Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 8

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

Анод

о Затвор

Затвор —|-

Анод \l VS

г

Катод

Катод

а) б) Рис. 2.45 - Еквівалентна схема (а) і позначення (б) запірного тиристора з МОН-керуванням Вмикають його подачею імпульсу напруги позитивної відносно като­да полярності на затвор n-канального МОН-транзистора VT1. Вими­кання здійснюється подачею імпульсу напруги негативної полярності на затвор //-канального МОН-транзистора VT4, що на короткий час шунтує катодний перехід тиристорної структури: емітерний перехід транзистора VT2. Цим забезпечується мала потужність у колі керування приладу.

2.7. Інтегральні мікросхеми

2.7.1. Загальні відомості

Бурхливий розвиток техніки, що у наш час значною мірою зале­жить від розвитку електроніки, призводить до значного ускладнення

Є7

електронних пристроїв. Це, у свою чергу, веде до збільшення кількості елементів у пристроях.

Так, середньостатистична кількість активних (діоди, транзисто­ри, лампи) та пасивних (резистори, конденсатори, дроселі) елементів електронних пристроїв складала:

у 1950 році - 104 шт.; у 1975 - 10б . 107; у 1985 - 108; у 1995 - 109.

Таке зростання складності електронних пристроїв призводить до ви­никнення низки проблем, основними з яких є:

1) надійність елементів і електричних зв'язків між ними (а, отже, і надійність пристрою в цілому);

2) мініатюризація елементів (зменшення об'єму та маси пристроїв);

3) зниження споживаної потужності.

Неможливість вирішення зазначених проблем за використання розгля­нутих вище дискретних електронних приладів призвело до виникнення нового напрямку в електроніці - створення інтегральних мікросхем.

Інтегральна мікросхема (ІМС) - це електронний прилад із високою щільністю пакування електрично зв'язаних елементів, що виконує деяку функцію обробки або перетворення електричних сигналів і який, з точки зору конструктивно-технологічних та експлуатаційних вимог, є одним цілим.

Проектуванням, виготовленням та розробкою методів застосування ІМС займається мікроелектроніка.

Залежно від технології виробництва ІМС поділяють на:

- гібридні (виконуються на основі безкорпусних дискретних електронних приладів, що прикріплюються до ізоляційної основи, на яку нанесено плівкові елементи - резистори, конденсатори і т. п., а також з'єднуючі провідники);

- напівпровідникові (всі елементи виконуються на основі єдиного крис­талу НП).

За складністю ІМС поділяють на чотири групи:

1 - малий ступінь інтеграції (до 30 елементів у схемі);

2 - середній ступінь інтеграції (30 , 150 елементів);

3 - великий ступінь інтеграції (150 , 1000 елементів);

4 - надвеликий ступінь інтеграції (понад 1000 елементів).

2.7.2. Гібридні ІМС

Гібридні ІМС складаються з таких конструктивних вузлів:

Є8

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

1) ізоляційна основа із склопластику або керамічна, на поверхню якої у вигляді плівок нанесені резистори, конденсатори невеликої ємності, котушки невеликої індуктивності, електричні з'єднання;

2) дискретні безкорпусні НП прилади;

3) дискретні конденсатори великої ємності, трансформатори, дроселі;

4) ізоляційний корпус, що забезпечує герметизацію усіх елементів ІМС і має вивідні контакти.

На рис. 2.46 показано конструкцію плівкових резисторів із малим і великим опором. Тонку плівку з чистого хрому, ніхрому або танталу наносять безпосередньо на ізоляційну основу. У такий спосіб одер­жують резистори з опором від 0,001 до десятків кілоом. Щоб одер­жати більш високоомні резистори л л x x/ (до десятків мегаом), використо­вують металодіелектричні суміші (наприклад, хром та монооксид кремнію).

На рис. 2.47 зображена конст­рукція плівкового конденсатора. Нижня та верхня обкладки кон-

_ _ денсатора 2 є тонкими плівками із

Х^УУ)<^)< міді, срібла або золота. Діелектри-РИс 2 46 - Конютруюція ком 1 є плівка із силікату алюмінію,

плівкових резисторів з малим (а) і   двооксиду титану аб° кремнію. великим (б) опором Розміщені вони на діелектричній

2 основі 3.

