Power MOSFET - Power MOSFET

MOSFET de alimentare
	Două MOSFET-uri de putere în pachetul de montare la suprafață D2PAK . Fiecare dintre aceste componente poate susține o tensiune de blocare de 120 volți și un curent continuu de 30 amperi cu radiere adecvată.
Principiul de funcționare	Semiconductor
Inventat	1959

IRLZ24N Power MOSFET într-un pachet TO-220 AB prin gaură . Pinii de la stânga la dreapta sunt: poartă (nivel logic), golire, sursă. Clapa metalică superioară este canalul de scurgere, la fel ca pinul 2.

Un MOSFET de putere este un tip specific de tranzistor cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor (MOSFET) conceput pentru a gestiona niveluri semnificative de putere. În comparație cu celelalte dispozitive semiconductoare de putere , cum ar fi un tranzistor bipolar cu poartă izolată (IGBT) sau un tiristor , principalele sale avantaje sunt viteza mare de comutare și o eficiență bună la tensiuni mici. Împărtășește cu IGBT o poartă izolată care facilitează conducerea. Ele pot fi supuse unui câștig scăzut, uneori într-un grad în care tensiunea porții trebuie să fie mai mare decât tensiunea controlată.

Proiectarea MOSFET-urilor de putere a fost posibilă prin evoluția tehnologiei MOSFET și CMOS , utilizate pentru fabricarea circuitelor integrate din anii 1960. MOSFET de putere împărtășește principiul său de funcționare cu omologul său de putere redusă, MOSFET lateral. MOSFET de putere, care este utilizat în mod obișnuit în electronica de putere , a fost adaptat de la MOSFET-ul standard și introdus comercial în anii 1970.

MOSFET-ul de putere este cel mai comun dispozitiv cu semiconductori de putere din lume, datorită puterii reduse a unității de poartă, vitezei rapide de comutare, capacității de paralelare avansate ușoare, lățimii de bandă largi, rezistenței, unității ușoare, polarizării simple, ușurinței de aplicare și ușurinței de reparare . În special, este cel mai utilizat comutator de joasă tensiune (mai puțin de 200 V). Poate fi găsit într-o gamă largă de aplicații, cum ar fi cele mai multe surse de alimentare , convertoare DC-DC , controlere de motor de joasă tensiune și multe alte aplicații .

Istorie

MOSFET a fost inventat de Mohamed Atalla și Dawon Kahng la Bell Labs în 1959. Acesta a fost un progres în electronica de putere . Generațiile de MOSFET-uri au permis proiectanților de energie să atingă niveluri de performanță și densitate imposibile cu tranzistoarele bipolare.

În 1969, Hitachi a introdus primul MOSFET de putere verticală, care mai târziu va fi cunoscut sub numele de VMOS (V-groove MOSFET). În același an, DMOS (MOSFET cu difuziune dublă) cu poartă auto-aliniată a fost raportat pentru prima dată de Y. Tarui, Y. Hayashi și Toshihiro Sekigawa din Laboratorul de electrotehnică (ETL). În 1974, Jun-ichi Nishizawa de la Universitatea Tohoku a inventat un MOSFET de putere pentru audio, care a fost produs în curând de Yamaha Corporation pentru amplificatoarele audio de înaltă fidelitate . JVC , Pioneer Corporation , Sony și Toshiba au început, de asemenea, să producă amplificatoare cu MOSFET-uri de putere în 1974. Siliconix a introdus comercial un VMOS în 1975.

VMOS și DMOS s-au dezvoltat în ceea ce a devenit cunoscut sub numele de VDMOS (DMOS vertical). Echipa de cercetare a lui John Moll de la HP Labs a fabricat prototipuri DMOS în 1977 și a demonstrat avantaje față de VMOS, inclusiv o rezistență la pornire mai mică și o tensiune de avarie mai mare. În același an, Hitachi a introdus LDMOS (lateral DMOS), un tip plan de DMOS. Hitachi a fost singurul producător LDMOS între 1977 și 1983, timp în care LDMOS a fost utilizat în amplificatoare de putere audio de la producători precum HH Electronics (seria V) și Ashly Audio și au fost utilizate pentru sisteme de muzică și de adresare publică . Odată cu introducerea rețelei digitale 2G mobile în 1995, LDMOS a devenit cel mai utilizat amplificator de putere RF în rețelele mobile precum 2G, 3G și 4G .

