Введение

Мосфеты, способные выдерживать значительные уровни мощности

Мощный МОП-транзистор (MOSFET) – это специфический тип металл-оксид-полупроводникового полевого транзистора (МОП), разработанный для работы со значительными уровнями мощности. По сравнению с другими силовыми полупроводниковыми приборами, такими как изолированный биполярный транзистор с управляемым затвором (IGBT) или тиристор, его основными преимуществами являются высокая скорость переключения и хорошая эффективность при низких напряжениях. Он имеет изолированный затвор, что облегчает его управление. Они могут быть подвержены низкому коэффициенту усиления, иногда до такой степени, что напряжение на затворе должно быть выше, чем управляемое напряжение. Разработка мощных МОП-транзисторов стала возможной благодаря развитию технологий МОП и КМОП, используемых для производства интегральных схем с 1960-х годов. Мощный МОП-транзистор имеет принцип действия, аналогичный его маломощному аналогу – планарному МОП-транзистору. Мощный МОП-транзистор, широко используемый в силовой электронике, был адаптирован от стандартного МОП-транзистора и коммерчески представлен в 1970-х годах. Мощный МОП-транзистор является наиболее распространенным силовым полупроводниковым прибором в мире благодаря низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения, возможности простого параллельного включения, широкой полосе пропускания, надежности, простоте управления, простоте смещения, удобству применения и простоте ремонта. В 1969 году компания Hitachi представила первый вертикальный мощный МОП-транзистор, который позже стал известен как VMOS (МОП-транзистор с V-образным вырезом). В том же году Y. Tarui, Y. Hayashi и Toshihiro Sekigawa из Электротехнической лаборатории (ETL) впервые сообщили о DMOS (двойном диффузионном МОП-транзисторе) с самовыравнивающимся затвором. В 1974 году Jun ichi Nishizawa из Университета Тохоку изобрел мощный МОП-транзистор для аудио, который вскоре был выпущен корпорацией Yamaha для их высококачественных аудиоусилителей. JVC, Pioneer Corporation, Sony и Toshiba также начали производство усилителей с мощными МОП-транзисторами в 1974 году. Siliconix коммерчески представил VMOS в 1975 году. Алекс Лидоу совместно с Томом Германом изобрел HexFET, гексагональный тип мощного МОП-транзистора, в Стэнфордском университете в 1977 году. HexFET был коммерциализирован компанией International Rectifier в 1978 году. Суперъёмкостный МОП-транзистор – это тип мощного МОП-транзистора, использующий P+ колонны, проникающие в N− эпитаксиальный слой. Идея чередования слоев P и N была впервые предложена Shozo Shirota и Shigeo Kaneda из Университета Осаки в 1978 году. Дэвид Коу из Philips изобрел суперъёмкостный МОП-транзистор с чередующимися слоями p и n типа, подав заявку на патент в США в 1984 году, который был выдан в 1988 году.

Приложения

Мощный MOSFET является наиболее широко используемым в мире полупроводниковым прибором. По состоянию на 2018 год ежегодно отгружается более 50 миллиардов мощных MOSFET. К ним относятся траншейные мощные MOSFET, которые продали более 100 миллиардов штук по февраль 2017 года, и MDmesh (суперъюнкшн MOSFET) от STMicroelectronics, который продал 5 миллиардов штук по состоянию на 2019 год. RF DMOS, также известный как RF power MOSFET, – это тип силового DMOS-транзистора, разработанный для радиочастотных (RF) приложений. Он используется в различных радио- и RF-приложениях. Мощные MOSFET широко используются в транспортных технологиях, охватывающих широкий спектр транспортных средств. В автомобильной промышленности мощные MOSFET широко применяются в автомобильной электронике. где ε – диэлектрическая проницаемость кремния, q – заряд электрона, а N – уровень легирования. Значение CGDj можно приближенно рассчитать по формуле плоского конденсатора:

где AGD – площадь перекрытия затвора и стока. Следовательно, получаем:

Видно, что CGDj (и, следовательно, CGD) является емкостью, значение которой зависит от напряжения на затворе и стоке. С увеличением этого напряжения емкость уменьшается. Когда MOSFET находится во включенном состоянии, CGDj шунтируется, поэтому емкость между затвором и стоком остается равной CoxD – постоянной величине.

Отвод до емкости источника

Поскольку металлизация истока перекрывает P-области (см. рисунок 1), стоковый и истоковый выводы разделены P-N переходом. Следовательно, CDS является емкостью перехода. Это нелинейная емкость, и ее значение можно рассчитать, используя то же уравнение, что и для CGDj.

