Силовой МОП-транзистор

МОП-транзистор, способный выдерживать значительные уровни мощности

Силовой МОП-транзистор IRLZ24N в корпусе со сквозными отверстиями TO-220 AB . Выводы слева направо: затвор (логический уровень), сток, исток. Верхняя металлическая защелка — это слив, такой же, как штифт 2. ^[1]

Силовой МОП-транзистор — это особый тип полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор), предназначенный для работы со значительными уровнями мощности. По сравнению с другими силовыми полупроводниковыми приборами , такими как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) или тиристор , его основными преимуществами являются высокая скорость переключения и хороший КПД при низких напряжениях. Он имеет общий с IGBT изолированный затвор, что упрощает управление. Они могут иметь низкий коэффициент усиления, иногда до такой степени, что напряжение затвора должно быть выше, чем контролируемое напряжение.

Разработка силовых МОП-транзисторов стала возможной благодаря развитию технологий МОП-транзисторов и КМОП , используемых для производства интегральных схем с 1960-х годов. Силовой МОП-транзистор имеет тот же принцип работы, что и его маломощный аналог, боковой МОП-транзистор. Силовой МОП-транзистор, который обычно используется в силовой электронике , был адаптирован из стандартного МОП-транзистора и представлен на рынке в 1970-х годах. ^[2]

Силовой МОП-транзистор является наиболее распространенным силовым полупроводниковым устройством в мире из-за его низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения, ^[3] простоты расширенных возможностей параллельного подключения, ^{[3] [4]} широкой полосы пропускания, прочности, простоты управления, простого смещения. , простота применения и простота ремонта. ^[4] В частности, это наиболее широко используемый низковольтный (менее 200 В) переключатель. Его можно найти в широком спектре применений, таких как большинство источников питания , преобразователи постоянного тока в постоянный , контроллеры низковольтных двигателей и многие другие приложения.

История

МОП -транзистор был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Это был прорыв в силовой электронике . Поколения МОП-транзисторов позволили разработчикам источников питания достичь уровней производительности и плотности, недоступных для биполярных транзисторов. ^[5]

В 1969 году Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП-транзистор ^[6] , который позже стал известен как VMOS (MOSFET с V-образной канавкой). ^[7] В том же году о DMOS (MOSFET с двойной диффузией) с самовыравнивающимся затвором впервые сообщили Y. Tarui, Y. Hayashi и Toshihiro Sekigawa из Электротехнической лаборатории (ETL). ^{[8] [9]} В 1974 году Дзюнъити Нисидзава из Университета Тохоку изобрел силовой МОП-транзистор для аудио, который вскоре стал производиться корпорацией Yamaha для своих высококачественных аудиоусилителей . JVC , Pioneer Corporation , Sony и Toshiba также начали производство усилителей с силовыми МОП-транзисторами в 1974 году. ^[10] Компания Siliconix коммерчески представила VMOS в 1975 году. ^[7]

VMOS и DMOS превратились в то, что стало известно как VDMOS (вертикальная DMOS). ^[10] Исследовательская группа Джона Молла в лаборатории HP изготовила прототипы DMOS в 1977 году и продемонстрировала преимущества перед VMOS, включая более низкое сопротивление в открытом состоянии и более высокое напряжение пробоя. ^[7] В том же году Hitachi представила LDMOS (боковой DMOS), планарный тип DMOS. Hitachi была единственным производителем LDMOS в период с 1977 по 1983 год, в течение этого времени LDMOS использовался в усилителях мощности звука от таких производителей, как HH Electronics (V-серия) и Ashly Audio , а также использовался для музыки и систем громкой связи . ^[10] С появлением цифровой мобильной сети 2G в 1995 году LDMOS стал наиболее широко используемым усилителем мощности RF в мобильных сетях, таких как 2G, 3G , ^[11] и 4G . ^[12]

Алекс Лидоу вместе с Томом Херманом изобрел HexFET, силовой МОП-транзистор шестиугольного типа, в Стэнфордском университете в 1977 году ^[13] . ^[14] HexFET был коммерциализирован компанией International Rectifier в 1978 году. ^{[7] [14]} Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), который сочетает в себе элементы как силового MOSFET, так и биполярного переходного транзистора (BJT), был разработан Jayant . Балига в General Electric с 1977 по 1979 год. ^[15]