Alex Lidow a co-inventat HexFET, un tip hexagonal de Power MOSFET, la Universitatea Stanford în 1977, împreună cu Tom Herman. HexFET a fost comercializat de International Rectifier în 1978. Tranzistorul bipolar cu poartă izolată (IGBT), care combină elemente atât de putere MOSFET, cât și tranzistorul de joncțiune bipolar (BJT), a fost dezvoltat de Jayant Baliga la General Electric între 1977 și 1979.

MOSFET-ul de conjuncție este un tip de MOSFET de putere care folosește coloane P + care pătrund în stratul N- epitaxial . Ideea de stivuire a straturilor P și N a fost propusă pentru prima dată de Shozo Shirota și Shigeo Kaneda la Universitatea din Osaka în 1978. David J. Coe de la Philips a inventat MOSFET-ul de suprapunere cu straturi de tip p și n de tip alternativ prin depunerea unui brevet american în 1984 care a fost premiat în 1988.

Aplicații

MOSFET-ul de putere este cel mai utilizat dispozitiv semiconductor de putere din lume. Începând cu 2010, puterea MOSFET reprezintă 53% din piața tranzistoarelor de putere , înaintea tranzistorului bipolar cu poartă izolată (27%), a amplificatorului de putere RF (11%) și a tranzistorului de joncțiune bipolar (9%). Începând din 2018, peste 50 de miliarde de MOSFET-uri de putere sunt livrate anual. Acestea includ puterea de tranșee MOSFET, care a vândut peste 100 de miliarde de unități până în februarie 2017 și MDmesh (MOSFET superjunction) a STMicroelectronics , care a vândut 5 miliarde de unități începând cu 2019.

MOSFET-urile de putere sunt utilizate în mod obișnuit pentru o gamă largă de produse electronice de larg consum .

RF DMOS, cunoscut și sub denumirea de MOSFET de putere RF, este un tip de tranzistor de putere DMOS conceput pentru aplicații cu frecvență radio (RF). Este utilizat în diverse aplicații radio și RF.

MOSFET-urile de putere sunt utilizate pe scară largă în tehnologia de transport , care include o gamă largă de vehicule .

În industria auto , MOSFET-urile de putere sunt utilizate pe scară largă în electronica auto .

MOSFET-urile de putere (inclusiv DMOS, LDMOS și VMOS ) sunt utilizate în mod obișnuit pentru o gamă largă de alte aplicații.

Structură de bază

Fig. 1: Secțiunea transversală a unui VDMOS, care prezintă o celulă elementară. Rețineți că o celulă este foarte mică (unele micrometri până la câteva zeci de micrometri lățime) și că un MOSFET de putere este compus din câteva mii dintre ele.

Mai multe structuri fuseseră explorate în anii 1970, când au fost introduse primele MOSFET-uri de putere comercială. Cu toate acestea, cele mai multe dintre ele au fost abandonate (cel puțin până de curând) în favoarea structurii MOS difuzat vertical ( VDMOS ) (numit și MOS cu difuzie dublă sau pur și simplu DMOS ) și a structurii LDMOS (MOS difuzat lateral).

Secțiunea transversală a unui VDMOS (a se vedea figura 1) arată „verticalitatea” dispozitivului: se poate vedea că electrodul sursă este plasat drenat, rezultând un curent în principal vertical atunci când tranzistorul este în stare de pornire. „ Difuzia ” în VDMOS se referă la procesul de fabricație: godeurile P (vezi figura 1) sunt obținute printr-un proces de difuzie (de fapt un proces de difuzie dublă pentru a obține regiunile P și N ⁺ , de unde și numele dublu difuzat).