Индуктивность упаковки

Для работы MOSFET необходимо подключить к внешней цепи, чаще всего с помощью проволочной связи (хотя исследуются и альтернативные методы). Эти соединения характеризуются паразитной индуктивностью, которая не является специфичной для технологии MOSFET, но оказывает значительное влияние из-за высоких скоростей переключения. Паразитные индуктивности стремятся поддерживать ток постоянным и генерировать перенапряжение при выключении транзистора, что приводит к увеличению потерь при переключении. Паразитная индуктивность может быть связана с каждым выводом MOSFET. Они оказывают различное воздействие: индуктивность затвора оказывает незначительное влияние (при условии, что она меньше нескольких сотен наногенри), поскольку градиенты тока затвора относительно медленные. Однако в некоторых случаях индуктивность затвора и входная емкость транзистора могут образовывать генератор. Этого следует избегать, так как это приводит к очень высоким потерям при переключении (вплоть до разрушения устройства). В типичной конструкции паразитная индуктивность поддерживается на достаточно низком уровне, чтобы предотвратить это явление; индуктивность стока имеет тенденцию снижать напряжение стока при включении MOSFET, тем самым уменьшая потери при включении. Однако, создавая перенапряжение при выключении, она увеличивает потери при выключении; паразитная индуктивность истока ведет себя аналогично индуктивности стока, но имеет дополнительный эффект обратной связи, который удлиняет время переключения, увеличивая тем самым потери при переключении. В начале быстрого включения, из-за индуктивности истока, напряжение на истоке (на кристалле) может возрастать одновременно с напряжением затвора; внутреннее напряжение VGS будет оставаться низким в течение более длительного времени, что приведет к задержке включения. В начале быстрого выключения, поскольку ток через индуктивность истока резко уменьшается, результирующее напряжение на ней становится отрицательным (относительно вывода за пределами корпуса), повышая внутреннее напряжение VGS, удерживая MOSFET во включенном состоянии и, следовательно, задерживая выключение.

Разложение оксидов в шлюзах

Оксид затвора очень тонкий (100 нм или менее), поэтому он выдерживает лишь ограниченное напряжение. В технических паспортах производители часто указывают максимальное напряжение между затвором и истоком, около 20 В, и превышение этого значения может привести к выходу компонента из строя. Более того, высокое напряжение между затвором и истоком значительно сокращает срок службы MOSFET, практически не давая преимуществ в снижении RDSon. Для решения этой проблемы часто используется схема драйвера затвора.

Максимальный отвод до источника напряжения

Мощные MOSFET-транзисторы имеют максимально допустимое напряжение сток-исток (в выключенном состоянии), превышение которого может привести к пробою. Превышение напряжения пробоя вызывает открытие транзистора, что потенциально может повредить его и другие элементы схемы из-за избыточной мощности рассеяния.

Максимальный поток слива

Поток стока, как правило, должен оставаться ниже определенного заданного значения (максимальный допустимый постоянный ток стока). Он может достигать более высоких значений на очень короткие промежутки времени (максимальный импульсный ток стока, иногда указываемый для различных длительностей импульса). Ток стока ограничивается нагревом, вызванным резистивными потерями во внутренних компонентах, таких как выводные провода, а также другими явлениями, такими как электромиграция в металлическом слое.

Максимальная температура

Для обеспечения надежной работы температура перехода (TJ) MOSFET должна оставаться ниже заданного максимального значения, определяемого компоновкой кристалла MOSFET и материалами корпуса. Корпус часто ограничивает максимальную температуру перехода из-за свойств компаунда для литья и (при наличии) эпоксидной смолы. Максимальная рабочая температура окружающей среды определяется мощностью рассеяния и тепловым сопротивлением. Тепловое сопротивление перехода к корпусу является внутренним параметром устройства и корпуса, а тепловое сопротивление корпуса к окружающей среде в значительной степени зависит от компоновки платы/монтажа, площади радиатора и воздушного/жидкостного потока. Характер рассеивания мощности – постоянный или импульсный – влияет на максимальную рабочую температуру из-за теплоемкости; как правило, чем ниже частота импульсов при заданном уровне рассеивания мощности, тем выше максимальная рабочая температура окружающей среды, поскольку это обеспечивает более длительный интервал для охлаждения устройства. Модели, такие как Foster-сеть, могут использоваться для анализа температурной динамики при переходных процессах мощности.

Безопасная зона эксплуатации

Безопасная рабочая область определяет допустимые совокупные диапазоны тока стока и напряжения сток-исток, которые силовые MOSFET могут выдерживать без повреждений. Графически она представляется областью на плоскости, определяемой этими двумя параметрами. Как ток стока, так и напряжение сток-исток должны оставаться ниже своих максимальных значений, но их произведение также должно быть ниже максимальной рассеиваемой мощности, которую способен выдержать прибор. Следовательно, прибор нельзя эксплуатировать одновременно при максимальном токе и максимальном напряжении.

