Статья получилась длинной, поэтому спойлеры: гегемонии кремния в микропроцессорах ничего не угрожает, но в силовой электронике SiC действительно намного лучше. В частности, внутри статьи можно будет увидеть чуть-чуть внутренностей автомобилей Tesla и много силовых полупроводниковых приборов.
Зачем это нужно
Почему именно карбид кремния? Ответ очень прост: этот материал — отличный пример того, как новые технологии не только вытесняют кремний с ранее обжитых им рыночных ниш, но и позволяют создавать вещи, с кремнием принципиально невозможные. В некоторых областях конкуренция всегда была сильной — например, в оптоэлектронных приборах и радиочастотных схемах; в последнее время к ним добавилась еще и силовая электроника. Причем, в отличие от тех же лазеров, речь идет не об умелых манипуляциях сложной физикой, а о «вполне обычных» диодах и транзисторах.
Отличный кейс применения мощных полупроводниковых приборов рассматривался вот в этом цикле статей про электрическую трансмиссию карьерного самосвала.
Мощность ДВС самосвала весом 90 тонн составляет 700-800 кВт, и для этого значения на современном уровне развития IGBT транзисторов оптимальным является напряжение порядка 800-1000 В на шине постоянного тока
Рисунок 1. Структура инвертера тягового электродвигателя карьерного самосвала.
Источник — хабраблог НПФ «Вектор».
Здесь и дальше во избежание путаницы я буду переводить слово «invertor» как «инвертор» для КМОП-схемы из двух транзисторов и как «инвертер» для DC/AC преобразователя.
Тысяча вольт и средний ток в несколько сотен ампер? Да, все так! А бывают ещё электровозы. Кроме этого, переключать мощные нагрузки нужно в микроволновых печах, индукционных плитах, роботизированных манипуляторах, аудиоусилителях класса D, усилителях базовых станций сотовой связи — список очень длинный, ведь он включает практически все случаи, когда электронная система чем-нибудь управляет. Цифровая электроника идет по пути постоянной миниатюризации и уменьшения потребляемой энергии, но если у вас есть карьерный самосвал, его моторы никак нельзя заставить крутиться от наноамерных токов. Впрочем, чем меньше ток — тем лучше, поэтому не только карьерные самосвалы, но и, скажем, легковые электромобили идут по пути повышения рабочего напряжения — с 12 до 48 В в бортовой электросети и до 400-800 В в силовой сети электромобилей. Почему ток нужно уменьшать? Ответ прост: резистивные потери. Провода между аккумулятором и мотором — это резисторы. Мощность, выделяющаяся на резисторе в качестве бесполезного тепла — это произведение сопротивления на квадрат тока. Чтобы снизить потери при той же входной мощности, нужно уменьшать сопротивление проводов (делая их толще, дороже и тяжелее) или ток — пропорционально повышая напряжение.
Окей, высокое напряжение, сопротивление проводов… а причем здесь собственно новые полупроводники? Аккумулятор создаёт напряжение постоянного тока, а мотору нужно переменное. Чтобы запитать электомотор от аккумулятора (ещё раз посмотрите на схему выше), нужны ключи, способные выдерживать требуемое напряжение и переключаться на нужной частоте. Эти ключи — силовые транзисторы (и иногда не транзисторы). Они неидеальны, у них есть ограничения, приводящие к потерям мощности при передаче и преобразовании. В зарядном устройстве автомобильного аккумулятора (или мобильного телефона) задача обратная: надо из переменного напряжения сети получить постоянное для аккумулятора. Но решается она тоже при помощи силовых полупроводниковых приборов. Так что, когда мы говорим о том, что электромобилю нужно увеличивать пробег и скорость зарядки аккумулятора, это означает, что надо совершенствовать не только батареи, но и соответствующие преобразователи напряжения. Вот только в этой области прогресс уже дошел до стадии, когда никакие ухищрения не позволяют выжать из кремния ещё больше, и в погоне за энергоэффективностью приходится переходить на новые материалы.
Главные рынки, служащие драйверами развития новых материалов силовой электроники — это электротранспорт и электроэнергетика. Впрочем, есть и вещи, которые потрогать руками несколько проще, чем новенькую “Теслу”; например, уже можно купить зарядные устройства для мобильников и ноутбуков, которые применение новых транзисторов (правда, из нитрида галлия, а не карбида кремния) позволило сделать в полтора-два раза компактнее обычных при той же мощности. Общая емкость рынков сложных полупроводников уже в ближайшие годы составит несколько миллиардов долларов в год, и новости о сотрудничестве автопроизводителей с ключевыми игроками силовой микроэлектроники выходят буквально каждую неделю. Но обо всем по порядку: начнем с небольшого экскурса в физику твердого тела.
Физика
Если объяснять «на пальцах», то полупроводники — это материалы, у которых есть запрещённая зона (bandgap) — диапазон энергий, которых не может быть у носителей заряда (электронов или дырок) в этом полупроводнике. Она же — это энергия, которую нужно передать носителю заряда, чтобы оторвать его от насиженного места в кристаллической решетке и отправить в свободное плавание по зоне проводимости. У проводников запрещённой зоны нет вообще (и они всегда проводят ток), у изоляторов запрещенная зона так велика, что они совсем не проводят ток (а изолируют его); полупроводники же характерны как раз тем, что их проводимостью можно управлять, заставляя их в одних обстоятельствах проводить ток, а в других — нет.
