MOSFET de alimentare
În electronică , puterea MOSFET este utilizată în aplicații cu valori de înaltă tensiune și curent. Comparativ cu alte dispozitive cu putere semiconductoare ( IGBT-uri , tiristoare , ...) principalele sale avantaje sunt viteza mare de comutare și eficiența bună la tensiuni reduse; la fel ca IGBT, are o poartă izolată care facilitează conducerea.
MOSFET-ul de putere a fost introdus la sfârșitul anilor 1970 datorită evoluției tehnologiei CMOS și împărtășește același principiu de funcționare ca MOSFET-ul tradițional. Este utilizat în principal ca întrerupător în interiorul surselor de alimentare și al convertoarelor de alimentare .
Structura
Când au fost introduse MOSFET-uri de putere la începutul anilor 1980, au fost propuse și analizate diverse structuri, dintre care multe au fost abandonate în favoarea structurii VDMOS (Vertical Diffusion MOS), numită și „MOS difuz dublu” sau pur și simplu DMOS. Secțiunea verticală a unui VDMOS (a se vedea figura 1) arată modul în care electrodul sursă este plasat deasupra electrodului de scurgere. În consecință, atunci când tranzistorul este în starea ON, există un curent în principal vertical. Regiunile P (vezi figura 1) sunt obținute printr-un proces de difuzie (în prezent un proces de difuzie dublă pentru a avea regiunile P și N + , de unde și denumirea de Dublu Difuzat). Spre deosebire de MOSFET-urile de semnal, MOSFET-urile de putere au o structură neplană, dar verticală. Într-o structură plană, curentul de rupere și tensiunea sunt ambele funcții ale dimensiunii canalului (respectiv lățimea și lungimea canalului), rezultând o utilizare ineficientă a siliciului. Cu o structură verticală, tensiunea nominală a tranzistorului este o funcție a dopajului și a grosimii stratului epitaxial N (a se vedea figura 1), în timp ce valoarea curentă este o funcție a lățimii canalului. În acest fel, tranzistorul poate rezista atât la tensiuni mari de bloc, cât și la curenți mari, într-o bucată compactă de siliciu.
Rețineți că există și MOSFET-uri cu putere de structură laterală, care sunt utilizate în principal în amplificatoare audio de ultimă generație . Avantajul lor este un comportament mai bun în regiunea de saturație (corespunzătoare regiunii liniare a tranzistoarelor de joncțiune bipolare ) comparativ cu MOSFET-urile verticale. Mufetele verticale sunt proiectate pentru comutarea aplicațiilor și, prin urmare, sunt utilizate numai în stările ON sau OFF.
Rezistență la ON
Când MOSFET-ul de alimentare este în starea ON (a se vedea MOSFET pentru o discuție despre stările de funcționare), acesta prezintă un comportament rezistiv între terminalele de evacuare și sursă. După cum se poate vedea din Figura 2, această rezistență (numită R DSon - Rezistența dintre sursă și drenaj în starea ON) este suma diferitelor contribuții elementare:
- R S este rezistența sursei. Reprezintă toate rezistențele dintre terminalul sursă al pachetului și canalul MOSFET: rezistența legăturilor de sârmă , a metalizării sursei și a regiunilor N + ;
- R ch este rezistența canalului. Este invers proporțional cu lățimea canalului și, pentru o dimensiune dată a matriței , cu densitatea canalului. Rezistența canalului este una dintre contribuțiile majore la R DSon în MOSFET-urile de joasă tensiune;
- Ra este „acces“ rezistență. Reprezintă rezistența zonei epitaxiale direct sub electrodul porții, unde direcția curentului se schimbă de la orizontală (în canal) la verticală (spre contactul de scurgere);
- R JFET : regiunile P formează porțile JFET-urilor parazite 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 și ușor dopat (adică foarte rezistiv), în timp ce un tranzistor de joasă tensiune necesită un strat subțire și un nivel ridicat de dopaj (adică rezistiv scăzut). În consecință, R n este principalul factor responsabil pentru R DSon în MOSFET-uri de înaltă tensiune.