MOSFET-urile de putere au o structură diferită de MOSFET-ul lateral: la fel ca în majoritatea dispozitivelor de putere, structura lor este verticală și nu plană. Într-o structură plană, curentul și tensiunea de avarie sunt ambele funcții ale dimensiunilor canalului (respectiv lățimea și lungimea canalului), rezultând o utilizare ineficientă a „imobilului din siliciu”. Cu o structură verticală, tensiunea nominală a tranzistorului este o funcție de dopaj și grosimea stratului epitaxial N (vezi secțiunea transversală), în timp ce valoarea nominală curentă este o funcție a lățimii canalului. Acest lucru face posibil ca tranzistorul să susțină atât o tensiune de blocare ridicată, cât și un curent ridicat într-o bucată compactă de siliciu.

LDMOS sunt MOSFET-uri de putere cu o structură laterală. Acestea sunt utilizate în principal în amplificatoare de putere audio high-end și amplificatoare de putere RF în rețelele celulare fără fir , cum ar fi 2G , 3G și 4G . Avantajul lor este un comportament mai bun în regiunea saturată (corespunzătoare regiunii liniare a unui tranzistor de joncțiune bipolar) decât MOSFET-urile verticale. MOSFET-urile verticale sunt concepute pentru comutarea aplicațiilor, deci sunt utilizate numai în stările On sau Off.

Rezistența la stat

Fig.2: Contribuția diferitelor părți ale MOSFET la rezistența la starea de lucru.

Când MOSFET-ul de alimentare este în stare de funcționare (consultați MOSFET pentru o discuție despre modurile de funcționare), acesta prezintă un comportament rezistiv între terminalele de evacuare și sursă. Se poate observa în figura 2 că această rezistență (numită R _DSon pentru "rezistență la scurgere la sursă în stare de funcționare") este suma multor contribuții elementare:

R _S este rezistența sursei. Reprezintă toate rezistențele dintre terminalul sursă al pachetului la canalul MOSFET: rezistența legăturilor de sârmă , a metalizării sursei și a sondelor N ⁺ ;
R _cap . Aceasta este rezistența canalului. Este invers proporțional cu lățimea canalului și, pentru o dimensiune dată a matriței, cu densitatea canalului. Rezistența canalului este unul dintre principalii _factori care contribuie la R _DSon a MOSFET- _urilor de joasă tensiune și s-au efectuat lucrări intensive pentru a reduce dimensiunea celulei lor pentru a crește densitatea canalului;
R _o este accesul rezistenta. Reprezintă rezistența zonei epitaxiale direct sub electrodul porții, unde direcția curentului se schimbă de la orizontală (în canal) la verticală (la contactul de scurgere);
R _JFET este efectul dăunător al reducerii dimensiunii celulei menționat mai sus: implantările P (vezi figura 1) formează porțile unui tranzistor JFET parazit care tind să reducă lățimea fluxului curent;
R _n este rezistența stratului epitaxial. Deoarece rolul acestui strat este de a susține tensiunea de blocare, R _n este direct legat de tensiunea nominală a dispozitivului. Un MOSFET de înaltă tensiune necesită un strat gros, cu dopaj redus, adică foarte rezistiv, în timp ce un tranzistor de joasă tensiune necesită doar un strat subțire cu un nivel de dopaj mai mare, adică mai puțin rezistiv. Drept urmare, R _n este principalul factor responsabil de rezistența MOSFET-urilor de înaltă tensiune;
R _D este echivalentul lui R _S pentru canalizare. Reprezintă rezistența substratului tranzistorului (secțiunea transversală din figura 1 nu este la scară, stratul inferior N ⁺ este de fapt cel mai gros) și a conexiunilor pachetului.

Compensarea tensiunii de avarie / rezistenței la starea de funcționare

Fig. 3: R _DSon- ul MOSFET-urilor crește odată cu tensiunea nominală.

