Trench mosfet что такое

Trench mosfet что такое

Рождение твердотельной электроники можно отнести к 1833 году. Именно тогда Майкл Фарадей экспериментируя с сульфидом серебра, обнаружил, что проводимость данного вещества растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в этом случае уменьшается. Это явление Фарадей не смог объяснить.

Следующим этапом в развитии твердотельной электроники стал 1874 год, когда немецкий физик Фердинанд Браун опубликовал свою статью в одном из журналов, где он описал важнейшее свойство полупроводников (на примере серных металлов) – возможность проводить ток только в одном направлении. Браун тщетно пытается объяснить, противоречащее закону Ома, выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом, проводя все новые и новые исследования. Браун не сумел объяснить такое свойство полупроводников и его современники не уделили должного внимания этому явлению.

Появление транзистора в XX веке стало переворотным моментом в развитии электроники. Это изобретение связано со многими именами великих ученых.

В 1906 году американский инженер Гринлиф Виттер Пикард получил патент на кристаллический детектор. Такой детектор представлял собой тонкий металлический проводник, с помощью которого осуществлялся контакт с поверхностью металла. Появление множества конструкций такого детектора, не принесло желаемых результатов, а появление в это время электронных ламп сводит на нет все усилия создать полупроводниковое устройство отвечающее требованиям того времени.

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году на имя Юлия Эдгара Лилиенфельда. Немецкий физик Оскар Хейл в 1934 году запатентовал полевой транзистор.

Полевые транзисторы основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физическим процессам они проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы, задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу микроэлектроники, был изготовлен позже биполярного транзистора в 1960 году. И только в 90-х годах XX века во времена лавинного развития компьютерной техники, МОП-технология получила массовое распространение и стала доминировать над биполярной.

Так только в 1947 году Уильям Шокли, Джон Барди и Уолтер Браттейн в лабораториях компании Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, который был продемонстрирован 16 декабря того же года. 23 декабря состоялась официальная церемония демонстрации транзистора в действии, и эта дата считается днем изобретения транзистора.

Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением, схематически транзистор можно представить именно в таком виде, как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах – напряжение между затвором и истоком, в биполярных – напряжение между базой и эмиттером).

Транзистор:
структура, основные понятия и принципы работы

Транзистор – полупроводниковый электронный элемент, как правило, с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи.

Биполярный транзистор

Управление токов в выходной цепи осуществляется за счет изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Такое свойство усиливать сигналы широко используется в аналоговой технике. На схеме наглядно показан принцип усиления сигнала в транзисторе, основанный на вольтамперной характеристике (ВАХ) транзистора, и чем круче ВАХ, тем больше коэффициент усиления.

MOSFET транзистор

В настоящее время на рынке аналоговой техники доминируют биполярные транзисторы (международный термин биполярного транзистора – bipolar junction transistor (BJT)). В другой важнейшей отрасли электроники – цифровой технике (логика, память, микроконтроллеры, цифровая связь и тп.) биполярные транзисторы практически полностью вытеснены полевыми транзисторами.

С момента изобретения первого транзистора быстрое развитие технологий позволило создать более совершенные и производительные и в тоже время экономичные и энергосберегающие элементы. В рамках интегральной технологии транзисторы изготавливаются на одном кристалле для изготовления микросхем памяти, микроконтроллеров, микросхем логики и др. Размеры современных MOSFET транзисторов составляют 100-30 нм. При современной степени интеграции на одном чипе (размером 1-2 кв. см) размешаются несколько миллиардов транзисторов.

NXP Semiconductors на рынке MOSFET транзисторов

Технология TrenchMOS

Мощные MOSFET транзисторы традиционно выпускались по планарной технологии. В конце 1990-х годов компания NXP вывела на рынок транзисторы, изготовленные по новой технологии, так называемой траншейной ( TrenchMOS ) обеспечивающей чрезвычайно низкое сопротивление открытого канала исток-сток.
На рисунке показана структура развития технологии Trench MOS NXP:

Развитие этой технологии позволило увеличить компактность кристалла и снизить сопротивление открытого канала RDS( ON ) (потери в канале) в несколько раз, а так же снизить стоимость таких транзисторов.

Противоречивые требования к MOSFET транзисторам, с одной стороны минимальное сопротивление открытого канала RDS( ON ), с другой стороны минимальный заряд затвора QG, прежде всего, приводили разработчиков электроники к необходимости выбора различных марок транзисторов для работы в тех или иных каскадах. К тому же возникала потребность выбора оптимального соотношения занимаемой площади и рассеиваемой мощности транзисторов. По мере совершенствования технологий производства MOSFET транзисторов производители предлагали различные варианты построения корпусов.