- R D este echivalentul lui R S pentru canalizare. Reprezintă rezistența substratului (Figura 1 nu este la scară, stratul de N - partea inferioară este cel mai gros) și a conexiunilor pachetului.
Compensare între tensiunea de avarie și rezistența la pornire
Când este în starea OFF, puterea MOSFET este echivalentă cu o diodă PIN (constând dintr-un strat difuz P + , stratul epitaxial N - și substratul N + ). Când această structură puternic asimetrică este polarizat invers, regiunea de sarcină spațială se extinde în principal la latura mai puțin dopată, adică N - strat. Aceasta înseamnă că acest strat trebuie să suporte cea mai mare parte a tensiunii sursei de scurgere a mosfetului în starea OFF. Pe de altă parte, atunci când MOSFET este în starea ON, acest strat N - , fiind o regiune ușor dopată, are o rezistență intrinsecă neglijabilă care contribuie în principal la rezistența la sursa de scurgere în starea ON a MOSFET (R DSon ) (Acesta este R n din figura 2). Cei doi parametri principali care guvernează atât tensiunea de defecțiune, cât și DS DS- ul tranzistorului sunt nivelul de dopaj și grosimea stratului N - epitaxial. Cu cât stratul este mai gros, cu atât este mai scăzut nivelul de dopaj și cu atât este mai mare tensiunea de rupere. În schimb, cu cât stratul este mai subțire și cu atât este mai mare nivelul de dopaj și cu atât este mai mică rezistența la pornire (și, prin urmare, pierderile de conducere ale MOSFET sunt mai mici). Prin urmare, există un compromis în proiectarea MOSFET între tensiunea sa și rezistența la pornire. Acest lucru este prezentat în graficul din figura 3.
Diodă corporală
După cum se poate vedea în Figura 1, metalizarea sursei acoperă atât regiunea N + , cât și regiunea P, chiar dacă principiul de funcționare al MOSFET necesită conectarea sursei numai la regiunea N + . Dacă acesta ar fi cazul, am avea o regiune P plutitoare între sursă și drenaj (dopat cu N), care este echivalent cu un tranzistor NPN cu baza nu conectată. În anumite condiții (curenți mari de scurgere, când tensiunea dintre scurgere și sursă este de câțiva volți în starea ON), acest tranzistor NPN parazit este activ și face MOSFET incontrolabil. Prin realizarea metalizării sursei, de asemenea, acoperă regiunea P, baza și emițătorul tranzistorului parazit sunt conectate, pentru a preveni blocarea falsă.
Cu toate acestea, această soluție creează o diodă între drenaj (catod) și sursa (anod) a MOSFET, făcându-l capabil să blocheze tensiunea doar într-o singură direcție.
Operațiune de comutare
Datorită naturii sale unipolare, puterea MOSFET poate comuta la viteze foarte mari. De fapt, purtătorii minoritari nu trebuie eliminați ca la dispozitivele bipolare.
Singura limitare inerentă la viteza de comutare se datorează capacităților interne ale MOSFET (a se vedea figura 4). Acești condensatori trebuie încărcați și descărcați atunci când tranzistorul comută. Acesta poate fi un proces relativ lent, deoarece curentul care circulă prin condensatoarele porții este limitat de circuitele driverului extern. Aceste circuite determină de fapt viteza de comutare a tranzistorului (presupunând că circuitul de putere are inductanțe suficient de mici).
Capacitate
În fișele tehnice MOSFET, capacitățile sunt adesea denumite C iss (capacitate de intrare, cu terminalele de scurgere și sursă scurtcircuitate), C oss (capacitate de ieșire, cu terminalele de poartă și sursă scurtcircuitate) și C rss (capacitate de transfer invers). Relațiile dintre aceste abilități și celelalte (abilitățile „reale”) sunt următoarele:
unde C GS , C GD și C DS sunt respectiv capacitățile dintre poartă și sursă, între poartă și drenaj, între drenaj și sursă.
