Современная электроника №5/2023

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 5 / 2023 В современных тиристорах меж - ду n – - и р + - областями есть стопорный слой , но он формируется для ограниче - ния ОПЗ и повышения , соответствен - но , максимального рабочего напря - жения . Концентрация примеси в нём невысокая , что не препятствует инжек - ции дырок из р + - области в n – - область . Время переключения тиристора зависит от величины эффективной ёмкости затвора ( С вх эф ), которая опре - деляется уравнением : С вх эф = С зи + С зс (1 + M *) + С з к + С з пл , (1) где M * – коэффициент усиления ; С з к – ёмкость , определяемая неоснов - ными носителями в канале ; С з пл – ёмкость , определяемая неоснов - ными носителями под площадками и на периферии . В линейном приближении T пер = 2,2 С вх эф ( R г + R з ), где T пер – время переключения ; R г – выходное сопротивление генера - тора запускающих импульсов ; R з – сопротивление области затвора транзистора . Точный расчёт С з к и С з пл не представ - ляется возможным , но очевидно , что неосновные носители , определяющие их величину в канале и под площад - ками катода , затвора и на периферии , рассасываются по разным законам : в канале они вытягиваются полем и рекомбинируют с электронами , летя - щими из катода ; под площадками и на периферии – медленно дрейфуют к затвору . Ясно , что С з пл больше всех остальных , и её устранение существенно повыша - ет быстродействие тиристора . Кроме того , отключение « паразитных » обла - стей уменьшит С зи и С зс почти в два раза . Сегодня ТЭУ с такой конструк - цией ещё не изготовлены , но ожида - ется , что при её реализации уменьше - ние Т пер будет более чем на порядок . Замена n + - областей катода на изо - типный гетеропереход позволит про - водить глубокую модуляцию высо - коомной области анода основными носителями , что , в свою очередь , позволит увеличить рабочее напряже - ние тиристора до 10 кВт и выше и сни - зить сопротивление канала в откры - том состоянии на несколько порядков , увеличить быстродействие . Это , в свою очередь , позволит снимать больший ток с единицы площади кристалла . Данная конструкция ТЭУ является одной из лучших , выполненных на Si. Для её реализации можно исполь - зовать хорошо отработанную техно - логию , описанную в [6]. Однако наи - более интересные конструкции ТЭУ будут на GaAs, так как этот материал имеет подвижность электронов почти в восемь раз выше , и ширина запре - щённой зоны больше . Это позволяет создавать более высоковольтные при - боры с более высокой скоростью пере - ключения . Авторами данной работы предложе - на конструкция для создания ТЭУ на GaAs по технологии Trench на принци - пе максвелловского « сшивания » погра - ничных сред [7]. Схематичный разрез кристалла показан на рис . 5. Тиристор представляет собой ТЭУ с МОП полевым управлением . Подза - творный окисел должен быть выпол - нен из диэлектрических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости ε ox >>  ε GaAs, т . е . из комбинаций окислов металлов , таких как Ti, Ta, Hf, Cd и др ., с обязательным буферным нанослоем (< 10 нм ) широ - козонного изолятора . Это не позволит переходить грань плотности поверх - ностных зарядовых состояний Nss больше чем 3…5 ⋅ 10 11 см –2 . В конструк - ции , приведённой на рис . 5, применён диэлектрик из двуокиси гафния . Из соотношения Масквелла ε₁ε₀ E ₁ = ε₂ε₀ E ₂ следует , что соотношение выделяемого падения напряжения на р -n- переходе и в оксиде гафния определяется как U p-n- = ( ε Hf02 · U Hf02 · W р -n ) / ( ε Si · d Hf02 ); (4) К = U p-n- / U Hf02 = ( ε Hf02 · W р -n ) / ( ε Si · d Hf02 ), (5) т . е . К ≈ от 200 ~ 250. Это говорит о том , что всё приложенное напряжение к затвору будет переходить на р -n- переход . Плотность заряда инверсного кана - ла несравнимо более высокая , чем в кремниевых JGT и карбид - кремние - вых MOSFET, а подвижность электро - нов в канале , или , точнее говоря , дрей - фовая скорость пролёта электронов в i-GaAs-MOSFET, в 20 раз превышает кремниевый дрейф и тем более кар - бид - кремниевую скорость пролёта . Что же касается « проходных » и « выход - ных » RC- цепочек , то и здесь преимуще - ство будет за GaAs вследствие того , что выходная ёмкость при нуле смещения как минимум в 30 и в 10 раз меньше , чем в SiC- и Si-MOSFET соответственно ( мощность динамических потерь при перезарядке / переключении управляю - щего драйвера ). Сопротивление откры - того канала у GaAs-T ЭУ (R k GaAs) мень - ше , чем в R k SiC-MOSFET, так как идёт мощная инжекция носителей из анода . Катод можно делать как n ⁺ - область либо гетероинжекционным . На рис . 6 и рис . 7 показаны зонные энергетиче - ские диаграммы активной истоковой области кремниевого и арсенид - галли - евого ТЭУ с гетероистоком . Принципы работы обеих конструкций одинаковы , а именно : при подаче положительных Рис . 4. Разрез кристалла ТЭУ со « стопор »- областью Рис . 5. Разрез кристалла ТЭУ с МОП полевым управлением [7] (3) (2)