Ключевой элемент
Биполярные транзисторы с изолированным затвором, более широко известные под названием IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), впервые были изготовлены в США в 1979 году, хотя их концепция родилась намного раньше - она была описана ещё в 1968-м сотрудниками Mitsubishi Electric К. Ямагами и И. Акагири в японском патенте S47-21739.
Составная структура IGBT выглядит весьма просто (см. рисунок), но на деле эти силовые электронные приборы представляют собой интегральные схемы, состоящие из сотен тысяч параллельно соединённых транзисторных ячеек.
Первые приборы IGBT изготавливались по планарной полупроводниковой технологии с горизонтальным расположением изолированного затвора. В получаемых структурах носители заряда между коллектором и эмиттером двигались частично перпендикулярно к плоскости кремниевой подложки, а частично параллельно с нею, из-за чего снижались характеристики. Около пятнадцати лет назад была изобретена технология с размещением вертикального затвора в глубоких канавках, которая позволила выпрямить траекторию движения носителей заряда и сократить сопротивление ключа в открытом состоянии.
На сегодня сменилось уже семь поколений IGBT. Рабочие напряжения вышли на уровень 2 кВ, а токи исчисляются сотнями ампер. По мере улучшения характеристик IGBT-модулей растёт и рынок для них. Инверторы солнечных электростанций, электромобили, накопители энергии... Специалисты убеждены, что твердотельные трансформаторы для будущих распределительных сетей следует проектировать именно на IGBT.
От простого к сложному
Между тем мало кто знает, что отечественные разработки IGBT-приборов одно время опережали зарубежные. В 2010 году в журнале «Силовая электроника» № 5 была опубликована статья Владимира Дьяконова, работавшего в 1970-е на кафедре промышленной электроники в Смоленском филиале МЭИ. Вот о чём говорится в этой статье.
В 1960-е биполярные транзисторы (БТ) по своим характеристикам намного превосходили полевые (ПТ). Но, к сожалению, в импульсном режиме работы БТ вели себя далеко не лучшим образом. Ряд физических явлений (накопление избыточных зарядов при включении, насыщение полупроводниковой структуры, неравномерность распределения тока по площади эмиттера, расширение базы вследствие эффекта Кирка и вызванное этим ухудшение усилительных и частотных свойств и т. д.) затрудняли усилия по повышению рабочих токов и мощностей. Особенно разработчикам мешала значительная задержка выключения насыщенного транзистора, связанная с рассасыванием избыточных носителей заряда в его базе. Все эти недостатки связаны с инжекционным механизмом управления БТ и медленным диффузионным переносом носителей заряда.
Носителей лавина
В конце 1960-х было установлено, что переключение транзистора можно резко ускорить, переведя его в лавинный режим работы. В этом режиме при высоких напряжениях на коллекторе и сильных токах базовая область перекрывается зоной объёмного заряда коллекторного перехода, так что носители заряда в обеих областях оказываются в дрейфовом режиме. Результат - резкое сокращение времени включения (до наносекунды и даже меньше). Теория подсказывала, что в лавинном режиме возможна коммутация больших токов за чрезвычайно короткое время.
К середине 1970-х Дьяконов с коллегами из МЭИ опубликовал десятки основополагающих работ по теории и применению лавинных транзисторов. Учёные вуза совместно со специалистами московского НИИ «Пульсар» (ведущий институт по созданию сверхвысокочастотных полупроводниковых приборов) разработали первый советский лавинный транзистор ГТ338.
В те годы стало ясно, что лавинные БТ могут применяться в импульсных схемах для генерации очень коротких мощных импульсов с большой скважностью. В обычных узлах силовой электроники лавинный режим считался вредным явлением, так что его старались исключать. «Но некоторые фирмы заинтересовались чрезвычайно высоким быстродействием лавинных транзисторов, - рассказывает Дьяконов. - В середине 1970-х нашу кафедру посетила делегация из зеленоградского НПО "ЭЛАС", входившего в военно-промышленный комплекс СССР. Нам предложили взяться за крупную закрытую НИР по проблеме создания высоковольтных и сильноточных быстродействующих и сверхбыстродействующих источников импульсов. Не без колебаний мы согласились».
