Для мощных полупроводниковых приборов большое значение имеют такие параметры, как максимально допустимое напряжение между определенными выводами и верхняя граница рабочей температуры. Возможности кремния здесь уже исчерпаны, поэтому на смену ему приходят новые карбид кремния и нитрид галлия. Но и с ними силовая электроника постепенно приближается к потолку в своем развитии. Давайте заглянем в будущее и посмотрим, какой полупроводниковый материал будет использоваться в силовых электронных приборах через несколько лет.
Главное отличие между металлами и полупроводниками — в природе химической связи. В металлах преобладает металлическая связь, то есть валентные электроны слабо связаны и могут свободно перемещаться по веществу. В полупроводниках, где в основном имеются ковалентный и ионный типы связи, электроны достаточно хорошо связаны. У полупроводников на диаграмме энергетических уровней существует полностью заполненная валентная зона, поэтому подвижность электро-нов ограничена. А в металлах валентная зона заполнена не полностью.
Область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристалле, не имеющем дефектов, называется запрещенной зоной. Данный параметр измеряется в электрон-вольтах (эВ). Все вещества в природе можно разделить на две категории. К одной из них относятся проводники (в том числе все металлы) — в них запрещенная зона отсутствует. К другой — диэлектрики и полупроводники, в которых имеется запрещенная зона. Разница между диэлектриками и полупроводниками — в ширине запрещенной зоны. Причем эта граница довольно условна и ее значение постепенно увеличивается по мере развития науки. Так, в середине XX века полупроводниками считались материалы с шириной запрещенной зоны менее 2 эВ, а на момент написания данной статьи граница проходила уже по значению 6,5 эВ.
Максимальная рабочая температура и максимально допустимое напряжение на электронном приборе во многом определяются шириной запрещенной зоны полупроводника.
При повышении температуры кристалла полупроводника повышается энергия электронов, что увеличивает вероятность преодоления ими запрещенной зоны. В итоге через полупроводник начинает протекать значительный ток вне зависимости от того, в каком режиме работы находится полупроводниковый прибор. Это проявляется как ток утечки, протекающий через полупроводниковый прибор, находящийся в закрытом состоянии.
Чем больше ширина запрещенной зоны, тем меньше вероятность, что электроны преодолеют запрещенную зону. Соответственно, тем меньше будет утечки при повышенной температуре. Отсюда и зависимость — чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше максимальное значение температуры, при которой полупроводниковый прибор сохраняет работоспособность.
В 50-х–80-х годах XX века в электронике широко использовался германий — полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны 0,67 эВ. Германиевые диоды и транзисторы имели множество преимуществ, но их параметры сильно зависели от температуры. Например, летом в солнечный день, аппаратура, стоящая под открытым небом без тента, могла прекратить работать и даже выйти из строя. Поэтому германий был полностью вытеснен кремнием, у которого ширина запрещенной зоны составляет 1,17 эВ.
Максимальное напряжение, которое способен выдерживать длительное время полупроводниковый прибор, также связано с шириной запрещенной зоны. Чем она шире, чем максимальное напряжение больше. Это взаимодействие носит более сложный характер, и его описание выходит за рамки данной статьи.
Следует пояснить, почему у серийно выпускаемых транзисторов на основе нитрида галлия тем не менее максимальное значение напряжения сток-исток меньше даже, чем у кремния, хотя ширина запрещенной зоны значительно больше. На самом деле, созданы лабораторные образцы транзисторов на основе GaN с рабочим напряжением 1600 В. Но транзисторы на нитриде галлия прочно заняли определенную нишу — электротранспорт и разнообразные зарядные устройства. Высокое напряжение там не нужно, поэтому и нет инвестиций в работы по увеличению максимального напряжения. Даже ученые не стали, хотя бы из любопытства, добиваться от нитрида галлия максимального напряжения больше, чем у карбида кремния, потому что такие опыты стоят дорого, а практического смысла они не имеют.
Использование полупроводников с более широкой запрещенной зоной, чем сейчас, дает, применительно к электроэнергетике, два практических преимущества. Во-первых, можно уменьшить размеры радиаторов теплоотводов, используемых с диодами и транзисторами.
Во-вторых, открываются перспективы подключения преобразователей и коммутаторов на полевых транзисторах напрямую в распределительные сети напряжением 6 и 10 кВ без понижающих трансформаторов. Сейчас там используются тиристоры, имеющие ряд недостатков, в частности, низкое быстродействие.
Кандидаты на роль полупроводника будущего
Из уже достаточно хорошо исследованных полупроводниковых материалов большую ширину запрещенной зоны имеют оксид галлия (Ga2O3) — 4,8 эВ; алмаз (С) — 5,5 эВ, а также нитрид алюминия (AlN) — 6,2 эВ.
MOSFET-транзисторы на алмазах изготавливались в лабораторных условиях. Их делают из искусственных алмазов, в которые можно вносить легирующие примеси (для природных алмазов такое невозможно). В целом, лабораторные образцы показали хорошие параметры. Транзисторы на основе алмаза способны работать при температуре +300°C и выше. Была даже разработана технология для их серийного производства. Но возникло серьезное препятствие — максимальный диаметр пластины монокристалла составляет всего несколько миллиметров. Дело в том, что полупроводниковые приборы изготавливаются в большом количестве в едином технологическом цикле на одной монокристаллической пластине. Затем эта пластина распиливается на отдельные чипы. Диаметр пластины обычно составляет от 100 до 450 мм, это позволяет произвести одновременно от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч транзисторов. Тем самым обеспечивается приемлемая себестоимость продукции. Малый диаметр монокристаллической пластины в случае использования алмаза делает серийное производство таких полупроводниковых приборов экономически невыгодным делом. Возможно, когда-нибудь алмазные транзисторы будут изготавливать малыми партиями для космических аппаратов, но их применение в электроэнергетике в обозримом будущем нецелесообразно.
