Силовой МОП-транзистор

Силовой МОП-транзистор

Два силовых МОП-транзистора в поверхностного монтажа корпусе для D2PAK . Каждый из этих компонентов может выдерживать блокирующее напряжение 120 В и постоянный ток 30 ампер при соответствующем теплоотводе.
Working principleПринцип работы	Полупроводник

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

— 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.

Силовой МОП-транзистор является наиболее распространенным силовым полупроводниковым устройством в мире из-за его низкой мощности управления затвором, быстрой скорости переключения, простая расширенная возможность параллельного распараллеливания, широкая полоса пропускания, надежность, легкий привод, простое смещение, простота применения и ремонт. 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

См. также: MOSFET , VMOS , LDMOS и биполярный транзистор с изолированным затвором.

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.

В 1969 году Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП-транзистор. который позже будет известен как VMOS (MOSFET с V-образной канавкой). В том же году о DMOS (MOSFET с двойной диффузией) с самовыравнивающимся затвором впервые сообщили Ю. Таруи, Ю. Хаяши и Тошихиро Сэкигава из Электротехнической лаборатории (ETL). 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. Siliconix коммерчески представила VMOS в 1975 году.

VMOS и DMOS превратились в то, что стало известно как VDMOS (вертикальная DMOS). Джона Молла Исследовательская группа в HP Labs изготовила прототипы DMOS в 1977 году и продемонстрировала преимущества перед VMOS, включая более низкое сопротивление в открытом состоянии и более высокое напряжение пробоя. 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 . С появлением 2G цифровой мобильной сети в 1995 году LDMOS стал наиболее широко используемым радиочастотным усилителем мощности в мобильных сетях, таких как 2G, 3G и т. д . и 4G .

Алекс Лидоу был соавтором HexFET, силового МОП-транзистора шестиугольного типа, в Стэнфордском университете в 1977 году. вместе с Томом Германом. HexFET был коммерциализирован компанией International Rectifier в 1978 году. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), который сочетает в себе элементы как силового MOSFET, так и биполярного транзистора (BJT), был разработан Джаянтом Балигой из General Electric в период с 1977 по 1979 год.

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 Сиротой и Сигео Канэдой из Университета Осаки в 1978 году. Дэвид Дж. Коу из Philips изобрел сверхпереходный МОП-транзистор с чередующимися слоями p-типа и n-типа, подав в 1984 году патент США, который был выдан в 1988 году.

Приложения

Основная статья: Список приложений MOSFET § Power MOSFET

См. также: § Приложения LDMOS , MOSFET , Биполярный транзистор с изолированным затвором и RF CMOS § Приложения.

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

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

Силовые МОП-транзисторы обычно используются в широком спектре бытовой электроники .

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.

Силовые МОП-транзисторы широко используются в транспортных технологиях. которые включают в себя широкий спектр транспортных средств .

В автомобильной промышленности , Силовые МОП-транзисторы широко используются в автомобильной электронике .

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) и что 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: лунки P (см. рисунок 1) получаются в результате процесса диффузии (фактически процесса двойной диффузии для получения P и N). ⁺ регионы, отсюда и название «двойное распространение»).

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 высококачественных усилителях мощности звука , и усилители мощности RF в беспроводных сотовых сетях , таких как 2G , 3G , и 4G . 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 полевой 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 клеммой источника корпуса и каналом МОП-транзистора: сопротивление проводных связей , металлизации источника и N ⁺ колодцы;
• 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, внизу Н ⁺ слой на самом деле самый толстый) и соединений пакета.

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 P ⁺ диффузия, N ⁻ эпитаксиальный слой и N ⁺ субстрат). Когда эта сильно несимметричная структура смещена в обратном направлении, область пространственного заряда простирается преимущественно на легколегированной стороне т.е. , ⁻ слой. 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, это N ⁻ слой не имеет функции. Более 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 ⁻ эпитаксиальный слой. 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. Это демонстрирует график на рисунке 3.

Корпус диода

На рисунке 1 видно, что металлизация источника соединяет как N ⁺ и П ⁺ имплантации, хотя принцип работы MOSFET требует только подключения источника к N ⁺ зона. 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 имплантации 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 корпусной диод 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).

Дополнительная информация: Драйвер затвора MOSFET.

Емкости

MOSFET В таблицах данных емкости часто обозначаются C _iss (входная емкость, закороченные выводы 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:

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

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). Как Н ⁺ и P-области 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:

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

Ширина области пространственного заряда определяется выражением

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

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

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

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

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

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, C _DS – 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 таблицах данных 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 _Dson .

Чтобы решить эту проблему, драйвера затвора часто используется схема .

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 способно справиться. Таким образом, устройство не может работать одновременно при максимальном токе и максимальном напряжении.

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.

Технология

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 событий лавинного пробоя, при которых 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.

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-образным транзистором. ⁻ эпитаксия. Поскольку канал находится в N-области, этот транзистор открывается отрицательным затвором, подавая напряжение 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 $V_{in}+V_{GS}$, тогда как напряжение не превышает $V_{in}$ требуется с P-MOSFET.

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

ВМОС

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

УМОС

В этой структуре силового МОП-транзистора, также называемой траншейной МОП, электрод затвора скрыт в канавке, вытравленной 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

особенно для напряжений выше 500 В. Некоторые производители, включая Infineon Technologies с ее продуктами CoolMOS, начали использовать принцип компенсации заряда, 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 полевых 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 уменьшению 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.

См. также

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

Дальнейшее чтение

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