UČINSKI MOSFET (metal – oxide – semiconductor field effect transistor)

Παρουσίαση με θέμα: "UČINSKI MOSFET (metal – oxide – semiconductor field effect transistor)"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 UČINSKI MOSFET (metal – oxide – semiconductor field effect transistor)
MOS tranzistor s efektom polja

2 Za energetsku elektroniku postao je značajan osamdesetih godina XX
Za energetsku elektroniku postao je značajan osamdesetih godina XX. stoljeća. Na tržištu se pojavio oko godine. Zamijenio je bipolarni tranzistor u primjenama u kojima se traže dobre sklopne karakteristike (što manji sklopni gubici). Ideja je stara. Još je god. ukazano (Heil) da se pomoću vanjskog električnog polja okomitog na površinu poluvodiča može upravljati strujom kroz poluvodič.

3 N-kanalni MOSFET (obogaćeni tip)
uvod može se ostvariti polisilicijem odvod Odlike i mane: proizlaze iz njegove unipolarne prirode: umjerena naponska opteretivost i dobre sklopne karakteristike. Dvije posebnosti: omski kontakt uvoda spojen je na kanalno p-područje i metalna elektroda geita nalazi se iznad n-područja. No, o tome kasnije.

4 uvodno područje kanalno područje driftno područje odvodno područje uvod odvod n--područje je područje odvoda, n+-područje je područje uvoda, a strjelica predstavlja kanalno p-područje. Strjelica je spojena s uvodom, jer je kanalno područje spojeno s uvodom. Strjelica je u smjeru propusne polarizacije p-n+ prijelaza.

5 Još o strukturi uvod odvod – Uvod i odvod su na nasuprotnim stranama silicijeve pločice. Tako su postignute najveće moguće površine metalnih kontakata uvoda i odvoda. Ova struktura se naziva VDMOS struktura (vertical diffused MOSFET). Naziv je u vezi s tehnološkim procesom proizvodnje.

6 Tehnološki proces proizvodnje:
– podloga je n+-silicijska pločica (područje odvoda), – epitaksijalnim rastom na podlozi dobije se n–-područje (driftno podru-čje) željene debljine, – prvom difuzijom kroz nemaskirana područja sa strane uvoda dobije se p-područje (kanalno područje), – drugom difuzijom kroz nemaskirana područja sa strane uvoda dobije se n+-područje (područje uvoda), – metalizacijom se dobiju omski kontakti uvoda, odvoda i geita.

7 Karakteristike na temelju strukture
– Metalni kontakti uvoda i odvoda su isprepleteni (gledajući sa strane uvoda). uvod uvod (rupa) Tako je postignut najveći mogući presjek kanala, tj. opseg geita (opseg geita jednak je opsegu jednog elementarnog geita pomnoženim s brojem elementarnih ćelija). Na bazi rasporeda a) International Rectifier je konstruirao svoj učinski MOSFET, komercijalno nazvan HEXFET.

8 – Struktura sadrži parazitni bipolarni tranzistor (BJT) i tzv
– Struktura sadrži parazitni bipolarni tranzistor (BJT) i tzv. ugrađenu diodu. Parazitni tranzistor je svojstven strukturi MOSFET-a (ne može se izbjeći). On ne smije uklopiti. Zato je njegov emiter kratko spojen s bazom. No, stvorena je parazitna (tzv. ugrađena) dioda. Dakle, učinski MOSFET nema zapornih svojstava, on u inverznom smjeru vodi struju. Parazitna dioda može se iskoristiti u sklopovima autonomnih izmjenjivača.

9 – Za svojstvo blokiranja odgovoran je p-n– prijelaz
– Za svojstvo blokiranja odgovoran je p-n– prijelaz. Očito, kanal je to dulji što je veći probojni blokirni napon. Granica zone prostornog naboja ako se metalna elektroda geita ne proteže iznad n–-područja. n–-područje mora biti dovoljno slabo dopirano da bi se zona prostornog naboja mogla nesmetano širiti.

10 – Prekrivanjem n–-područja metalnom elektrodom geita smanjena je jakost električnog polja na rubu p-n– prijelaza. Metalna elektroda geita se proteže iznad n–-područja.

11 – Prekrivanjem n–-područja dobiveno je još jedno dobro svojstvo strukture: povećana vodljivost n–-područja (n–-područje naziva se driftno područje). Ispod SiO2 stvoren je akumulacijski sloj, te je povećana vodljivost driftnog područja (smanjen je pad napona u stanju vođenja).

12 V-I karakteristike (izlazne karakteristike)
MOSFET (n-kanalni) bipolarni tranzistor (NPN) Uvod S je obično zajednički ulaznom i izlaznom krugu.

13 Područja rada MOSFET-a
Podsjetimo se. Kod bipolarnog tranzistora područja rada su: područje zasićenja, aktivno područje i blokirno područje. Dakle, otporno područje analogno je području zasićenja. Aktivno područje nekad se nazivalo i pentodno područje.

14 ID-VGS karakteristika (prijenosna karakteristika)
Uočite da iznad tzv. napona praga VGS(th) struja odvoda naglo raste.

