки в одном корпусе или на кристаллодержателе на основе кристаллов мощного полевого транзистора с изолированным затвором (MOSFET) низковольтного и высоковольтных сверхбыстровосстанавливающихся диодов (UFRED) для применений в высокочастотных преобразователях радиоэлектронной и электротехнической аппаратуры.
Известны конструкции мощного полупроводникового прибора для высокочастотной коммутации и переключения на основе сборочной конструкции дискретных полупроводниковых приборов. Электрическая схема данной сборки дискретных MOSFET и UFRED приборов состоит, как правило, из дискретного мощного высоковольтного MOSFET транзистора с последовательно присоединенным к стоку MOSFET низковольтным сверхбыстровосстанавливающимся диодом, прямовключенного с полевым транзистором в открытом состоянии и антипараллельно включенного с цепочкой из MOSFET транзистора и последовательного низковольтного сверхбыстродействующего диода высоковольтного ультрабыстровосстанавливающегося диода. Данная сборка из последовательных высоковольтного MOSFET, низковольтного UFRED и антипараллельно включенного им высоковольтного UFRED нашла широкое применение в схемах и устройствах при использовании жесткого резонансного переключения на реактивную нагрузку, обеспечивая высокую динамическую устойчивость к высоким значениям dI/dt и dU/dt одновременно. Все три активных полупроводниковых элемента данной сборки, как правило, выполняются на основе кремниевого материала.
В любых конструктивных исполнениях полупроводниковой структуры кремниевого полевого транзистора MOSFET для улучшения создания условий инверсии в подзатворной области в истоковой области металлический контакт истока MOSFET одновременно является контактом к аноду диодного исток-стокового p-n перехода, который является дополнительным физическим встроенным активным элементом MOSFET транзистора с индуцированным каналом.
2
rr
rr
При работе полевого транзистора с изолированным затвором на реактивную нагрузку, в частности, на индуктивную нагрузку при высоких частотах коммутации «включено» - «выключено», достигающих иногда сотен килогерц при включении, например, n-канального MOSFET транзисторного ключа, к нему приложено положительное напряжение на стоке против нулевого потенциала на истоковой части. На затвор прикладывается короткий импульс открывающего положительного потенциала относительно истока, транзистор включается до значений минимального сопротивления сток-исток, при снятии потенциала на затворе n-канального MOSFET транзистора или подаче запирающего отрицательного относительно истока сигнала транзистор запирается, накопленная на реактивной нагрузке, в частности, на индуктивной, энергия Е=LI/2 (где L - значение индуктивности активной нагрузки, I - прямой ток включения MOSFET), разряжается в период запирания MOSFET-ключа, при этом полярность на сток-истоковой области меняется на противоположную, что приводит к созданию режима включения встроенного диода сток-исток. Включение встроенного диода приводит к инжекции и накоплению неосновных носителей в стоковой области и образованию электронно-дырочной плазмы, которая требует определенного времени восстановления t, которое определяется уровнем накопленного заряда в стоковой области или катодной части встроенного диода. Чаще всего это t достаточно велико и процесс переключения внутреннего диода затягивает времена переключения MOSFET транзистора.
С целью исключения явления включения внутреннего физически и технологически встроенного в сток-исток диода в цепь стока полевого транзистора включается внешний последовательно прямовключенный относительно источника питания диод и шунтирующий пару MOSFET транзистора с прямовключенным диодом антипараллельный обратно включенный быстродействющий диод.
Последовательно включенный в цепь стока диод является прямовключенным при открытом состоянии полевого транзистора и должен минимизировать общее сопротивление открытой последовательной цепи из полевого транзистора и быстровосстанавливающегося диода. Данный диод должен быть также высокоскоростным, сверхбыстродействующим, с низкими значениями прямого падения напряжения (до 0,3 ÷ 0,5В), с большей, чем в MOSFET транзисторе пропускной токовой способностью, но в то же время с невысокими требованиями к обратным рабочим напряжениям. Как правило, в качестве последовательного диода используется диод Шоттки. При смене полярности напряжения данный диод блокирует прямое включение внутреннего диода MOSFET транзистора.
Внешний высоковольтный антипараллельный диод обеспечивает шунтирование цепи из последовательно включенных MOSFET транзистора и низковольтного скоростного диода при смене полярности напряжения внешней цепи, например, при коммутации на индуктивную нагрузку, тем самым предотвращая включение внутреннего встроенного в MOSFET транзисторе диода, который является фактором, резко ограничивающим MOSFET транзистор по частоте переключения.