Când este în starea OFF, puterea MOSFET este echivalentă cu o diodă PIN (constituită din difuzia P ⁺ , stratul N ^- epitaxial și substratul N ⁺ ). Când această structură extrem de nesimetrică este inversată, regiunea de încărcare spațială se extinde în principal pe partea dopată de lumină, adică peste stratul N ^- . Aceasta înseamnă că acest strat trebuie să reziste la cea mai mare parte a tensiunii de scurgere la sursă în starea OFF a MOSFET.

Cu toate acestea, când MOSFET-ul este în starea ON, acest strat N ^- nu are funcție. Mai mult, deoarece este o regiune ușor dopată, rezistivitatea sa intrinsecă este deloc neglijabilă și se adaugă la rezistența de scurgere la sursă (R _DSon ) a _MOSFET (aceasta este rezistența R _n din figura 2).

Doi parametri principali guvernează atât tensiunea de rupere, cât și _{DS DS-} ul tranzistorului: nivelul de dopaj și grosimea stratului N ^- epitaxial. Cu cât stratul este mai gros și nivelul de dopaj este mai scăzut, cu atât este mai mare tensiunea de rupere. Dimpotrivă, cu cât stratul este mai subțire și cu cât este mai mare nivelul de dopaj, cu atât R _{DSon este} mai mic (și, prin urmare, pierderile de conducere ale MOSFET sunt mai mici). Prin urmare, se poate observa că există un compromis în proiectarea unui MOSFET, între tensiunea sa și rezistența la starea ON. Acest lucru este demonstrat de complotul din figura 3.

Diodă corporală

Se poate vedea în figura 1 că metalizarea sursei conectează atât implanturile N ^{+ cât} și P ⁺ , deși principiul de funcționare al MOSFET necesită doar conectarea sursei la zona N ⁺ . Cu toate acestea, dacă ar fi, acest lucru ar rezulta într-o zonă P plutitoare între sursa N-dopată și drenaj, care este echivalentă cu un tranzistor NPN cu o bază neconectată. În anumite condiții (sub curent mare de scurgere, când scurgerea la starea de tensiune a sursei este în ordinea unor volți), acest tranzistor NPN parazit ar fi declanșat, făcând MOSFET incontrolabil. Conexiunea implantării P la metalizarea sursei scurtcircuitează baza tranzistorului parazit la emițătorul său (sursa MOSFET) și astfel previne blocarea falsă.

Cu toate acestea, această soluție creează o diodă între drenaj (catod) și sursa (anod) a MOSFET, făcându-l capabil să blocheze curentul într-o singură direcție.

Diodele corpului pot fi utilizate ca diode cu roți libere pentru sarcini inductive în configurații precum punte H sau jumătate de punte. În timp ce aceste diode au de obicei o cădere de tensiune directă destul de mare, pot gestiona curenți mari și sunt suficiente în multe aplicații, reducând numărul de piese și, prin urmare, costul dispozitivului și spațiul plăcii. Pentru a crește eficiența, rectificarea sincronă este adesea utilizată pentru a reduce la minimum timpul pe care dioda corpului îl conduce.

Operațiune de comutare

Fig. 4: Amplasarea capacităților intrinseci ale unui MOSFET de putere.

Datorită naturii lor unipolare, puterea MOSFET poate comuta la viteză foarte mare. Într-adevăr, nu este nevoie să eliminați purtătorii minoritari, ca și în cazul dispozitivelor bipolare. Singura limitare intrinsecă a vitezei de comutare se datorează capacităților interne ale MOSFET (vezi figura 4). Aceste capacități trebuie încărcate sau descărcate atunci când tranzistorul comută. Acesta poate fi un proces relativ lent, deoarece curentul care circulă prin capacitățile de poartă este limitat de circuitul driverului extern. Acest circuit va dicta de fapt viteza de comutare a tranzistorului (presupunând că circuitul de putere are inductanță suficient de mică).

