197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор полупроводниковых компонентов

Мощные полевые МОП-транзисторы (MOSFET)

На Рис. 7.10 изображён в разрезе «вертикальный» МОП-транзистор. Его конструкция похожа на конструкцию уже рассмотренных нами высоковольтных компонентов. Ток течёт через кристалл вертикально, а номинальное напряжение зависит от размера обеднённой (n-) области.

Вертикальный МОП-транзистор в разрезеРис. 7.10. Вертикальный МОП-транзистор в разрезе

Кристалл производится по технологии, подобной технологии производства диодов FRED. Сначала на поверхности кристалла создаются эпитаксиальные слои, затем формируется оксидный слой затвора, на который имплантируется собственно затвор, состоящий из поликремниевого материала, и поверх него наносится слой оксида кремния. Напоследок область истока покрывается металлическим алюминием. На Рис. 7.10 показаны только две ячейки МОП-транзистора. Весь транзистор состоит из тысяч отдельных ячеек исток-затвор. Форма области истока бывает разной в зависимости от технологии производителя. Фирма International Rectifier использует шестиугольную форму, а фирмы On Semiconductor и Philips — прямоугольную форму.

На том же Рис. 7.10 показано направление протекания тока в МОП-транзисторе. При возрастании напряжения на затворе дырки «выталкиваются» из области р+ истока. По мере дальнейшего увеличения входного напряжения под оксидным слоем затвора образуется тонкий слой электронов. Ток течёт из области n- стока по внутренней стороне оксидного слоя и через области p+ и n+ истока к металлическому слою. По причине такой «Т-образной» траектории протекания тока фирма Motorola настоящее время — On Semiconductor) назвала свои транзисторы TMOS.

На Рис. 7.11 изображены типовые характеристики мощного МОП-транзистора.

Типовые характеристики мощного МОП-транзистораРис. 7.11. Типовые характеристики мощного МОП-транзистора

 

Типовые характеристики мощного МОП-транзистораНа верхнем графике показан режим работы по постоянному току. На нижнем графике показана область насыщения, где ток ограничивается сопротивлением открытого транзистора. Характеристики по постоянному току определяются количеством электронов, обогащающих канал. При изменении напряжения сток-исток ток не увеличивается. Левая (линейная) часть каждого из графиков представляет собой так называемую «омическую» область, где ток коллектора определяется сопротивлением сток-исток транзистора в открытом состоянии (rDSON).

Сопротивление rDSON является одной из важнейших характеристик МОП-транзистора при использовании его в качестве ключа. В большинстве случаев потери проводимости1 превышают потери коммутации2. Каждая из изображённых на Рис. 7.10 легированных областей кристалла в той или иной мере «ответственна» за сопротивление открытого транзистора. В низковольтных транзисторах, у которых толщина обеднённого слоя (n-) невелика, значительное сопротивление имеют только слой n+ и металлический слой. В транзисторах же с номинальным напряжением выше 100 В эпитаксиальный слой n- вносит основной вклад в величину сопротивления. Сопротивление открытого транзистора прямо пропорционально номинальному напряжению при равных прочих параметрах. В низковольтных транзисторах большое влияние оказывают также сопротивление канала и области между ячейками. Между n-областями расположена область p+, образующая с ними паразитный канальный полевой транзистор, который также вносит «свой вклад» в величину сопротивления. В современных МОП-транзисторах параметры области затвор-исток оптимизированы до такой степени, что сопротивление открытого низковольтного транзистора очень часто оказывается ниже 0.01 Ом.

Потенциал затвора, требующийся для того, чтобы полностью открыть МОП-транзистор, должен быть выше потенциала истока как минимум на 10 В. Для транзисторов с низким сопротивлением rDSON это означает, что потенциал затвора должен быть на несколько вольт выше потенциала стока при работе в омической области. В схеме понижающего преобразователя для этого потребуется дополнительный источник, обеспечивающий повышенное напряжение для управления затвором. В качестве альтернативы в понижающем преобразователе можно использовать p-канальный транзистор. Это позволяет управлять затвором, «подтягивая» его к отрицательной шине питания (-VIN), как показано на Рис. 7.12.