1 Ємність таких конденсаторів

може бути від десяти до десятків тисяч пікофарад.

Провідники виконують у вигляді тонкої (1 мкм) плівки із золота чи міді з підшарком нікелю або хрому.

Дискретні елементи із гнучкими виводами (золотий дріт діаметром 30,50 мкм) приєднуються до Рис 247 - Конютруюція плівкової мікросхеми пайкою або

плівкового конденсатора зваркою.

Є9

Електронні пристрої на гібридних ІМС можуть мати щільність мон­тажу до 60, 100 елементів на 1 см3. За такої щільності об'єм пристрою, що має 107 елементів, може складати 0,1 ,0,5 м3, а середній час без­відмовної роботи - 103, 104 годин і більше.

2.7.3. Напівпровідникові ІМС

На відміну від гібридних ІМС, напівпровідникові (з'явилися у 1958 р.) виконуються на основі кристалу НП, де окремі його ділянки виконують ролі транзисторів, діодів, конденсаторів, резисторів і т. ін., і з'єднуються за допомогою алюмінієвих плівок, що наносяться на поверхню кристалу.

Електронні пристрої на напівпровідникових ІМС можуть мати щільність монтажу до 500 елементів у 1 см3 і цей параметр з року в рік зростає. Середній час безвідмовної роботи пристрою, що має 107, 1010 елементів, сягає 103, 104 годин.

2.7.4. Призначення і параметри ІМС

На відміну від дискретних елементів (діоди, транзистори), ІМС явля­ють собою функціональні пристрої, призначені для перетворювання елек­тричних сигналів або енергії.

Залежно від призначення ІМС, для неї можуть нормуватися різні па­раметри, що характеризують її як функціональний пристрій в цілому.

За призначенням усі ІМС поділяються на два класи:

1) лінійно-імпульсні (або аналогові);

2) логічні (або цифрові).

До лінійно-імпульсних (аналогових) належать ІМС, що виконують функції перетворення й обробки електричних сигналів, які змінюються за законом безперервної функції. До них належать різні підсилювачі, генератори, стабілізатори струму та напруги.

Основні параметри підсилювачів:

- коефіцієнт підсилення за напругою Кц,

- вхідний опір Rgx;

- максимальна вихідна напруга U ;

L J вих max7

- робочий діапазон частот.

Основні параметри стабілізаторів:

- коефіцієнт стабілізації Kcm,

- напруга стабілізації Ucm,

- максимальна потужність P ;

max

- діапазон зміни вхідної напруги.

До логічних (цифрових) належать ІМС, що виконують функції пере­творення й обробки електричних сигналів, які змінюються за законом дискретної функції (зазвичай це двійковий цифровий код). Параметри таких схем:

- рівень логічного нуля;

- рівень логічної одиниці;

- швидкодія;

- завадостійкість. Основні переваги ІМС:

- висока надійність;

- малі габарити і маса;

- незначна споживана потужність;

- невисока вартість;

- високий рівень швидкодії.

Недолік - невелика вихідна потужність (50 , 100 мВт).

Проте за ІМС майбутнє, бо завдяки створенню мікропроцесорів та внаслідок розвитку інформатики стала можливою побудова функціонально різних електронних пристроїв на однотипних елементах (датчики, пе­ретворювачі аналогових сигналів у цифрові, процесор, вузли пам'яті, перетворювачі цифрових сигналів у аналогові в поєднанні з виконавчи­ми потужними пристроями на дискретних елементах). При цьому алго­ритм обробки електричних сигналів визначається заданою програмою роботи пристрою і набір виконуваних функцій фактично залежить від програми, а не від схеми пристрою.

При цьому зазначимо, що теоретично встановленою межею мікро­мініатюризації напівпровідникових ІМС є максимально досяжна кількість елементів (транзисторів), що можуть бути розміщені на 1 мм2 площі кристалу, - 101б-1018 штук.