Требования к внешнему антипараллельному диоду следующие:
rr
1. Внешний антипараллельный диод должен быть более скоростным, чем MOSFET транзистор, т.е. время восстановления в течение которого протекает ток τ должно быть меньше, чем время выключения MOSFET транзистора.
rr
2. Потери энергии переключения на внешнем антипараллельном диоде должны быть минимизированы, т.е. U·I·Δ t должно быть сведено к минимальным величинам.
RRM
rr
3. При переключении прямого тока на обратный и рассасывании накопленного заряда неосновных носителей в катодной части высоковольтного антипараллельного диода происходит процесс резкого нарастания и спада обратного тока. Для исключения осцилляции, колебании и всплеска напряжении  на транзисторном ключе определяемых значением реактивной составляющей нагрузки и скоростью коммутации тока dI/dt, т.е. необходима так называемая «мягкость переключения». Она определяется формой обратного тока при переключении. Форма импульса обратного тока при протекании через внешний диод выглядит в виде треугольника функции I=f(t).
В большинстве случаев в качестве внешнего антипараллельного высоковольтного быстровосстанавливающегося диода применяются до настоящего времени кремниевые ультрабыстровосстанавливающиеся диоды - UFRED.
rr
При параллеливании MOSFET транзистора и прямовключенного диода Шоттки внешним кремниевым антипараллельным диодом, кроме согласования и подбора температурных коэффициентов прямых вольтамперных характеристик, необходимы низкие значения t и коэффициент формы нарастания-спада обратного тока, близкий к единице.
rr
rr
Несмотря на применяемые современные радиационные технологии, совместить в кремниевых диодах приемлемые значения минимального t, низкие значения прямого падения напряжения после радиационной обработки диодных кристаллов для регулировки t, коэффициента формы обратного тока, его «мягкости» нарастания/спада и выполнить это сочетание не зависящим от рабочих температур, не представляется возможным.
rr
Для более эффективного решения данной задачи в качестве внешнего антипараллельного диода в цепи MOSFET транзистора с встречно включенным низковольтным ультрабыстрым диодом в современных конструктивных решениях применяют карбид-кремниевые сверхбыстровосстанавливающиеся диоды Шоттки и их модификации - JBS-диоды, имеющие исключительно низкие значения t, хороший коэффициент формы, близкий к единице при повышенной температуре эксплуатации, низкие потери при переключении.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели мощного полупроводникового прибора для высокочастотного переключения выбрана мощная полупроводниковая конструкция транзисторно-диодного электронного ключа, интегрированного в одном корпусе или на кристаллодержателе фирмы Microsemi (США) - APTM120U10SCVAG (www.microsemi.com).
Данное устройство представляет собой мощную гибридную сборку на основе кристаллов MOSFET транзистора, низковольтного кремниевого сверхбыстровосстанавливающегося диода и карбид-кремниевого (SiC) диода Шоттки. Данный транзисторно-диодный ключ имеет параметры: максимальное рабочее напряжение - 1200В; сопротивление в открытом состоянии - 0,1 Ω; максимальный рабочий постоянный ток - 86А; ультрабыстрые времена переключения.
К недостаткам данной конструкции мощного полупроводникового прибора для высокочастотного переключения на основе n-канального MOSFET транзистора, последовательного прямовключенного с ним кремниевого низковольтного быстровосстанавливающегося диода и шунтирующего их антипараллельного карбид-кремниевого диода Шоттки (или JBS-диода) относятся зависимость динамических свойств такого ключа от рабочей температуры, ограничение по частотам переключения значениями 400 ÷ 450 кГц. из-за большого значения барьерной емкости металл-полупроводник, значительных значений прямого падения напряжения вольтамперной характеристики. Необходимо также отметить, что при повышении рабочих температур SiC диодов, близких к предельным паспортным, прямое падение напряжения на карбид-кремниевом шунтирующем антипараллельном диоде возрастает в 1,5÷2 раза, что приводит к потерям мощности выключения в целом транзисторно-диодного ключа. Кроме этого, у карбид-кремниевых диодов Шоттки наблюдается деградация и нестабильность электрофизических свойств барьерного перехода металл-полупроводник. Такие диоды неприемлемы для мощных MOSFET-сборок модульного исполнения на сотни ампер с рабочими напряжениями от 600В и выше в связи с возрастанием стоимости таких модулей на порядок по сравнению с MOSFET модулями на чисто кремниевых компонентах из-за технологических сложностей изготовления кристаллов карбид-кремниевых диодов с токами в десятки ампер и напряжениями до 1200В.
Основной технической задачей предполагаемой полезной модели является резкое улучшение частотных, динамических свойств мощных полупроводниковых приборов для высокочастотного переключения, расширение их токового диапазона, области безопасной работы в статическом и динамическом режимах.