Суперпереходный МОП-транзистор — это тип мощного МОП-транзистора, в котором используются столбцы P+, проникающие в эпитаксиальный слой N-. Идея совмещения слоев P и N была впервые предложена Сёдзо Широтой и Сигео Канэдой в Университете Осаки в 1978 ^году . патент 1984 г., выданный в 1988 г. ^[17]

Приложения

NXP 7030AL — N-канальный полевой транзистор логического уровня TrenchMOS

Силовой МОП-транзистор является наиболее широко используемым силовым полупроводниковым устройством в мире. ^[3] По состоянию на 2010 год ^{[обновлять]}на силовые МОП-транзисторы приходится 53% рынка силовых транзисторов , опережая биполярные транзисторы с изолированным затвором (27%), ВЧ-усилители мощности (11%) и транзисторы с биполярным переходом (9%). ^[18] По состоянию на 2018 год ^{[обновлять]}ежегодно отгружается более 50 миллиардов силовых МОП-транзисторов. ^[19] К ним относятся траншейные силовые МОП-транзисторы, продано более 100 миллиардов единиц до февраля 2017 года, ^[20] и MDmesh (суперпереходный МОП-транзистор) компании STMicroelectronics , продано 5 миллиардов единиц по состоянию на 2019 год ^{[обновлять]}. ^[16]

Силовые МОП-транзисторы обычно используются в широком спектре бытовой электроники . ^{[21] [22]}

RF DMOS, также известный как RF power MOSFET, представляет собой тип силового DMOS- транзистора, предназначенного для радиочастотных (RF) приложений. Он используется в различных радио- и радиочастотных приложениях. ^{[23] [24]}

Силовые МОП-транзисторы широко используются в транспортных технологиях, ^{[25] [26] [27]} , включая широкий спектр транспортных средств .

В автомобильной промышленности [ ^{28] [29] [30]} силовые МОП-транзисторы широко используются в автомобильной электронике . ^{[31] [32] [21]}

Силовые МОП-транзисторы (включая DMOS, LDMOS и VMOS ) обычно используются для широкого спектра других приложений.

Базовая структура

Рис. 1: Поперечное сечение VDMOS, показывающее элементарную ячейку. Обратите внимание, что ячейка очень мала (от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров в ширину), а мощный МОП-транзистор состоит из нескольких тысяч таких элементов.

Несколько структур были исследованы в 1970-х годах, когда были представлены первые коммерческие мощные МОП-транзисторы. Однако от большинства из них отказались (по крайней мере, до недавнего времени) в пользу структуры МОП с вертикальной диффузией ( VDMOS ) (также называемой МОП с двойной диффузией или просто ДМОП ) и структуры LDMOS (МОП с боковой диффузией).

Поперечное сечение VDMOS (см. рисунок 1) показывает «вертикальность» устройства: видно, что электрод истока расположен над стоком, в результате чего ток в основном вертикальный, когда транзистор находится во включенном состоянии. « Диффузия » в VDMOS относится к производственному процессу: P-лунки (см. рисунок 1) получаются в результате процесса диффузии (на самом деле это процесс двойной диффузии для получения областей P и N ⁺ , отсюда и название «двойная диффузия»).

Силовые МОП-транзисторы имеют структуру, отличную от боковых МОП-транзисторов: как и у большинства силовых устройств, их структура вертикальная, а не плоская. В планарной структуре номинальные ток и напряжение пробоя являются функциями размеров канала (соответственно ширины и длины канала), что приводит к неэффективному использованию «кремниевой недвижимости». При вертикальной структуре номинальное напряжение транзистора зависит от легирования и толщины эпитаксиального слоя N (см. Поперечное сечение), а номинальный ток является функцией ширины канала. Это позволяет транзистору выдерживать как высокое запирающее напряжение, так и большой ток в компактном куске кремния.

LDMOS — это силовые МОП-транзисторы с боковой структурой. Они в основном используются в усилителях мощности звука высокого класса ^[10] и усилителях мощности RF в беспроводных сотовых сетях , таких как 2G , 3G , ^[11] и 4G . ^[12] Их преимуществом является лучшее поведение в насыщенной области (соответствующей линейной области биполярного транзистора), чем у вертикальных МОП-транзисторов. Вертикальные МОП-транзисторы предназначены для коммутационных приложений, поэтому они используются только во включенном или выключенном состояниях.

Сопротивление в открытом состоянии

Рис.2: Вклад различных частей МОП-транзистора в сопротивление в открытом состоянии.

