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 (технология получения,
формирование приборных структур) и SiC – широкий диапазон
рабочих температур (до 250 oC), широкий диапазон рабочих частот –
десятки и сотни ГГц, вполне оправданно занимает нишу между Si и
SiC. Не претендуя на замену ни Si, ни SiC, GaAs позволяет достаточно
технологично и относительно недорого изготавливать широкую
гамму полупроводниковых приборов, начиная от самых маломощных
и, заканчивая, силовыми полупроводниковыми приборами.
 Быстродействие полупроводниковых приборов на GaAs на
примере такого параметра как «Время восстановления
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
Режим измерения
Si*
GaAs
SiC*
1 Обратное напряжение URRM, (В)
IRRM ≤ 100 мкА
600
600
600
15,0
15,0
15,0
2 Максимальный рабочий ток IF, (А)
3 Прямое напряжение UF, В
TJ = 150 C
IF = IF max
1,1
1,5
1,7
4 Время обратного восстановления trr, (нс)
TJ = 150 C
IF = 1 А;
di/dt= 200 А/мкс
URRM = 200 В
80
35
< 10
UR = 0 В;
UR = 200 В
100
20
12
8
440
40
150
250
175
1,0
1,5
5,0
5 Емкость перехода СJ, пФ
6 Максимальная температура кристалла, oC
7 Относительная стоимость (относительно
кремниевых диодов)
* Использованы материалы передовых фирм:
Кремниевые UFRED – HFA08TB60 (International Rectifier, США)
SiC ДШ – IDC08S60C (Infineon, Германия) и C3D08060G (Cree, США)
Кристаллы диодов АД6101Б (1,4X1,4 мм, Imax=1 А) и
АД6106Б (7,0X7,0 мм, Imax=50 А)
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 oC до +250 oC,
- тепловое сопротивление «Переход-корпус» – не более 80 oC/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 oC до +150 oC
тепловое сопротивление «Переход-корпус» – не более 15 oC/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 oC до +250 oC,
- тепловое сопротивление «Переход-корпус» – не более 10 oC/Вт
12
Динамические характеристики GaAs – диодов, производства
ОАО «Орбита» (в сравнении с Si быстровосстанавливающимися диодами)
Время обратного восстановления
__Jпр__
Jобр.вос.
1
Si – диод (БВД)
0
Tj=25 0C
Tj=125 0C
Tj=150 0C
-1
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 – диодов
(IF=1 А, UR=20 В, T=25 oC)
№ диода
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
tRR, нс
100
80
70
70
70
80
70
60
70
60
№ диода
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
tRR, нс
50
40
60
60
50
50
50
80
50
70
tRR, нс
Ср.
54,5
Обратная ветвь ВАХ диода АД6108Б
Электрические параметры быстродействующих GaAsдиодов, производства ОАО «Орбита» (в сравнении с диодами
на основе Si и SiC)
Исходный материал
Si
SiC
GaAs
LXA15T600 (Фирма
«Power
Integrations»)
Диод Шоттки
SDT12S60 («Infineon»)
Диод («Орбита»)
Максимальное обратное напряжение, В
600
600
600
Максимальный постоянный прямой ток, А
При Т=+100 °С
При Т=+175 °С
15
0
12
0
15
15
Максимально прямое напряжение, В
(IF=15 А)
При Т=+25 °С
При Т=+125 °С
3,1
2,8
1,8
2,0
1,8
1,8
Время обратного восстановления, нс
(di/dt=200 А/мкс; 200 В, 15 А)
При Т=+125 °С
При Т=+150 °С
25
55
18
20
35
25
Ёмкость перехода, пФ
(f=1,0 МГц)
UR=0 В
UR=600 В
250
25
700
45
22
15
Частота коммутации, МГц
3,0
2,0
5,0
Максимальная рабочая температура, °С
150
175
250
Прибор (фирма)
________________________________________
Электрические параметры
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 trr во всём диапазоне рабочих температур
кристалла (-60÷250 оС). 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:
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 oС и
продемонстрировали
возможность работы в экстремальных условиях (в два раза
выше
требований военных стандартов «Климат-7» и стандарта США − MILSTD-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.
 1
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 СВЧтранзисторов, 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.
Параметры AlGaAs/GaAs гетероструктурных n-p-n - транзисторов
Статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ
при UКБ = 5 В, IЭ = 1 А
Граничная частота коэффициента передачи тока в
схеме ОЭ при UКБ = 5 В, IК = 50 мА
Граничное напряжение при IЭ = 0,1 А
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при IК = 1 А,
IБ = 0,08 А
>20
> 4 МГц
150-200 В
< 0,5 В
Напряжение насыщения база-эмиттер при IК = 1 А,
IБ = 0,08 А
< 1,2 В
Время включения при UКЭ = 150 В, IК = 1 А,
IБ = 0,08 А
<0,6 мкс
Время выключения при UКЭ = 150 В, IК = 1 А,
IБ = 0,08 А
<10 мкс
Кристаллы AlGaAs/GaAs – гетероструктурных
n-p-n - транзисторов
AlGaAs/GaAs – гетероструктурные
n-p-n – транзисторы в корпусе КТ-111
Выходная ВАХ (IC(UCE)) AlGaAs/GaAs – гетероструктурного
n-p-n - 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 СВЧэлектроники (биполярные гетеротранзисторы, резонанснотуннельные диоды и т. п.)