Транзисторы для мощных источников питания: какую технологию выбрать?
10 февраля
телекоммуникацииуправление питаниемInfineonстатьядискретные полупроводникиMOSFET
Франческо Ди Доменико (Infineon)
Читая восторженные статьи о внедрении широкозонных полупроводников (SiC и GaN), можно прийти к выводу, что эра кремния в мощных импульсных источниках питания закончилась. Однако есть масса приложений, где он остается незаменимым и не скоро сдаст свои позиции. Об этом рассказывает специалист компании Infineon.
Полупроводниковые приборы, изготовленные из материалов с широкой запрещенной зоной, с каждым днем используются все в большем количестве приложений. Немаловажную роль в этом играет то, что транзисторы на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) на бумаге имеют лучшие характеристики, чем их аналоги, выполненные из кремния (Si), пока еще остающегося традиционным материалом для изготовления многих полупроводниковых приборов.
Особенности транзисторов для преобразователей с высоким КПД
В последние годы в области импульсного преобразования сложился определенный баланс между реальным значением КПД, которого можно достичь при использовании существующих технологий, и ценой, которую современные потребители готовы платить за столь высокую эффективность. В этой статье будут рассмотрены характеристики одной из основных сфер применения широкозонных транзисторов – сетевых источников питания, состоящих из корректора коэффициента мощности (ККМ) (
Для начала следует отметить, что транзисторы, выполненные из разных полупроводниковых материалов, имеют разную конструкцию. Кремниевые транзисторы с суперпереходом и их карбид-кремниевые аналоги относятся к классическим полевым транзисторам с изолированным затвором – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) и чаще всего имеют вертикальную структуру, в которой ток протекает через несколько слоев полупроводникового материала, легированных разными примесями (рисунок 1). В нитрид-галлиевых транзисторах ток протекает в плоскости нелегированного кристалла, что обеспечивает высокую подвижность носителей заряда, из-за чего силовые транзисторы из нитрида галлия относят к отдельному классу полупроводниковых приборов – HEMT (
Рис. 1. Конструкция транзисторов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов
Разная конструкция и разные полупроводниковые материалы приводят к большому расхождению параметров и характеристик приборов. Для сравнения транзисторов, выполненных по разным технологиям, часто используют показатели или метрики качества (
Анализ параметров транзисторов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов, показывает, что если анализировать только метрики качества, основанные на величинах заряда паразитной емкости сток-исток (Qoss), заряда входной емкости (Qg) или заряда восстановления паразитного антипараллельного диода (Qrr), то кремниевые транзисторы выглядят намного хуже своих аналогов (рисунок 2).
Рис. 2. Метрики качества транзисторов с максимальным напряжением 600/650 В, изготовленных из разных полупроводниковых материалов
Одним из приоритетных направлений развития импульсных преобразователей является повышение их удельной мощности. И если уменьшение объема, занимаемого преобразователем, происходит при том же значении КПД, то такая модернизация неизбежно приведет к увеличению рабочих температур всех его компонентов, в том числе и транзисторов. Однако все параметры транзисторов, в первую очередь – сопротивление канала в проводящем состоянии R
Рис. 3. Нормализованные зависимости сопротивлений каналов от температуры
Анализ примеров построения сетевых источников питания мощностью 3 кВт
Хорошим примером практического применения различных полупроводниковых материалов являются сетевые источники питания, предназначенные для телекоммуникационного оборудования. Поскольку подобная техника работает круглосуточно, увеличение КПД ее источников питания является прямым путем уменьшения расходов на электроэнергию, а значит – и снижения стоимости предоставляемых услуг. На сегодняшний день типовой источник питания для телекоммуникационной техники при 50% загрузке должен иметь КПД не менее 97%, а устройства премиум-класса – не менее 98%. Однако столь высокого значения КПД для устройств, имеющих два каскада преобразования энергии (корректор коэффициента мощности и преобразователь постоянного напряжения), достичь не так просто. Для этого нужно не только выбрать тип транзисторов, но еще и правильно подобрать схему и режим работы каждого из каскадов.