Capacitate sursă poartă
Capacitatea C GS constă din paralela C oxN + , C oxP și C oxm (vezi figura 4). Deoarece regiunile N + și P sunt puternic dopate, primele două componente pot fi considerate constante. C oxm este capacitatea dintre poartă (polisilicon) și electrodul sursă (metal), astfel încât acesta este, de asemenea, constant. Prin urmare, este o practică obișnuită să considerăm C GS ca o capacitate constantă, astfel încât valoarea sa să nu depindă de starea tranzistorului.
Capacitate de golire a porții
Capacitatea C GD poate fi văzută ca seria a două capacități elementare. Primul este capacitatea oxidului (C oxD ), format din electrodul de poartă, dioxidul de siliciu și stratul epitaxial N. Are o valoare constantă. A doua capacitate (C CDj ) se datorează măririi regiunii de încărcare spațială atunci când MOSFET este în starea OFF și, prin urmare, depinde de tensiunea dintre poartă și drenaj. În consecință, valoarea C GD este:
Lățimea regiunii de încărcare a spațiului este dată de [1]
unde este este permisivitatea siliciului, q este sarcina electronică și N este nivelul de dopaj. Valoarea lui C GDj poate fi aproximată folosind expresia condensatorului cu față plană:
unde A GD este zona suprapunerii dintre poartă și drenaj. Prin urmare:
Se poate vedea că, așa cum am menționat anterior, C GDj (și, prin urmare, C GD ) este o capacitate a cărei valoare depinde de tensiunea dintre poartă și drenaj. Pe măsură ce tensiunea crește, capacitatea scade. Când MOSFET este în starea ON, C GDj este scurtcircuitat, astfel încât capacitatea de scurgere a porții rămâne egală cu C sau xD , care este o valoare constantă.
Capacitate sursă de scurgere
Deoarece metalizarea sursei se suprapune godeului P (a se vedea Figura 1), terminalele de evacuare și sursă sunt separate printr-o joncțiune PN. Prin urmare, C DS este capacitatea de îmbinare. Aceasta este o capacitate neliniară și valoarea sa poate fi calculată utilizând aceeași ecuație văzută pentru C GDj .
Alte elemente dinamice
Inductanțe de ambalare
Pentru a funcționa, MOSFET trebuie să fie conectat la un circuit extern, de cele mai multe ori folosind legături de sârmă (deși au fost investigate tehnici alternative). Aceste conexiuni prezintă inductanță parazitară, care nu este caracteristică tehnologiei MOSFET, dar are efecte importante datorită vitezei mari de comutare. Inductanțele parazite tind să mențină curentul constant și să genereze depășiri de tensiune în timpul opririi tranzistorului. Acest lucru determină o creștere a pierderilor de comutare.
O inductanță parazitară poate fi asociată fiecărui terminal al MOSFET. Au efecte diferite:
- Inductanța porții are puțină influență (presupunând că este mai mică de câteva sute de nanohenry), deoarece gradienții actuali de-a lungul porții sunt relativ mici. Cu toate acestea, în unele cazuri, inductanța porții și capacitatea de intrare a tranzistorului pot constitui un oscilator. Acest lucru trebuie evitat deoarece poate provoca pierderi mari de comutare (până la distrugerea dispozitivului). De obicei, inductanțele parazite sunt menținute suficient de scăzute pentru a preveni acest fenomen;
- Inductanța de scurgere tinde să reducă tensiunea de scurgere la pornirea MOSFET-ului, astfel încât să reducă pierderile la pornire. Cu toate acestea, creează o supratensiune în timpul opririi, crescând pierderile de oprire;
- Inductanța sursei parazite are același comportament ca și inductanța de scurgere, plus un efect de feedback care face comutarea mai lungă, crescând astfel pierderile de comutare.
- La începutul unei porniri rapide, datorită inductanței sursei, tensiunea la sursă (pe matriță ) va putea crește brusc, precum și tensiunea porții; prin urmare, tensiunea internă V GS va rămâne scăzută pentru o perioadă mai lungă de timp, întârziind pornirea.
