Transcript Современная электронная компонентная база на основе
«Современная электронная компонентная база на основе арсенида галлия»
E-mail: [email protected]
Тел. (834) 225-46-74 Докладчик: Зам. технического директора по техническому развитию и инновациям С. Н. Кузнецов 1
GaAs
– материал, сочетает преимущества
Si
формирование приборных структур) и
SiC
(технология получения, – широкий диапазон рабочих температур (до 250 o
C
), широкий диапазон рабочих частот – десятки и сотни
ГГц
, вполне оправданно занимает нишу между
SiC
. Не претендуя на замену ни
Si
, ни
SiC
,
GaAs
технологично и относительно недорого изготавливать широкую и, заканчивая, силовыми полупроводниковыми приборами.
Si
и позволяет достаточно гамму полупроводниковых приборов, начиная от самых маломощных Быстродействие полупроводниковых приборов на
GaAs
примере такого параметра как «
Время восстановления
на
обратного сопротивления
» силовых диодов может составлять единицы
нс
без радиационной обработки
.
Профиль концентрации примесей в
GaAs p-i-n
структуре –
Использование современного аналитического оборудования обеспечивает высококачественный анализ структуры, изготавливаемых кристаллов GaAs p-i-n – диодов (профилометр CVP 21 )
Электрические параметры диодов на основе GaAs ( в сравнении с
Si
диодами и
SiC
– диодами Шоттки )
Наименование параметра
1 Обратное напряжение
U
RRM , (В) 2 Максимальный рабочий ток
I
F , (А) 3 Прямое напряжение
U
F , В 4 Время обратного восстановления
t
rr , (нс) 5 Емкость перехода
С
J , пФ 6 Максимальная температура кристалла, o C
Режим измерения
I
RRM ≤ 100 мкА
T
J = 150
I
F =
I
F max C
T
J = 150 C
I
F = 1 А;
di/dt
= 200 А/мкс
U
RRM = 200 В
U
R
U
R = 0 В; = 200 В 7 Относительная стоимость (относительно кремниевых диодов) 80 100 20 150 1,0
Si*
600 15,0 1,1
GaAs
600 15,0 1,5 35 12 8 250 1,5
SiC*
600 15,0 1,7 < 10 440 40 175 5,0 * Использованы материалы передовых фирм: Кремниевые UFRED – HFA08TB60 (International Rectifier, США) SiC ДШ – IDC08S60C (Infineon, Германия) и C3D08060G (Cree, США)
Кристаллы диодов АД6101Б (1,4X 1,4 мм, I max =1 А) АД6106Б (7,0X 7,0 мм, I max =50 А) и
GaAs
диоды в корпусе КТ-111А-2.01
7
Электрические параметры GaAs диодов в корпусе КТ-111А-2.01
(основание корпуса - изолированное), прямые токи – до 3
А
, прямые напряжения – не более 1,8
В
на токе 3
А
, обратные напряжения – от 600 до 1000
В
, время обратного восстановления – от 20 до 60
нс
, рабочий диапазон температур – от минус 60 o
C
до +250 o
C
, тепловое сопротивление «Переход-корпус» – не более 80 o
C
/
Вт
8
GaAs
диоды в корпусе КТ-28 (ТО-220)
9
Электрические параметры GaAs диодов в корпусе КТ-28 (ТО-220)
прямые токи – до 15
А
, прямые напряжения – не более 2,0
В
на токе 15
А
, обратные напряжения – от 600 до 1000
В
, время обратного восстановления – от 20 до 70
нс
, рабочий диапазон температур – от минус 60 o
C
до +150 o
C
тепловое сопротивление «Переход-корпус» – не более 15 o
C
/
Вт
10
GaAs
диоды в корпусе КТ-93-1 (SMD-0,5)
11
Электрические параметры GaAs диодов в корпусе КТ-93-1 (SMD-0,5)
прямые токи – до 15
А
, прямые напряжения – не более 2,0
В
на токе 15
А
, обратные напряжения – от 600 до 1000
В
, время обратного восстановления – от 20 до 70
нс
, рабочий диапазон температур – от минус 60 o C до +250 o C, тепловое сопротивление «Переход-корпус» – не более 10 o
C
/
Вт
12
__Jпр__ Jобр.вос.
1
Динамические характеристики GaAs – диодов, производства ОАО «Орбита» (в сравнении с Si быстровосстанавливающимися диодами)
Время обратного восстановления Si – диод (БВД)
-1 0
Tj=25 0 C Tj=125 0 C Tj=150 0 C
0 10 20 30 40 50 60 70 80 t, нс
GaAs – диод (p-i-n - диод)
13
Время обратного восстановления
GaAs p-i-n
(
I
F =1 А,
U
R =20 В,
T
=25 o
C
) – диодов № диода 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
t
RR , нс 100 80 70 70 70 80 70 60 70 60 № диода 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
t
RR , нс 50
t
RR , нс Ср.