Способ управления р-канальным МОП-транзистором с использованием «подтягивающего» резистора между затвором и отрицательной шиной питанияРис. 7.12. Способ управления р-канальным МОП-транзистором с использованием «подтягивающего» резистора между затвором и отрицательной шиной питания

Схема управления должна быть спроектирована таким образом, чтобы ограничить напряжение затвор-исток на безопасном для МОП-транзистора уровне. В р-канальном транзисторе эпитаксиальный слой и сток выполнены из р-материала, поэтому ток осуществляется за счёт движения неосновных носителей заряда. Это намного снижает быстродействие р-канального транзистора по сравнению с n-канальным и повышает его сопротивление в открытом состоянии. При одном и том же номинальном токе р-канальные транзисторы имеют значительно большую площадь кристалла, чем n-канальные. Из-за этого применение p-канальных транзисторов ограничивается в первую очередь понижающими преобразователями и, как следствие, производится значительно меньшее количество их наименований.

От толщины оксидного слоя между затвором и истоком зависят пороговое напряжение включения и напряжение пробоя затвор-исток. МОП-транзисторы со стандартным управлением имеют напряжение пробоя +20 В и пороговое напряжение включения около 4 В. Транзисторы с низковольтным управлением имеют напряжение пробоя +20 В и пороговое напряжение около 2 В. Транзисторы с управлением логическими уровнями предназначены для непосредственной работы с ТТЛ и КМОП логическими микросхемами и имеют напряжение пробоя ±12 В и пороговое напряжение около 1 В.

Крайне важно обеспечить, чтобы напряжение на затворе не превышало максимального значения, указанного в справочных данных. Толщина оксидного слоя МОП-транзистора со стандартным управлением составляет порядка 80 нм. В транзисторе с управлением логическими уровнями она снижена до 50 нм. Напряжение затвор-исток, превышающее максимальное значение, может легко пробить оксидный слой затвора, что приведёт к немедленному необратимому выходу транзистора из строя.

Между истоком и стоком МОП-транзистора находится p-n-переход, который фактически работает как обычный диод. Он проводит ток в направлении, противоположном «нормальному» току от стока к истоку. Ток этого внутреннего диода течёт тем же путём, что и ток МОП-транзистора, поэтому он имеет такую же номинальную величину. Номинальное напряжение «внутреннего» диода также совпадает с этим параметром для МОП-транзистора.

При отпирании мощные МОП-транзисторы будут проводить ток как от стока к истоку, так и от истока к стоку. Ток в МОП-транзисторе создаётся потоком электронов из истока через обогащенный канал в обеднённую область (n-), поэтому здесь3 нет препятствующего току p-n-перехода. Внутренний диод и способность проводить ток от истока к стоку позволяют использовать МОП-транзистор в качестве выпрямителя.

Прямое напряжение внутреннего диода примерно такое же, что и у других эпитаксиальных диодов, и может колебаться в пределах 0.5…2.0 В при самых больших токах. Прямое напряжение снижается с повышением температуры. Подвижность неосновных носителей заряда при высоких температурах возрастает, поэтому величина падения напряжения на открытом диоде уменьшается. Сопротивление открытого МОП-транзистора, наоборот, повышается с ростом температуры. Время обратного восстановления внутреннего диода примерно такое же, как у обычных выпрямительных диодов, — порядка 100 нс. Как правило, чем выше номинальный ток транзистора, тем больше время обратного восстановления. Из-за относительно большого времени обратного восстановления нет возможности использования внутреннего диода в высокочастотных схемах. В таких случаях параллельно транзистору включается быстродействующий внешний (дискретный) диод. В двухтактных схемах, например мостовых, использование внутренних диодов также довольно проблематично, потому что МОП-транзистор открывается значительно быстрее, чем закрывается внутренний диод. Вследствие этого могут возникать броски тока. Фирмы International Rectifier, Ixys и Advanced Power Technology производят МОП-транзисторы с встроенным FRED, чтобы время обратного восстановления определялось не относительно медленным внутренним диодом, а ультрабыстрым диодом FRED.

Важным преимуществом МОП-транзисторов является положительный температурный коэффициент сопротивления в открытом состоянии. Это позволяет включать транзисторы параллельно, чтобы увеличить ток или уменьшить сопротивление. Если один из параллельных транзисторов начинает пропускать больший ток, он нагревается и ограничивает его. Биполярные транзисторы имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения насыщения, поэтому они более склонны к лавинному разогреву (особенно при параллельном включении). При параллельном использовании МОП-транзисторов часто возникает проблема устранения паразитных автоколебаний в цепи затвора. На сайте фирмы Advanced Power Technology можно найти превосходную документацию, в которой освещены вопросы параллельного включения МОП-транзисторов.

1 Потери мощности в МОП-транзисторе вследствие конечной величины проводимости (ненулевого сопротивления) канала, что вызывает рассеивание на нём тепловой энергии, особенно при протекании больших токов.

2 Потери, связанные с реактивными эффектами, возникающими при включении и выключении транзистора.

3 В отличие от биполярного транзистора.

197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209