Як відомо, 16 грудня 1947 року Джон Бардін, Уолтер Браттейн та Уільям Шеклі створили електронний прилад, у якому зуміли підсилити силу струму у декілька разів. Тепер ми називаємо його біполярнимтранзистором. У 1958 році Джон Кілбі розмістив два транзистори на одній кремнієвій підкладці - з'явилась перша напівпровідникова інтег­ральна мікросхема. Відтоді вже 50 років спеціалісти намагаються роз­містити на напівпровідникових підкладках якомога більше транзисторів (тепер до мільярда). При цьому зберігається дія закону, виведеного експериментально у 1965 році засновником компанії Intel Гордоном Муром: кількість компонентів мікросхем щорічно подвоюється, а про­дуктивність (швидкодія) зростає вдвічі кожні вісімнадцять місяців при збереженні попередньої вартості.

Сьогодні закон Мура ще є чинним, але продуктивність систем все більше визначається не щільністю компонування транзисторів, а щільністю компонування мікропроцесорів. А декілька років тому відо­мий фізик і космолог Стівен Хокінг передрік, що індустрію будуть стри­мувати два основоположні чинники: швидкість світла і атомарна приро­да речовини. У 2007 р. Гордон Мур зазначив, що інтегральній напівпров­ідниковій індустрії залишилось ще 10-15 років, оскільки, наприклад, шар ізоляційного матеріалу, що використовується в сучасних процесорах, прак­тично досяг свого мінімуму і складає лише декілька молекул.

Одним з найвірогідніших кандидатів на роль матеріалу для мікрос­хем майбутнього є вуглецеві наноструктури. Зазначимо, що до струк­тур, отриманих на основі нанотехнологій, належать усі об'єкти розмі­ром до 150 нанометрів, властивості яких не можуть бути пояснені тра­диційними теоріями.

Так, група вчених з Національної лабораторії Лоуренса в Берклі (США) 2007 року оголосила про створення радіоприймача нанометро-вого розміру. Пристрій складається з єдиної молекули вуглецевої нано-структури довжиною один мікрон і шириною десять нанометрів, що працює за тим самим принципом, що й електронновакуумні лампи. А вчені зі Стенфорду (Великобританія) 2008 року розробили спосіб виго­товлення транзисторів з вуглецевих наноструктур: вперше створено такий польовий транзистор. Вважається, що це ще один крок на шляху створення високопродуктивних ІМС для комп'ютерів, які будуть пра­цювати швидше за сучасні кремнієві мікросхеми і виділяти значно мен­ше тепла. Подібні прилади створювали і раніше, але для їхньої роботи необхідно було підтримувати температуру рідкого гелію - чотири граду­си за Кельвіном. Можливість роботи за високих температур отриманоза рахунок використання «нанострічки» шириною менш ніж 10 нано-метрів (у 50 тисяч разів тоншої за людську волосину).

Оскільки в основі всіх сучасних інформаційних технологій лежить ком­п'ютерна техніка, інформаційно-обчислювальні мережі, супутникові лінії зв'язку, INTERNET-технологїї тощо, а обсяги інформації, що потребу­ють опрацювання у реальному часі, невпинно зростають, пов'язані з цим технічні і технологічні проблеми потребують вирішення тим чи іншим способом. Завдяки невпинній роботі вчених і інженерів провідних лабо­раторій, фірм і корпорацій всього світу еволюціонують відповідні прила­ди і пристрої. А час від часу відбуваються глобальні революційні зміни.

Ми перебуваємо зараз на такому етапі розвитку: механіка ® елек­тромеханіка ® електронновакуумні лампи ® напівпровідникові при­лади та ІМС ® вуглецеві наноструктури?

2.8. Сучасний стан і тенденції розвитку керованих силових напівпровідникових приладів

У промислово розвинених країнах понад 70% виробленої електро­енергії проходить через напівпровідникові перетворювачі. Сумарна вста­новлена потужність таких перетворювачів цілком порівняна з сумар­ною потужністю, що генерується. Тому технічний рівень перетворю­вальної техніки відчутно впливає на стан всієї енергетики. В Україні, як і в Росії, через напівпровідникові перетворювачі проходить лише 30% електроенергії. Тим часом збільшення цієї частки до світового рівня за даними Російської академії наук дасть змогу зекономити до 15% всієї електроенергії, що виробляється. Отже, прискорений розвиток силової перетворювальної техніки є одним з найшвидших і найменш витратних шляхів відчутного зниження енергоємності внутрішнього валового продукту.