Когда силовой МОП-транзистор находится во включенном состоянии ( обсуждение режимов работы см. в разделе МОП-транзистор ), он демонстрирует резистивное поведение между выводами стока и истока. На рисунке 2 видно, что это сопротивление (называемое RDSon, _что означает «сопротивление стока к истоку во включенном состоянии») представляет собой сумму многих элементарных вкладов:

• R _S – сопротивление источника. Оно представляет собой все сопротивления между выводом источника корпуса и каналом МОП-транзистора: сопротивление проводных связей , металлизации источника и ям N ⁺ ;
• Р _ч . Это сопротивление канала. Он обратно пропорционален ширине канала и для данного размера кристалла плотности каналов. Сопротивление канала является одним из основных факторов, влияющих на R _{D Son} низковольтных МОП-транзисторов, и была проведена интенсивная работа по уменьшению размера их ячеек с целью увеличения плотности каналов;
• Ra _– сопротивление доступа . Оно представляет собой сопротивление эпитаксиальной зоны непосредственно под электродом затвора, где направление тока меняется с горизонтального (в канале) на вертикальное (к контакту стока);
• R _JFET — это вредный эффект упомянутого выше уменьшения размера ячейки: P-имплантации (см. рисунок 1) образуют затворы паразитного JFET- транзистора, которые имеют тенденцию уменьшать ширину тока;
• R _н – сопротивление эпитаксиального слоя. Поскольку роль этого слоя заключается в поддержании напряжения блокировки, R _n напрямую зависит от номинального напряжения устройства. Для высоковольтного МОП-транзистора требуется толстый слой с низким уровнем легирования, т . е. с высоким сопротивлением, тогда как для низковольтного транзистора требуется только тонкий слой с более высоким уровнем легирования, т . е . с меньшим сопротивлением. В результате R _n является основным фактором, отвечающим за сопротивление высоковольтных МОП-транзисторов;
• R _D – эквивалент RS _для стока. Оно представляет собой сопротивление подложки транзистора (сечение на рисунке 1 не в масштабе, нижний слой N ⁺ на самом деле самый толстый) и соединений корпуса.

Компромисс между напряжением пробоя и сопротивлением во включенном состоянии

Рис. 3: R _{D Son} МОП-транзисторов увеличивается с увеличением их номинального напряжения.

В выключенном состоянии силовой МОП-транзистор эквивалентен PIN-диоду (состоящему из диффузии P ⁺ , эпитаксиального слоя N ^- и подложки N ⁺ ). Когда эта сильно несимметричная структура смещена в обратном направлении, область пространственного заряда простирается преимущественно на легколегированной стороне, т. е . над слоем N ^- . Это означает, что этот слой должен выдерживать большую часть напряжения сток-исток МОП-транзистора в выключенном состоянии.

Однако, когда МОП-транзистор находится во включенном состоянии, этот слой N ^не выполняет никаких функций. Кроме того, поскольку это слаболегированная область, ее собственное удельное сопротивление немаловажно и добавляется к сопротивлению сток-исток МОП-транзистора в открытом состоянии (R _DSon ) (это сопротивление R _n на рисунке 2).

Как напряжение пробоя, так и R _{D Son} транзистора определяют два основных параметра: уровень легирования и толщина N ⁻ эпитаксиального слоя. Чем толще слой и чем ниже уровень его легирования, тем выше напряжение пробоя. Напротив, чем тоньше слой и выше уровень легирования, тем меньше R _{D Son} (и, следовательно, меньше потери проводимости МОП-транзистора). Таким образом, можно видеть, что при проектировании МОП-транзистора существует компромисс между его номинальным напряжением и сопротивлением в открытом состоянии. ^{[ нужна ссылка ]} Это демонстрирует график на рисунке 3.

Корпус диода

На рисунке 1 видно, что металлизация источника соединяет как имплантации N ⁺ , так и P ⁺ , хотя принцип работы МОП-транзистора требует подключения источника только к зоне N ⁺ . Однако, если бы это было так, это привело бы к плавающей зоне P между истоком и стоком, легированным N, что эквивалентно NPN-транзистору с неподключенной базой. При определенных условиях (при высоком токе стока, когда напряжение сток-исток во включенном состоянии составляет порядка нескольких вольт) этот паразитный NPN-транзистор сработает, что сделает полевой МОП-транзистор неуправляемым. Соединение имплантата P с металлизацией истока замыкает базу паразитного транзистора на его эмиттер (исток МОП-транзистора) и, таким образом, предотвращает ложную фиксацию. Однако это решение создает диод между стоком (катодом) и истоком (анодом) МОП-транзистора, что позволяет блокировать ток только в одном направлении.