15 Fizikalno objašnjenje napona praga
L = duljina kanala Ponovite iz elektronike kako nastaje inverzioni sloj. Ovdje je dovoljno znati da inverzioni sloj nastaje kod određenog napona i da se taj napon naziva napon praga. Kod učinskog MOSFET-a napon praga iznosi nekoliko volti. Napon praga, iako ovisi o nizu čimbenika, može se po volji podešavati.

16 U stanju blokiranja napon napajanja mora biti manji od probojnog napona BVDSS. Ako dođe do proboja, radi se o lavinskom proboju (zašto?).

17 Ova jednadžba postaje očita ako se napiše ovako:
To je uvjet postojanja inverzionog sloja na desnom kraju kanala. Širina inverzionog sloja opada od uvoda S prema odvodu D. VCS(x) = pad napona duž kanala (napon između neke točke u kanalu i uvoda)

18 Rekapitulacija

19 Granica između otpornog i aktivnog područja
U aktivnom području struja odvoda ovisi samo o naponu VGS. Približno vrijedi (samo kod malih struja ID): Konstanta K ovisi o geometriji strukture. Na granici otpornog i aktivnog područja je: pa je: To je jednadžba razgraničenja otpornog i aktivnog područja. Zgodno ju je zapamtiti.

20 Otpor u stanju vođenja RDS(on)
MOSFET ima manje gubitke od bipolarnog tranzistora za probojne napone manje od nekoliko stotina volti. Za veće probojne napone gubici MOSFET-a su veći od gubitaka bipolarnog tranzistora.

21 Kod niskonaponskog MOSFET-a (probojnog napona do nekoliko stotina volti), sve ove komponente otpora su podjednake. Kod visokonaponskog MOSFET-a dominira Rd. Otpor pojedinih dijelova strukture se minimizira što je moguće jačim dopiranjem (npr. koncentraciju dopanta u n–- području određuje probojni napon) i što je moguće manjim izmjerama. Povećanje napona VGS smanjuje otpor kanalnog i driftnog područja.

22 Osnovni problem gubitaka kod visokonaponskog MOSFET-a je pad napona u driftnom području. A taj pad napona je velik, jer je driftno podruje široko i jer u vođenju struje sudjeluju samo elektroni (za gibanje elektrona potrebno je električno polje. Problem je što nema plazme. Kod IGBT-a stvorena je plazma.

23 Paralelno spajanje MOSFET-a
Vođenje. Budući da pokretljivost elektrona μe opada s temperaturom, RDS(on) raste s temperaturom. Porast od 100o C poveća RDS(on) za 90 %. Sklapanje. Struju svakog tranzistora određuje prijenosna karakteristika. Rasipanje prijenosnih karakteristika istog tipa tranzistora je umjereno. Zato je najbolje da su naponi VGS jednaki. No, upravljačke elektrode se ne mogu izravno spojiti, pa treba u seriju s geitom staviti mali otpornik (rasipni induktivitet s kapacitetom upravljačke elektrode može izazvati titraje). Dati dijagram pokretljivosti elektrona i šupljina u siliciju.

24 Sklopne karakteristike
MOSFET je inherentno brži od bipolarnih komponenata, jer tijekom uklapanja/isklapanja ne treba injektirati/izvlačiti nosioce naboja u/iz silicijske pločice. Jedini naboj u igri je onaj u vezi s rasipnim kapacitetima i zonama prostornog naboja.

25 Za proučavanje karakteristika uklapanja i isklapanja može se upotrijebiti ovaj model učinskog MOSFET-a (model ne vrijedi u otpornom području!): iD = 0, ako je VGS < VGS(th) iD = gm(VGS – VGS(th), ako je VGS – VGS(th) < VDS gm se naziva transkonduktancija

26 CDS ne treba uključiti u model
CDS ne treba uključiti u model. Analiza je složena, jer kapaciteti CGD i CGS ovise o naponu. Približno se može uzeti da je CGS konstantan, a da se CGD mijenja ovako:

27 Model za analizu uklapanja i isklapanja MOSFET-a u silaznom pretvaraču
iD = 0, ako je VGS < VGS(th) iD = gm(VGS – VGS(th), ako je VGS – VGS(th) < VDS

28 Uklapanje

29  približno Interval td(on) (napon VGS raste prema naponu VGS(th) približno linearno)

30  Interval tri (struja tranzistora raste prema I0)

31  Interval tfv1 (MOSFET vodi struju I0 ali je još u aktivnom području, napon VDS pada)

32  Interval tfv2(MOSFET vodi struju I0 ali je već u otpornom području, napon VDS pada)

33  Napon VDS je pao na I0rDS(on). Napon VGS više nije pritegnut i nastavlja rasti prema VGG.

34 Isklapanje Tijek isklapanja inverzan je tijeku uklapanja. Metodom kojom su nađeni valni oblici tijekom uklapanja nalaze se valni oblici i tijekom isklapanja. Pretpostavljeno je da napon geita trenutačno pada na nulu.