Оскільки керовані силові напівпровідникові прилади (СНП) або си­лові напівпровідникові ключі (НК) становлять основу силової перетво­рювальної техніки, то вивчення тенденцій розвитку цих приладів, а та­кож знання сучасного стану забезпечує усвідомлене використання до­сягнень цієї техніки для розв'язання виробничих задач.

Проведемо огляд основних історичних етапів розробки силових ключів і стисло оцінимо отримані при цьому результати. В спеціальнійлітературі прийнятий поділ на етапи, наведені нижче в хронологічному порядку.

Етап 1. Кінець 40-х- початок 60-х рр. XX ст. Розробка основних типів керованих НК (біполярних і уніполярних транзисторів) на основі відомих теорій твердотільної електроніки. Підвищення потужності при­ладів досягається за рахунок збільшення фізичних розмірів структури. Для тиристорних ключів подібний підхід забезпечує збільшення кому­таційних струмів до 100 А за напруги до 1000 В. Для транзисторів, як і раніше, залишається актуальною задача розробки приладу на великі струми з хорошими динамічними показниками.

Етап 2. Кінець 50-х - початок 70-х рр. XX ст. Розробка перших НК на основі вертикальних і багатоканальних структур. Поява планарної і епітаксіальної технологій, а також вдосконалення технології дифузії в напівпровідникові структури. Освоєно серійне виробництво потужних біполярних і польових транзисторних ключів, здатних розсіювати по­тужність у декілька ват і потужних тиристорних ключів на струм до 630 А за напруги до 1500 В. Практичне використання потужних тирис­торів дало можливість виявити сильні і слабкі сторони біполярних і ун­іполярних приладів і сформулювати завдання створення більш сучас­ної комбінованої структури.

Етап 3. 70-і рр. XX ст. Розробка складених транзисторних і тирис­торних ключів на дискретних елементах, що поєднують переваги біпо­лярних і польових приладів. Цей період можна характеризувати як етап схемотехніки напередодні нового технологічного стрибка.

Етап 4. Кінець 70-х - початок 80-х рр. XX ст. Застосування вдоско­налених підходів інтегральної електроніки в технології силових ПК. Розробка потужних гібридних модулів і створення перших поколінь скла­дених біполярно-польових монолітних структур. За цей відрізок часу вдається підвищити потужність, що перемикається приладами, більш ніж у 100 разів. Для транзисторних ключів рівень комутованих струмів і напруг складає сотні ампер і тисячі вольт. Тирсторні ключі стають повністю керованими і охоплюють мегаватний діапазон потужностей.

Етап 5. 90-і рр. XX ст. Удосконалення технології НК в заданому діа­пазоні потужностей і граничних напруг. Цей період характеризується поліпшенням якісних показників ключових приладів за швидкодією і залишковими напругами.

Етап 6. Кінець 90-х рр. XX ст. - теперішній час. Розробка нових поколінь силових ключів із застосуванням субмікронних технологій. Впровадження керуючих структур з ізольованим затвором в структу­ри потужних тиристорних ключів. Широке вживання «розумних» або «інтелектуальних» приладів, здатних вирішувати цілий спектр задач як у галузі керування і захисту, так і в діагностиці. Кінець XX ст. і початок XXI ст., як і раніше, демонструють тенденцію до створення універ­сального НК, керованого ізольованим затвором з потужністю переми­кання, що відповідає «тиристорному діапазону» і залишковою напру­гою, близькою до прямої напруги звичайного діода. Продовжується подальше удосконалення одноопераційних (біполярних) тиристорних ключів у бік підвищення комутованих струмів і напруг понад 10 кА і 10 кВ відповідно.

Таким чином, ми бачимо, що півстолітній шлях еволюційного роз­витку НК був спрямований до створення ключа з «ідеальними власти­востями», який повинен мати залишкову напругу і струми витоку, рівні нулю, миттєво перемикати нескінченно великі струми і блокувати не­скінченно великі напруги за нульової потужності керування. Мабуть, цього можливо досягти тільки у віртуальних задачах, наприклад, при моделюванні електронних схем на ЕОМ. Практичні ж ключі можуть лише в тому чи іншому ступені наближатися до ідеальних.