Корпусные диоды могут использоваться в качестве обратных диодов для индуктивных нагрузок в таких конфигурациях, как Н-мост или полумост. Хотя эти диоды обычно имеют довольно высокое прямое падение напряжения, они могут выдерживать большие токи и достаточны во многих приложениях, что снижает количество деталей и, следовательно, стоимость устройства и пространство на плате. Для повышения эффективности часто используется синхронное выпрямление , чтобы минимизировать время, в течение которого корпус диода проводит ток.

Операция переключения

Рис. 4: Расположение собственных емкостей силового МОП-транзистора.

Из-за своей униполярной природы силовые МОП-транзисторы могут переключаться с очень высокой скоростью. Действительно, нет необходимости удалять меньшинственных носителей, как в случае с биполярными устройствами. Единственное внутреннее ограничение скорости коммутации связано с внутренними емкостями МОП-транзистора (см. рисунок 4). Эти емкости должны заряжаться или разряжаться при переключении транзистора. Это может быть относительно медленный процесс, поскольку ток, протекающий через емкости затвора, ограничивается внешней схемой драйвера. Эта схема фактически будет определять скорость коммутации транзистора (при условии, что силовая цепь имеет достаточно низкую индуктивность).

Емкости

В таблицах данных MOSFET емкости часто обозначаются C _iss (входная емкость, закороченные клеммы стока и истока), Co _ss (выходная емкость, закороченные затвор и исток) и C _rss (емкость обратной передачи, исток подключен к земле). Связь между этими емкостями и емкостями, описанными ниже, следующая:

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

Где C _GS , C _GD и C _DS — соответственно емкости затвор-исток, затвор-сток и сток-исток (см. ниже). Производители предпочитают указывать C _iss , C _oss и C _rss , поскольку их можно измерить непосредственно на транзисторе. Однако, поскольку CGS _, CGD _и CDS _ближе к физическому смыслу, они будут использоваться в оставшейся части статьи.

Емкость от затвора до источника

Емкость C _GS образуется параллельным соединением C _oxN+ , C _oxP и C _oxm (см. рисунок 4). Поскольку области N ⁺ и P сильно легированы, две первые емкости можно считать постоянными. C _oxm — это емкость между (поликремниевым) затвором и (металлическим) истоковым электродом, поэтому она также постоянна. Поэтому принято рассматривать C _GS как постоянную емкость, т.е. ее значение не зависит от состояния транзистора.

Затвор для стока емкости

Емкость C _GD можно рассматривать как последовательное соединение двух элементарных емкостей. Первая — это оксидная емкость (C _oxD ), состоящая из электрода затвора, диоксида кремния и верхней части эпитаксиального слоя N. Он имеет постоянное значение. Вторая емкость (C _GDj ) вызвана расширением зоны объемного заряда , когда МОП-транзистор находится в выключенном состоянии. Следовательно, оно зависит от напряжения сток-затвор. Отсюда значение C _GD составляет:

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

Ширина области объемного заряда определяется выражением ^[33]

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

где – диэлектрическая проницаемость кремния, q – заряд электрона , а N – уровень легирования . Значение C _GDj можно аппроксимировать, используя выражение плоского конденсатора : ${\displaystyle \epsilon _{Si}}$

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

Где A _GD – площадь перекрытия затвор-сток. Поэтому получается:

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

Можно видеть, что C _GDj (и, следовательно, C _GD ) представляет собой емкость, значение которой зависит от напряжения затвор-сток. По мере увеличения этого напряжения емкость уменьшается. Когда МОП-транзистор находится во включенном состоянии, C _GDj шунтируется, поэтому емкость затвор-сток остается равной C _oxD , постоянной величине.

Сток к истоковой емкости

Поскольку металлизация истока перекрывает P-ямы (см. рисунок 1), клеммы стока и истока разделены PN-переходом . Следовательно, CDS _– это емкость перехода. Это нелинейная емкость, и ее значение можно рассчитать с помощью того же уравнения, что и для C _GDj .

Другие динамические элементы

Эквивалентная схема силового МОП-транзистора, включающая динамические элементы (конденсаторы, катушки индуктивности), паразитные резисторы, корпус диода.