Рисунок 2. Основные физические свойства некоторых популярных полупроводников. Источник — V. Šimonka, «Thermal Oxidation and Dopant Activation of Silicon Carbide», PhD, 2018
Bandgap — это собственно запрещенная зона.
Breakdown field — электрическое поле пробоя. Чем оно выше, тем проще сделать на основе материала высоковольтный прибор.
Saturation velocity — предельная скорость носителей заряда в материале. Как видите, на три порядка меньше скорости света.
Thermal conductivity — теплопроводность. Очень важна для силовых применений, так как в них излишки тепла весьма велики, даже при очень больших КПД, и эти излишки надо отводить от активной области прибора.
Melting Point — температура плавления, ограничивающая рабочий диапазон материала.
Карбид кремния, иногда еще называемый карборунд — материал, состоящий из кремния и углерода в равных долях и имеющий формулу SiC. Это, кстати, единственное известное бинарное соединение двух элементов четвертой группы таблицы Менделеева. У SiC несколько вариантов кристаллических решеток с разными свойствами, подобно тому, как углерод встречается в природе в форме алмаза и графита/графена. Сильные стороны SiС, которые важны для нас с вами в рамках этой статьи, обусловлены широкой запрещённой зоной. Это высокое электрическое поле, при котором материал пробивается, и большая теплопроводность. Они означают, что, как правило, широкозонные полупроводники способны работать при более высоких напряжениях и температурах, чем узкозонные. «Как правило» — потому что арсенид галлия, у которого ширина запрещённой зоны больше, чем у кремния, имеет меньший температурный диапазон: его кристаллическая решетка начинает разрушаться от перегрева раньше, чем он превращается в проводник. Есть и ещё более широкозонные полупроводники, чем SiC, например оксид галлия Ga2O3, нитрид бора BN или нитрид алюминия AlN, но они до стадии применимости в массовой электронике пока что не дошли. Зато до нее уже почти дошел алмаз, обладающий запрещенной зоной 5.4 эВ и огромной теплопроводностью, до 26 Вт/(см*К) против 4.9 у карбида кремния и 3.9 у меди. Пока что алмазные подложки массово используются только для теплоотвода, но уже скоро синтетический алмаз станет достаточно дешевым и качественным для того, чтобы делать на нем и сами приборы. Разумеется, “скоро” в данном случае понятие растяжимое. Компания Cree, один из пионеров полупроводниковых изделий на SiC, была основана в 1987 году. Первые коммерчески доступные диоды на карбиде кремния появились в 2011 году, первые транзисторы — в 2006, а широкое применение началось буквально пару лет назад, когда не только были отработаны технологии, но и дстаточно снизились цены. Такая же история и с развивающимся параллельно нитридом галлия — от первых коммерческих образцов до зарядников мобильных телефонов был путь в долгих двадцать лет. Но за первыми прорывами в материалах для силовой электроники неминуемо последовал вал самых разных научных исследований, и их результаты уже выходят из стен лабораторий на фабрики.
Диод
Самый простой из интересующих нас мощных полупроводниковых приборов — это диод. Он пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. Состоянием диода управляет сам входной сигнал: если он выше напряжения открывания диода (примерно 0.7 В для кремния при комнатной температуре), то диод открыт, если меньше — закрыт. Важный параметр силового диода — предельное отрицательное напряжение, при котором pn-переход пробивается, и носители заряда начинают течь и в обратном направлении тоже.
Рисунок 3. Прямая и обратная ВАХ диода на примере диода Зенера (стабилитрона).
В случае с диодом Зенера относительно низкое (6.2 В) и точное обратное напряжение пробоя используется как опорное, но если мы хотим работать с большими напряжениями, то уровень, при котором наступает пробой, надо повышать.
Способ во всех полупроводниковых приборах один и тот же, и он основан на использовании широкого слаболегированного слоя как одной из двух половинок pn-перехода (точнее, в этом случае, pi-перехода, где i означает «intrinsic», «с собственной проводимостью»). Я не буду выводить формулы и ограничусь следующими тезисами, справедливыми для идеального pi-перехода с абсолютно резкой границей:
- Ширина слаболегированного слоя W ~ Vb/Ec, где Vb — напряжение пробоя, а Ec — электрическое поле пробоя, при этом поле от дальнего края слаболегированного слоя до собственно перехода растет линейно.
- Уровень легирования связывает Vb и Ec следующим образом: Nd ~ Ec^2/Vb, то есть чем выше нужно получить пробивное напряжение, тем ниже нужен уровень легирования. Кстати, собственная концентрация свободных носителей (которая есть всегда и ниже которой получить никак нельзя) тем ниже, чем шире запрещенная зона у полупроводника. Например, у карбида кремния она на двадцать порядков ниже, чем у кремния.
