סקירה כללית של MOSFET

Power MOSFET מחולק גם לסוג צומת וסוג שער מבודד, אך בדרך כלל מתייחס בעיקר לסוג השער המבודד MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET), המכונה כוח MOSFET (Power MOSFET). טרנזיסטור אפקט שדה כוח מסוג צומת נקרא בדרך כלל טרנזיסטור אינדוקציה אלקטרוסטטי (Static Induction Transistor - SIT). הוא מאופיין במתח השער לשליטה בזרם הניקוז, מעגל ההנעה פשוט, דורש כוח הנעה קטן, מהירות מיתוג מהירה, תדירות פעולה גבוהה, יציבות תרמית טובה יותר מאשרGTR, אבל הקיבולת הנוכחית שלו קטנה, מתח נמוכה, בדרך כלל חלה רק על הספק של לא יותר מ-10kW של מכשירים אלקטרוניים.

1. מבנה MOSFET כוח ועיקרון הפעולה

סוגי הספק MOSFET: על פי הערוץ המוליך ניתן לחלק לערוץ P וערוץ N. על פי משרעת מתח השער ניתן לחלק ל; סוג דלדול; כאשר מתח השער הוא אפס כאשר קוטב מקור הניקוז בין קיומו של ערוץ מוליך, משופר; עבור התקן N (P) ערוץ, מתח השער גדול מ-(פחות מאפס) לפני קיומו של ערוץ מוליך, ה-MOSFET ההספק הוא בעיקר N-channel משופר.

1.1 כוחMOSFETמִבְנֶה　　

מבנה פנימי של Power MOSFET וסמלים חשמליים; ההולכה שלו רק נושאות קוטביות אחת (פוליס) המעורבים במוליך, היא טרנזיסטור חד קוטבי. מנגנון ההולכה זהה ל-MOSFET בעל הספק נמוך, אך למבנה יש הבדל גדול, ה-MOSFET בעל הספק נמוך הוא התקן מוליך אופקי, ה-MOSFET ההספק רוב המבנה המוליך האנכי, הידוע גם כ-VMOSFET (אנכי MOSFET) , מה שמשפר מאוד את יכולת המתח והזרם של מכשיר ה-MOSFET.

על פי ההבדלים במבנה המוליך האנכי, אבל גם מחולק לשימוש בחריץ בצורת V כדי להשיג מוליכות אנכית של VVMOSFET ויש לו מבנה MOSFET מוליך כפול מפוזר אנכי של VDMOSFET (Vertical Double-diffusedMOSFET), מאמר זה נדון בעיקר כדוגמה להתקני VDMOS.

Power MOSFETs עבור מבנים משולבים מרובים, כגון International Rectifier (International Rectifier) ​​HEXFET באמצעות יחידה משושה; סימנס (סימנס) SIPMOSFET באמצעות יחידה מרובעת; מוטורולה (Motorola) TMOS באמצעות יחידה מלבנית על ידי סידור צורת "Pin".

1.2 כוח MOSFET עקרון הפעולה

ניתוק: בין קטבי מקור הניקוז בתוספת אספקת חשמל חיובית, קטבי מקור השער בין המתח הוא אפס. אזור בסיס p ואזור סחיפה N נוצרים בין צומת PN J1 הטיה הפוכה, אין זרימת זרם בין קטבי המקור לניקוז.

מוליכות: עם UGS מתח חיובי המופעל בין מסופי השער-מקור, השער מבודד, כך שלא זורם זרם שער. עם זאת, המתח החיובי של השער ידחוף את החורים באזור ה-P שמתחתיו, וימשוך את האליגונים-אלקטרונים באזור ה-P אל פני השטח של אזור ה-P שמתחת לשער כאשר ה-UGS גדול מ- UT (מתח הפעלה או מתח סף), ריכוז האלקטרונים על פני אזור ה-P מתחת לשער יהיה יותר מריכוז החורים, כך שמוליך למחצה מסוג P הופכים לסוג N והופכים לשכבה הפוכה, והשכבה ההפוכה יוצרת ערוץ N וגורמת לצומת PN J1 להיעלם, לנקז ולמוליך מקור.

1.3 מאפיינים בסיסיים של MOSFETs כוח

1.3.1 מאפיינים סטטיים.

הקשר בין מזהה זרם הניקוז למתח UGS בין מקור השער נקרא מאפיין ההעברה של ה-MOSFET, ID גדול יותר, הקשר בין ID ל-UGS הוא ליניארי בקירוב, ושיפוע העקומה מוגדר כטרנסמוליכות Gfs .

מאפייני ה-Drain וולט-אמפר (מאפייני פלט) של ה-MOSFET: אזור חיתוך (המקביל לאזור החיתוך של ה-GTR); אזור הרוויה (המקביל לאזור ההגברה של ה-GTR); אזור ללא רוויה (המקביל לאזור הרוויה של ה-GTR). ה-MOSFET הכוח פועל במצב מיתוג, כלומר, הוא עובר הלוך ושוב בין אזור הניתוק לאזור ללא הרוויה. ל-MOSFET הכוח יש דיודה טפילית בין מסופי מקור הניקוז, והמכשיר מוליך כאשר מופעל מתח הפוך בין מסופי מקור הניקוז. להתנגדות במצב במצב של ה-MOSFET הכוח יש מקדם טמפרטורה חיובי, שהוא חיובי להשוואת הזרם כאשר המכשירים מחוברים במקביל.

1.3.2 אפיון דינמי;

מעגל הבדיקה שלו וצורות הגל של תהליך המיתוג.