Capacități

În fișele tehnice MOSFET , capacitățile sunt deseori denumite C _iss (capacitate de intrare, canal de scurgere și terminal sursă scurtcircuitat), C _oss (capacitate de ieșire, poartă și sursă scurtcircuitată) și C _rss (capacitate de transfer invers, sursă conectată la masă). Relația dintre aceste capacități și cele descrise mai jos este:

${\ displaystyle {\ begin {matrix} C_ {iss} & = & C_ {GS} + C_ {GD} \\ C_ {oss} & = & C_ {GD} + C_ {DS} \\ C_ {rss} & = & C_ {GD} \ end {matrix}}}$

În cazul în care C _GS , C _GD și C _DS sunt, respectiv, capacitățile de la poartă la sursă, poartă la drenaj și drenare la sursă (vezi mai jos). Producătorii preferă să citeze C _iss , C _oss și C _rss deoarece pot fi măsurate direct pe tranzistor. Cu toate acestea, întrucât C _GS , C _GD și C _DS sunt mai aproape de semnificația fizică, acestea vor fi utilizate în restul acestui articol.

Poarta către capacitatea sursei

Capacitatea C _GS este constituită din conexiunea paralelă a C _{oxN +} , C _oxP și C _oxm (vezi figura 4). Deoarece regiunile N ⁺ și P sunt puternic dopate, cele două capacități anterioare pot fi considerate constante. C _oxm este capacitatea dintre poarta (polisilicon) și electrodul (metalic), deci este constantă. Prin urmare, este o practică obișnuită să considerăm C _GS ca o capacitate constantă, adică valoarea sa nu depinde de starea tranzistorului.

Poarta de scurgere a capacității

Capacitatea C _GD poate fi văzută ca conexiunea în serie a două capacități elementare. Primul este capacitatea de oxid (C _oxD ), constituită din electrodul de poartă, dioxidul de siliciu și partea superioară a stratului epitaxial N. Are o valoare constantă. Cea de-a doua capacitate (C _GDj ) este cauzată de extinderea zonei de încărcare spațială atunci când MOSFET este în starea oprită. Prin urmare, depinde de scurgerea de tensiunea sursei. Din aceasta, valoarea C _GD este:

${\ displaystyle C_ {GD} = {\ frac {C_ {oxD} \ times C_ {GDj} \ left (V_ {GD} \ right)} {C_ {oxD} + C_ {GDj} \ left (V_ {GD} \dreapta)}}}$

Lățimea regiunii de încărcare a spațiului este dată de

${\ displaystyle w_ {GDj} = {\ sqrt {\ frac {2 \ epsilon _ {Si} V_ {GD}} {qN}}}}$

unde este permisivitatea siliciului, q este sarcina electronică , iar N este nivelul de dopaj . Valoarea lui C _GDj poate fi aproximată folosind expresia condensatorului plan : ${\ displaystyle \ epsilon _ {Si}}$

${\ displaystyle C_ {GDj} = A_ {GD} {\ frac {\ epsilon _ {Si}} {w_ {GDj}}}}$

În cazul în care A _GD este suprafața suprapunerii poarta-drenaj. Prin urmare, vine:

${\ displaystyle C_ {GDj} \ left (V_ {GD} \ right) = A_ {GD} {\ sqrt {\ frac {q \ epsilon _ {Si} N} {2V_ {GD}}}}}$

Se poate vedea că C _GDj (și deci C _GD ) este o capacitate a cărei valoare depinde de poartă pentru a scurge tensiunea. Pe măsură ce această tensiune crește, capacitatea scade. Când MOSFET-ul este în stare, C _GDj este manevrat, astfel încât poarta de scurgere a capacității rămâne egală cu C _oxD , o valoare constantă.

Scurgeți la capacitate sursă

Deoarece metalizarea sursei se suprapune peste sondele P (vezi figura 1), terminalele de evacuare și sursă sunt separate printr-o joncțiune PN . Prin urmare, C _DS este capacitatea de joncțiune. Aceasta este o capacitate neliniară, iar valoarea sa poate fi calculată utilizând aceeași ecuație ca și pentru C _GDj .