Упаковка индуктивностей

Для работы МОП-транзистор должен быть подключен к внешней цепи, в большинстве случаев с использованием проводного соединения (хотя альтернативные методы исследуются). Эти соединения обладают паразитной индуктивностью, которая никоим образом не является специфичной для технологии MOSFET, но имеет важные последствия из-за высоких скоростей коммутации. Паразитные индуктивности имеют тенденцию поддерживать постоянный ток и создают перенапряжение во время выключения транзистора, что приводит к увеличению потерь на коммутацию.

Паразитная индуктивность может быть связана с каждым выводом МОП-транзистора. Они имеют разные эффекты:

• индуктивность затвора не имеет большого влияния (при условии, что она ниже нескольких сотен наногенри), поскольку градиенты тока на затворе относительно медленны. Однако в некоторых случаях индуктивность затвора и входная емкость транзистора могут составлять генератор . Этого следует избегать, так как это приводит к очень большим коммутационным потерям (вплоть до разрушения устройства). В типичной конструкции паразитные индуктивности поддерживаются на достаточно низком уровне, чтобы предотвратить это явление;
• индуктивность стока имеет тенденцию снижать напряжение на стоке при включении МОП-транзистора, что снижает потери при включении. Однако, поскольку во время выключения создается перенапряжение, это увеличивает потери при выключении;
• Паразитная индуктивность истока ведет себя так же, как и индуктивность стока, плюс эффект обратной связи , который продлевает коммутацию, тем самым увеличивая потери при коммутации.
  • в начале быстрого включения за счет индуктивности истока напряжение на истоке (на кристалле) сможет подскочить так же, как и напряжение на затворе; внутреннее напряжение V _GS будет оставаться низким в течение более длительного времени, что приводит к задержке включения.
  • в начале быстрого выключения, когда ток через индуктивность источника резко уменьшается, результирующее напряжение на нем становится отрицательным (по отношению к выводу вне корпуса), повышая внутреннее напряжение V _GS , удерживая МОП-транзистор во включенном состоянии и, следовательно, задержка выключения.

Ограничения эксплуатации

Разрушение оксида затвора

Оксид затвора очень тонкий (100 нм или меньше), поэтому он может выдерживать лишь ограниченное напряжение. В технических характеристиках производители часто указывают максимальное напряжение затвор-исток, составляющее около 20 В, и превышение этого предела может привести к разрушению компонента. Кроме того, высокое напряжение затвор-исток значительно сокращает срок службы полевого МОП-транзистора, практически не принося никакого преимущества в плане снижения R _{D Son} .

Чтобы решить эту проблему, часто используется схема драйвера затвора .

Максимальное напряжение стока к источнику

Силовые МОП-транзисторы имеют максимальное заданное напряжение сток-исток (в выключенном состоянии), при превышении которого может произойти пробой . Превышение напряжения пробоя приводит к тому, что устройство начинает проводить ток, что может привести к повреждению его и других элементов схемы из-за чрезмерного рассеивания мощности.

Максимальный ток стока

Ток стока обычно должен оставаться ниже определенного заданного значения (максимальный непрерывный ток стока). Он может достигать более высоких значений за очень короткие промежутки времени (максимальный импульсный ток стока, иногда указываемый для различной длительности импульса). Ток стока ограничивается нагревом из-за резистивных потерь во внутренних компонентах, таких как соединительные провода , и других явлений, таких как электромиграция в металлическом слое.

Максимальная температура

Для надежной работы устройства температура перехода (T _J ) МОП-транзистора должна оставаться ниже указанного максимального значения, определяемого компоновкой кристалла МОП-транзистора и упаковочными материалами. Упаковка часто ограничивает максимальную температуру соединения из-за характеристик формовочного состава и (где используется) эпоксидной смолы.

Максимальная рабочая температура окружающей среды определяется рассеиваемой мощностью и тепловым сопротивлением . Термическое сопротивление перехода к корпусу присуще устройству и корпусу; Тепловое сопротивление корпуса и окружающей среды во многом зависит от платы/схемы монтажа, площади радиатора и потока воздуха/жидкости.

Тип рассеиваемой мощности, непрерывный или импульсный, влияет на максимальную рабочую температуру из-за тепломассовых характеристик; Как правило, чем ниже частота импульсов при данной рассеиваемой мощности, тем выше максимальная рабочая температура окружающей среды из-за более длительного интервала охлаждения устройства. Такие модели, как сеть Фостера , можно использовать для анализа динамики температуры в результате переходных процессов в электросети.