תהליך ההדלקה; זמן עיכוב הפעלה td(on) - פרק הזמן בין הרגע של מקדימה לרגע שבו uGS = UT ו-iD מתחילים להופיע; זמן עלייה tr- פרק הזמן שבו uGS עולה מ-uT למתח השער UGSP שבו ה-MOSFET נכנס לאזור הלא-רווי; ערך המצב היציב של iD נקבע על ידי מתח אספקת הניקוז, UE והניקוז. גודל ה-UGSP קשור לערך המצב היציב של iD. לאחר ש-UGS מגיע ל-UGSP, הוא ממשיך לעלות תחת הפעולה של עד שהוא מגיע למצב יציב, אך ה-ID אינו משתנה. טון זמן הפעלה - סכום זמן עיכוב הפעלה וזמן עלייה.

זמן השהיית כיבוי td(off) -פרק הזמן שבו ה-iD מתחיל לרדת לאפס מהזמן למעלה יורד לאפס, Cin נפרק דרך Rs ו-RG, ו-uGS יורד ל-UGSP לפי עקומה מעריכית.

Falling time tf- פרק הזמן מרגע שה-uGS ממשיך לרדת מ-UGSP ו-iD פוחת עד שהערוץ נעלם ב-uGS < UT וה-ID יורד לאפס. זמן כיבוי toff- הסכום של זמן השהיית הכיבוי וזמן הנפילה.

1.3.3 מהירות מיתוג MOSFET.

למהירות מיתוג MOSFET ולטעינה ופריקה של Cin יש קשר נהדר, המשתמש לא יכול להפחית את ה-Cin, אבל יכול להפחית את ההתנגדות הפנימית של מעגל ההנעה Rs כדי להפחית את קבוע הזמן, כדי להאיץ את מהירות המיתוג, MOSFET מסתמך רק על המוליכות הפוליטרונית, אין אפקט אחסון אוליגוטרוני, ולכן תהליך הכיבוי מהיר מאוד, זמן המיתוג של 10-100ns, תדירות הפעולה יכולה להיות עד 100kHz או יותר, הוא הגבוה ביותר מבין המכשירים האלקטרוניים העיקריים.

מכשירים הנשלטים בשטח אינם דורשים כמעט זרם כניסה במנוחה. עם זאת, במהלך תהליך המיתוג, יש לטעון ולפרוק את קבל הקלט, מה שעדיין דורש כמות מסוימת של כוח הנעה. ככל שתדירות המיתוג גבוהה יותר, כך נדרש כוח ההנעה גדול יותר.

1.4 שיפור ביצועים דינמי

בנוסף יישום המכשיר לשקול את המכשיר מתח, זרם, תדר, אבל גם חייב לשלוט ביישום של איך להגן על המכשיר, לא לעשות את המכשיר בשינויים חולפים הנזק. כמובן שהתיריסטור הוא שילוב של שני טרנזיסטורים דו-קוטביים, יחד עם קיבול גדול בגלל השטח הגדול, כך שיכולת ה-dv/dt שלו פגיעה יותר. עבור di/dt יש לו גם בעיית אזור הולכה מורחב, כך שהוא גם מטיל מגבלות חמורות למדי.

המקרה של MOSFET הכוח שונה לגמרי. יכולת ה-dv/dt וה-di/dt שלו מוערכת לרוב במונחים של יכולת לננו-שנייה (ולא לכל מיקרו-שנייה). אבל למרות זאת, יש לו מגבלות ביצועים דינמיות. ניתן להבין את אלה במונחים של המבנה הבסיסי של MOSFET כוח.

המבנה של MOSFET כוח והמעגל המקביל לו. בנוסף לקיבול כמעט בכל חלק של המכשיר, יש לקחת בחשבון של-MOSFET יש דיודה המחוברת במקביל. מנקודת מבט מסוימת, יש גם טרנזיסטור טפילי. (כמו של-IGBT יש גם תיריסטור טפילי). אלו הם גורמים חשובים בחקר ההתנהגות הדינמית של MOSFETs.

קודם כל לדיודה הפנימית המחוברת למבנה MOSFET יש יכולת מסויימת של מפולת. זה מתבטא בדרך כלל במונחים של יכולת מפולת בודדת ויכולת מפולת חוזרת. כאשר ה-di/dt ההפוכה גדול, הדיודה נתונה לדופק דופק מהיר מאוד, שיש לו פוטנציאל להיכנס לאזור המפולת ולפגוע במכשיר ברגע שתחרוג מיכולת המפולת שלו. כמו בכל דיודה של צומת PN, בדיקת המאפיינים הדינמיים שלה מורכבת למדי. הם שונים מאוד מהרעיון הפשוט של צומת PN המוליך בכיוון קדימה וחוסם בכיוון ההפוך. כאשר הזרם יורד במהירות, הדיודה מאבדת את יכולת החסימה ההפוכה שלה לפרק זמן המכונה זמן התאוששות הפוך. יש גם פרק זמן שבו צומת PN נדרש להתנהל במהירות ואינו מראה התנגדות נמוכה מאוד. ברגע שיש הזרקה קדימה לתוך הדיודה ב-MOSFET כוח, נושאי המיעוטים המוזרקים מוסיפים גם הם למורכבות של ה-MOSFET כמכשיר מולטיטרוניק.

תנאים חולפים קשורים קשר הדוק לתנאי הקו, ויש לתת תשומת לב מספקת להיבט זה ביישום. חשוב להכיר את המכשיר לעומק על מנת להקל על ההבנה והניתוח של הבעיות המתאימות.