Dmos fet что это

Mosfet транзисторы принцип работы

Что такое МОП-транзистор, принцип работы, типы, на схеме, преимущества недостатки

МОП-транзистор (полевой транзистор на основе оксидов металлов и полупроводников) является наиболее широко используемым типом полевых транзисторов с изолированным затвором. Они используются в различных приложениях благодаря простым рабочим явлениям и преимуществам по сравнению с другими полевыми транзисторами.

Что такое МОП-транзистор

Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (Металлооксидные полевые транзисторы) сокращается как МОП-транзистор. Это униполярный транзистор, используемый в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов. Устройство имеет три терминала, состоящих из истока, затвора и стока. Помимо этих клемм имеется подложка, обычно называемая корпусом, которая всегда подключается к клемме источника для практических применений.

В последние годы его открытие привело к доминирующему использованию этих устройств в цифровых интегральных схемах из-за его структуры. Слой диоксида кремния (SiO2) действует как изолятор и обеспечивает электрическую изоляцию между затвором и активным каналом между истоком и стоком, что обеспечивает высокий входной импеданс, который почти бесконечен, таким образом захватывая весь входной сигнал.

Принцип работы МОП-транзистора (MOSFET)

Он изготовлен путем окисления кремниевых подложек. Он работает путем изменения ширины канала, через который происходит движение носителей заряда (электронов для N-канала и дырок для P-канала) от источника к стоку. Терминал затвора изолирован, напряжение которого регулирует проводимость устройства.

Типы МОП-транзистора (MOSFET)

На основе режима эксплуатации МОП-транзисторы можно разделить на два типа.

Режим насыщения

В этом режиме отсутствует проводимость при нулевом напряжении, что означает, что оно по умолчанию закрыто или «ВЫКЛ», так как канал отсутствует. Когда напряжение затвора увеличивается больше, чем напряжение источника, носители заряда (дырки) смещаются, оставляя позади электроны, и, таким образом, устанавливается более широкий канал.

Напряжение на затворе прямо пропорционально току, то есть с увеличением напряжения на затворе ток увеличивается и наоборот.

Классификация режима насыщения МОП- транзисторов

Усовершенствованные МОП-транзисторы можно классифицировать на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).

N-канальный тип насыщения MOSFET

P-канальный тип насыщения MOSFET

Режим истощения

В этом типе канал уже установлен, и очевидно, что проводимость происходит даже при нулевом напряжении, и он открыт или включен по умолчанию. В отличие от типа насыщения, здесь канал лишен носителей заряда, чтобы уменьшить ширину канала.

Напряжение на затворе обратно пропорционально току, т. Е. С увеличением напряжения на затворе ток уменьшается.

Классификация режима истощения МОП-транзисторов

Истощающие МОП-транзисторы могут быть классифицированы на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).

Тип истощения канала N МОП-транзистор

Тип канала истощения канала MOSFET

Символ на схеме разных типов МОП-транзистора (MOSFET)

Символы различных типов МОП-транзисторов изображены ниже.

Применение МОП-транзистора

Преимущества МОП-транзистора

Базовая структура MOSFET транзистора

Конструкция MOSFET (что это, рассказано в статье подробно) очень отличается от полевых. Оба типа транзисторов используют электрическое поле, создаваемое напряжением на затворе. Чтобы изменить поток носителей заряда, электронов для п-канала или отверстия для р-канала, через полупроводящий канал сток-исток. Электрод затвора помещен на вершине очень тонким изолирующим слоем, и есть пара небольших областей п-типа только под сток и исток электродов.

При помощи изолированного устройства затвора для МОП-транзистора никаких ограничений не применяется. Поэтому можно соединять с затвором полевого МОП-транзистора источник сигнала в любой полярности (положительный или отрицательной). Стоит отметить, что чаще встречаются импортные транзисторы, нежели их отечественные аналоги.

Это делает MOSFET устройства особенно ценными в качестве электронных переключателей или логических приборов, потому что без воздействия извне они, как правило, не проводят ток. И причина этому высокое входное сопротивление затвора. Следовательно, очень маленький или несущественный контроль необходим для МОП-транзисторов. Ведь они представляют собой устройства, управляемые извне напряжением.