Alte elemente dinamice

Circuitul echivalent al unui MOSFET de putere, inclusiv elementele dinamice (condensatori, inductoare), rezistențele parazite, dioda corpului.

Inductanțe de ambalare

Pentru a funcționa, MOSFET-ul trebuie să fie conectat la circuitul extern, de cele mai multe ori folosind legarea firelor (deși sunt investigate tehnici alternative). Aceste conexiuni prezintă o inductanță parazitară, care nu este în niciun fel specifică tehnologiei MOSFET, dar are efecte importante datorită vitezei mari de comutare. Inductanțele parazite tind să își mențină curentul constant și să genereze supratensiune în timpul opririi tranzistorului, ducând la pierderi de comutare crescânde.

O inductanță parazitară poate fi asociată cu fiecare terminal al MOSFET. Au efecte diferite:

inductanța porții are puțină influență (presupunând că este mai mică decât câteva sute de nanohenries), deoarece gradienții curenți de pe poartă sunt relativ lenti. Cu toate acestea, în unele cazuri, inductanța porții și capacitatea de intrare a tranzistorului pot constitui un oscilator . Acest lucru trebuie evitat, deoarece are ca rezultat pierderi de comutare foarte mari (până la distrugerea dispozitivului). Pe un design tipic, inductanțele parazite sunt menținute suficient de scăzute pentru a preveni acest fenomen;
inductanța de scurgere tinde să reducă tensiunea de scurgere atunci când MOSFET se aprinde, deci reduce pierderile de pornire. Cu toate acestea, deoarece creează o supratensiune în timpul opririi, crește pierderile de oprire;
inductanța parazită sursă are același comportament ca și inductanța de scurgere, plus un efect de feedback care face ca comutația să dureze mai mult, crescând astfel pierderile de comutație.
- la începutul unei porniri rapide, datorită inductanței sursei, tensiunea la sursă (pe matriță) va putea sări în sus, precum și tensiunea porții; tensiunea internă V _GS va rămâne scăzută pentru o perioadă mai lungă de timp, astfel întârziind pornirea.
- la începutul unei opriri rapide, deoarece curentul prin inductanța sursei scade brusc, tensiunea rezultată pe acesta devine negativă (față de cablul din afara pachetului) ridicând tensiunea internă V _GS , menținând MOSFET pornit și, prin urmare, întârzierea opririi.

Limite de funcționare

Defalcarea oxidului de poartă

Oxidul porții este foarte subțire (100 nm sau mai puțin), deci poate susține doar o tensiune limitată. În fișele tehnice, producătorii declară adesea o poartă maximă la tensiunea sursei, în jur de 20 V, iar depășirea acestei limite poate duce la distrugerea componentei. Mai mult, o poartă ridicată la tensiunea sursei reduce semnificativ durata de viață a MOSFET-ului, cu puțin sau deloc avantaj în reducerea R _DSon .

Pentru a rezolva această problemă, este adesea folosit un circuit de driver de poartă .

Tensiunea maximă de scurgere la sursă

MOSFET-urile de alimentare au o scurgere maximă specificată la tensiunea sursei (când sunt oprite), dincolo de care se poate produce defectarea . Depășirea tensiunii de avarie face ca dispozitivul să conducă, potențial deteriorându-l și alte elemente ale circuitului din cauza disipării excesive a puterii.

Curent maxim de scurgere

Curentul de golire trebuie să rămână în general sub o anumită valoare specificată (curentul maxim de golire continuă). Poate atinge valori mai mari pentru durate de timp foarte scurte (curentul maxim de scurgere pulsat, uneori specificat pentru diferite durate de impuls). Curentul de scurgere este limitat de încălzire datorită pierderilor rezistive în componentele interne, cum ar fi firele de legătură , și alte fenomene, cum ar fi electromigrarea în stratul de metal.