- Когда на диод подано прямое смещение, слаболегированный слой будет работать как резистор, и чем меньше его сопротивление — тем меньше бесполезные потери мощности. Удельное сопротивление идеального слаболегированного слоя R ~ Vb^2/Eс^3. Это вредное сопротивление растет квадратично относительно пробивного напряжения, зато пропорционально аж минус третьей степени поля пробоя. Напомню, что поле пробоя в SiC в четырнадцать раз больше, чем у кремния, а значит при прочих равных вредное сопротивление слаболегированного слоя будет почти в три тысячи раз меньше!
В реальности все, конечно же, существенно сложнее, потому что pn-переходы не идеальны, распределение примесей неравномерно, кругом дефекты и так далее и тому подобное, но общая тенденция и границы возможного все равно понятны.
Рисунок 4. Кремниевый силовой диод на двести ампер постоянного тока и три тысячи ампер импульсного (и обратное напряжение в киловольт) выглядит вот так (для масштаба на рисунке показан обычный транзистор). За иллюстрацию большое спасибо Виртуальному музею электронных раритетов 155la3.ru.
В качестве самостоятельных приборов силовые диоды используются в выпрямителях, где они преобразуют переменное напряжение в постоянное, или в импульсных DC/DC преобразователях, самостоятельно в общем случае и параллельно с транзисторным ключом, если выпрямитель синхронный. В синхронном выпрямителе работает имеющийся в МОП-транзисторе паразитный диод «сток-тело», но использование внешнего диода позволяет добиться лучших параметров.
Рисунок 5. Принцип работы понижающего DC/DC преообразователя типа buck. Когда ключевой транзистор открыт, закрытый диод должен выдерживать полный размах входного напряжения без пробоя. Диод должен быстро открываться и закрываться, а также иметь низкое прямое сопротивление.
Что дает применение SiC вместо кремния в силовом диоде? Во-первых, такой диод лучше справляется с перегревом из-за более высокой теплопроводности. Во-вторых, при том же пробивном напряжении у него можно сделать существенно меньшее прямое сопротивление (а значит, повысить КПД) или, при сравнимом сопротивлении, гораздо меньшую площадь. Меньшая площадь даст меньшую паразитную ёмкость, а значит — более быстрое переключение, меньше потерь в его процессе и возможность работать на высокой частоте с хорошим КПД. Как видите, со всех сторон преимущества и никаких минусов. Кроме цены, разумеется, но с ростом объемов производства стоимость диодов и транзисторов на карбиде кремния уже приближается к кремниевым аналогам. Это дает возможность в полной мере раскрыть преимущества нового материала в массовых продуктах за счет того, что лучшие характеристики более дорогих приборов на SiC позволяют сэкономить на других частях проекта.
Теперь, когда мы на примере диодов разобрались с основами физики, давайте посмотрим на другие типы приборов. Начнем с обзорной картинки.
Рисунок 6. Сравнение разных типов силовых ключей по мощности и частоте.
На этом рисунке показано, какую мощность и на какой частоте можно переключать разными полупроводниковыми приборами. Левая ось размечена до ГигаВатта, а это значит, что коммутировать полупроводниковыми приборами можно не только электровозы, но и электростанции. Кроме этого обратите внимание, что новые материалы позволяют существенно повысить частоту переключения, что очень важно для увеличения КПД и уменьшения размеров приборов.
Тиристор
Рисунок 7. Структура и вольт-амперная характеристика тиристора.
Тиристор — это четырехслойная структура из трех pn-переходов, обладающая очень интересной Вольт-Амперной характеристикой: она у него нелинейная и с участком, где сопротивление отрицательно. На практике это выглядит так, что при отрицательном входном напряжении тиристор ведет себя, как диод, а при положительном сначала почти не пропускает ток, а потом, при наступлении некоторого порога, резко переходит в низкоомное состояние. Подача небольшого тока на управляющий электрод позволяет изменять напряжение открывания тиристора, делая его удобнее диода для сложных выпрямительных схем, преобразующих переменное напряжение в постоянное. Большой и управляемый порог открывания позволяет точно настраивать характеристики выпрямителя, повышая его эффективность.
Почему тогда тиристоры не используются везде? Ответ на этот вопрос очень прост: управляющий электрод умеет влиять на процесс открывания тиристора, но не его закрывания. Закрыть уже открывшийся тиристор можно только уменьшив напряжение между анодом и катодом до нуля. Это свойство тиристора, кстати, здорово портит кровь разработчикам микросхем, потому что тиристор — это не только самостоятельный прибор, он еще присутствует как паразитная структура в обычной КМОП-технологии, угрожая соединить землю с питанием в самые неподходящие моменты — под воздействием радиации, высокой температуры, большого тока или хлопка дверью в соседней комнате. Но оставим мою боль мне, потому что инженерам, которым надо коммутировать мегаваттные мощности, тиристоры очень полезны, а при преобразовании постоянного тока в переменный или переменного в постоянный условие “напряжение между катодом и анодом уменьшилось до нуля” каждый такт выполняется само собой.
Рисунок 8. Вот так выглядит тиристорный мост на шесть Мегаватт. Более подробная статья про полупроводниковые приборы в энергетике — вот. Здесь можно найти более скромное использование силовых тиристоров — в системе открытия-закрытия гаражной двери.