Чтобы источник питания телекоммуникационного оборудования с выходным напряжением 48 В и максимальной мощностью 3 кВт при нагрузке 50% имел общий КПД 98%, КПД его ККМ в этом же режиме должен быть не менее 99%. На сегодняшний день корректоры коэффициента мощности могут иметь разную конфигурацию силовой части.
Рис. 4. Результаты исследований корректоров коэффициента мощности, КПД которых превышает 99%
В других схемах переход на элементную базу на основе широкозонных полупроводников также не всегда дает ожидаемый эффект. Например, двухтранзисторная версия безмостового ККМ (
Рис. 5. Результаты исследований корректоров коэффициента мощности, построенных по разным схемам
И здесь мы подходим к ключевому моменту всей статьи: на сегодняшний день кремниевые транзисторы все еще остаются дешевле их широкозонных аналогов с такой же установочной мощностью. Кроме того, кремниевые технологии хорошо изучены, а инженеры, работающие в области силовой электроники, имеют богатый практический опыт по использованию приборов на основе этого полупроводникового материала. Однако возможности новых технологий также не стоит недооценивать. Не следует забывать, что при использовании кремниевых транзисторов высокие характеристики узлов источника питания, в данном случае – ККМ, обычно достигаются использованием более сложной конструкции и более сложных методов управления. А вот переход на новые технологии в большинстве случаев позволит достичь тех же характеристик, но гораздо меньшей ценой.
Проанализируем теперь второй узел источника питания телекоммуникационной аппаратуры – изолированный преобразователь постоянного напряжения. Чтобы сетевой источник питания соответствовал мировым стандартам и обеспечивал при 50% загрузке КПД не хуже 98%, необходимо, чтобы его преобразователь постоянного напряжения в этом режиме имел КПД не меньше 99,1% (при условии, что КПД ККМ не меньше 99%). Самой простой схемой силовой части, которая может быть использована для этого узла, является резонансный полумостовой LLC-преобразователь. Эта схема является простой и понятной и подходит для использования транзисторов, изготовленных из всех рассмотренных полупроводниковых материалов (Si, GaN и SiC). Однако максимальное значение КПД, которое может обеспечить источник питания с однофазным полумостовым LLC-преобразователем, не превышает 97% (при нагрузке 50%) при условии, что КПД его корректора коэффициента мощности в этом режиме не ниже 99%.
Достигнуть требуемого значения КПД можно путем использования более сложных многофазных схем преобразователя, например, трехфазной полумостовой схемы (Three-Phase Interleaved Half-Bridge LLC-converter). Однако в этом случае использование вместо кремниевых транзисторов их широкозонных аналогов не даст никакого дополнительного увеличения КПД. При использовании трехфазной схемы можно лишь несколько увеличить удельную мощность за счет размещения всех трех трансформаторов на одном магнитопроводе, однако такой подход требует глубокого понимания механизма работы индуктивных компонентов.
Нитрид-галлиевые и карбид-кремниевые транзисторы в этом случае могут иметь другие преимущества, например, с их помощью можно оптимальнее скомпоновать силовую часть преобразователя. Кроме того, использование транзисторов на основе широкозонных полупроводников может быть обосновано в LLC-преобразователях, построенных по другим схемам, в частности двухфазной полумостовой или двухфазной мостовой. Следует отметить, что все многофазные LLC-схемы имеют лучшие характеристики по сравнению со своими однофазными эквивалентами, в первую очередь – за счет разделения преобразуемой мощности между несколькими силовыми каналами, приводящего к распределению мощности тепловых потерь между большим количеством элементов и, как следствие, к более эффективному охлаждению транзисторов. При этом полумостовые версии многофазных преобразователей имеют меньшее количество ключей, что упрощает управление силовой частью, а мостовые – повышенную частоту пульсаций выходного напряжения и несколько меньшее выделение тепла на транзисторах, расположенных на первичной стороне.