- La începutul unei opriri rapide, pe măsură ce curentul care curge prin inductanța sursei scade brusc, tensiunea din ea devine negativă (față de terminalul sursă din afara pachetului), provocând V GS intern, menținând MOSFET-ul pornit, și astfel întârzie oprirea.
Limite de funcționare
Ruptura oxidului de poarta
Oxidul porții este foarte subțire (100 nm sau mai puțin) și, prin urmare, poate rezista la o tensiune limitată. În fișele tehnice, producătorii indică adesea o tensiune maximă aplicabilă între poartă și sursă, în jur de 20 V: depășirea acestei limite poate duce la distrugerea componentei. Mai mult, o diferență mare de potențial între poartă și sursă reduce semnificativ durata de viață a MOSFET-ului cu efecte de reducere reduse sau deloc ale DS DS .
Tensiunea maximă dintre canal și sursă
MOSFET-urile de putere au o tensiune maximă aplicabilă între canal și sursă, dincolo de care poate apărea o avarie . Depășirea acestei tensiuni de defectare determină conducerea MOSFET-ului, cu posibile deteriorări ale componentei sau elementelor care alcătuiesc circuitul din cauza disipării excesive a puterii.
Curent maxim de scurgere
Curentul de scurgere trebuie să rămână de obicei sub o anumită valoare. Poate atinge valori foarte mari pentru perioade foarte scurte de timp („curentul maxim de scurgere pulsată”, specificat uneori pentru diferite lungimi de impulsuri). Curentul de scurgere este limitat de supraîncălzirea cauzată de pierderile diferitelor componente ale dispozitivului (de exemplu pierderile datorate efectului de joule al conexiunilor interne).
Temperatura maximă
Temperatura de joncțiune (T J ) a MOSFET-ului trebuie să fie mai mică decât o anumită valoare maximă. Această valoare este tipică dispozitivului și este determinată de aspectul matriței și de tipul de pachet.
Temperatura maximă de lucru este determinată de puterea disipată și rezistența termică. Rezistența termică dintre joncțiune și carcasă este o caracteristică intrinsecă a dispozitivului și a ambalajului; rezistența termică dintre carcasă și mediu depinde în mare măsură de tipul de montare pe placă, de fluxul de aer (sau de fluid frigorific) și de zona disponibilă pentru disipare.
Zona de operare sigură (SOA)
„Zona de operare sigură (SOA)” definește gama combinată de curent și tensiune de scurgere între scurgere și sursă pe care MOSFET-ul de putere este capabil să o susțină fără a fi deteriorată. Este reprezentată grafic ca o zonă în plan definită de acești doi parametri. Atât curentul de scurgere, cât și tensiunea dintre scurgere și sursă trebuie să fie sub valorile lor maxime respective și, în plus, produsul lor trebuie să fie mai mic decât puterea maximă care poate fi disipată de dispozitiv. În acest fel, dispozitivul nu poate funcționa atât la curentul maxim de scurgere, cât și la tensiunea maximă dintre scurgere și sursă. [2]
Latch-up (LU)
Circuitul echivalent al unui MOSFET este format dintr-un MOSFET în paralel cu un BJT parazitar ( tranzistor de joncțiune bipolar ). Dacă porniți BJT, acesta nu mai poate fi oprit, deoarece poarta nu are control asupra acestuia. Acest fenomen este cunoscut sub numele de „blocare” și poate duce la distrugerea dispozitivului. BJT poate porni din cauza unei căderi de tensiune aproape de regiunea de tip P care formează corpul. Pentru a evita blocarea, corpul și sursa sunt de obicei scurtcircuitate în interiorul pachetului dispozitivului.
Tehnologie
Aspect
Structura celulei
Curentul pe care îl poate conduce un MOSFET este determinat de lățimea canalului de poartă. Lățimea canalului porții este a treia dimensiune (axa Z) a secțiunii verticale afișate.
