«Современная электронная компонентная база на основе арсенида галлия»

E-mail: snk_2009@mail.ruТел. (834) 225-46-74

1

Докладчик: Зам. технического директора по техническому развитию и инновациям

С. Н. Кузнецов

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

2 Максимальный рабочий ток IF, (А) 15,0 15,0 15,0

3 Прямое напряжение UF, В TJ = 150 CIF = IF max

1,1 1,5 1,7

4 Время обратного восстановления trr, (нс) TJ = 150 CIF = 1 А;

di/dt= 200 А/мксURRM = 200 В

80 35 < 10

5 Емкость перехода СJ, пФ UR = 0 В;

UR = 200 В10020

128

44040

6 Максимальная температура кристалла, oC150 250 175

7 Относительная стоимость (относительно кремниевых диодов) 1,0 1,5 5,0

* Использованы материалы передовых фирм:Кремниевые UFRED – HFA08TB60 (International Rectifier, США)SiC ДШ – IDC08S60C (Infineon, Германия) и C3D08060G (Cree, США)

Кристаллы диодов АД6101Б (1,4X1,4 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

8

(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

GaAs диоды в корпусе КТ-28 (ТО-220)

9

Электрические параметры GaAs диодов в корпусе КТ-28 (ТО-220)

10

- 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

GaAs диоды в корпусе КТ-93-1 (SMD-0,5)

11

Электрические параметры GaAs диодов в корпусе КТ-93-1 (SMD-0,5)

12

- 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

Динамические характеристики GaAs – диодов, производства ОАО «Орбита» (в сравнении с Si -

быстровосстанавливающимися диодами)

__Jпр__Jобр.вос.

Tj=125 0CTj=25 0C

Tj=150 0C

t, нс0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

-1

1

Время обратного восстановления

Si – диод (БВД)

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 GaAs-диодов, производства ОАО «Орбита» (в сравнении с диодами на

основе Si и SiC)

Исходный материал Si SiC GaAs

Прибор (фирма)________________________________________Электрические параметры

LXA15T600 (Фирма «Power Integrations»)

Диод Шоттки SDT12S60 («Infineon»)

Диод («Орбита»)

Максимальное обратное напряжение, В 600 600 600

Максимальный постоянный прямой ток, АПри Т=+100 °СПри Т=+175 °С

150

120

1515

Максимально прямое напряжение, В(IF=15 А)При Т=+25 °СПри Т=+125 °С

3,12,8

1,82,0

1,81,8

Время обратного восстановления, нс (di/dt=200 А/мкс; 200 В, 15 А)При Т=+125 °СПри Т=+150 °С

2555

1820

3525

Ёмкость перехода, пФ(f=1,0 МГц)UR=0 ВUR=600 В

25025

70045

2215

Частота коммутации, МГц 3,0 2,0 5,0

Максимальная рабочая температура, °С 150 175 250 16

- 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.

Разработаны быстродействующие, высоковольтные, высокотемпературные GaAs-диоды, позволяющие достигнуть в

преобразовательных устройствах следующих результатов:

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 oС 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

Формирование встроенного поля в базе за счет изменения состава – уменьшение времени пролета

Плавное изменение состава на границе эмиттер-база

Резкое изменение состава на границе эмиттер-база

«Сшивание» Физической структуры

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.

Параметры AlGaAs/GaAs гетероструктурных n-p-n - транзисторов

Статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ

при UКБ = 5 В, IЭ = 1 А

>20

Граничная частота коэффициента передачи тока в

схеме ОЭ при UКБ = 5 В, IК = 50 мА

> 4 МГц

Граничное напряжение при IЭ = 0,1 А 150-200 В

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при IК = 1 А,

IБ = 0,08 А

< 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 СВЧ-электроники (биполярные гетеротранзисторы, резонансно-туннельные диоды и т. п.)