Безопасная рабочая зона

Безопасная рабочая зона определяет комбинированные диапазоны тока стока и напряжения стока-источника, которые силовой МОП-транзистор способен выдержать без повреждений. Графически это представляется как область на плоскости, определяемая этими двумя параметрами. И ток стока, и напряжение сток-исток должны оставаться ниже соответствующих максимальных значений, но их произведение также должно оставаться ниже максимальной рассеиваемой мощности, с которой устройство может справиться. Таким образом, устройство не может работать одновременно при максимальном токе и максимальном напряжении. ^[34]

защелка

Эквивалентная схема силового МОП-транзистора состоит из одного МОП-транзистора, подключенного параллельно с паразитным биполярным транзистором. Если BJT включается, его нельзя выключить, поскольку ворота не имеют над ним контроля. Это явление известно как « защелкивание », которое может привести к разрушению устройства. BJT может включиться из-за падения напряжения на участке тела p-типа. Чтобы избежать блокировки, корпус и источник обычно закорачиваются внутри корпуса устройства.

Технологии

Этот силовой МОП-транзистор имеет сетчатый затвор с квадратными ячейками.

Схема затвора этого МОП-транзистора состоит из параллельных полос.

Макет

Клеточная структура

Как описано выше, токовая способность мощного МОП-транзистора определяется шириной его канала затвора. Ширина канала затвора — это третий размер (по оси Z) изображенных сечений.

Чтобы минимизировать стоимость и размер, важно сохранять площадь кристалла транзистора как можно меньшей. Поэтому были разработаны оптимизации для увеличения ширины поверхности канала, т.е. увеличения «плотности каналов». В основном они заключаются в создании ячеистых структур, повторяющихся по всей площади кристалла МОП-транзистора. Для этих ячеек было предложено несколько форм, наиболее известной из которых является шестиугольная форма, используемая в устройствах HEXFET компании International Rectifier.

Другой способ увеличить плотность каналов — уменьшить размер элементарной структуры. Это позволяет разместить больше ячеек на заданной площади поверхности и, следовательно, увеличить ширину канала. Однако по мере уменьшения размера ячеек становится все труднее обеспечить правильный контакт каждой ячейки. Чтобы преодолеть эту проблему, часто используют «полосчатую» структуру (см. рисунок). Она менее эффективна, чем сотовая структура с эквивалентным разрешением с точки зрения плотности каналов, но может работать с меньшим шагом. Еще одним преимуществом планарной полосковой структуры является то, что она менее подвержена сбоям во время лавинного пробоя, при котором паразитный биполярный транзистор включается из-за достаточного прямого смещения. В ячеистой структуре, если клемма источника какой-либо ячейки плохо контактирует, то становится гораздо более вероятным, что паразитный биполярный транзистор защелкнется во время лавинного пробоя. Из-за этого МОП-транзисторы, использующие плоскую полосковую структуру, могут выйти из строя только во время лавинного пробоя из-за экстремальных термических напряжений. ^[35]

Структуры

Структура VMOS имеет V-образную канавку в области затвора.

УМОС имеет траншейные ворота. Он предназначен для увеличения плотности каналов за счет вертикального расположения канала.

Силовой МОП-транзистор с P-подложкой

МОП-транзистор с P-подложкой (часто называемый PMOS) представляет собой МОП-транзистор с противоположными типами легирования (N вместо P и P вместо N в поперечном сечении на рисунке 1). Этот МОП-транзистор изготовлен с использованием подложки P-типа с P ^- эпитаксией. Поскольку канал находится в N-области, этот транзистор включается отрицательным затвором для подачи напряжения истока. Это делает желательным использование понижающего преобразователя , где один из выводов переключателя подключен к стороне высокого входного напряжения: с N-MOSFET такая конфигурация требует подачи на затвор напряжения, равного , тогда как отсутствие напряжения over требуется с P-MOSFET. ${\displaystyle V_{in}+V_{GS}}$ ${\displaystyle V_{in}}$

Основным недостатком этого типа МОП-транзистора является плохая работа в открытом состоянии, поскольку в качестве носителей заряда он использует дырки, подвижность которых гораздо ниже, чем у электронов. Поскольку удельное сопротивление напрямую связано с мобильностью, данное устройство PMOS будет иметь значение в три раза выше, чем N-MOSFET тех же размеров. ${\displaystyle R_{DSon}}$

ВМОС

Структура VMOS имеет V-образную канавку в области затвора и использовалась для первых коммерческих устройств. ^[36]

УМОС

В этой структуре силового МОП-транзистора, также называемой траншейной МОП, электрод затвора скрыт в углублении, вытравленном в кремнии. В результате получается вертикальный канал. Основной интерес структуры — отсутствие эффекта JFET. Название сооружения произошло от U-образной формы траншеи.