Эффективность MOSFET транзисторов основана не только на технологии получения кристалла, но и на корпусе в который данный кристалл установлен. Наиболее эффективными корпусами для MOSFET транзисторов признаны корпуса, предназначенные для SMD (поверхностного) монтажа, которые обеспечивают максимальную удельную мощность рассеяния. Совокупность совершенствования технологии получения кристаллов и компактность корпусов MOSFET транзисторов предоставляют производителям достаточно широкое поле для разработок.

На рисунке показаны результаты терфографии MOSFET транзисторов в корпусах SO8, DPAK и LFPAK:

Данные измерения были проведены при прочих равных условиях, рассеиваемая мощность на поверхности корпусов примерно 1Вт. Исключительные термические свойства корпуса LFPAK наилучшим образом влияют на производительность MOSFET транзисторов, и в ряде случаев это позволяет применить разработчикам два транзистора в корпусе LFPAK вместо трех транзисторов в корпусе SO8.

Компания NXP является одной из ведущих фирм в производстве электроники для автомобильных приложении. В портфолио компании для автомобильной электроники можно найти CAN, LIN, FlexRay трансиверы, и контроллеры, MOSFET транзисторы, автомобильные датчики (магниторезистивные, температурные), мультимедийные микросхемы, микросхемы-корректоры фар, защитные (TVS) диоды.

Расширяя портфолио MOSFET транзисторов для автомобильных применений, компания NXP разработала семейство MOSFET транзисторов TrenchPLUS с дополнительными функциями защиты и измерения температуры. Транзисторы семейства TrenchPLUS были разработаны и квалифицированны к соответствующему стандарту AEC для использования в особо важных системах автомобиля, например: тормозные системы (ABS), системы управления (ЭМУР).

На рисунке показана функциональная блок-схема устройства транзисторов семейства TrenchPLUS:

Наличие встроенного датчика тока в силовом MOSFET транзисторе позволяет эффективно защищать выходные цепи устройств от перегрузок по току и коротких замыканий. При таком построении транзистора повышается надежность прибора и снижается его стоимость, т.к. отпадает необходимость в использовании навесных элементов.

MOSFET транзисторы NXP, изготовленные по технологии TrenchMOS, представляют собой матрицу из нескольких тысяч полевых транзисторов с изолированным затвором, размещенных на одном кристалле, каналы которых соединены параллельно. Поскольку все транзисторы матрицы идентичны, протекающий ток, а значит и тепловая энергия, равномерно распределяются по всему кристаллу. К тому же параллельное соединение позволяет уменьшить сопротивление открытого канала.

Кроме того, такая конфигурация позволяет изолировать соединенные истоки нескольких ячеек и вывести их с кристалла отдельным выводом. Такой прибор может быть представлен в виде двух MOSFET транзисторов с объединенным стоком, затвором и раздельными истоками (рис.8). В случае открытого канала ток нагрузки будет распределяться в отношении, пропорциональном сопротивлению каналов. Ток истока датчика тока значительно меньше тока истока основного силового транзистора. При этом токи пропорциональны площадям, занимаемым элементами на кристалле, и их отношение обычно составляет n =500:1 (отношение тока истока основного транзистора к току истока датчика тока). Это отношение называется «sense ratio», и оно определено для случая, когда потенциалы истоков датчика тока и основного силового транзистора равны. Дополнительный отвод от области истока основного силового транзистора (отвод Кельвина) позволяет передать в анализирующую цепь точное значение потенциала.

MOSFET транзисторы NXP

Применение MOSFET-транзисторов

MOSFET транзистор универсальный прибор и области его применения практически не ограничены:

Рассмотрим некоторые варианты схемы применения MOSFET транзисторов.

На рисунке показана типовая блок-схема применения MOSFET транзисторов в антиблокировочной автомобильной системе (ABS) и электронной системе контроля устойчивости автомобиля (ESP):

На следующем рисунке показана блок-схема блока управления приводом электромотора стояночного тормоза автомобиля построенном на MOSFET транзисторах:

Далее показано, как можно с помощью MOSFET транзисторов NXP организовать гибридную схему подключения блока управления стартером генератора:

На следующем рисунке показана блок-схема управления бесщеточным трехфазным электромотором с защитой от переполюсовки:

На следующем рисунке показана еще одна простейшая блок-схема управления электромотором. В отличие от предыдущих схем, данная схема предназначена для управления высокоскоростным электромотором постоянного тока.