Режим истощения МОП-транзистора

Режим истощения встречается значительно реже, нежели режимы усиления без приложения напряжения смещения к затвору. То есть, канал проводит при нулевом напряжении на затворе, следовательно, прибор «нормально закрыт». На схемах используется сплошная линия для обозначения нормально замкнутого проводящего канала.

Для п-канального МОП-транзистора истощения, отрицательное напряжение затвор-исток отрицательное, будет истощать (отсюда название) проводящий канал своих свободных электронов транзистора. Аналогично для р-канального МОП-транзистора обеднение положительного напряжения затвор-исток, будет истощать канал своих свободных дырок, переведя устройство в непроводящее состояние. А вот прозвонка транзистора не зависит от того, какой режим работы.

Другими словами, для режима истощения п-канального МОП-транзистора:

Обратные утверждения также верны и для транзисторов р-канала. Тогда режим истощения МОП-транзистора эквивалентно «нормально разомкнутому» переключателю.

N-канальный МОП-транзистор в режиме истощения

Режим истощения МОП-транзистора построен таким же образом, как и у полевых транзисторов. Причем канал сток-исток – это проводящий слой с электронами и дырками, который присутствует в п-типа или р-типа каналах. Такое легирование канала создает проводящий путь низкого сопротивления между стоком и источника с нулевым напряжением. Используя тестер транзисторов, можно провести замеры токов и напряжений на его выходе и входе.

Режим усиления МОП-транзистора

Более распространенным у транзисторов MOSFET является режим усиления, он обратный для режима истощения. Здесь проводящий канал слаболегированный или даже нелегированный, что делает его непроводящим. Это приводит к тому, что устройство в режиме покоя не проводит ток (когда напряжение смещения затвора равно нулю). На схемах для обозначения МОП-транзисторов такого типа используют ломаную линию, чтобы обозначить нормально открытый токоизолирующий канал.

Для повышения N-канального МОП-транзистора ток стока будет течь только тогда, когда напряжение на затворе прикладывается к затвору больше, чем пороговое напряжение. При подаче положительного напряжения на затвор к п-типа MOSFET (что это, режимы работы, схемы включения, описаны в статье) привлекает большее количество электронов в направлении оксидного слоя вокруг затвора, тем самым увеличивая усиление (отсюда название) толщины канала, позволяя свободнее протекать току.

Особенности режима усиления

Увеличение положительного напряжения затвора вызовет появление сопротивления в канале. Это не покажет тестер транзисторов, он может только проверить целостность переходов. Чтобы уменьшить дальнейший рост, нужно увеличить тока стока. Другими словами, для режима усиления п-канального МОП-транзистора:

Обратные утверждения справедливы для режимов усиления р-канальных МОП-транзисторов. При нулевом напряжении устройство в режиме «Выкл» и канал открыт. Применение напряжения отрицательного значения к затвору р-типа у MOSFET увеличивает проводимость каналов, переводя его режим «Вкл». Проверить можно, используя тестер (цифровой или стрелочный). Тогда для режима усиления р-канального МОП-транзистора:

Режим усиления N-канального МОП-транзистора

В режиме усиления МОП-транзисторы имеют низкое входное сопротивление в проводящем режиме и чрезвычайно высокое в непроводящем. Также их бесконечно высокое входное сопротивление из-за их изолированного затвора. Режима усиления транзисторов используется в интегральных схемах для получения типа КМОП логических вентилей и коммутации силовых цепей в форме, как PMOS (P-канал) и NMOS (N-канал) входов. CMOS – это комплементарный МОП в том смысле, что это логическое устройство имеет как PMOS, так и NMOS в своей конструкции.

Транзистор полевой

В современной цифровой электронике, транзисторы работают, как правило — в ключевом (импульсном) режиме: открыт-закрыт. Для таких режимов оптимально подходят – полевые транзисторы. Название «полевой» происходит от «электрическое поле». Это значит, что они управляются полем, которое образует напряжение, приложенное к управляющему электроду. Другое их название – униполярный транзистор. Так подчеркивается, что используются только одного типа носители заряда (электроны или дырки), в отличии от классического биполярного транзистора. «Полевики» по типу проводимости канала и типу носителей бывают двух видов: n-канальный – носители электроны и p-канальный – носители дырки. Транзистор имеет три вывода: исток, сток, затвор.

исток (source) — электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, источник носителей. В традиционной схеме включения, цепь истока n-канального транзистора подключается к минусу питания, p-канального — к плюсу питания.