Pentru a minimiza costul și dimensiunea dispozitivului, este de preferat să faceți tranzistoare cu o zonă de matriță cât mai mică posibil. Cu toate acestea, este necesar să măriți lățimea canalului (adică să măriți densitatea canalului). Acest lucru se face în principal prin realizarea de structuri celulare repetate pe întreaga zonă de matriță a MOSFET. Au fost propuse diverse forme pentru aceste celule, dintre care cea mai faimoasă este cea hexagonală (Hexfet).
O altă modalitate de a crește densitatea canalului este de a reduce dimensiunea structurilor elementare. În acest fel, pe o suprafață dată, se pot realiza multe celule și, prin urmare, se poate obține o lățime mai mare a canalului. Cu toate acestea, cu cât dimensiunea celulei este mai mică, cu atât devine mai dificil să se asigure un contact adecvat pe fiecare celulă. Pentru a depăși această problemă, se folosește adesea o structură în dungi, care este totuși mai puțin eficientă, în ceea ce privește densitatea canalului, decât o structură de celule având aceeași rezoluție.
Structuri
Power MOSFET cu substrat de tip P.
Un substrat de tip P MOSFET (adesea numit PMOS) este un MOSFET cu dopaj opus celor arătate mai sus (N în loc de P și P în loc de N în secțiunea verticală din figura 1).
Acest MOSFET este realizat folosind un substrat de tip P cu un strat epitaxial de tip P -. Deoarece canalul se formează în interiorul unei regiuni N, acest tranzistor este pornit de o tensiune negativă de la poartă la sursă. Acest lucru îl face preferabil (în comparație cu substratul de tip N MOSFET) într-un convertor Buck , unde unul dintre terminalele comutatorului este conectat la valoarea ridicată a tensiunii de intrare: cu un MOSFET cu canal N, această configurație necesită aplicarea la poartă de o tensiune egală cu , în timp ce cu un MOSFET canal P o tensiune mai mare de .
Dezavantajul major al acestui tip de MOSFET este legat de performanța slabă în starea ON: MOSFET cu canal P utilizează găuri ca purtători de încărcare, care au o mobilitate mult mai mică decât cea a electronilor. Deoarece rezistivitatea este direct proporțională cu mobilitatea, un anumit PMOS va avea un de trei ori mai mare într-un NMOS de aceeași dimensiune.
VMOS
Această structură are o canelură în formă de V în regiunea porții și a fost utilizată pentru primele dispozitive comerciale [3] .
UMOS (numit și Trench-MOS)
În acest tip de energie Mosfet, electrodul de poartă este îngropat într-un șanț realizat prin gravare în siliciu. În acest fel se obține un canal vertical.
Cel mai interesant aspect al acestei structuri este absența efectului JFET. Numele acestui dispozitiv derivă din forma de U a șanțului.
CoolMOS
În special pentru tensiuni peste 500 V, unii producători, în special Infineon Technologies , au început să utilizeze un principiu de compensare a încărcării. Astfel, rezistența stratului epitaxial, care este principalul factor care contribuie la rezistența ON la MOSFET-uri de înaltă tensiune, poate fi redusă cu un factor mai mare de 5.
Notă
- ^ SM Sze, fizica dispozitivelor semiconductoare moderne John Wiley and Sons, Inc 1998 ISBN 0-471-15237-4
- ^ Pierre Aloïsi, Les transistors MOS de puissance in Interrupteurs électroniques de puissance, traite EGEM , sub direcția lui Robert Perret, Lavoisier, Paris, 2003 [în franceză] ISBN 2-7462-0671-4
- ^ Duncan A. Grant, John Gowar, POWER MOSFET: Theory and Applications John Wiley and Sons, Inc ISBN 0-471-82867-X , 1989
Bibliografie
- „Power Semiconductor Devices”, B. Jayant Baliga, PWS publishing Company, Boston. ISBN 0-534-94098-6
Elemente conexe
- Tranzistor cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor
- CMOS
- Dispozitiv semiconductor
- Electronică de putere
Alte proiecte
- Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe MOSFET-uri puternice
Controlul autorității | GND ( DE ) 4200169-9 |
---|