Не следует также забывать и об удельной мощности, ведь для некоторых приложений ее значение является критическим. К сожалению, увеличить удельную мощность импульсных схем можно только одним способом – увеличением частоты преобразования. А в этом случае нитрид-галлиевые транзисторы имеют неоспоримые преимущества по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. При использовании в силовой части LLC-преобразователя нитрид-галлиевых транзисторов его КПД может оставаться в заданных пределах при повышении рабочей частоты до 500 кГц, в то время как КПД источников питания, построенных на основе транзисторов из кремния и карбида кремния, катастрофически падает уже при частоте преобразования, равной 300 кГц (рисунок 6).
Рис. 6. Влияние частоты преобразования на КПД LLC-преобразователя
Обратите внимание, что при повышении рабочей частоты увеличение удельной мощности происходит в основном за счет миниатюризации реактивных элементов, принимающих непосредственное участие в процессе преобразования: трансформаторов, дросселей и фильтрующих конденсаторов. Также объем, занимаемый преобразователем, можно уменьшить за счет применения радиаторов меньшего размера и более эффективных систем охлаждения. А вот количество и размеры других узлов, например, вспомогательных источников питания, особенно при использовании технологии поверхностного монтажа, на удельные характеристики сетевых источников питания такой мощности практически не влияет. В целом, увеличив рабочую частоту преобразователя постоянного напряжения с 100 кГц до 300 кГц, можно уменьшить размеры источника питания приблизительно на 30%.
Так какой же полупроводник лучше?
К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос, как вы уже поняли, не существует. Кремниевые транзисторы, в производстве и использовании которых на сегодняшний день накоплен огромный опыт, все еще будут использоваться во многих практических разработках уже хотя бы потому, что при определенных условиях КПД источников питания на их основе может быть ничем не хуже, чем при использовании широкозонной элементной базы. Однако когда требования к источнику питания выйдут за рамки нынешних типовых значений, вполне вероятно, использование кремниевых транзисторов уже не сможет удовлетворить столь жесткие требования, и тогда широкозонным полупроводникам просто не будет альтернативы. Например, нитрид галлия лучше всего использовать в приложениях, критичных к величине удельной мощности, поскольку транзисторы на его основе обладают отличными характеристиками в широком диапазоне частот. А вот для преобразователей, работа которых планируется в сложных температурных условиях, особенно при работе в зоне повышенных температур, лучше всего подходят транзисторы из карбида кремния. В любом случае, проведенный в этой статье анализ показывает, что к выбору полупроводникового материала для силовых транзисторов необходимо подходить сбалансированно и непредубежденно, а для своих разработок выбирать только надежных и проверенных производителей электронных компонентов, не отвлекаясь на блестящие перспективы новомодных передовых технологий, которые, возможно, на практике пока еще не достигнуты.
Оригинал статьи
Перевел Александр Русу по заказу АО КОМПЭЛ
•••
3DNews Технологии и рынок IT. Новости разработка и производство электроники IBM рассказала, в чём секрет вертикальны… Самое интересное в обзорах 18. 12.2021 [16:17], Геннадий Детинич В минувший понедельник компании IBM и Samsung представили вертикальный транзистор VTFET, который заявлен как прорыв в области производства полупроводников. Благодаря переходу на вертикальные транзисторы можно будет в два раза повысить производительность схем или на 85 % снизить их потребление. Но главное, транзисторы VTFET позволят наращивать плотность элементов на кристалле и продлят действие закона Мура. IBM пояснила, как это будет работать. Транзистор VTFET изображён слева, справа обычный транзистор FinFET. Источник изображения: IBM Современные транзисторы FinFET и даже перспективные GAAFET с кольцевым охватом канала сохранили одну общую и важную черту в строении, которая появилась ещё в бытность изготовления планарных транзисторов. Каналы транзисторов, а также их стоки и истоки располагались, располагаются и будут располагаться в толще кристалла в горизонтальной плоскости (для транзисторов GAAFET добавятся поднятые над уровнем кристалла листовидные каналы, но суть это не меняет). Важнейшим следствием такого