сток (drain) — электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда. В традиционной схеме включения, цепь стока n-канального транзистора подключается к плюсу питания, p-канального — к минусу питания.

затвор (gate) — управляющий электрод, регулирует поперечное сечения канала и соответственно ток протекающий через канал. Управление происходит напряжением между затвором и истоком – Vgs.

Полевые транзисторы бывают двух основных видов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. С изолированным затвором делятся на: с встроенным и индуцированным каналом. На рис.1 изображены типы полевых транзисторов и их обозначения на схемах.

Рис.1. Типы полевых транзисторов и их схематическое обозначение.

«Полевик» с изолированным затвором и индуцированным каналом

Нас интересуют транзисторы Q5 и Q6. Именно они используются в цифровой и силовой электронике. Это полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Их называют МОП (метал-оксид-полупроводник) или МДП (метал-диэлектрик-полупроводник) транзисторами. Английское название MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Таким названием подчеркивается, что затвор отделен слоем диэлектрика от проводящего канала. Жаргонные названия: «полевик», «мосфет», «ключ».

Индуцированный канал — означает, что проводимость в нем появляется, канал индуцируется носителями (открывается транзистор) только при подаче напряжения на затвор. В отличии от транзисторов Q3 и Q4 которые тоже МОП транзисторы, но со встроеным каналом, канал всегда открыт, даже при нулевом напряжении на затворе. Схематически, разница между этими двумя типами транзисторов на схемах обозначается сплошной (встроенный) или пунктирной (индуцированный) линией канала. Другое название индуцированного канала – обогащенный, встроенного – обеднённый.

Обратный диод

Технология изготовления МОП транзисторов такова, что образуются некоторые паразитные элементы, в частности биполярный транзистор, включенный параллельно силовым выводам. См. рис.2. Он оказывает негативное влияние на характеристики транзистора, поэтому технологической перемычкой замыкают вывод истока с подложкой (замыкают переход: база-эмиттер, паразитного транзистора), а оставшийся переход: коллектор-база, образует диод, включенный параллельно стоку-истоку, в направлении обратном протеканию тока (в классической схеме включения). Параметры этого диода производители уже могут контролировать, поэтому он не оказывает существенного влияния на работу транзистора. И даже наоборот, его наличие специально используется в некоторых схематических решениях.

Именно этот диод (стабилитрон) обозначается на схематическом изображении МОП транзистора, а технологическая перемычка показана стрелкой соединенной с истоком. Существуют и транзисторы без технологической перемычки, на их условном обозначения нет стрелкой.

В зависимости от модели транзистора, диод может быть, как и штатный – паразитный, низкочастотный, так и специально добавленный, с заданными характеристиками (высокочастотный или стабилитрон). Это указывается в документации к транзистору.

Рис.2. Паразитные элементы в составе полевого транзистора.

Основные преимущества MOSFET

Основные характеристики MOSFET

Что еще нужно знать про полевой транзистор?

P-канальные транзисторы имеют хуже характеристики чем N-канальные. Меньше рабочая частота, больше сопротивление, больше площадь кристалла. Они реже используются и выпускаются в меньшем ассортименте.

МОП транзистор имеет хоть и не большое, но активное сопротивление в открытом состоянии Rds. Это сопротивление уменьшается с ростом отпирающего напряжения и становится минимальным при определенном напряжении затвор-исток, 4.5В или 10В. По сути – это резистор, сопротивление которого управляется напряжением Vgs.

Vgs – управляющее напряжение, Vg-Vs. Если измерять относительно общего минуса, то: для n канального Vgs>0, для p канального Vgs Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Источник

MOSFET транзисторы

Полевой транзистор с изолированным затвором

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.

Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.

Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO₂). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом ( +) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO₂). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET” или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.

Источник

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить.

Кратко о MOSFET

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером.

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы.

МОП-транзистор:

IGBT модуль:

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

Форум по обсуждению материала MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Обсудим действующие стандарты радиосвязи, узнаем чем они отличаются, и когда использовать какие из них.

Изучим разные типы датчиков приближения и объекты, которые они могут обнаруживать.

Информация по самостоятельному ремонту и прошивке транзистор-тестера LCR-T4(T3) NoStripGrid.

Источник

IGBT и MOSFET: основные концепции и пути развития. Часть 2. MOSFET

Для практических задач чисто омическая выходная характеристика MOSFET намного предпочтительнее «биполярной» характеристики, имеющей пороговый уровень напряжения. Важным преимуществом униполярной полевой структуры перед биполярной является отсутствие эффекта накопления заряда, поскольку основные носители в них отвечают исключительно за перенос заряда, что позволяет обеспечить предельно малое время коммутации.

На практике свойства силовых MOSFET-модулей очень сильно зависят от паразитных элементов, неизбежно присутствующих в кристаллах и соединительных цепях. Для анализа данных факторов необходимо рассмотреть эквивалентную схему MOSFET, представленную на рис. 10.

Рис. 10. Структура ячейки MOSFET:
а) паразитные элементы;
б) эквивалентная схема

Описание и физический смысл паразитных элементов структуры MOSFET даны в таблице 1.

Таблица 1. Паразитные элементы структуры MOSFET

Обозначение

Наименование

Физический смысл

Образована перекрывающей металлизацией областей затвора и истока; зависит от напряжения «затвор–исток»; не зависит от напряжения «сток–исток».

Внутреннее сопротивление затвора

Сопротивление поликристаллического кремния; как правило, необходима установка индивидуальных резисторов каждому параллельному кристаллу для выравнивания токов.

Боковое сопротивление р-кармана

Сопротивление «база–эмиттер» паразитного биполярного n-p-n-транзистора.

Статические характеристики

На рис. 11 показаны выходные характеристики MOSFET, имеющего внутренний инверсный диод, и переходная характеристика диода.

Рис. 11.
а) Выходные характеристики n-канального MOSFET;
б) переходная характеристика >

Гарантировать абсолютно симметричное распределение токов параллельных чипов, входящих в состав силового ключа, невозможно, поэтому норма Е_А, определяемая для одного кристалла, относится ко всему модулю.

Включенное состояние (1 квадрант)

Состояние прямой проводимости при приложении положительного напряжения V_DS и положительном направлении тока стока ID определяет две области характеристической кривой: активную и омическую.

Активная зона характеристики

При большом превышении напряжением «затвор–исток» порогового уровня V_GE(th), относительно высокая доля этого сигнала окажется приложенной к каналу вследствие токового насыщения (горизонтальный участок выходной характеристики). Ток стока I_D управляется напряжением V_GS. Параметром переходной кривой (рис. 11б) является прямая проводимость g_fs, определяемая как

Прямая проводимость растет пропорционально I_D и V_DS и падает с увеличением температуры кристалла. В режиме коммутации модулей, содержащих несколько параллельных чипов, работа в активной области наблюдается только при включении и выключении. Стационарная работа в этой зоне недопустима, поскольку пороговое напряжение V_GS(th)снижается с ростом температуры, т. е. даже небольшая разница характеристик кристаллов может привести к «тепловому убеганию».

Омическая зона характеристики

Данная область (наклонные участки выходной характеристики) соответствует включенному состоянию, при котором величина тока I_D определяется только внешними цепями нагрузки. Поведение ключа при этом характеризуется сопротивлением открытого канала R_DS(on), определяемым по отношению приращений напряжения V_DS и тока стока I_D. Величина R_DS(on) зависит от сигнала управления V_GS и температуры кристалла. В диапазоне рабочих температур MOSFET сопротивление открытого канала почти удваивается при нагреве от +25 до +125 °С.

Инверсный режим (3 квадрант)

В инверсном режиме MOSFET приобретает диодную характеристику при напряжении отсечки V_GS(th) (рис. 11). Такое поведение обусловлено наличием паразитного диода в структуре, прямое падение напряжения образуется на переходе «коллектор–(исток)–база–(сток)–p-n-переход». Биполярный ток, проходящий через диод, определяет поведение MOSFET в инверсном режиме работы, когда канал закрыт (рис. 12а).

Рис. 12. Инверсный режим MOSFET [12]:
а) закрытый канал (биполярный ток);
б) открытый канал и низкое отрицательное напряжение V_DS (униполярный ток);
в) открытый канал и высокое отрицательное напряжение V_DS (комбинированный характер тока)

Динамические характеристики

Динамические свойства (скорость переключения, потери) модулей MOSFET зависят от особенностей их структуры, величины паразитных емкостей переходов и сопротивления выводов. В отличие от «идеального» ключа, контролируемого по изолированному затвору без потерь мощности, на управление реального MOSFET расходуется энергия, необходимая для перезаряда входных емкостей. Очевидно, что мощность управления зависит от величины этих емкостей и частоты коммутации.