В заключение рассмотрим блок-схему впрыска для типового дизельного автомобильного двигателя, построенного на MOSFET транзисторах:

На основании рассмотренных преимуществ MOSFET транзисторов производства компании NXP Semiconductors можно сделать выводы, что, в сравнении с продукцией других производителей, они наиболее эффективны для использования в различных силовых системах электроники, и наиболее пригодны для использования в особо важных системах безопасности автомобильного и железнодорожного транспорта. А в совокупности с магниторезистивными датчиками компании NXP можно организовать максимально производительные и эффективные системы.

Источник

Новые N-канальные MOSFET-транзисторы в корпусах общепромышленного стандарта

Выпускаемые в течение последних лет MOSFET-транзисторы в корпусах с высокой тепловой эффективностью DirectFET [1], [2] являются визитной карточкой компании IR, подтверждающей ее лидерство в этом сегменте рынка силовой электроники. Отдавая должное безусловной перспективности этой технологии, необходимо отметить, что новые изделия силовой электроники, выпущенные в традиционных стандартных корпусах (как для поверхностного, так и для выводного монтажа), также будут востребованы рынком на протяжении длительного времени.

Технология TrenchFET полевых
транзисторов нового поколения

Традиционно мощные MOSFET-транзисторы выпускались по так называемой планарной технологии. Начиная с 2000-х годов компания International Rectifier предлагает на рынок транзисторы, изготовленные по новой, траншейной (Trench) технологии. Не углубляясь в тонкости микроэлектроники, отметим основное различие — затвор TrenchFET-транзистора выполнен не в виде наслоения на пластину, а в виде канавки или траншеи, что иллюстрируется рисунком 1.

Рис. 1. Структура N-канальных MOSFET-транзисторов, выполненных по планарной
и Trench-технологиям

Это позволяет, с одной стороны, добиться более высокой плотности размещения элементов, с другой — снизить сопротивление открытого канала RDS(ON) и уменьшить значение заряда затвора QG.

Кристалл силового MOSFET-транзистора характеризуется двумя обобщенными показателями качества:

1. Удельное сопротивление канала RхAA (произведение сопротивления открытого канала на площадь активной зоны ячейки). Он характеризует компактность и цену кристалла.

2. Комплексный показатель потерь RхQG (произведение сопротивления открытого канала на заряд затвора). Показатель учитывает уровень потерь проводимости и потерь переключения.

Динамика изменения этих параметров на примере 30-вольтовых MOSFET-транзисторов IR представлена на рисунке 2 (индексы 4,5 обозначают, что значение сопротивления открытого канала дано для управляющего напряжения на затворе V_GS = 4,5 В).

Рис. 2. Эволюция показателей качества 30-вольтовых N-канальных MOSFET-транзисторов
компании IR

Benchmark MOSFET-транзисторы
компании International Rectifier

Чтобы не запутаться в иностранных терминах, уточним, что TrenchFET — это технология, по которой выполнен транзистор, а упомянутая выше DirectFET — технология корпусирования. Одно не мешает другому.

Benchmark MOSFET — это не некая новая технология, а своего рода «знак качества». То есть отнесение изделия к этой категории говорит о том, что по своим параметрам оно соответствует лучшим изделиям в отрасли и является «эталонным в своем классе».

Для чего это нужно? В настоящий момент IR выпускает более 170 N-канальных транзисторов со статусом Active (стадия активного действующего производства) только в корпусе TO-220AB (не считая снимаемых с производства и тех, которые не рекомендованы к применению в новых разработках). Одних только 100-вольтовых транзисторов — почти 30 наименований. Оптимальный выбор требуемой модели становится для разработчика проблемой. В этом смысле индекс Benchmark MOSFET — подсказка, что данное изделие по совокупности показателей является предпочтительным.

Выбор MOSFET-транзистора обычно проводят по следующим основным показателям:

1. Пробивное напряжение V_BRD — максимальное напряжение между выводами стока и истока при закрытом состоянии транзистора.

2. Ток стока I_D — максимальное значение тока, протекающее по каналу «исток-сток» при открытом состоянии транзистора. Обращаем внимание: значение зависит от температуры кристалла, поэтому в спецификациях (datasheet) указываются не только значения для нескольких точек (обычно 25 и 100°С), но и приводится график зависимости.

3. Сопротивление открытого канала «исток-сток» R_DS(ON). Опять же обращаем внимание: параметр зависит от величины управляющего напряжения «затвор-сток» V_GS. Как правило, максимальное значение этого напряжения лежит в пределах 12…20 В. Но пороговое напряжение, при котором через канал начинает протекать ток, будет ниже (1,5…4 В). В спецификациях даются, как правило, значения для точек 4,5 и 10 В.