Temperatura maximă

Temperatura de joncțiune (T _J ) a MOSFET trebuie să rămână sub o valoare maximă specificată pentru ca dispozitivul să funcționeze în mod fiabil, determinat de aspectul matriței MOSFET și de materialele de ambalare. Ambalajul limitează adesea temperatura maximă a joncțiunii, datorită caracteristicilor compusului de turnare și (acolo unde este utilizat).

Temperatura ambientală maximă de funcționare este determinată de disiparea puterii și rezistența termică . Rezistența termică a joncțiunii la carcasă este intrinsecă dispozitivului și pachetului; rezistența termică de la carcasă la mediul ambiant depinde în mare măsură de aspectul plăcii / montajului, de zona de radiere și de fluxul de aer / fluid.

Tipul de disipare a puterii, fie continuu, fie pulsat, afectează temperatura maximă de funcționare , datorită caracteristicilor masei termice ; în general, cu cât este mai mică frecvența impulsurilor pentru o anumită disipare a puterii, cu atât temperatura ambiantă maximă de funcționare este mai mare, datorită lăsării unui interval mai lung de răcire a dispozitivului. Modele, cum ar fi o rețea Foster , pot fi utilizate pentru a analiza dinamica temperaturii de la tranzitorii de putere.

Zona de operare sigură

Zona de funcționare sigură definește intervalele combinate de curent de scurgere și de scurgere la sursa de tensiune pe care MOSFET este capabilă să o manipuleze fără deteriorări. Este reprezentată grafic ca o zonă în plan definită de acești doi parametri. Atât curentul de scurgere, cât și tensiunea de scurgere la sursă trebuie să rămână sub valorile lor maxime respective, dar produsul lor trebuie să rămână și sub puterea maximă de disipare pe care dispozitivul este capabilă să o gestioneze. Astfel, dispozitivul nu poate funcționa simultan la curentul maxim și la tensiunea maximă.

Latch-up

Circuitul echivalent pentru un MOSFET de putere constă dintr-un MOSFET în paralel cu un BJT parazit. Dacă BJT pornește, acesta nu poate fi oprit, deoarece poarta nu are control asupra acestuia. Acest fenomen este cunoscut sub numele de „ blocare ”, care poate duce la distrugerea dispozitivului. BJT poate fi pornit din cauza unei căderi de tensiune în regiunea corpului de tip p. Pentru a evita blocarea, corpul și sursa sunt de obicei scurtcircuitate în pachetul dispozitivului.

Tehnologie

Acest MOSFET de putere are o poartă plasată, cu celule pătrate

Aspectul porții acestui MOSFET este format din dungi paralele.

Aspect

Structura celulară

Așa cum s-a descris mai sus, capacitatea curentă de manipulare a unui MOSFET de putere este determinată de lățimea canalului de poartă. Lățimea canalului porții este a treia dimensiune (axa Z) a secțiunilor transversale din imagine.

Pentru a minimiza costul și dimensiunea, este valoros să păstrați dimensiunea zonei matriței tranzistorului cât mai mică posibil. Prin urmare, au fost dezvoltate optimizări pentru a crește lățimea suprafeței canalului, adică pentru a crește „densitatea canalului”. Acestea constau în principal în crearea unor structuri celulare repetate pe întreaga zonă a matriței MOSFET. Au fost propuse mai multe forme pentru aceste celule, cea mai faimoasă fiind forma hexagonală utilizată în dispozitivele HEXFET ale International Rectifier.