Нитрид алюминия благодаря очень большой ширине запрещенной зоны сулит значительное улучшение параметров силовых полупроводниковых приборов. Но пока что работы над транзисторами на его основе не вышли за пределы научных лабораторий.
Наиболее технологичным из перечисленных полупроводников является оксид галлия. Самый большой диаметр монокристаллической пластины, который удалось достичь для Ga2O3, составляет 100 мм. Это меньше, чем даже у карбида кремния (150 мм), хотя намного больше, чем у алмаза. Но несколько более высокая стоимость диодов и транзисторов на основе оксида галлия окупится за счет более высоких характеристик. MOSFET транзисторы, изготовленные из этого полупроводника, способны работать при температуре кристалла до +250°C и выдерживать напряжение сток-исток до 4000 В с перспективой увеличения данного показателя до 8000 В.
Преимущества и недостатки оксида галлия
Значительным преимуществом Ga2O3 является то, что специалисты в области электроники уже знают, как обращаться с данным материалом. Ведь некоторые другие соединения галлия давно применяются в электронной промышленности. Поэтому возможно уже в ближайшее время освоить серийное производство диодов и транзисторов из этого материала. Другие полупроводниковые материалы, позволяющие достичь схожих характеристик приборов, не так хорошо изучены, и, самое главное, пока непонятно, как они себя поведут при серийном производстве.
К недостаткам MOSFET-транзисторов на основе оксида галлия можно отнести то, что для управления ими следует использовать двухполярные сигналы, что усложняет цепи управления затвором. Такой же недостаток характерен и для карбида кремния. Для сравнения, MOSFET-транзисторы на основе Si и GaN управляются сигналами одной полярности.
Доступность галлия
Если кремний (в виде камней и песка), а также соединения на основе углерода мы видим повсюду, то галлий представляется более редким химическим элементом. На самом деле, его запасы также практически не ограничены, просто присутствует он в небольшой концентрации и нужно приложить определенные усилия, чтобы выделить его в чистом виде.
В промышленных масштабах галлий получают из отходов производства алюминия и цинка. Китай является лидером на данном сегменте рынка — по разным оценкам, он дает от 80 до 94% мирового производства галлия. В России есть собственное производство галлия, занимается этим компания «Русал».
При этом галлий является далеко не самым дорогим материалом, используемым в электронике. По данным на май 2025 г., биржевая цена галлия в Китае составила 19 150 руб. за кг. Для сравнения, биржевая цена серебра в Китае тогда же равнялась 84 700 руб. за кг.
Вклад российских ученых
Монокристаллические пластины Ga2O3 производятся сейчас главным образом в Японии. Применяемая там технология подразумевает использование при производстве дорогостоящего тигля из редкоземельного металла иттрия. Кроме этого, производство таких пластин есть и в Китае, об используемой там технологии у автора статьи нет данных.
Зеленоградская компания «Рокор» (резидент особой экономической зоны «Москва») разработала оригинальную технологию производства монокристаллических пластин из оксида галлия, которая не требует применения иттриевого тигля. Если 10-см пластина Ga2O3, изготовленная в Японии, стоит около 550 000 руб. (данные на 2023 г.), то стоимость отечественной пластины того же диаметра составит около 250 000 руб., т. е. более чем в два раза дешевле.
В 2023 г. «Рокор» анонсировал освоение серийного производства пластин из оксида галлия к марту 2025 г. По состоянию на май 2025 г. серийное производство пока так и не началось. В принципе, такого рода задержки в высокотехнологичных отраслях — обычное дело. Но причины могут носить не только технологический, но и экономический характер. Производство создавалось с прицелом на экспорт за рубеж. Но начало серийного производства диодов и транзисторов на Ga2O3 пока откладывается в мировом масштабе.
Готовность к серийному производству
Собственные технологии серийного производства диодов и транзисторов из оксида галлия имеются в США, Японии и Германии. Уже выпускаются опытные партии таких полупроводниковых приборов. В общем, индустрия находится на низком старте. Но, по состоянию на май 2025 г., коммерческие поставки так и не были начаты. В дело вмешалась большая политика.
Из-за торговой войны, уже много лет идущей между двумя странами, Китай с начала 2024 г. фактически прекратил поставки галлия в США. А в ноябре того же года этот запрет был оформлен юридически. Силовая электроника связана с вопросами национальной безопасности. Поэтому США немедленно отреагировали интенсификацией исследований по направлению полупроводников, не содержащих в своем составе галлий. Все, что было связано с силовыми компонентами на основе оксида галлия, поставили на паузу. Соответственно, не разрабатывается новое оборудование с использованием таких компонентов. Что ни говори, а США — по-прежнему самый емкий рынок, на который ориентируются производители по всему миру.
И здесь отечественная электронная промышленность неожиданно получает глобальное преимущество. Галлий мы можем добывать сами или покупать у дружественного Китая. Пластины из оксида галлия тоже умеем делать, осталось освоить процессы эпитаксии. Рынок сбыта вроде как имеется — отечественная электроэнергетика нуждается в модернизации. Неужели не воспользуемся возможностью захватить лидерские позиции?