Технология глубокой траншеи суперперехода

Некоторые производители, в том числе Infineon Technologies со своей продукцией CoolMOS, начали использовать принцип компенсации заряда, особенно для напряжений выше 500 В. С помощью этой технологии сопротивление эпитаксиального слоя, который вносит наибольший вклад (более 95%) в сопротивление устройства высоковольтных МОП-транзисторов, может быть уменьшено более чем в 5 раз.

Стремясь повысить эффективность производства и надежность МОП-транзисторов с суперпереходом, компания Renesas Electronics разработала структуру суперперехода с использованием технологии глубокого траншеи. Эта технология предполагает травление траншей в материале N-типа с низким содержанием примесей для формирования областей P-типа. Этот процесс позволяет преодолеть проблемы, присущие многоуровневому эпитаксиальному выращиванию, и приводит к чрезвычайно низкому сопротивлению открытого состояния и снижению внутренней емкости.

Из-за увеличенной площади pn-перехода структура с суперпереходом имеет меньшее время обратного восстановления, но больший ток обратного восстановления по сравнению с обычным планарным силовым МОП-транзистором.

Смотрите также

• Биполярный транзистор с изолированным затвором
• МОП-транзистор
• Силовая электроника
• Силовой полупроводниковый прибор

Рекомендации

1. IRLZ24N, N-канальный силовой МОП-транзистор, 55 В, корпус TO-220AB; Инфинеон.
2. Ирвин, Дж. Дэвид (1997). Справочник по промышленной электронике. ЦРК Пресс . п. 218. ИСБН 9780849383434.
3. «Основы силовых МОП-транзисторов» (PDF) . Альфа и Омега полупроводники . Проверено 29 июля 2019 г.
4. Дункан, Бен (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука. Эльзевир . стр. 178–81. ISBN 9780080508047.
5. «Переосмыслите плотность мощности с помощью GaN». Электронный дизайн . 21 апреля 2017 года . Проверено 23 июля 2019 г.
6. Окснер, ES (1988). Технология и применение Фет. ЦРК Пресс . п. 18. ISBN 9780824780500.
7. «Достижения в области дискретных полупроводников идут». Технология силовой электроники . Информация : 52–6. Сентябрь 2005 г. Архивировано (PDF) из оригинала 22 марта 2006 г. Проверено 31 июля 2019 г.
8. Таруи, Ю.; Хаяши, Ю.; Сэкигава, Тосихиро (сентябрь 1969 г.). «Диффузионный самоцентрирующийся MOST; новый подход к высокоскоростным устройствам». Расширенные тезисы конференции по твердотельным устройствам 1969 года . дои : 10.7567/SSDM.1969.4-1. S2CID  184290914. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
9. Маклинток, Джорджия; Томас, RE (декабрь 1972 г.). Моделирование МОСТов с двойной диффузией с самовыравнивающимися затворами . 1972 г. Международная встреча по электронным устройствам. стр. 24–26. doi :10.1109/IEDM.1972.249241.
10. Дункан, Бен (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука. Эльзевир . стр. 177–8, 406. ISBN. 9780080508047.
11. Балига, Б. Джаянт (2005). Кремниевые высокочастотные силовые МОП-транзисторы. Всемирная научная . ISBN 9789812561213.
12. Асиф, Саад (2018). Мобильная связь 5G: концепции и технологии. ЦРК Пресс . п. 134. ИСБН 9780429881343.
13. "Премия SEMI для Северной Америки". ПОЛУ . Архивировано из оригинала 5 августа 2016 года . Проверено 5 августа 2016 г.
14. «Алекс Лидоу и Том Херман из International Rectifier введены в Зал инженерной славы». Деловой провод . 14 сентября 2004 года . Проверено 31 июля 2019 г.
15. Балига, Б. Джаянт (2015). Устройство IGBT: физика, конструкция и применение биполярного транзистора с изолированным затвором. Уильям Эндрю . стр. xxviii, 5–11. ISBN 9781455731534.