Биполярный транзистор
Биполярный транзистор — это тот самый транзистор, который обычно проходят на уроках или лекциях по физике, и который уже почти полностью вытеснен в реальных приборах своими полевыми собратьями. Принцип его действия очень прост: есть два близко расположенных pn-перехода, один смещен в прямом направлении, второй в обратном. При подаче тока в тонкий слой между переходами (базу транзистора) носители из эмиттера потянутся в сторону базы, чтобы нейтрализовать избыточный заряд, но большая часть из них “проскочит” навылет в коллектор. Соотношение “проскочивших” и успешно рекомбинировавших в базе носителей заряда — это и есть коэффициент усиления базового тока.
Биполярный транзистор как силовой ключ имеет очень важный недостаток: он управляется током. При коэффициенте усиления тока в сто раз для коммутации 100 А тока придется подавать на вход биполярного транзистора 1 А все время, пока он открыт. Звучит не очень энергоэффективно, правда? А на самом деле коэффициент усиления зависит от плотности тока через транзистор и на больших токах может падать до значений порядка пяти-десяти. Не пятидесяти, а пяти-десяти! Это автоматически ограничивает КПД любого преобразователя напряжения на основе биполярного транзистора и служит главной причиной того, почему они, несмотря на все свои достоинства, не очень популярны. Для преодоления этого недостатка используют пары Дарлингтона. Такое включение позволяет забирать базовый ток основного транзистора не из драйвера, а из нагрузки, не уменьшая КПД.
Рисунок 9. Схема и фотография транзистора Дарлингтона. Фото — Fairchild BSP52, источник — zeptobars.com.
На рисунке хорошо видны расположенные на одном кристалле два транзистора, меньший из которых — управляющий. Справа вверху — базовый контакт управляющего транзистора, слева внизу — эмиттер основного. Контакт общего для обоих транзисторов коллектора находится с обратной стороны кристалла, за слаболегированным слоем, дающим высокое пробивное напряжение. Общая линия металлизации, хорошо видная в средней части кристалла, соединяет эмиттер управляющего транзистора с базой основного.
Другой важный недостаток управляемых током биполярных приборов — маленькая скорость в переключательном режиме. В аналоговых и радиочастотных схемах биполярные приборы обычно быстрее полевых — в них прибор постоянно открыт, и степень его открытости лишь немного модулируется. Но чтобы полностью закрыть биполярный транзистор, нужно прекратить подачу тока в базу. Полевой прибор после отключения поля на затворе мгновенно выключается, то в базе биполярного транзистора после отключения тока остается какое-то количество заряда, которое продолжает генерировать ток коллектора до тех пор, пока не рассосется в результате рекомбинации. Это ведет к дополнительным потерям энергии на каждом переключении, а также к снижению максимально достижимой частоты переключения. В итоге биполярные приборы в переключательных применениях принципиально медленнее полевых.
Главные достоинства силовых биполярных транзисторов — простота изготовления, дешевизна, устойчивость к электростатическому разряду и к вторичному пробою, а также низкое напряжение насыщения, то есть маленькие потери в открытом состоянии. Но все же недостатки обычно перевешивают преимущества, и пик популярности биполярных транзистроров пришелся на далекие шестидесятые, когда подходящих полевых транзисторов попросту не существовало.
MOSFET
МОП-транзистор — это прибор, управляемый напряжением на затворе, что позволяет сэкономить мощность на его переключениях, ведь каждый цикл работы ключа нужно только один раз зарядить емкость затвора вместо того, чтобы поддерживать постоянный входной ток.
Рисунок 10. МОП-транзистор.
Вот так выглядит «обычный» МОП-транзистор. Такие стоят в интегральных схемах (с проектными нормами выше 14 нм, где нет FinFET). Ток течет из истока в сток, в зависимости от наличия напряжения на затворе. Что важно для нас в этой картинке — это то, что на правом краю затвора есть небольшая область с конденсатором «сток-затвор». При подаче на затвор нуля, а на сток — высокого напряжения (типичный случай закрытого ключа) на этом конденсаторе тоже будет высокое напряжение. Если оно будет слишком высоким — конденсатор пробьется. Чтобы этого не произошло, силовые транзисторы нужно делать или с очень толстым подзатворным диэлектриком, что непрактично, или как-то ограничивать предельное электрическое поле на границе затвора. Здесь снова приходит на помощь длинный слаболегированный pn-переход.
Рисунок 11. Структура LDMOSFET. Источник — Theeuwen et. al., «LDMOS Technology for RF Power Amplifiers», IEEE TMTT, 2012.
На рисунке показана структура горизонтального силового МОП-транзистора LDMOSFET (LD — laterally diffused). Drain extension — это низколегированный слой. Он легирован небольшим количеством примеси, потому что так можно точнее контролировать количество носителей заряда. Еще обратите внимание на shield, слой металла, дополнительно экранирующий затвор от стока и заодно уменьшающий паразитную миллеровскую емкость, что полезно для СВЧ-применений. Важное отличие такого транзистора от “обычного” — несимметричность, сток и исток нельзя поменять местами. Другая интересная особенность — сопротивление слаболегированного слоя вносит большой вклад в общее сопротивление сток-исток, поэтому сильно уменьшать сопротивление собственно канала не очень осмысленно. Поэтому, а также из соображений надежности, проектные нормы, по которым изготавливаются подобные транзисторы, довольно грубые — обычно в диапазоне 350-800 нм для интегрированных транзисторов и еще больше для дискретных. Рабочее напряжение исток-затвор для интегральных LDMOS при этом обычно лежит в диапазоне 3-5 В.