4. Заряд затвора Q_G. Характеризует величину входной емкости транзистора (то есть, сумму паразитных емкостей «затвор-сток» и «затвор-исток» C_GD + C_GS), напрямую влияющей на время включения-выключения транзистора.

Первые два параметра являются, по сути, начальными условиями выбора и вытекают из требований технического задания на узел. Зная требования схемы и заложив разумный запас, разработчик определяет допустимый диапазон этих значений и, как следствие, список изделий, допустимых для применения в его разработке.

Остальные три параметра — атрибуты конкретного изделия. Значение сопротивления открытого канала непосредственно связано с теплом, которое будет рассеиваться на приборе. Отсюда — наличие или отсутствие радиатора, сложные или простые механизмы отвода тепла, большие или малые габариты и, как следствие, высокая или низкая цена конечного прибора.

Значение заряда затвора определяют динамические характеристики узла, то есть максимально возможную частоту коммутации нагрузки. Для каких-то приложений это может быть не очень критично. Но, например, для импульсных источников питания — весьма важно. Кроме того, длительные переходные процессы увеличивают энергопотребление и, следовательно, выделяемое тепло.

Вывод: минимизация комплексного показателя потерь RЧQ_G — необходимое условие правильного выбора. И цена не должна быть выше.

Компания International Rectifier не только позиционирует изделия из категории «эталонных» как оптимальное решение для новых разработок, но и рекомендует их в качестве прямой замены ранее выпущенным изделиям, как собственным (не обязательно снимаемым с производства), так и изделиям других производителей. Здесь необходимы пояснения. Под «прямой заменой» разработчики привыкли понимать изделие, идентичное заданному по электрическим, механическим и климатическим параметрам. То есть, прямой аналог. Возникает вопрос: откуда прямой аналог новому изделию с «лучшими в своем классе» параметрами? В нашем случае под «прямой заменой» надо понимать следующее: изделие из категории «эталонных» может быть использовано вместо применяемых ранее без корректировки схемы и изменения конструкции. То есть, замена не повлияет на «электрические» режимы работы схемы, и при этом выделяемое тепло будет меньше, а динамические характеристики — не хуже.

В материалах компании IR [3] представлена номенклатура «эталонных» Benchmark MOSFET-транзисторов компании IR.

Перейдем к рассмотрению новинок.

Серия «эталонных» 30-вольтовых
MOSFET-транзисторов для индустриальных приложений

Таблица 1. Линейка 30-вольтовых N-канальных MOSFET-транзисторов компании IR

Мы видим что, четверка новых приборов дифференцирована по величине коммутируемого тока: до 60, 90, 150 и 260 А, что позволяет производителю выбрать оптимальный для своего изделия прибор.

Транзистор IRLB8721 может рассматриваться в качестве замены следующих изделий: IRL3103, IRL3707, IRL3707Z и IRL3708. Мы видим, что новый прибор имеет лучшие значения как по сопротивлению открытого канала, так и по заряду затвора. Комплексный показатель потерь улучшен на 30% по сравнению с IRL3707Z и снижен в 3,5…4 раза по сравнению с остальными приборами. Что касается цены: IRLB8721 дешевле в 2,2…2,5 ** раза.

Транзисторы с коммутируемым током до 90 А в линейке IR были представлены изделиями IRF3709Z и IRF3709. Среди новых приборов им соответствует IRLB8748. Значение комплексного показателя потерь снижено в 1,5 и 3,4 раза, соответственно. Цена — в 2,3 и 2,6 раза.

Среди изделий с коммутируемым током до 150 А новый транзистор IRLB8743 может заменить IRL3803V и IRL7833. Комплексный показатель потерь снижен в 1,2 и 2,4 раза, а цена — в 2,2 и 2,6 раза, соответственно.

И наконец, среди изделий с током до 260 А сравним IRLB3813 с IRF1503 и IRF2903Z. Комплексный показатель потерь снижен в 3,9 и 3,5 раза, а цена — в 1,8 и 2,3 раза, соответственно.

Новые «эталонные» 150- и 200-вольтовые
MOSFET-транзисторы

Также в августе 2009 года компания International Rectifier анонсировала новые 150- и 200-вольтовые MOSFET-транзисторы: IRx4615 и IRx4620, соответственно. Транзисторы выпускаются в корпусе D2-Pak для поверхностного монтажа (префикс IRFS) и корпусах для пайки в отверстие TO-220AB и TO-262 (префиксы IRFB и IRFSB, соответственно). Они коммутируют ток до 35 и 25 А, характеризуются крайним низким значением заряда затвора и предназначаются для индустриальных приложений, таких как импульсные источники питания, источники бесперебойного питания, инверторы, приводы двигателей постоянного тока.