На переднем крае
Промышленной базы для исследования и тем более производства лавинных электронных приборов в Смоленском филиале МЭИ не было, но в те годы ВПК не жалел денег на фундаментальные научные работы; тема была хорошо профинансирована. Кафедру быстро оснастили самой современной по тем годам измерительной аппаратурой: высокочастотными осциллографами, генераторами наносекундных импульсов, цифровыми вольтметрами и т. д. Не было затруднений и в поставке разных радиокомпонентов и даже их опытных образцов, включая транзисторы различных типов.
Сотрудничество с НПО «ЭЛАС» помогло филиалу МЭИ расширить связи с другими научными учреждениями: НИИ «Пульсар», НПО «Полюс» и т. д. Благодаря связям с фундаментальной и отраслевой наукой специалисты института занялись исследованиями только-только появившихся мощных ПТ. Исследуя опытные образцы ВЧ- и СВЧ-приборов НИИ «Пульсар», сотрудники МЭИ выявили их уникальные импульсные свойства: возможность сверхбыстрого (менее 1 нс) переключения, отсутствие насыщения при включении, выключение без задержки, малые остаточные напряжения и т. д.
Стоит отметить, что приоритет в выпуске мощных генераторных полевых ВЧ- и СВЧ-транзисторов принадлежит СССР. Ещё в 1973 году советские приборы КП901 и КП902 с выходной мощностью 1,8 Вт, обладающие рекордно малым временем переключения в 1 нс, получили золотую медаль на Международной выставке-ярмарке в Лейпциге. Позже был создан феноменальный по тем временам КП904, способный выдавать в нагрузку 50 Вт и даже больше. Перед кафедрой стояла задача создания силовых ПТ с высоким быстродействием.
В 1970-е мощные ПТ имели горизонтальный канал и создавались в основном для радиопередатчиков. Они обеспечивали хорошие спектральные характеристики, необходимые для того, чтобы многочисленные радиолокационные станции на поле боя меньше влияли друг на друга. Остаточные напряжения у таких приборов достигали 10-15 В, а рабочие не превышали 100 В, чего, конечно, было недостаточно для импульсных устройств.
В середине 1980-х появились первые советские высоковольтные ключевые ПТ с изолированным затвором КП701 и КП702 на рабочие напряжения до 500 В. В это время во всём мире шли разработки мощных полевых ключей. Благодаря усовершенствованной структуре они стали достойными конкурентами для силовых БТ, превосходя их не только по скорости переключения, но и нередко по уровням рабочих напряжений и токов. Появились приборы с сопротивлением во включённом состоянии в единицы и десятки миллиомов. К сожалению, к тому времени наметилось отставание нашей страны по уровню выпускаемых силовых приборов.
Рождение побистора
В 1977-1978 годах кафедра выполнила для НИИ «Пульсар» работу по исследованию наносекундных импульсных устройств на мощных ПТ с изолированным затвором. Именно тогда в Смоленске впервые исследовали составные приборы, в которых мощный ПТ использовался для запуска ещё более мощного высоковольтного и сильноточного БТ.
«Мы обратили внимание на то, что если соединить накоротко сток полевого транзистора с коллектором мощного биполярного транзистора, то при малом омическом сопротивлении коллектора полученная структура принципиально не насыщается во включённом состоянии и не имеет задержки при выключении», - рассказывает Дьяконов. Первый прибор класса IGBT, созданный на кафедре в 1977 году, получил название «побистор» (ПОлевой БИполярный транзиСТОР).
Годом позже сотрудники кафедры совместно с коллегами из НИИ «Пульсар» подали заявку № 2725221 на изобретение полупроводникового прибора с приоритетом от 15 февраля 1979 года. В ней была описана полупроводниковая структура с V-образным изолированным затвором, опередившая своё время на десяток лет. Зарегистрированное 21 апреля 1980-го авторское свидетельство СССР № 757051 не считалось секретным, но его описание включало фразу: «Не подлежит опубликованию в открытой печати». Поэтому авторы изобретения не стали упоминать его в своих научных статьях, посвящённых совместному применению ПТ и БТ. История замечательного изобретения стала известна только в нынешнем веке.
Читайте другие наши материалы