Рисунок 12. Сечение реального LDMOSFET. Источник — Theeuwen et. al., «LDMOS Technology for RF Power Amplifiers», IEEE TMTT, 2012.
Этот рисунок — просто иллюстрация того, что в реальности все обстоит несколько сложнее, чем в моих простых выкладках, и за каждой простой схемой стоит огромный труд ученых, инженеров и технологов, доводящих до совершенства любую конструкцию, например тройной экран сложной формы.
Рисунок 13. Фотография полностью интегрального источника питания производства STM. Источник — Contiero et.al., «Roadmap Differentiation and Emerging Trends in BCD Technology», IEEE Solid-State Device Research Conference, 2002
На рисунке показан пример чипа, выполненного по так называемой BCD технологии, объединяющей на одном кристалле Bipolar, CMOS, DMOS транзисторы. Нетрудно видеть, что характерные размеры LDMOS существенно больше, чем у других элементов кристалла. Поэтому интегральные LDMOS активно применяются для работы с малыми и средними напряжениями — от 8-12 В до 100-200 — там, где потери площади не очень велики. Их главное преимущество — очень удобная интеграция в обычный КМОП-техпроцесс, позволяющая производить микросхемы самого разного назначения и минимизировать потери энергии за счет очень коротких линий от драйвера до затвора, а также удобно оснащать силовые ключи множество дополнительной функциональности, например, контроля температуры, рабочего тока, защиты от перегрузок и так далее и тому подобное. В самом лучшем случае можно сделать полностью интегральный импульсный DC/DC преобразователь, PWM-контроллер или микроконтроллер с интегрированными силовыми ключами.
(Такие силовые микросхемы с интегрированными LDMOS — то, чем я занимаюсь на работе)
В чем подвох? В том, что чем большее рабочее напряжение нужно, тем длиннее должен быть слаболегированный слой и тем больше места на кристалле займет такой транзистор. Очевидное решение? Правильно, сделать слаболегированный слой вертикальным. Именно так и устроено большинство мощных силовых транзисторов, и МОП, и биполярных, как вы могли видеть на фото пары Дарлингтона выше. Помимо экономии места, расположение стока (или коллектора) с обратной стороны кристалла позволяет присоединить кристалл напрямую к соответствующему выводу корпуса, без тонкой проволоки, имеющей большие сопротивление и индуктивность.
Рисунок 14. Простейшая структура вертикального силового МОП-транзистора. Источник — K. Galloway, «A Brief Review of Heavy-Ion Radiation Degradation and Failure of Silicon UMOS Power Transistors», Electronics 2014, 3.
Когда большой pin-диод — вертикальный, можно упаковать на той же площади кристалла больше маленьких транзисторов (а силовой транзистор — это почти всегда матрица из множества параллельно включенных одинаковых элементарных ячеек) и уменьшить сопротивление всего транзистора. Современные кремниевые силовые приборы — это произведения технологического искусства и памятники изобретательности инженеров, придумавших огромное множество способов улучшить все, что в принципе поддается улучшению.
Рисунок 15. Структура сопротивления открытого состояния силового МОП-транзистора.
На рисунке показана структура сопротивления силового транзистора. Обратите внимание на то, что хоть сток и находится внизу, канал у транзистора горизонтальный, и между Rch и Rd есть еще два компонента, например Rj, отвечающий за паразитный JFET, образованный двумя соседними регионами body, окружающими начало стока. Для уменьшения этого сопротивления не только сток, но и затвор стал вертикальным и приобрел сложную форму для контроля напряженности поля в неидеальном низколегированном слое. И так каждая мелочь — огромное количество работы ученых, инженеров и технологов.
Рисунок 16. Различные структуры реальных силовых МОП-транзисторов. Источник — R.K. Williams et.al., «The Trench Power MOSFET: Part I — History, Technology, and Prospects», IEEE Transactions on Electron Devices, 2017
Если взглянуть на разрез КМОП-инвертора из более-менее современной технологии, можно увидеть, что не только для p-канального транзистора вместо «подложки» — «карман», но и для n-канального тоже. А внизу будет вовсе не body, а вполне себе substrate, который собственно и есть «подложка».
Еще интереснее дела обстоят в технологии «кремний на изоляторе», где «подложка» полностью электрически отделена от «body», для управления потенциалом которого действительно используется четвертый контакт в каждом транзисторе. А подложка — это не body, а опять же substrate или handling wafer.
Самый главный аргумент в пользу того, что body — это не подложка, состоит в том, что у силовых МОП-транзисторов, разрезы которых можно наблюдать на рисунках 14-16, подложка — это сток, а подзатворная область от подложки находится максимально далеко. Более того, под затвором у силовых транзисторов есть области, легированные примесями обоих типов, так что даже утверждение «body = подзатворная область» в этом случае неверно.