Кроме того, International Rectifier выпустила транзисторы IRx5615 и IRx5620, основные параметры которых аналогичны IRx4615 и IRx4620. Транзисторы IRx56xx специально разработаны для приложений цифрового звуковоспроизведения, в частности, для усилителей звуковой частоты класса D. Их параметры оптимизированы с целью повышения КПД усилителя, снижения уровеня электромагнитных помех и нелинейных искажений.

Рассмотрим линейки 150- и 200-вольтовых транзисторов IR (технические характеристики которых приведены в таблице 2) и сравним параметры новых и ранее выпущенных приборов.

Таблица 2. Линейка 150- и 200-вольтовых MOSFET-транзисторов (корпус TO-220AB)

Анализ таблицы показывает, что новые приборы IRFB4615 и IRFB5615 могут быть предложены в качестве замены таким изделиям, как IRFB33N15D и IRFB41N15D, а IRFB4620 и IRFB5620 — для замены транзистора IRFB23N20D. Однако отметим, что максимально допустимое значение управляющего напряжения V_GS у новых приборов равно 20 В (вместо 30 В у ранее выпускавшихся). Следовательно, анализ электрической схемы все же необходимо провести. Вывод: комплексный показатель потерь снижен в три и более раз. Цена IRFB46xx незначительно, но — ниже, чем у предыдущих изделий. Для IRFB56xx экономия составляет 30…40%.

Небольшое отступление от темы

Возникает вполне разумный вопрос. Если новые изделия имеют лучшие параметры и дешевле, то в чем смысл тех изделий, с которыми мы их сравнивали? Какова их ниша?

Заметим, эти изделия были разработаны пять и более лет назад и их характеристики соответствовали тому моменту времени. Кроме того, компания IR проводит политику фокусирования усилий на тех направлениях, где она имеет преимущества перед другими производителями компонентов силовой электроники. Именно массированное внедрение технологии TrenchFET в новых изделиях позволило скачкообразно улучшить технические характеристики и снизить себестоимость.

Что касается ниши ранее разработанных транзисторов, необходимо определить, идет ли речь о новых разработках или о прямой замене на Benchmark MOSFET в серийно выпускаемых потребителем изделиях.

Причин использовать ранее выпущенные транзисторы в новых разработках, вероятно, нет, кроме каких-то очень специфичных изделий и очень специфичных параметров.

Что касается прямой замены, для серьезного конечного производителя это связано, как минимум, с корректировкой конструкторской документации. Если заменяемая позиция в изделии не является ценообразующей, то овчинка может не стоить выделки. Для ответственных применений (военная техника и не только) подобная замена может повлечь за собой проведение повторных испытаний, подтверждающих выполнение требований технического задания, или подтверждение тактико-технических характеристик. А это — затраты, и серьезные. Собственно, в этом и заключается ответ на вопрос о нише «ранних» изделий.

Вывод: целесообразность применения «эталонных» изделий в новых разработках сомнения не вызывает. Возможность использования их прямой замены не вызывает сомнений с технической точки зрения, но требует вдумчивого анализа с точки зрения финансовой.

Заключение

В линейке MOSFET-транзисторов International Rectifier выделена категория Benchmark MOSFET — «изделия с эталонными в своем классе параметрами». То есть, те изделия, в которых соотношения «качество — технические характеристики — цена» позволяют отнести их не только к лучшим в номенклатуре IR, но и к лучшим в отрасли.

Качество (то есть, надежность изделий и соответствие их заявленным параметрам) продукции IR сомнений не вызывает. Не умаляя достоинств других производителей и их продукции, нельзя не согласиться — International Rectifier является мировым лидером в производстве элементной базы для силовой электроники.

Разработка технологии TrenchFET и внедрение ее в новых изделиях позволило добиться образцовых технических характеристик для тех параметров (сопротивление открытого канала и заряд затвора), которые в первую очередь влияют на потребительские свойства приборов. Это достигнуто не только без увеличения цен на продукцию, но и при существенном снижении цены в новых изделиях.

Литература

1. В.Башкиров, Новые семейства высокоэфективных низковольтных MOSFET, Новости электроники, №18, 2008

2. Шевченко В. Транзисторы в корпусах DirectFET компании International Rectifier// Chip News Украина, 2006, №1.

3. Benchmark MOFSETs. Product Selection Guide// материал компании International Rectifier.

Источник