54,5 40 60 60 50 50 50 80 50 70
Обратная ветвь ВАХ диода АД6108Б
Электрические параметры быстродействующих GaAs диодов, производства ОАО «Орбита» (в сравнении с диодами на основе Si и SiC) Исходный материал
Прибор (фирма) ________________________________________ Электрические параметры Максимальное обратное напряжение,
В
Si
LXA15T600 ( Фирма «Power Integrations ») 600
SiC
Диод Шоттки SDT12S60 ( «Infineon») 600
GaAs
Диод («Орбита») 600 Максимальный постоянный прямой ток, При
Т
=+100 °
С
При
Т
=+175 °
С А
15 0 12 0 15 15 Максимально прямое напряжение, (
I
F =15
А
) При
Т
=+25 °
С
При
Т
=+125 °
С В
Время обратного восстановления,
нс
(di/dt=200
А/мкс
; 200
В
, 15
А
) При
Т
=+125 °
С
При
Т
=+150 °
С
Ёмкость перехода,
пФ
(
f
=1,0
МГц
)
U
R =0
В U
R =600
В
Частота коммутации,
МГц
Максимальная рабочая температура, °
С
3,1 2,8 25 55 250 25 3,0 150 1,8 2,0 18 20 700 45 2,0 175 1,8 1,8 35 25 22 15 5,0 250 16
Разработаны быстродействующие, высоковольтные, высокотемпературные GaAs-диоды, позволяющие достигнуть в преобразовательных устройствах следующих результатов
: малых габаритов устройств при неизменных рабочих напряжениях и токах, за счёт перехода на более высокие частоты преобразования; меньших потерь активной мощности, обусловленных протеканием обратных токов в
GaAs
диодах; высокой эффективности преобразовательных устройств за счёт быстрого восстановления обратного сопротивления
GaAs
диодов.
Разработанные высоковольтные, высокотемпературные, быстродействующие
GaAs
- диоды имеют низкие значения времени
t
rr
во всём диапазоне рабочих температур кристалла (-60÷250 о
С
). К дополнительным достоинствам следует отнести малую ёмкость диодной структуры, слабо зависимую от обратного напряжения .
Испытания чипов и приборов p-i-n − GaAs диодов показали следующее
: 1 P-i-n − GaAs диоды показали высокую устойчивость к лавинному пробою (энергостойкость); 2 P-i-n − GaAs диоды показали высокие эксплуатационные характеристики и работоспособность при температуре окружающей среды − +250 o С и продемонстрировали возможность работы в экстремальных условиях (в два раза выше требований военных стандартов «Климат-7» и стандарта США − MIL STD-883); 3 Результаты проведённых испытаний p-i-n − GaAs диодов указывают на реальную возможность широкого применения полупроводниковых приборов на основе GaAs в области силовой, быстродействующей, высокотемпературной электроники.
Биполярные гетеротранзисторы на основе структур AlGaAs/GaAs
Резкое изменение состава на границе эмиттер-база «Сшивание» Физической структуры Плавное изменение состава на границе эмиттер-база Формирование встроенного поля в базе за счет изменения состава – уменьшение времени пролета
Постановка задачи Одной из актуальных задач, с научной, технико-технологической и коммерческой точек зрения, является создание высококачественных высоковольтных СВЧ транзисторов, работающих в сантиметровом диапазоне длин волн с возможностью применения во вторичных источниках питания. Разработка и изготовление подобных быстродействующих транзисторов возможна на основе
AlGaAs
/
GaAs
– гетеротранзисторных структур.
П араметр ы AlGaAs/GaAs гетероструктурных n-p-n транзистор ов
Статический коэффициент передачи тока в схеме
ОЭ
при
U
КБ = 5
В
,
I
Э = 1
А
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме
ОЭ
при
U
КБ = 5
В
,
I
К = 50
мА
Граничное напряжение при
I
Э = 0,1
А I
Б Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при
I
К = 0,08
А
= 1
А
,
I
Напряжение насыщения база-эмиттер при
I
К = 1 Б = 0,08
А А
, Время включения при
U
КЭ = 150
В
,
I
К = 1
А
,
I
Б = 0,08 А Время выключения при
U
КЭ
I
Б = 0,08
А
= 150
В
,
I
К = 1
А
, >20 > 4
МГц
150-200 < 0,5 < 1,2 <0,6
В В мкс
<10 мкс
В
Кристаллы AlGaAs/GaAs – гетероструктурных n-p-n транзисторов
AlGaAs/GaAs
n-p-n
– гетероструктурные – транзисторы в корпусе КТ-111
Выходная ВАХ (I C (U CE
)) AlGaAs/GaAs n-p-n – гетероструктурного транзистора
Переключательная характеристика AlGaAs/GaAs – гетероструктурного n-p-n – транзистора (длительность импульса 1 мкс)
Переключательная характеристика
быстродействующего Si n-p-n – транзистора (длительность импульса 1 мкс)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проводимые разработки позволяют существенно расширить спектр быстродействующих полупроводниковых приборов и технологий гетероструктур для современных приборов твердотельной СВЧ электроники (биполярные гетеротранзисторы, резонансно туннельные диоды и т. п.)