Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы

Владимир Дьяконов, доктор технических наук, профессор.
Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Силовая Электроника, № 3’2011

Развитие мощных полевых транзисторов носит беспрецедентный характер.
С 70-х годов, когда в СССР были созданы, детально изучены и запущены в серию первые в мире мощные полевые транзисторы, эти приборы превратились из маломощных «недоносков» с высоким входным сопро-
тивлением, во всем остальном уступающих биполярным транзисторам, в мощные приборы с уникально малым (до 0,001 Ом) сопротивлением во включенном состоянии, рабочими токами до 400 А и выше и рабочими напряжениями от десятков до 1200 В.
Приборы имеют высокие динамические показатели и по существу являются специализированными мощными СБИС. Ныне в мире выпускаются многие тысячи типов мощных полевых транзисторов и силовых интегральных схем на их основе. Данный аналитический обзор описывает развитие этих приборов и отражает взгляд автора, принимавшего прямое участие в исследованиях, разработках, внедрении и популяризации этих приборов.

«Доисторические» времена

Каждый современный полупроводниковый прибор наследует свойства своих предшественников,
так что грамотный специалист должен учитывать при выборе приборов для построения электронных устройств. В полной мере это относится к крупному классу полупроводниковых приборов — мощным силовым (ключевым) полевым транзисторам. Тем более что некоторые «старые» устройства в ряде применений (например, в сверхскоростных импульсных устройствах) могут превосходить современные.
В конце 20-х годов XX в. Дж. Е. Лилиенфельд подал в США и в Канаде заявку на патент, в котором было предложено управление электрическим током в образце путем воздействия на него поперечного электрического поля. Реализовано устройство не было. Лишь в 1948 г. Шокли и Пирсон, применив образец из полупроводника, экспериментально подтвердили принципиальную возможность этого способа, но создать прибор они также не смогли. Лишь в 1952 г. Шoкли описал униполярный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом. Он изменял толщину канала внутри образца из полупроводникового материала, что сняло проблемы, связанные с захватом носителей ловушками на поверхности канала высоким входным сопротивлением (сотни мегаом и выше). Они имели встроенный (нормально открытые приборы) или индуцированный (нормально закрытые приборы) канал n- или p-типа (рис. 1).

Первые полевые транзисторы были маломощными приборами — рассеиваемая мощность до 100–150 мВт [1]. Их рабочие токи не превышали 10–20 мА, максимальные напряжения на стоке 15–20 В, а времена переключения — доли микросекунды. Сопротивление включенного прибора составляло сотни Ом.
Таким образом, на роль силовых приборов они явно не претендовали.
В 1964 г. Зулиг и Тешнер в своих статьях высказали идею о возможности повышения мощности полевых транзисторов путем увеличения числа каналов. Был ясен и другой путь — увеличение ширины канала. Оба
варианта в дальнейшем были реализованы на основе микроэлектронных технологий.

Успешное вчера

В 70-х годах XX в. различные типы мощных полевых транзисторов (рис. 2) получили бурное развитие.

Окснер в своей книге, в переводе выпущенной в 1985 г. [2], утверждал, что первые промышленные образцы мощных полевых транзисторов появились в 1976 г. Но он не учитывал пионерские работы в СССР, вы-полненные еще в начале 70-х и отраженные в крупных отраслевых обзорах [3–8], научных статьях [9–21 и др.] и книгах [22, 23]. Первые серийные мощные полевые транзисторы были созданы в НИИ «Пульсар» (лаборатория Бачурина В. В.) еще в самом начале 70-х годов прошлого века. В 1974 г. советские серийные мощные полевые транзисторы
КП901 (с током стока до 2 А и максимальным напряжением до 65 В) вызывали сенсацию в мире и были удостоены золотой медали на всемирной выставке-ярмарке в Лейпциге.
Эти приборы были с одним горизонтальным каналом сложной структуры (затвор большой ширины в виде змейки) с высокоомным язычком в области стока (рис. 3), позволившим увеличить максимальные рабочие
напряжения на стоке до 60–100 В и получить малые емкости (особенно входную).

Вскоре появились самые мощные из этих приборов — транзисторы КП904 [12] с рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А и отдаваемой на частоте 60 МГц мощностью
до 50 Вт. Менее мощные транзисторы КП902 легко обеспечивали уникально малые времена переключения около 1 нс.Появление именно этих транзисторов не случайно. Это было время, когда в мире вовсю разыгралась холодная война, тучи самолетов и полчища танков и бронемашин участвовали в многочисленных локальных войнах и крупных военных учениях. Каждый танк или самолет имел радиостанцию. Уровень взаимных помех и наводок от них был столь высок, что радиостанции на биполярных транзисторах в условиях их скученности на местности и поле боя оказались почти неработоспособными. Полевые транзисторы с их малыми ин-
термодуляционными искажениями обещали устранение этого недостатка.

В комплексном исследовании новых приборов (как отечественных, так и позже зарубежных) и в дальнейших их разработках приняли участие сотрудники кафедры промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ под
руководством автора данной статьи. Ранее кафедра детально изучала лавинный режим работы биполярных транзисторов и лавинные транзисторы и внесла известный вклад в создание сверхскоростных импульсных
устройств на них [24–26]. Это положительно сказалось на результатах исследования полевых транзисторов и позволило нам обосновать перспективность импульсных и ключевых приборов этого типа [6–10].

Было показано, что многие сильноточные полупроводниковые приборы с инжекционным механизмом управления током (биполярные транзисторы и тиристоры) не могут похвастать хорошими динамическими параметрами из-за медленного механизма инжекции, явления накопления в структуре избыточных зарядов неосновных носителей,
расширения базы и падения рабочих частот с ростом тока эмиттера (эффект Кирка) и влияния больших емкостей переходов. Все это ведет к большим временам включения таких приборов. А рассасывание избыточных за-рядов приводит к появлению значительных задержек их выключения.

Исследование уже первых советских мощных МДП-транзисторов выявило их уникальные возможности в импульс-ном (ключевом) режиме [4–9]. Были реально получены времена переключения порядка 1 нс (порою и меньше), причем, как при их включении, так и при выключении. Эти показатели являются рекордными по сей день и перекрыты лишь мощными арсенид-галлиевыми полевыми транзисто-
рами.
Отсутствие явлений накопления избыточных зарядов неосновных носителей при включении приборов исключало большую задержку выключения.
Мощные МДП-транзисторы были предложены нами как перспективный тип силовых полупроводниковых приборов, хотя их разработки шли вразрез с линией тогдашнего ВПК на развитие приборов для радиопередатчиков.
В 1978 г. мы получили авторское свидетельство СССР на побистор (биполярный транзистор, управляемый от V-MДП-транзистора) [20].
По сути дела, это был первый IGBT. Стоит отметить, что указанные исследования проводились задолго до появления серийных мощных силовых полевых транзисторов и были экспериментально подтверждены многими уникальными разработками в области схемотехники этих приборов.

Скачать статью полность можно из вложения

Вложения:

Файл	Описание	Размер файла:
2011_03_18.rar		574 Кб