История развития технологий тиристоров 

История развития и технологических изменений тиристоров: от замены вакуумных ламп → пассивации стекла → миниатюризации в формате SMD → перехода к высокотехнологичным автомобильным решениям. Вся история развития тиристоров всегда вращалась вокруг трёх основных направлений модернизации:

1. Повышение стабильности (отсутствие утечки тока, отсутствие ложных срабатываний)

2. Меньший размер (вставные → поверхностного монтажа → ультратонкие корпуса)

3. Повышенная устойчивость к помехам (устойчивость к импульсным перенапряжениям, устойчивость к dv/dt).

Тиристор — это силовой коммутационный элемент первого поколения в области силовой электроники, который считается прародителем всех высокомощных полупроводниковых устройств.

Первый этап: Эпоха зарождения (1957–1963)

[Замена вакуумных ламп, зарождение электроники].

1. В 1957 году американская компания GE изобрела однонаправленный тиристор (SCR).

2. Четырёхслойная структура PNPN — первый управляемый силовой полупроводник.

3. Вывести из эксплуатации устаревшие ртутные стабилизаторы тока и газонаполненные электронные лампы.

Недостатки ранних версий:

- Устаревшая технология, отсутствие пассивации рабочей поверхности.

- Большой ток утечки и низкая стабильность.

- Имеет только крупногабаритный корпус в форме болта, не подходит для гражданского использования.

Применение: промышленное выпрямление на сетевой частоте, оборудование большой мощности

Второй этап: период совершенствования ассортимента (1964–1975)

【Появление двунаправленных тиристоров и начало эры бытовой техники】

1. В 1964 году был создан двунаправленный тиристор TRIAC. Один чип заменил два тиристора, работающих в обратном направлении, и был приспособлен для работы с переменным током.

2. Благодаря применению технологии изготовления столешницы под углом значительно повысилась устойчивость к давлению.

3. Ассортимент продукции: устройства регулировки скорости, освещения и температуры, а также мелкая бытовая техника.

Недостатки:

По-прежнему используется пассивация силиконом, которая отличается низкой влагостойкостью, склонностью к утечкам тока, восприимчивостью к помехам и средней стабильностью.

Третий этап: революция в отраслевых технологиях (1976–1995)

【Повсеместное внедрение пассивации стекла по технологии GPP | Крупнейший переломный момент в отрасли】

1. Отказ от традиционной пассивации силиконом.

2. Герметизация краевых слоев стекла PN-перехода (GPP) приводит к четырём кардинальным изменениям:

- Значительное снижение тока утечки.

- Более стабильная устойчивость к давлению.

- Устойчив к высоким температурам и влажности.

- Ударопрочность и надежность увеличены вдвое.

3. Тиристор в корпусе TO-220 стал стандартным компонентом бытовой техники во всем мире, и с этого момента тиристоры вступили в эпоху зрелости, стабильности и массового распространения.

Четвёртый этап: эпоха миниатюризации поверхностного монтажа (1996–2015)

【Эра автоматизированной SMT, бурный рост импортозамещения】

Оптимизация микросхем

- Оптимизация компоновки затворов.

- Срабатывание в четырёх квадрантах происходит более равномерно.

- Снижение частоты ложных срабатываний и повышение устойчивости к помехам dv/dt.

Полная смена корпуса

Плагин → SOT-89 → TO252 (поверхностный монтаж) → TO263.

Преимущества:

- Меньший размер.

- Подходит для полностью автоматизированного SMT-производства.

- Подходит для импульсных источников питания, систем «умного дома» и мелкой бытовой техники.

Полная локализация производства тиристоров среднего и низкого ценового диапазона.

Пятый этап: эпоха высокотехнологичной и высокоточной продукции (2016 г. — настоящее время)

【Автомобильный стандарт, низкий уровень ложных срабатываний, сверхтонкий корпус, высокая надежность】

1. Усовершенствование технологий ионной имплантации и точной фотолитографии.

2. Начато серийное производство тиристоров с чрезвычайно низким током срабатывания и высокой помехоустойчивостью.

3. На рынок выпущен ультратонкий корпус DFN без выводов.

4. Продукция, соответствующая автомобильному стандарту AEC-Q101, является зрелой.

Текущая ситуация в отрасли:

- Тиристоры для бытовой техники и мелкой бытовой техники: полностью отечественного производства, технология хорошо отработана.

- Высоковольтные, сверхкрупные и высокотехнологичные системы промышленного управления: зарубежные производители по-прежнему имеют преимущество.

Полный цикл итераций технологического процесса:

1. 1957 год: появился однонаправленный тиристор, заменивший вакуумные лампы.

2. 1964 г. Усовершенствование: появился двунаправленный триак, который стал применяться в бытовой технике.