строения является то, что транзисторы приходится либо держать на отдалении друг от друга, либо изолировать их в случае достаточно тесного расположения. В любом случае существует предел уплотнения, ниже которого шагнуть просто нельзя. Краткая история транзисторов в изложении Samsung. Источник изображения: Samsung IBM и Samsung предложили простое инженерное решение. Они разнесли сток и исток транзистора на разные уровни по высоте — расположили один под другим. Тем самым транзисторный канал поменял физическую ориентацию и направление переноса тока с горизонтальных на вертикальные. Вертикальная ориентация канала и разноуровневое размещение стоков и истоков позволили увеличить токи через транзистор и оптимизировать внутрисхемную изоляцию, в частности, снизить токи утечек. Чередование элементов FinFET транзистора на кристалле с разделением изоляторами. Источник изображения: IBM При вертикальном расположении канала также можно варьировать его длину и сечением, создавая транзисторы с нужными характеристиками. При этом мы не забираем драгоценное место на кристалле и не жертвуем плотностью размещения элементов на нём. Для затворов вертикальных транзисторов (на самом первом изображении затвор выделен синим цветом) также остаётся простор по геометрии и току, что также расширяет выбор характеристик как по производительности, так и по потреблению. Чередование транзисторов с вертикальным размещением элементов. Источник изображения: IBM На кусочке кремния размером с ноготь IBM обещает размещать до 50 млрд вертикальных транзисторов, что остаётся мечтой для современных техпроцессов и техпроцессов ближайшего будущего. Вы скажете, что это настоящий прорыв. А мы напомним, что ещё три года назад настоящий прорыв совершили инженеры из бельгийского исследовательского центра Imec. Они предложили и испытали техпроцесс вертикального изготовления сразу комплементарной пары транзисторов. На фоне предложения бельгийцев VTFET выглядит предельно простым и скромным решением. Впрочем, простое решение легче ввести в практику и внедрить в массовое производство. В любом случае, тенденция налицо — электроника карабкается вверх, а не вширь. Предложенная Imec комплиментарная структура из двух транзисторов. Источник изображения: Imec Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1056244/ibm-rasskazala-v-chyom-sekret-vertikalnih-tranzistorov-vtfet Рубрики: Новости Hardware, нанотехнологии, на острие науки, разработка и производство электроники, Теги: samsung electronics, транзисторы, производство микросхем, ibm ← В прошлое В будущее → |
Насколько маленькими могут быть транзисторы?
Транзисторы являются важным строительным блоком, используемым почти в каждом электронном устройстве. В один смартфон или ноутбук их можно впихнуть тысячи, а значит, даже, казалось бы, незначительные различия в их размерах могут оказать серьезное влияние на устройство в целом.
Хотя были и другие инновации, позволяющие процессорам выполнять вычисления быстрее (например, GaAs-пластины), уменьшение размера транзисторов было одним из наиболее важных факторов увеличения скорости компьютера.
Насколько они малы и насколько малы они могут быть? Давайте обсудим.
Насколько малы в настоящее время транзисторы?
Этот вопрос кажется простым, но на самом деле на него можно ответить двумя разными способами:
- Какой наименьший размер чипа вы можете найти на рынке сегодня?
- Какой наименьший размер чипа находится в разработке?
Хотя ранее мы обсуждали жизненный цикл полупроводников, миниатюризация транзисторов может еще больше увеличить время производства, учитывая объем необходимых исследований и времени на создание прототипов.
Это означает, что по состоянию на июль 2021 года полупроводниковой промышленности удалось произвести чип размером 1 нанометр (нм). Тем не менее, 1-нм чипы все еще находятся в стадии исследований и разработок, а это означает, что мы далеки от того, чтобы увидеть их на рынке.
2-нм чип идет дальше, но мы все равно не ожидаем его появления еще 2-3 года.
3-нм чип в настоящее время является самым маленьким размером, который вы найдете в производстве сегодня.
Насколько велик нанометр?
Трудно понять, насколько малы транзисторы, поэтому сравнение может помочь.
Человеческий волос имеет ширину 100 000 нанометров. Как вы понимаете, человеческий глаз не может видеть ничего, что составляет 1/100 000 размера. Это даже не видно большинству микроскопов, вместо этого требуются атомно-силовые микроскопы.