Замыкание

Эквивалентная схема мощного MOSFET состоит из одного MOSFET, включенного параллельно с паразитическим биполярным транзистором (BJT). Если BJT открывается, его нельзя выключить, поскольку управляющий электрод (затвор) не имеет над ним контроля. Это явление известно как "сквозной пробой" (latch-up), который может привести к выходу устройства из строя. Открытие BJT может быть вызвано падением напряжения на p-области корпуса. Для предотвращения сквозного пробоя корпус и исток обычно закорачиваются внутри корпуса устройства.

Клеточная структура

Как описано выше, пропускная способность по току мощного MOSFET определяется шириной канала затвора. Ширина канала затвора – это третье (ось Z) измерение показанных поперечных сечений. Для минимизации стоимости и размеров, желательно сохранять площадь кристалла транзистора как можно меньшей. Поэтому были разработаны оптимизации для увеличения ширины площади канала, то есть повышения "плотности канала". Они в основном заключаются в создании ячеистых структур, повторяющихся по всей площади кристалла MOSFET. Для этих ячеек было предложено несколько форм, наиболее известной из которых является шестиугольная форма, используемая в устройствах HEXFET компании International Rectifier. Другой способ увеличения плотности канала – уменьшение размера элементарной структуры. Это позволяет разместить больше ячеек на заданной площади поверхности, а следовательно, увеличить ширину канала. Однако, по мере уменьшения размера ячейки, становится сложнее обеспечить надлежащий контакт каждой ячейки. Для решения этой проблемы часто используется "полосчатая" структура (см. рисунок). Она менее эффективна, чем ячеистая структура с эквивалентным разрешением с точки зрения плотности канала, но способна работать с меньшим шагом. Еще одним преимуществом плоской полосчатой структуры является её меньшая восприимчивость к отказам во время лавинного пробоя, когда паразитный биполярный транзистор включается из-за достаточного прямого смещения. В ячеистой структуре, если контакт истокового вывода какой-либо ячейки ненадёжен, то вероятность включения паразитного биполярного транзистора во время лавинного пробоя значительно возрастает. По этой причине MOSFET, использующие плоскую полосчатую структуру, могут выходить из строя во время лавинного пробоя только из-за экстремальных тепловых напряжений.

Мощный MOSFET с P-субстратом

P-субстратный MOSFET (часто называемый PMOS) – это MOSFET с противоположными типами легирования (N вместо P и P вместо N в поперечном сечении, как показано на рисунке 1). Этот MOSFET изготавливается на P-типовой подложке с P-эпитаксией. Поскольку канал расположен в N-области, этот транзистор включается отрицательным напряжением на затворе относительно истока. Это делает его предпочтительным для использования в понижающем преобразователе (buck converter), где один из выводов ключа подключен к положительной стороне входного напряжения: с N-канальным MOSFET в такой конфигурации требуется подавать на затвор напряжение, равное , в то время как для P-канального MOSFET не требуется напряжения выше . Основным недостатком данного типа MOSFET является низкая производительность в открытом состоянии, поскольку в качестве носителей заряда используются дырки, подвижность которых значительно ниже, чем у электронов. Поскольку удельное сопротивление напрямую связано с подвижностью, сопротивление конкретного PMOS-устройства будет в три раза выше, чем у N-канального MOSFET с аналогичными размерами.

ВМОС

Структура VMOS имеет V-образную канавку в области затвора и была использована в первых коммерческих приборах.

УМОС

В этой структуре силового MOSFET, также называемой Trench MOS, затворной электрод расположен в траншее, вытравленной в кремнии. Это формирует вертикальный канал. Главное преимущество этой структуры – отсутствие эффекта JFET. Название структуры происходит от U-образной формы траншеи.

Технология глубоких траншей сверхсоединения

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 является основным фактором (более 95%) сопротивления высоковольтных MOSFET, может быть снижено более чем в 5 раз. Стремясь повысить эффективность производства и надежность суперъюнкционных MOSFET, Renesas Electronics разработала суперъюнкционную структуру с использованием технологии глубокого травления траншей. Эта технология заключается в травлении траншей в слаболегированном N-типе материала для формирования P-типа областей. Этот процесс решает проблемы, связанные с многослойным эпитаксиальным ростом, и обеспечивает чрезвычайно низкое сопротивление в открытом состоянии и уменьшение внутренней емкости. Благодаря увеличенной площади p-n перехода, суперъюнкционная структура имеет меньшее время обратного восстановления, но больший обратный восстановительный ток по сравнению с обычным планарным силовым MOSFET.