Данная задача технически достигается тем, что в известном мощном полупроводниковом приборе для высокочастотного переключения, содержащем интегрально собранные кристаллы n-канального полевого транзистора с изолированным затвором, прямовключенным с ним в стоковой области быстродействующим диодом и шунтирующим их антипараллельным обратновключенным сверхбыстродействующим высоковольтным диодом, вместо карбид-кремниевого ультрабыстрого диода используются сверхбыстродействующие высоковольтные мощные диоды на основе p-i-n структур соединений галлия-мышьяка (GaAs) или p-i-n гетероструктур соединений галлия-мышьяка/галлия-алюминия-мышьяка (GaAs или GaAs/AlGaAs).
На Фиг.1 показан мощный полупроводниковый прибор для высокочастотного переключения, содержащий интегрировано собранные в трехвыводных или более корпусах или кристаллодержателях 1 кристаллы мощного кремниевого n-канального высоковольтного полевого транзистора с изолированным затвором 2, кремниевого сверхбыстродействующего диода 3, катод которого подключен к стоку полевого кремниевого транзистора, p-i-n GaAs или p-i-n GaAs/AlGaAs 4 высоковольтных сверхбыстродействующих диодных структуры, анод которых подключен к истоку полевого транзистора, а катод - к аноду кремниевого диода 3, электрические выводы 5, 6, 7.
На Фиг.2 показана эквивалентная электрическая схема мощного полупроводникового прибора для высокочастотного переключения.
rr
GaAs p-i-n диоды в широком диапазоне области безопасной работы имеют исключительно высокое быстродействие t у них достигает значений 30 нсек при рабочих токах до 15А, напряжениях до 1200В и рабочей температуре 200÷250°С), исключительную устойчивость к температурным перегрузкам, высокую устойчивость к dI/dt и dU/dt эффектам, высокую частоту коммутации, в несколько раз превышающую значение карбид-кремниевых диодов Шоттки. Кроме этого, они выдерживают исключительно высокую энергию переключения (десятки миллиджоулей) на индуктивную нагрузку.
+
Вышеуказанные характеристики GaAs p-i-n диодов значительно улучшаются при модификации p-i-n GaAs диодной структуры в p-i-n GaAs/AlGaAs диодную гетероструктуру. В GaAs/AlGaAs структуре гетеропереходный слой из n-типа AlGaAs выполнен на поверхности катодной области p-i-n GaAs эпитаксиальной диодной структуры. Создание дополнительного слоя AlGaAs на диодной p-i-n GaAs структуре приводит к снижению прямого падения напряжения вольтамперной характеристики гетеродиодной структуры, улучшает динамику переключения, способствует повышению рабочей температуры, улучшает «мягкость» формы тока обратного восстановления, снижает заряд восстановления и, следовательно, величину тока обратного восстановления.
2
3
Мощный полупроводниковый прибор для высокочастотного переключения изготавливается на керамических (на основе ВеО, АLN,ALO и др) или металлокерамических держателях кристаллов и в металлокерамических, металлопластмассовых, металлостеклянных корпусах с изолированным фланцем (основанием). Посадка, монтаж кристаллов производится на установках посадки кристаллов или методом вакуумной, водородно-восстановительной пайки мягкими или твердыми припоями при температурах от 250°С до 450°С. Монтаж межсоединений осуществляется, как правило, ультразвуковой разваркой алюминиевых выводов от 100 до 500 мкм на полуавтоматических установках присоединения выводов.
Гибридная транзисторно-диодная сборка из кристаллов MOSFET-транзисторов, диодов защищается специальными компаундами, фотоимидами и др. специальными защитными материалами.
Отдельные полупроводниковые элементы данного мощного полупроводникового прибора для высокочастотного переключения выполнены по следующим технологиям:
1). n-канальные MOSFET-транзисторы 2 с встроенным внутренним диодом выполнены по одной из планарно-эпитаксиальных технологий - «DMOS», «Trench» или «COOLMOS».
2). Ультрабыстрый, как правило, кремниевый диод 3 выполнен по планарно-эпитаксиальной или меза-планарной технологии.
3). Ультрабыстрые GaAs или GaAs/AlGaAs диоды выполнены по технологии жидкостной эпитаксии (LPE) или смешанной эпитаксии - LPE и MOS-гидридной, а в некоторых случаях LPE и молекулярно-лучевой эпитаксии с последующим формированием меза-чипов со сложными системами метавллизации анода - на основе Ti/Ni/Au или Ti/Ni/Ag, катода - на основе AuGe/Ni/Au или AuGe/Ni/Al.