3. 1976 год — качественный скачок: пассивация стекла по технологии GPP, резкое повышение надежности.

4. 1996 г. Миниатюризация: переход на поверхностный монтаж, автоматизация, переход на отечественное производство.

5. 2016 г. — переход на высокотехнологичные решения: соответствие автомобильным стандартам, сверхтонкий корпус, высокая помехоустойчивость, низкий уровень ложных срабатываний.

Различия между обычным кремниевым диодом, кремниевым диодом Шоттки и диодом из карбида кремния (SiC)

I. Основные различия в конструкции

1. Обычный выпрямительный диод (PN-переход)

Полупроводник p-типа + полупроводник n-типа, проводимость за счёт дефицитных носителей, наличие обратного восстановления, низкая частота, низкая стоимость.

2. Кремниевый диод Шоттки SBD

Металл + кремниевый полупроводник N-типа: многоэлектронная проводимость, отсутствие обратного восстановления, низкое напряжение VF, высокая частота, относительно низкая выдерживаемая напряжение.

3. Диоды из карбида кремния (SiC)

Металл + N-типа карбид кремния с широкой запрещенной зоной, полное отсутствие обратного восстановления, термостойкость, сверхвысокая выдерживаемая напряжение, сверхвысокая частота, крайне низкие потери.

II. Всестороннее сравнение параметров

Параметр сравнения Обычный выпрямительный диод GPP Кремниевый диод Шоттки Диод из карбида кремния (SiC) Структура перехода PN-переход Металл-кремниевый переход Металл -карбида кремния Проводящие носители Проведение за счёт дефектных носителей Проведение за счёт избыточных носителей Проведение за счёт избыточных носителей Время восстановления в обратном направлении Очень длительное, максимальное тепловыделение Практически отсутствует Равно нулю Рабочая частота Низкочастотная, промышленная частота Средне-высокочастотная (импульсные источники питания) Сверхвысокочастотная (LLC/резонансная) Прямое падение напряжения VF Довольно высокое Минимальное (наибольшая экономия энергии) Средне-высокий. Обратное напряжение 50–1000 В 20–200 В (слабое место) 600 В–1700 В+ Термостойкость 125 °C 125 °C 175–200 °C Ток утечки IR Малый Довольно большой Крайне малый, наиболее стабильный Потери на высокой частоте Большие Средние Самые низкие в отрасли Стоимость Самая низкая Средняя Самая высокая Основные области применения Сетевая частота, драйверы светодиодов, обычные адаптеры быстрая зарядка, вторичные обмотки адаптеров, низковольтные высокочастотные источники питания фотоэлектрические системы, накопление энергии, новые источники энергии, автомобильное оборудование, высокомощное высокочастотное оборудование

III. Рабочее разделение на рынке

1. Обычные кремниевые выпрямительные диоды

Подходит для: низких частот, недорогих решений, когда эффективность не имеет значения, сетевой частоты 50 Гц, драйверов светодиодов, обычной мелкой бытовой техники.

2. Кремниевый шотткиевский диод

Подходит для: низкого напряжения, высоких частот, экономии электроэнергии, адаптеров 5 В/12 В/24 В, вторичных обмоток устройств быстрой зарядки, роботов-пылесосов, бытовых источников питания. В настоящее время является наиболее широко используемым и универсальным решением на рынке бытовых источников питания.

3. SiC (карбид кремния)

Подходит для: высокого напряжения, сверхвысоких частот, высоких температур, высокой эффективности; фотоэлектрических инверторов, систем накопления энергии, бортовых зарядных устройств (OBC) для новых энергетических автомобилей, мощных промышленных источников питания, высококлассных готовых устройств с LLC-режимом

1. Обычный диод: недорогой, но при высоких частотах сильно нагревается и имеет низкий КПД.

2. Кремниевый шотткиевский диод: минимальное падение напряжения, хорошо подходит для высоких частот, но не подходит для высокого напряжения.

3. Карбид кремния: высокая выдерживаемая напряжение, непревзойденная частота, нулевое восстановление, высокая термостойкость; единственный недостаток — высокая стоимость.

Для низковольтных энергосберегающих устройств используются Шоттки-диоды, для низкочастотных универсальных устройств — обычные GPP, а в высокочастотных высокомощных устройствах все диоды заменяются на диоды на основе карбида кремния.

1. Эпоха сетевой частоты: рынок доминировали обычные PN-выпрямительные лампы.

2. Эпоха импульсных источников питания: кремниевые диоды Шоттки заменили обычные диоды.

3. Эра высокочастотных технологий в сфере новых источников энергии: замена высоковольтных быстровосстанавливающихся и обычных высоковольтных трубок на трубки из карбида кремния.