Длина нити ДНК человека составляет 2,5 нанометра, что делает ее невероятно маленькой, но все же больше, чем у некоторых разрабатываемых в настоящее время транзисторов.
И атомы, и кварки меньше нанометра. Хотя они различаются по размеру, атомы могут иметь диаметр от 0,1 до 0,5 нанометров.
Насколько маленькими должны быть мои фишки?
Хотя вы можете создавать транзисторы по 3-нм техпроцессу, это не всегда в ваших интересах. При определении полупроводников, которые лучше всего подходят для вас, вы должны учитывать как то, для чего будет использоваться чип, так и требуемый уровень доступности.
Вот несколько причин, по которым не всегда выгодно получить самую маленькую микросхему:
- Чем меньше чип, тем сложнее его производство.
- Чипы меньшего размера более уязвимы к перегреву.
С другой стороны, вам может понадобиться меньший размер микросхемы по следующим причинам:
- Меньшие микросхемы потребляют меньше энергии, чем большие.
- Чем больше транзисторов можно разместить на чипе, тем он быстрее.
- Чипы меньшего размера обеспечивают большую вычислительную мощность портативных устройств, таких как ваш телефон.
Если вы не уверены, какой чип лучше всего подходит для ваших нужд, мы рекомендуем поговорить с производителем пластин. Они могут дать вам персональные рекомендации в зависимости от вашей ситуации.
Насколько велик типичный транзистор?
Если вы пытаетесь определить размер транзистора, который будет для вас оптимальным, полезно знать, каковы действующие отраслевые стандарты.
Смартфоны лидируют в сфере потребительских товаров. В настоящее время они имеют размер примерно 7-10 нанометров, и они находятся на пути к еще большему уменьшению до 5 нанометров.
Большинство устройств на данный момент имеют размер менее 100 нанометров.
Какие проблемы необходимо решить для миниатюризации транзисторов?
Атомный размер обычных полупроводниковых материалов
Размер атома кремния составляет 0,2 нанометра. Достаточно сказать, что было бы невозможно создать кремниевый транзистор меньшего размера.
Важно отметить, что кремний — это лишь одно из многих веществ, которые можно использовать для создания транзисторов, и он был выбран не из-за его размера; он был выбран потому, что это второй по распространенности элемент в периодической таблице элементов.
Даже для того, чтобы получить что-то такое маленькое, как 1-нанометровый транзистор, выгодно выбрать другой элемент. В настоящее время большое количество исследований сосредоточено на полуметалле висмуте (BI).
Электронная передача
Также возникает вопрос, насколько маленькими мы хотим, чтобы транзисторы были на практическом уровне. В какой-то момент нам приходится беспокоиться о том, что транзисторы больше не могут блокировать электроны, что приводит к множеству ложных срабатываний.
Конец закона Мура?
Закон Мура гласит, что каждые восемнадцать месяцев количество компонентов, которые могут существовать в интегральной схеме, удваивается.
Тот факт, что это оставалось верным на протяжении десятилетий, может показаться естественным законом, но таковым он и не был задуман. Наоборот, это было наблюдение, которое сам Гордон Мур не ожидал, что оно продлится более десяти лет.
Поскольку закон Мура остается верным на протяжении десятилетий, то же самое можно сказать и о скором прекращении его действия. Однако сейчас мы приближаемся к моменту, когда транзисторы не будут намного больше атомов.
Даже если мы сможем производить микросхемы меньшего размера, промышленность не ожидает, что производство транзисторов будет продолжать сокращаться нынешними темпами.
Тем не менее, размер транзистора — не единственный путь развития полупроводниковой промышленности. Например, различные материалы постоянно тестируются, чтобы найти новые варианты использования.
Возьмем, к примеру, галлий. Кремний имеет атомный радиус 0,117 нанометров, что меньше, чем у галлия 0,122. Несмотря на то, что различия в размерах атомов между двумя элементами могут быть небольшими, эти изменения могут быть значительными при обсуждении нанотехнологий.
Тем не менее, полупроводники из нитрида галлия выделяют меньше тепла, чем кремниевые. Это означает, что хотя на одном кристалле может разместиться меньше GaN-транзисторов, в некоторых ситуациях это компенсируется уменьшением потребности в охлаждающих устройствах.
Ищете пластины GaAs?
Wafer World поможет вам. Наше современное оборудование десятилетиями помогает владельцам бизнеса получать нужные им полупроводники. Мы можем помочь, если вам нужны кремниевые пластины, пластины GaAs или пластины, полностью изготовленные из другого материала.
У вас есть вопросы о ваших потребностях в пластинах? Ищете то, чего не смогли найти на сайте? Один из наших экспертов будет рад помочь вам. Пожалуйста, свяжитесь с нами через информацию на нашей странице контактов.
Новые 2-нм чипы IBM имеют транзисторы размером меньше нити ДНК
Компьютеры
Просмотр 3 изображений
Посмотреть галерею — 3 изображенияВ качестве яркого примера неумолимого развития технологий компания IBM представила новые полупроводниковые микросхемы с самыми маленькими транзисторами из когда-либо созданных. Новая 2-нанометровая (нм) технология позволяет компании втиснуть ошеломляющие 50 миллиардов транзисторов в чип размером с ноготь.
Текущим отраслевым стандартом являются чипы с 7-нм транзисторами, а некоторые потребительские устройства высокого класса, такие как процессоры Apple M1, начинают переходить на 5-нм. А экспериментальные чипы уменьшились до 2,5 нм.
Новые чипы IBM превосходят их всех, а ширина транзисторов теперь составляет всего 2 нм — для справки, это уже, чем нить ДНК человека. Это, конечно, означает, что крошечные транзисторы могут быть втиснуты в чип гораздо плотнее, чем когда-либо прежде, что повысит вычислительную мощность устройства и энергоэффективность в процессе. Компания утверждает, что по сравнению с текущими 7-нм чипами новые 2-нм чипы могут обеспечить повышение производительности на 45% или снижение энергопотребления на 75%.
С практической точки зрения IBM заявляет, что технология может дать прирост производительности во всем: от бытовой электроники до распознавания объектов ИИ и времени реакции автономных транспортных средств. Или его энергосбережение может уменьшить значительный углеродный след центров обработки данных или сделать аккумуляторы для смартфонов способными работать четыре дня без подзарядки.
Крупный план 2-нм кремниевой пластины, содержащей сотни отдельных чиповIBM
Транзисторы часто используются для определения технического прогресса — закон Мура гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые два года или около того. Хотя это считается более или менее верным, поскольку оно было предложено в 1960-х годов, этот показатель несколько замедлился в последние годы.
Прошло почти четыре года с тех пор, как IBM представила свои 5-нанометровые чипы с 30 миллиардами транзисторов — если следовать закону Мура с точностью до буквы T, мы опоздаем на два года, а у нас не будет 10 миллиардов транзисторов. На самом деле IBM только сейчас удваивает количество транзисторов в своих первых 7-нм чипах, представленных в 2015 году.
Изображение отдельных транзисторов на новом чипе IBM, сделанное с помощью сканирующего электронного микроскопа, каждый из которых имеет ширину 2 нанометра — уже, чем нить ДНК человекаIBM
Впрочем, умалять новинку не стоит — 2 нм — это настоящий инженерный подвиг. Еще в 2019 году инженеры выразили обеспокоенность тем, что технологии не позволят добиться значительного прогресса на техпроцессе менее 3 нм. Исследования, проведенные многими компаниями за последние несколько лет, развеяли эти опасения.
Вероятно, мы не увидим эти 2-нм чипы в бытовой электронике не раньше 2023 года, так что пока наслаждайтесь преимуществами все еще впечатляющих 5-нм чипов.
IBM обсуждает новый технологический прорыв в видео ниже.
IBM представляет первый в мире чип с технологией 2 нм
Источник: IBM
Посмотреть галерею — 3 изображенияМайкл Ирвинг
Майкл всегда был очарован космосом, технологиями, динозаврами и странными тайнами вселенной.