В русскоязычных учебниках по-прежнему пишут о структуре транзистора все то же самое, что и пятьдесят лет назад, а технологии давно убежали вперед. Тем временем, понимание того, что «body» — это полноценный вывод транзистора, и того, как он влияет на работу прибора, важно для инженера-разработчика в целом ряде случаев. Возможность задания произвольного потенциала в body — важный довод в пользу того, чтобы делать в технологиях без тройного кармана дифференциальную пару операционного усилителя на p-канальных, а не на n-канальных транзисторах. Надежное задание потенциала тела транзистора — один из аспектов обеспечения сбоеустойчивости и устойчивости к тиристорному эффекту, как в КНИ, так и в объемной технологии. В коммерческих КНИ технологиях наличие/отсутствие и конфигурация контакта к body существенно влияет на скорость транзисторов, точность токовых зеркал и другие важные функциональные параметры.
И, чтобы все еще немного запутать, покажу разрез КМОП-структуры на FDSOI технологии, где четвертый вывод транзистора, называемый body bias, на самом деле электрически не соединен с body и управляет его потенциалом через емкостную связь, позволяя динамически управлять пороговым напряжением транзистора и таким образом «на лету» управлять его скоростью и энергопотреблением. Это полезно, например, для чипов интернета вещей, которые можно ускорять для проведения вычислений и замедлять для более энергоэффективной работы в экономичных режимах.
А теперь давайте вернемся к нашей основной теме — карбиду кремния.
Чем полезен для силовых МОП-транзисторов карбид кремния? Тем же самым, чем для диодов — лучшие параметры материала позволяют сделать низколегированный слой намного более тонким и, соответственно, радикально уменьшить сопротивление открытого состояния транзистора. Причем это работает даже на самых простых структурах, без необходимости в технологических шедеврах с рисунка выше. А их наличие на кремнии позволяет предполагать, что хотя выигрыш в удельном сопротивлении уже сейчас может составлять сотни раз, карбиду есть, куда расти еще дальше.
Рисунок 17. Сравнение параметров кремниевого и кремнийкарбидного МОП-транзисторов. Источник — M. Slovick, «Working with SiC MOSFETS: Challenges and Design Recommendations», на сайте digikey.com.
Не обходится внедрение новых материалов и без курьезов. Например, МОП-транзисторы из карбида кремния нужно открывать достаточно большим напряжением, примерно 18-20 В, в то время как с кремниевыми аналогами можно спокойно работать и при напряжениях 10-12 В. Это связано с тем, что сопротивление слаболегированного слоя в карбидных транзисторах очень мало, и на его фоне начинают играть более заметную роль другие сопротивления, в том числе сильно зависящее от напряжения на затворе сопротивление канала транзистора. А дальше — сопротивление канала имеет отрицательный температурный коэффициент, а сопротивление слаболегированного слоя положительный. Если открывать транзистор низким напряжением, то вклад сопротивления канала велик, и те ячейки, которые, в силу разброса параметров, пропускают чуть больше тока, нагреются сильнее — и их сопротивление уменьшится, из-за чего они начнут проводить еще больше тока, а значит, греться еще сильнее — и так до тех пор, пока транзистор не сгорит. Если же в общем сопротивлении доминирует компонента с положительным температурным коэффициентом, то ток через разные ячейки транзистора будет самобалансироваться. Этот характерный для карбида эффект не проявляется в кремниевых МОП-транзисторах потому, что в них сопротивление слаболегированного слоя намного больше сопротивления канала при любых напряжениях на затворе. Другой специфики тоже хватает, но она не тема для обзорной статьи, а профессионалы и так в курсе, так что давайте двигаться дальше.
JFET
Рисунок 18. Простейшие структуры BJT, MOSFET, JFET.
Стоит заметить, что нам очень здорово повезло с тем, что на карбиде кремния можно сделать МОП-транзистор — потому что карбид кремния технологически совместим с оксидом кремния, тогда как на германии, нитриде галлия и многих других перспективных материалах подзатворный диэлектрик сделать не из чего, и вместо МОП-транзисторов приходится применять гораздо менее интересные JFET. Разумеется, все не так просто, потому что граница раздела карбида и оксида кремния гораздо более дефектная, чем кремния и оксида (приблизительно в сто раз), что негативно сказывается на надежности и долговечности приборов, а также на подвижности носителей заряда. Но эта проблема — сущая мелочь по сравнению с безуспешными попытками найти хорошие диэлектрики для других материалов.
Впрочем, это сейчас технологи научились делать МОП-транзисторы на SiC, а начиналось все какое-то время назад с более простых JFET, в которых вместо подзатворного диэлектрика — обедненный слой pn-перехода.
Рисунок 19. Базовый принцип работы JFET. Источник — A. Bhalla, «Normally-ON SiC JFETs – Characteristics and Applications», на сайте powersystemsdesign.com
JFET гораздо проще технологически, чем MOSFET, но у него два важных недостатка: во-первых, емкость затвора существенно больше (и входной ток тоже, хоть и не такой большой, как у биполярных транзисторов), а во-вторых, внимательный читатель мог заметить на рисунке, что при нуле на затворе JFET открыт! Это очень большая проблема, потому что никому не нужны нормально замкнутые ключи. Когда схема работает, подавать для закрытия ключа отрицательное напряжение на затвор несложно, но если ключ открыт, когда схема не работает, то мы рискуем получить очень красивую струйку дыма при включении — когда питание уже появилось, а генератор отрицательного напряжения еще не запустился. Решить эту проблему можно двумя путями — придумать какую-то структуру, которая будет нормально закрытой, или использовать каскод.
Рисунок 20. Каскодное включение нормально открытого SiC JFET c кремниевым МОП-транзистором. Источник — «Analysis of the unique Cascode JFET technology from UnitedSiC», by SystemPlus Consulting.
Такие каскоды появились довольно давно, и даже в виде готовых модулей. Предельное стоковое напряжение МОП-транзистора здесь очень мало, поэтому можно использовать низковольтные приборы с маленькой емкостью затвора. Еще один важный момент, показанный на рисунке — встроенный обратный диод МОП-транзистора, который работает быстрее и лучше, чем МОПТ на SiC (которым обычно требуется внешний диод). Кроме этого, каскодная схема при правильном выборе МОП-транзистора удобно ставится как апгрейд других силовых приборов без изменения практически любых схем драйверов. Недостатки каскода — большее сопротивление открытого состояния (сумма МОПТ и JFET) и склонность МОПТ к осцилляциям при открывании из-за влияния паразитных компонентов. Тем не менее, каскод с JFET во многих случаях серьезно выигрывает у кремниевых приборов.
Нормально закрытые JFET тоже разрабатываются, правда в основном в форме интегральных структур, реализующих каскод из нормально закрытого низковольтного JFET и нормально открытого высоковольного. Такая структура идейно похожа на каскод из MOSFET и JFET, но она гораздо компактнее и лишена многих паразитных элементов, а также способна, в отличие от каскода с кремниевым МОП-транзисторов, нормально работать при высоких температурах, которые и составляют основную сферу применения карбидкремниевых JFET даже сейчас, когда на карбиде появились МОП-транзисторы. Кстати, о МОП-транзисторах.
Лирическое отступление: КМОП на SiC
Все рассмотренные выше (спойлер: и ниже тоже) транзисторы — n-канальные. Почему так? Потому что подвижность электронов выше подвижности дырок, а значит p-канальные транзисторы обладают худшими функциональными параметрами, чем n-канальные: большим сопротивлением при той же входной емкости и габаритах или большей входной емкостью и размерами при том же сопротивлении. Это обстоятельство здорово ограничивает сферу их применения. Почему же тогда стала такой популярной КМОП-технология? Подробно на этот вопрос отвечает моя статья, упомянутая в самом начале, но краткая версия состоит в том, что КМОП позволяет организовать логику с низким статическим энергопотреблением за счет применения pMOS в активных нагрузках. До сих пор мы говорили только о силовых ключах, но ведь на SiC наверняка можно сделать и логику тоже? Будет ли она лучше, чем обычная кремниевая?
Рисунок 21. Чип PWM-генератора, выполненный на SiC. Источник — S. Roy et.al., «A SiC CMOS Digitally Controlled PWM Generator for High-Temperature Applications», IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017
Сделать логику на SiC, разумеется, можно. Это сложная технологическая задача, потому что из-за дефектности границы SiC-SiO2 p-канальные транзисторы получаются совсем медленные и плохие, но ее решили как минимум в японской Hitachi и в британском Raytheon. Лучше ли такая логика, чем обычный кремниевый КМОП? Нет, КМОП на SiC не лучше кремниевого, потому что на SiC, по крайней мере сейчас, недостижимы низкие проектные нормы — опять-таки из-за сложности сопряжения разных материалов, которая вынуждает делать слои толстыми. Поэтому техпроцесс Raytheon — это проектные нормы 1200 нм с питанием 15 В. Разумеется, есть, куда совершенствоваться, но все же КМОП на SiC кремнию не конкурент, TSMC может спать спокойно. Зачем нужна такая логика? Во-первых, для реализации вспомогательных функций на одном кристалле с силовым ключом, например сенсоров температуры или тока. Во-вторых, рабочий диапазон карбида кремния существенно шире, чем у кремния, и достигает 400-450 градусов Цельсия. Разумеется, в этом диапазоне должен работать не только ключ, но и его драйвер (а также печатная плата, все паяные соединения и прочие мелочи). Умение работать при экстремальных температурах полезно в нефтяной промышленности, схемах управления реактивными двигателями и, скажем, для освоения Венеры.
Рисунок 22. Элементы ТТЛ-логики на SiC, разработанные в Королевском технологическом институте Стокгольма. Источник — M. Shakir et.al., «Towards Silicon Carbide VLSI Circuits for Extreme Environment Applications», Electronics, 2019
В Швеции вспомнили, что КМОП — это не цель, а средство, и собрали логику на SiC на основе ТТЛ, которая строится на транзисторах одного типа и совсем не требует качественного оксида. Да, потребление у ТТЛ больше, чем у КМОП, но если говорить не о микропроцессоре, а о небольшой служебной схеме рядом с силовым ключом, то ее потребление не будет заметно на фоне потерь, возникающих при работе ключа. Тот самый случай, когда новое — это хорошо забытое старое.
IGBT
Может кремний ли что-то противопоставить карбиду? Частично проблемы мощных биполярных транзисторов при сохранении их достоинств решает прибор под названием IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor или биполярный транзистор с изолированным затвором. Выглядит он вот так:
Рисунок 23. Сечение, эквивалентная схема и символ IGBT. Источник — «IGBTs: FAQs», на сайте powerelectronics.com
Как видно из эквивалентной схемы, IGBT идейно похож на пару Дарлингтона — мощным биполярным транзистором управляет другой прибор меньшего размера. Только в этом случае управляющий прибор — полевой. При таком раскладе базовый ток мощного транзистора потребляется из нагрузки, а драйвер должен только заряжать относительно небольшой затвор управляющего МОПТ. Выглядит, как все лучшее сразу, не правда ли? Все почти так. IGBT позволяют комбинировать низкий управляющий ток МОП-транзисторов с низким сопротивлением и высоким стоковым напряжением биполярных. Плата за это — низкая скорость работы, потому что “хвост” заряда из базы биполярной части IGBT при выключении рассасывается точно так же, как и в биполярных транзисторах.
Другая важная проблема IGBT — их технологическая сложность. Внимательный читатель наверняка заметил на сечении IGBT, что ток проходит последовательно через области с легированием n-, p-, n-, p-типа, то есть через тиристор — который, как я написал выше, не закрывается самостоятельно! И действительно, минимизация паразитного сопротивления между базой и эмиттером npn-транзистора, чтобы ни при каких обстоятельствах не допустить открывания паразитного тиристора — одна из важнейших задач проектирования IGBT.
IBGT — лучшее, что кремний может дать для приложений, требующих больших напряжений и больших мощностей. Но скорость он дать не может, поэтому МОП-транзисторы на новых материалах вызывают такой энтузиазм: они должны иметь сходные с кремниевым IGBT характеристики по напряжению и мощности, но быть полностью избавленными от его недостатков, просто за счет свойств полупроводников, из которых они изготовлены.
Рисунок 24. Сравнение основных характеристик кремниевых силовых приборов с МОПТ на SiC. Источник — ROHM.com
Заключение
В последние год-два новости об успешных внедрениях в массовое производство приборов на основе карбида кремния (и его двоюродного брата — нитрида галлия). Практическая польза от внедрения SiC была довольно наглядно продемонстрирована компанией ROHM на примере инвертеров, стоящих в автомобилях команды Venturi в формуле E. Первое поколение, рассчитанное на мощность 200 кВт при рабочем напряжении 600 В, было полностью кремниевым: IGBT и дискретные диоды. Второе поколение использовало карбидкремниевые диоды, позволившие сэкономить 13% массы и 19% объема, а также уменьшить потери энергии при преобразовании на 30%. Третье поколение, уже полностью карбидкремниевое, получилось на 40% легче исходного, на 43% компактнее и с в четыре раза меньшими потерями мощности.
Рисунок 25. Сравнение инвертеров ROHM для разных сезонов формулы Е. Источник — ROHM.com
В обычных электромобилях тоже уже применяются транзисторы из карбида кремния. Вот так, например, выглядит инвертер Tesla Model 3. Стоит, кстати, отметить, что в Model S инвертер был собран из дискретных кремниевых IGBT, а в Model 3 уже появились SiC-транзисторы, причем не дискретные, как в Model S, а в виде готовых модулей.
Рисунок 26. Инвертер Tesla Model 3 с двадцатью четырьмя силовыми транзисторами на SiC производства STM.
Производятся эти транзисторы в Италии. Фабрика STM в Катании работает с двумя размерами пластин, 200 мм и 150 мм. На пластинах 200 мм выпускается широкий спектр продуктов для промышленной электроники, а более старое оборудование для пластин 150 мм перепрофилировали под производство дискретных силовых приборов на основе карбида кремния, не требующих тонких проектных норм, зато приносящих хорошие деньги. По состоянию на прошлый год, выручка STM по этому направлению составила более ста миллионов долларов, и компания надеется растить ее вместе с рынком. Кроме Tesla, продукция итальянской фабрики поставляется в автомобили альянса Renault-Nissan-Mitsubishi, и я думаю, что они не останутся единственными клиентами. Фактически, карбид кремния дал старому оборудованию новую жизнь.
В России развитием производства карбида кремния занимается завод “Ангстрем” — тоже, видимо, с целью выгодно использовать имеющееся старое оборудование, работающее с пластинами 100 и 150 мм. Подобный шаг в высшей степени логичен и может стать для “Ангстрема” в частности и для всей российской микроэлектроники вообще билетом в светлое будущее. Но, как это обычно происходит с российскими предприятиями, о результатах этой работы мы если и узнаем, то скорее всего случайно. Надеюсь, что из пресс-релиза какого-нибудь автогиганта.