Як видно з наведеного історичного огляду, саме у 80-х роках почав­ся найдинамічніший етап розвитку силової електроніки, пов'язаний із запровадженням у технологію керованих СНП вдосконалених методів інтегральної електроніки. Завдяки цьому було створено повністю керо­вані СНП з параметрами, що наближаються до ключа з «ідеальними властивостями». Серед них найбільше практичне вживання знайшли потужні біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT) та дво-операційні тиристори або тиристори, що запираються, типів GTO, GCT і IGCT та їхні інтегральні збірки.

IGBT є компромісним рішенням, що дає змогу об'єднати позитивні властивості польового керування та біполярної провідності і є, таким чином, транзистором з комбінованою структурою. Сьогодні IGBT є найдосконалішим ключовим приладом комбінованого типу з тих, що серійно випускаються. Діапазони струмів і напруг IGBT швидко розши­рюються і зараз вони практично повністю витіснили у перетворювальнійтехніці решту типів ключів в діапазоні потужностей від одиниць до ти­сяч кВА.

Проте, слід зазначити ряд недоліків цих приладів, зумовлених фізич­ними особливостями роботи: значне для біполярного ключа падіння напруги у відкритому стані, схильність до самочинного вмикання у тиристорному режимі (ефекту «заклацування») і, як наслідок, знижена стійкість до струмів короткого замикання, відносно невисока у по­рівнянні з МДН-аналогами швидкодія.

Перше покоління IGBT (початок 80-х років) за густиною струму в 20 разів перевершувало МДН і в 5 разів біполярні транзистори, хоча мало відносно високі час вимикання (10-20 мкс) і напругу у ввімкне­ному стані (4-5) В. Удосконалення технології керування часом життя неосновних носіїв підвищило швидкодію IGBT до 200-300 нс. До кінця 80-х років були розроблені прилади другого покоління як дискретного, так і модульного типів на струми від десятків до сотень ампер з напру­гою блокування до 1200 В.

Введення в структуру транзистора додаткового високолегованого п+-шару , що називається буферним, дало змогу підвищити рівень про­бивних напруг і швидкість перемикання. Діапазон робочих струмів IGBT розширився до сотень ампер завдяки використанню модульних кон­струкцій півмостових і мостових конфігурацій. Таким чином, до кінця 90-х років вже застосовується третє покоління цих транзисторів. Най­ефективнішими можна вважати модулі серії ЕСONOPACK у фірми Siemens і U-SERIES у фірми Mitsubishi Electric.

На рис. 2.48 наведено залежність напруги насичення від часу спаду струму колектора для IGBT-ключів перших трьох поколінь, що наочно ілюструє тенденцію до зниження залишкової напруги і показує подаль­шу актуальність цієї задачі.

У 90-і роки після розробки так званих HV-структур IGBT (High Voltage) на клас напруг 1700 В було нарешті досягнуто високовольтно­го діапазону від 1300 В і більше, що традиційно вважався тиристор­ним. В основу такого високовольтного ключа покладено гомогенну структуру IGBT, виконану за планарно-епітаксіальною технологією -NPT-структуру. Для захисту від пробою застосовано полікристалічне кремнієве охоронне кільце, що зменшувало кривизну поверхневих полів. Для зменшення залишкових напруг в структурі оптимізувався термінжиття носіїв, ключі були розроблені на струми до 300 А і мали залиш­кову напругу (2,5-4) В за частоти перемикань до 50 кГц. Аналогічні ключі було розроблено і на основі використання епітаксіальної структу­ри - PT-структури IGBT, що дало можливість зменшити залишкову напругу до 2,7 В при струмі 400 А. Вже наприкінці 90-х років з'явилися розробки HV-IGBT на напруги 2500-3000 В.

VcE(sat), В і 4,5

4,0

3,5

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

VcE(sat), В а

°, 5 4,0 °, 5 3,0 0 , 5 2,0

1, 5

1,0

0, 5

0

 

 

 

 

 

IGBT I

 

 

 

 

 

IGB 1 I

 

 

 

 

" 1--

—-____

 

 

-

■----

IG

BTII _

 

 

 

 

 

 

C = 100 A

 

 

ІҐ^ОТ III

 

Vcc = 300 В

_ 1/ _           і о _

 

 

IGB 1 III

 

Vge= ±15 В Tj = 25°C _

 

 

 

 

і

 

 

 

 

tf, HC

a)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

IGBT I

 

___

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IGBT II

Ic = 50

A

 

' ■—-

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка