Кіріспе

Қуатты MOSFET – маңызды қуат деңгейлерін басқаруға арналған металл-оксидті жартылай өткізгіш өрістік эффектті транзистордың (MOSFET) нақты түрі. Оқшауланған қақпалы биполярлы транзистор (IGBT) немесе тиристор сияқты басқа қуатты жартылай өткізгіш құрылғылармен салыстырғанда, оның басты артықшылықтары – төмен кернеуде жоғары жылдамдықпен қосу-ажырату және жақсы тиімділік. Ол IGBT-мен оқшауланған қақпаны бөліседі, бұл оны басқаруды жеңілдетеді. Олардың күшейту коэффициенті төмен болуы мүмкін, кейде басқарылатын кернеуден қақпа кернеуі жоғары болуы керек. Қуатты MOSFET-терді жасау 1960 жылдардан бері интегралды схемаларды өндіруде қолданылатын MOSFET және CMOS технологиясының дамуымен мүмкін болды. Қуатты MOSFET жұмыс принципін төмен қуатты MOSFET-пен бөліседі. Қуат электроникасында кеңінен қолданылатын қуатты MOSFET стандартты MOSFET-тен бейімделген және 1970 жылдары коммерциялық түрде енгізілген. Power MOSFET – әлемдегі ең көп таралған қуатты жартылай өткізгіш құрылғысы, себебі оның қақпанына аз қуат қажет, жылдам қосу-ажырату жылдамдығы, оңай параллель қосылу мүмкіндігі, кең жолақтылығы, сенімділігі, басқарудың қарапайымдығы, оңай реттелуі, қолдану және жөндеу оңай. 1969 жылы Hitachi компаниясы алғашқы тік қуатты MOSFET-ті ұсынды, ол кейін VMOS (V-ойыс MOSFET) деп аталды. Сол жылы Электротехникалық зертхананың (ETL) Y. Tarui, Y. Hayashi және Toshihiro Sekigawa өзін-өзі реттейтін қақпасы бар DMOS (қос диффузиялық MOSFET) туралы алғаш хабарлады. 1974 жылы Тохоку университетінің профессоры Junichi Nishizawa аудио үшін қуатты MOSFET ойлап тапты, оны Yamaha Corporation жақын арада жоғары сапалы аудио күшейткіштері үшін өндірді. JVC, Pioneer Corporation, Sony және Toshiba компаниялары да 1974 жылы қуатты MOSFET-терді қолданатын күшейткіштерді шығара бастады. Siliconix 1975 жылы VMOS және 4G-ні коммерциялық түрде енгізді. Алекс Лидоу 1977 жылы Стэнфорд университетінде Том Германмен бірлесіп Power MOSFET-тің алтыбұрышты түрін – HexFET ойлап тапты. HexFET 1978 жылы International Rectifier компаниясымен коммерцияландырылды. Супержиекті MOSFET – қуатты MOSFET-тің бір түрі, ол N-эпитаксиалды қабатына енетін P+ бағаналарын пайдаланады. P және N қабаттарын үйіп қою идеясын алғаш рет 1978 жылы Осака университетінде Шозо Широта мен Шигео Канеда ұсынды. Philips компаниясының ғылымы Дэвид Коэ 1984 жылы p және n типті қабаттармен ауыспалы супержиекті MOSFET-тің патентын тіркеді, ол 1988 жылы мақұлданды.

Қолданбалар

Қуаттылық MOSFET әлемде ең көп қолданылатын қуатты жартылай өткізгіш құрылғысы болып табылады. 2018 жылғы мәліметтер бойынша, жыл сайын 50 миллиардтан астам қуатты MOSFET жеткізіледі. Олардың ішінде 2017 жылдың ақпан айына дейін 100 миллиардтан астам сатылған траншеялық қуатты MOSFET және 2019 жылға дейін 5 миллиард дана сатылған STMicroelectronics MDmesh (супержанкциялық MOSFET) бар. RF DMOS, сондай-ақ RF қуатты MOSFET деп те аталады, радиожиілік (RF) қолданбалары үшін арналған DMOS қуатты транзистордың түрі. Ол түрлі радио және RF қолданбаларында қолданылады. Қуатты MOSFET-тер көлік технологиясында кеңінен қолданылады, оның ішінде көлік құралдарының кең спектрі бар. Автомобиль өнеркәсібінде қуатты MOSFET-тер автомобиль электроникасында кеңінен қолданылады. мұндағы ε – кремнийдің диэлектрлік тұрақтысы, q – электрон заряды, ал N – допинг деңгейі. CGDj мәнін жазық конденсатор формуласы арқылы жуықтауға болады: мұнда AGD – қақпа-ағын жабынының беттік ауданы. Сондықтан: Көрініп тұрғанындай, CGDj (және де CGD) – кернеуге тәуелді сыйымдылық. Бұл кернеудің артуымен сыйымдылық кемиді. MOSFET іске қосылған кезде CGDj қысқартылады, сондықтан қақпа-ағын сыйымдылығы CoxD-ге тең болып қалады, бұл тұрақты шама.

Таратуды көз сыйымдылығына дейін

Түп металдандыру P ұңғымаларын жабады (1-суретті қараңыз), сондықтан дренаж және түбіртек терминалдары P-N торабымен бөлінеді. Осылайша, CDS – бұл тораптың сыйымдылығы. Бұл сызықты емес сыйымдылық, және оның шамасы CGDj үшін қолданылатын теңдеу арқылы есептелуі мүмкін.

Қаптаманың индуктивтілігі

Жұмыс істеу үшін MOSFET сыртқы схемамен, көбінесе сымдарды біріктіру арқылы (балама әдістер зерттеліп жатқанмен) қосылуы керек. Бұл қосылыстар MOSFET технологиясына тән емес, бірақ жоғары коммутация жылдамдықтарына байланысты маңызды әсер ететін паразиттік индуктивтілікті көрсетеді. Паразиттік индуктивтілік токты тұрақты деңгейде ұстауға бейім және транзистор өшірілген кезде кернеудің артуына (overvoltage) әкеледі, нәтижесінде коммутациялық шығындар өседі. Паразиттік индуктивтілік MOSFET-тің әрбір терминалымен байланысты болуы мүмкін. Олардың әсерлері әртүрлі: қақпа (gate) индуктивтілігінің әсері шамалы (егер ол бірнеше жүз наногенриден төмен болса), себебі қақпадағы ток градиенттері салыстырмалы түрде баяу. Дегенмен, кейбір жағдайларда қақпа индуктивтілігі мен транзистордың кіріс сыйымдылығы осциллятор құрауы мүмкін. Бұған жол бермеу керек, өйткені бұл өте жоғары коммутациялық шығындарға (құрылғының бұзылуына дейін) әкеледі. Типик дизайн бойынша, паразиттік индуктивтілік осы құбылыстың алдын алу үшін жеткілікті деңгейде төмен ұсталады; дренаж (drain) индуктивтілігі MOSFET қосылғанда дренаж кернеуін төмендетуге бейім, сондықтан ол қосылу шығындарын азайтады. Бірақ, ол өшірілгенде кернеудің артуын тудыратындықтан, өшіру шығындарын арттырады; көз (source) паразиттік индуктивтілігі дренаж индуктивтілігімен ұқсас мінез-құлық танытады, сонымен қатар коммутация уақытын ұзартатын кері байланыс әсеріне ие, осылайша коммутациялық шығындарды арттырады. Жылдам қосылудың басында, көз индуктивтілігіне байланысты, көздегі кернеу (кристалда) қақпа кернеуімен бірге өсуі мүмкін; ішкі VGS кернеуі ұзақ уақыт бойы төмен қалады, демек қосылу кешігеді. Жылдам өшірудің басында, көз индуктивтілігі арқылы ток күрт төмендеген кезде, оның бойындағы кернеу теріс болады (пакеттен тыс жетекке қатысты), ішкі VGS кернеуін көтереді, MOSFET-ті қосып ұстайды, демек өшіру кешігеді.

Қақпа оксидінің ыдырауы

Қақпа оксиді өте жұқа (100 нм немесе одан да аз), сондықтан ол шектеулі кернеуге ғана төтеп бере алады. Деректер парақшаларында өндірушілер көбінесе 20 В шамасындағы қақпа-көз кернеуінің максималды шегін көрсетеді, және осы шектен асып кету құрылғының бүлінуіне алып келуі мүмкін. Сонымен қатар, жоғары қақпа-көз кернеуі MOSFET-тің қызмет ету мерзімін айтарлықтай қысқартады, RDSon-ды азайтуда ешқандай немесе аз ғана пайда әкеледі. Бұл мәселені шешу үшін көбінесе қақпа драйвері тізбегі қолданылады.

Мазмұны:

Қуатты MOSFET-терде (өшірілген кезде) дренаж-дәл арасындағы ең жоғары белгіленген кернеу бар, одан асып кетсе, бұзылу мүмкін. Бұзылу кернеуін асып кету құрылғының тоқ өткізуіне, артық қуаттың таралуынан оның өзінің және басқа схема элементтерінің зақымдануына алып келуі мүмкін.

Жоғарғы ағыны

Ағынды ток, әдетте, белгілі бір көрсетілген мәннен төмен болуы керек (максималды үздіксіз ағынды ток). Ол қысқа мерзім ішінде жоғары мәндерге жете алады (максималды импульстік ағынды ток, кейде әртүрлі импульс ұзақтығы үшін көрсетіледі). Ағынды ток, ішкі компоненттердегі, мысалы, қосылыс сымдарындағы кедергілік жоғалтулар салдарынан қызумен және металл қабатындағы электромиграция сияқты басқа да құбылыстармен шектеледі.

Ең жоғары температура

MOSFET-тің түйісу температурасы (TJ) құрылғының сенімді жұмыс істеуі үшін, MOSFET кристалының конструкциясы мен қаптама материалдарымен анықталатын белгілі бір ең жоғары шектен аспауы керек. Қаптама, көбінесе, қалыптау қосылысының және (болған жағдайда) эпоксидтік қасиеттерінің салдарынан түйісудің ең жоғары температурасын шектейді. Ең жоғары жұмыс ортасы температурасы қуатты тарату және жылулық кедергі арқылы анықталады. Құрылғы мен қаптама арасындағы жылулық кедергі құрылғының және қаптаманың ішкі қасиеті болып табылады; ал қаптамадан ортаға дейінгі жылулық кедергі көбінесе платаның/монтаждаудың орналасуына, жылуды тарату алаңына және ауа/сұйық ағынына байланысты. Қуатты таратудың сипаты – үзділіссіз немесе импульстік, жылулық массаның қасиеттеріне байланысты ең жоғары жұмыс температурасына әсер етеді. Әдетте, белгілі бір қуатты тарату үшін импульстардың жиілігі неғұрлым төмен болса, құрылғының салқындауына көбірек уақыт беріледі демек, ең жоғары жұмыс ортасы температурасы жоғары болады. Фостер желісі сияқты модельдер қуат өзгерулерінен туындаған температура динамикасын талдау үшін қолданылуы мүмкін.

Қауіпсіз жұмыс аймағы

Қауіпсіз жұмыс аймағы қуатты MOSFET-тің зақымданусыз қабылдай алатын, дренаж тогы мен дренаж-көз кернеуінің біріктірілген диапазондарын анықтайды. Ол осы екі параметрмен анықталатын жазықтықтағы аудан түрінде графикалық түрде көрсетіледі. Дренаж тогы мен дренаж-көз кернеуінің екеуі де тиісті ең жоғары мәндерінен аспауы керек, бірақ олардың көбейтіндісі де құрылғының қабылдай алатын ең жоғары қуат шығынынан аспауы тиіс. Сондықтан, құрылғыны бір уақытта ең жоғары токпен және ең жоғары кернеумен пайдалануға болмайды.

Қосылу

Қуатты MOSFET-тің эквиваленттік схемасы бір MOSFET-тен және параллель қосылған паразиттік BJT-ден тұрады. Егер BJT іске қосылса, оны өшіруге болмайды, себебі қақпасы оған ешқандай бақылау жасамайды. Бұл құбылыс "құлыптану" деп аталады, ол құрылғының бұзылуына алып келуі мүмкін. BJT, p-типті дене аймағындағы кернеудің төмендеуі салдарынан іске қосылуы мүмкін. Құлыптануды болдырмау үшін, дене және бастапқы қосылыс әдетте құрылғы корпусының ішінде қысқа тұйықталады.

Ұяшық құрылымы

Жоғарыда сипатталғандай, қуатты MOSFET-тің тоқпен жұмыс істеу қабілеті оның қақпа арнасының енімен анықталады. Қақпа арнасының ені – суреттегі қималардың үшінші (Z ось) өлшемі. Құны мен көлемін азайту үшін транзистордың кристалдық өлшемі мүмкіндігінше кіші болуы керек. Сондықтан арнаның беттік ауданының енін арттыру, яғни "арна тығыздығын" арттыру үшін оңтайландырулар жасалды. Олар негізінен MOSFET кристаллының бүкіл ауданында қайталанататын ұяшықтық құрылымдар құрудан тұрады. Бұл ұяшықтар үшін бірнеше пішін ұсынылды, ең танымал – International Rectifier компаниясының HEXFET құрылғыларында қолданылатын алтыбұрышты пішін. Арна тығыздығын арттырудың тағы бір жолы – элементарлық құрылымның мөлшерін азайту. Бұл белгілі бір беттік ауданда көбірек ұяшықтарға мүмкіндік береді, демек арна ені де артады. Алайда ұяшықтың мөлшері кішірейгенде, әрбір ұяшықтың дұрыс қосылғанын қамтамасыз ету қиынға соғады. Мұны жеңу үшін көбінесе "жолақ" құрылымы қолданылады (суретті қараңыз). Бұл арна тығыздығы тұрғысынан эквивалентті шешімді ұяшықтық құрылымнан тиімділігі төмен, бірақ кіші қадамды жеңе алады. Жазық жолақтық құрылымның тағы бір артықшылығы – ол паразиттік биполярлық транзистор жеткілікті алға қарай бағытталған кернеуден кейін қосылғанда болатын лавиналық бұзылу кезінде бұзылуға аз бейім. Ұяшықтық құрылымда, егер кез келген ұяшықтың бастапқы терминалы нашар қосылған болса, онда лавиналық бұзылу кезінде паразиттік биполярлық транзистордың тұйықталуы ықтимал. Осы себепті жазық жолақтық құрылымды пайдаланатын MOSFET-тер тек лавиналық бұзылу кезіндегі экстремалды жылулық стрестен ғана сәтсіздікке ұшырауы мүмкін.

P-субстратты қуатты MOSFET

P субстраттық MOSFET (көбінесе PMOS деп аталады) – допингтің қарама-қарсы типтері бар MOSFET (1-суреттегі қимада P орнына N және N орнына P). Бұл MOSFET P типті субстратпен және P− эпитаксиясымен жасалады. Канал N аймақта орналасқандықтан, бұл транзистор қақпадан бастапқы кернеуге теріс кернеу қосылғанда қосылады. Бұл оны ток төмендеткіш түрлендіргіште (buck converter) пайдалануға ыңғайлы етеді, онда қосқыштың бір ұшы кіріс кернеуінің жоғары жағына қосылады: N MOSFET-пен бұл конфигурацияда қақпаға кернеу қолдану қажет, ал P MOSFET-пен кернеу қолдану қажет емес. Осы типтегі MOSFET-тің басты кемшілігі – оның қосылған күйдегі нашар жұмыс істеуі, себебі ол заряд тасымалдаушы ретінде электронға қарағанда әлдеқайда төмен жылдамдыққа ие тесіктерді пайдаланады. Кедергі жылдамдыққа тікелей байланысты болғандықтан, бірдей өлшемдегі PMOS құрылғысы N MOSFET-ке қарағанда үш есе жоғары кедергіге ие болады.

VMOS

VMOS құрылымы қақпа аймағында V ойысы бар және алғашқы коммерциялық құрылғыларда қолданылған.

UMOS

Бұл қуатты MOSFET құрылымы, сонымен қатар траншеялық MOS деп аталатын құрылымда, қақпа электроды кремнийге қазылған траншеяның ішіне орналастырылады. Бұл тік каналдың пайда болуына себеп болады. Бұл құрылымның ең маңызды артықшылығы – JFET эффектісінің жоқтығы. Құрылымның атауы траншеяның U тәрізді пішінімен байланысты.

Супер-қосылу терең траншеялық технология

Әсіресе 500 В-тан жоғары кернеу үшін кейбір өндірушілер, соның ішінде Infineon Technologies өзінің CoolMOS өнімдерімен зарядты теңестіру принципін қолдана бастады. Бұл технологияның арқасында жоғары кернеулі MOSFET құрылғыларының кедергісіне ең көп үлес қосатын (95%-дан астам) эпитаксиалдық қабаттың кедергісі 5 еседен артық фактормен төмендетілуі мүмкін. Супер-қосылысты MOSFET-тердің өндіріс тиімділігі мен сенімділігін арттыру мақсатында Renesas Electronics терең ойыстыру (тrench) технологиясын қолдана отырып, супер-қосылыс құрылымын әзірледі. Бұл технологияда төмен тазалықтағы N типіндегі материалға P типіндегі аймақтарды жасау үшін ойыстар жасалады. Бұл процесс көп деңгейлі эпитаксиалды өсіру тәсіліне тән мәселелерді шешеді және өте төмен кедергі мен ішкі сыйымдылыққа қол жеткізеді. p-n торабының ауданының ұлғаюына байланысты, супер-қосылыс құрылымы дәстүрлі жазық қуатты MOSFET-ке қарағанда кері қалпына келтіру уақытының қысқаруымен, бірақ кері қалпына келтіру тогының артуымен сипатталады.