O altă modalitate de a crește densitatea canalului este de a reduce dimensiunea structurii elementare. Acest lucru permite mai multe celule într-o anumită suprafață și, prin urmare, mai multă lățime a canalului. Cu toate acestea, pe măsură ce dimensiunea celulei se micșorează, devine mai dificil să se asigure un contact adecvat al fiecărei celule. Pentru a depăși acest lucru, se folosește adesea o structură de tip „bandă” (vezi figura). Este mai puțin eficientă decât o structură celulară cu rezoluție echivalentă în ceea ce privește densitatea canalului, dar poate face față unui pitch mai mic. Un alt avantaj al structurii de bandă plană este că este mai puțin susceptibil la eșec în timpul evenimentelor de avariere în care tranzistorul bipolar parazit pornește de la o polarizare suficientă înainte. În structura celulară, dacă terminalul sursă al oricărei celule este slab contactat, atunci devine mult mai probabil ca tranzistorul bipolar parazit să se blocheze în timpul unui eveniment de avalanșă. Din această cauză, MOSFET-urile care utilizează o structură de bandă plană pot eșua numai în timpul defalcării avalanșei din cauza stresului termic extrem.

Structuri

Structura VMOS are o canelură în V la regiunea porții

UMOS are o poartă de tranșee. Se intenționează să crească densitatea canalului făcând canalul vertical

MOSFET de putere substrat P

Un MOSFET cu substrat P (adesea numit PMOS) este un MOSFET cu tipuri de dopaj opuse (N în loc de P și P în loc de N în secțiunea transversală din figura 1). Acest MOSFET este realizat folosind un substrat de tip P, cu un P ^- epitaxi. Deoarece canalul se află într-o regiune N, acest tranzistor este pornit de o poartă negativă la tensiunea sursei. Acest lucru îl face de dorit într-un convertor Buck , unde unul dintre terminalele comutatorului este conectat la partea înaltă a tensiunii de intrare: cu un N-MOSFET, această configurație necesită să aplice porții o tensiune egală cu , în timp ce nu există tensiune peste este necesar cu un P-MOSFET. ${\ displaystyle V_ {în} + V_ {GS}}$ ${\ displaystyle V_ {in}}$

Principalul dezavantaj al acestui tip de MOSFET este performanța slabă la stat, deoarece folosește găuri ca purtători de încărcare , care au o mobilitate mult mai mică decât electronii. Deoarece rezistivitatea este direct legată de mobilitate, un anumit dispozitiv PMOS va avea de trei ori mai mare decât un N-MOSFET cu aceleași dimensiuni. ${\ displaystyle R_ {DSon}}$

VMOS

Structura VMOS are o canelură în V la regiunea porții și a fost utilizată pentru primele dispozitive comerciale.

UMOS

NXP 7030AL - FET nivel logic TrenchMOS cu canal N

În această structură MOSFET de putere, numită și tranșeu-MOS, electrodul de poartă este îngropat într-o tranșeu gravată în siliciu. Acest lucru are ca rezultat un canal vertical. Principalul interes al structurii este absența efectului JFET. Numele structurii provine de la forma de U a șanțului.

Tehnologie super-joncțiune de tranșe adânci

În special pentru tensiuni peste 500 V, unii producători, inclusiv Infineon Technologies cu produsele sale CoolMOS, au început să utilizeze un principiu de compensare a încărcării. Cu această tehnologie, rezistența stratului epitaxial, care contribuie cel mai mult (mai mult de 95%) la rezistența dispozitivului MOSFET-urilor de înaltă tensiune, poate fi redusă cu un factor mai mare de 5.

Căutând să îmbunătățească eficiența de fabricație și fiabilitatea MOSFET-urilor de joncțiune, Renesas Electronics a dezvoltat o structură de joncțiune superioară, cu o tehnică de proces de tranșe adânci. Această tehnologie implică șanțuri de gravare în materialul de tip N cu impuritate redusă pentru a forma regiuni de tip P. Acest proces depășește problemele inerente abordării de creștere epitaxială pe mai multe niveluri și are ca rezultat o rezistență extrem de redusă la capacitate internă redusă.

Datorită zonei de joncțiune pn crescute, o structură de super-joncțiune are un timp de recuperare invers mai mic, dar un curent de recuperare invers mai mare comparativ cu un MOSFET de putere plană convențional.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

„Dispozitive semiconductoare de putere”, B. Jayant Baliga, compania de editare PWS, Boston. ISBN 0-534-94098-6

Languages

In other projects