Кроме того, на процесс переключения оказывают влияние паразитные индуктивности силовых соединений внутри транзистора и внешних цепей коммутации. Их наличие приводит к образованию выбросов напряжения при выключении, а также осцилляций на паразитных контурах.

Поведение MOSFET-ключей в импульсном режиме работы может быть проанализировано с помощью эквивалентной схемы:

Входная емкость

Обратная емкость (Миллера)

Выходная емкость

Значения малосигнальных емкостей MOSFET не имеют особого практического значения, поскольку они очень сильно зависят от рабочего напряжения (это было подробно описано ранее). Поведение MOSFET в режиме «жесткой» коммутации активно-индуктивной нагрузки с непрерывным током (когда постоянная времени нагрузки L/R намного больше периода рабочей частоты) описано ниже. Основные эпюры токов и напряжений по аналогии с процессами, рассмотренными ранее для IGBT, показаны на рис. 13.

Кроме «неидеальности» параметров транзисторов и диодов, на потери переключения и положение рабочей точки заметное влияние оказывают пассивные распределенные элементы цепи коммутации.

Включение

Как показано на рис. 13, напряжение «сток–исток» силового MOSFET падает до уровня насыщения примерно за 10 нс, его величина определяется по формуле V_DC(on) = I_D × R_DS(on).

На интервале времени 0–t₁ транзистор остается заблокированным. Ток затвора I_G начинает протекать при появлении сигнала управления, он заряжает емкость C_GS до тех пор, пока заряд на ней не достигнет уровня Q_G1. Напряжение V_GSлинейно нарастает с постоянной времени, определяемой C_GS и резистором затвора R_G. Поскольку уровень сигнала управления все еще находится ниже порога V_GS(th), канал MOSFET остается закрытым.

На интервале времени t₁–t₂ ток стока I_D начинает нарастать при достижении напряжением на затворе уровня V_GS(th)(момент t₁). Величина I_D связана с сигналом управления через крутизну g_fs (I_D = g_fs × V_GS), и напряжение на затворе увеличивается до значения V_GS1 = I_D/g_fs (t₂). Поскольку оппозитный диод может заблокировать протекание тока только в момент времени t₂, напряжение V_DS до этого снижается несущественно. При t = t₂ заряд затвора достигает значения Q_G2.

В выключенном состоянии распределение поля является практически прямоугольным, блокирующая способность при этом определяется толщиной n-зоны. Легирование дрейфовой области может быть увеличено только до уровня, который компенсируется аналогичным количеством примесей в р-«столбе». Это позволяет переопределить степень взаимной зависимости величины запирающего напряжения и плотности легирования [3].

Рис. 16. Сравнение стандартного и Superjunction MOSFET

Рис. 17. Структура OptiMOS

Рис. 18. Распределение поля в обычном p-n-переходе и p-n-переходе с «полевыми пластинами»

Наиболее перспективным направлением совершенствования силовых ключей является использование технологии карбида кремния (SiC), серийно внедряемой в производство ведущими производителями элементной базы. Широкому применению SiC-ключей на сегодня препятствует ограниченная нагрузочная способность и высокая цена. Основным путем расширения токового диапазона является увеличение размера чипа, однако это не лучший способ в отношении SiC-структур, поскольку он ведет к росту процента дефектных кристаллов и дальнейшему повышению стоимости готовых изделий.

Полная реализация возможностей SiC-технологии позволяет увеличить номинальный ток за счет ликвидации антипараллельных диодов (Schottky Barrier Diode, SBD) и использования обратной проводимости MOSFET, а также параллельного включения кристаллов без нарушения токового баланса.

Напряжение смещения у SiC PN-диодов относительно большое, поскольку карбид кремния является широкозонным материалом, и это создает высокие потери проводимости. Однако сравнительно высокое прямое напряжение внутреннего диода может быть снижено за счет использования эффекта обратной проводимости MOS-канала.