16. «MDmesh: 20 лет сверхпереходных МОП-транзисторов STPOWER, рассказ об инновациях» . СТМикроэлектроника . 11 сентября 2019 года . Проверено 2 ноября 2019 г.
17. Патент США 4754310.
18. «Рынок силовых транзисторов в 2011 году превысит 13,0 миллиардов долларов» . IC-инсайты . 21 июня 2011 года . Проверено 15 октября 2019 г.
19. Карбоне, Джеймс (сентябрь – октябрь 2018 г.). «Покупатели могут рассчитывать на сохранение 30-недельного срока поставки и более высоких цен на МОП-транзисторы» (PDF) . Поиск электроники : 18–19.
20. Уильямс, Ричард К.; Дарвиш, Мохамед Н.; Бланшар, Ричард А.; Семенец, Ральф; Раттер, Фил; Кавагути, Юсуке (23 февраля 2017 г.). «МОП-транзистор Trench Power: Часть I - История, технологии и перспективы». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 64 (3): 674–691. Бибкод : 2017ITED...64..674W. дои : 10.1109/TED.2017.2653239. S2CID  20730536.
21. "МОП-транзистор". Инфинеон Технологии . Проверено 24 декабря 2019 г.
22. «ИС драйвера ворот Infineon EiceDRIVER» (PDF) . Инфинеон . Август 2019 года . Проверено 26 декабря 2019 г.
23. "RF DMOS-транзисторы" . СТМикроэлектроника . Проверено 22 декабря 2019 г.
24. «AN1256: Замечания по применению - Мощный RF MOSFET предназначен для приложений VHF» (PDF) . СТ Микроэлектроника . Июль 2007 года . Проверено 22 декабря 2019 г.
25. Эмади, Али (2017). Справочник по автомобильной силовой электронике и моторным приводам. ЦРК Пресс . п. 117. ИСБН 9781420028157.
26. «Решения Infineon для транспорта» (PDF) . Инфинеон . Июнь 2013 . Проверено 23 декабря 2019 г.
27. «HITFET: умные, защищенные МОП-транзисторы» (PDF) . Инфинеон . Проверено 23 декабря 2019 г.
28. «CMOS-датчики позволяют использовать камеры телефонов и HD-видео» . Спинофф НАСА . НАСА . Проверено 6 ноября 2019 г.
29. Вендрик, Гарри Дж. М. (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ к ASIC. Спрингер. п. 245. ИСБН 9783319475974.
30. Корец, Яцек (2011). Низковольтные МОП-транзисторы: конструкция, характеристики и применение. Springer Science+Business Media . стр. 9–14. ISBN 978-1-4419-9320-5.
31. «Автомобильные силовые МОП-транзисторы» (PDF) . Фуджи Электрик . Проверено 10 августа 2019 г.
32. Уильямс, РК; Дарвиш, Миннесота; Бланшар, РА; Семенец, Р.; Раттер, П.; Кавагути, Ю. (2017). «МОП-транзистор Trench Power — Часть II: VDMOS для конкретных приложений, LDMOS, упаковка, надежность». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 64 (3): 692–712. Бибкод : 2017ITED...64..692W. дои : 10.1109/TED.2017.2655149. ISSN  0018-9383. S2CID  38550249.
33. Саймон М. Сзе , Современная физика полупроводниковых устройств , John Wiley and Sons, Inc., 1998 ISBN 0-471-15237-4 
34. Пьер Алоизи, Мощные МОП-транзисторы в электронных прерывателях мощности, типа EGEM , под руководством Робера Перре, Лавуазье, Париж, 2003 г. [на французском языке] ISBN 2-7462-0671-4 
35. Мюррей, Энтони Ф.Дж.; Макдональд, Тим; Дэвис, Гарольд; Цао, Джо; Весна, Кайл. «Чрезвычайно надежная технология MOSFET со сверхнизким RDS(on), предназначенная для широкого спектра условий EAR» (PDF) . Международный выпрямитель . Проверено 26 апреля 2022 г.
36. Дункан А. Грант, Джон Говар СИЛОВЫЕ МОП-транзисторы: теория и приложения John Wiley and Sons, Inc ISBN 0-471-82867-X , 1989 

дальнейшее чтение

• Балига, Б. Джаянт (1996). Силовые полупроводниковые приборы . Издательство ПВС. ISBN 9780534940980.