По-прежнему серьезным вопросом остается «биполярная деградация» SiC-структур. Проблемой SiC PN-диодов является расширение дефектной области после работы в режиме прямой проводимости, что приводит к росту сопротивления открытого канала и увеличению тока утечки. Компании ROHM удалось подавить этот эффект и подтвердить отсутствие каких-либо изменений в характеристиках тельного диода в течение 1000 ч, что было отмечено в материалах PCIM 2012.

Внутренние диоды SiC MOSFET имеют примерно такое же время обратного восстановления, как и SBD, а энергия динамических потерь у них меньше, чем у Si-MOSFET и кремниевых быстрых диодов (Si-FRD). Ток восстановления тельных диодов несколько увеличивается при температуре +125 °С, в то время как у SBD он остается примерно таким же, как и в нормальных условиях, однако энергия обратного восстановления у них намного меньше, чем у Si-FRD. Все сказанное позволяет создавать карбидокремниевые силовые модули без применения отдельных антипараллельных/оппозитных диодов.

При параллельном соединении полевых транзисторов с отрицательным температурным коэффициентом прямого сопротивления наибольший ток будет проходить через ключ с самым низким значением R_on, что в худшем случае приведет к его тепловому пробою. Однако в случае SiC MOSFET риск оказывается намного ниже, так как карбидокремниевые структуры имеют положительный температурный коэффициент (при напряжении включения Vgs = 18 В). Благодаря этому выравнивание токов параллельных SiC-ключей в статическом режиме происходит автоматически.

Тем не менее существует проблема небаланса токов затворов при включении. У кремниевых IGBT, имеющих низкое внутреннее сопротивление затвора, заметное влияние на распределение токов оказывает разница паразитных индуктивностей цепей управления. В худшем случае это может привести к разрушению кремниевых структур вследствие пусковых перегрузок и вызванных ими паразитных осцилляций.

В отличие от Si IGBT, карбидокремниевые транзисторы имеют относительно высокое внутреннее сопротивление затвора (несколько Ом). Благодаря этому приемлемое распределение токов управления параллельных чипов обеспечивается без применения дополнительных резисторов Rg. Данные свойства чипов SiC MOSFET делают их соединение очень простым без потери баланса токов стока и затвора, что позволяет исключить опасность возникновения теплового пробоя или паразитных резонансных колебаний.

Замена диодов Шоттки на внутренние диоды MOSFET позволяет увеличить номинальный ток модуля примерно на 50%. Компанией ROHM выпускается 100%-ный SiC MOSFET с номинальным током 180 А, напряжение насыщения при этом составляет 2,3 В (R_on = 12,8 мОм). Благодаря отсутствию «хвостового» тока и быстрым характеристикам восстановления SiC-структур, общее значение коммутационных потерь уменьшено на 75% по сравнению с аналогичным IGBT. Использование эффекта проводимости тельных диодов не снижает надежности работы модуля, испытания SiC MOSFET подтвердили отсутствие «биполярной деградации».

Заключение

Технологии изготовления SPT и Trench IGBT являются на сегодня наиболее отработанными, их преимущества перед стандартными ключами очевидны. Применение Trench-FS позволяет получить сверхнизкие потери проводимости, а SPT обеспечивают хороший компромисс характеристик проводимости и переключения. Оба типа модулей IGBT характеризуются высокой стойкостью к короткому замыканию и обладают эффектом самоограничения тока коллектора на уровне, не превышающем шестикратного номинального значения. В результате этого существенно снижается уровень перенапряжений при мгновенном срабатывании защиты от КЗ.

Повсеместное принятие экологических директив, в частности отказ от применения свинца, требуют кардинального изменения многих технологических процессов. Особенно это касается тонкопленочных технологий, где требуется разработка новых материалов металлизации. Именно растущие экологические требования привели к появлению так называемых «граничных» технологий IGBT, в частности субмикронной планарной (submicron-rule planar gate IGBT), которая, возможно, станет одной из базовых технологий будущего.

Одним из наиболее перспективных материалов для производства силовых ключей низкого и среднего диапазона мощности на сегодня представляется карбид кремния. Его применение позволяет резко снизить уровень динамических потерь, расширить температурный диапазон и отказаться от использования отдельных антипараллельных диодов.

Источник

• Популярная книга Круть доступна для чтения прямо сейчас на нашем сайте boochi.ru. Скачать книгу в формате FB2, TXT, PDF, EPUB бесплатно без регистрации. →