Мощные МДП-транзисторы

1234

Мощные полевые транзисторы

При переключении больших мощностей в ключевом режиме или при линейном усилении мощного сигнала в усилительном режиме на передний план среди эксплуатационных параметров полупроводникового прибора выступают энергетические показатели – потери мощности в транзисторе и зависящий от них КПД режима эксплуатации.

В ключевом режиме необходимо стремиться к тому, чтобы сопротивление мощного полевого транзистора в открытом состоянии было минимальным, тогда потери мощности в транзисторе P = IC2∙rкан также будут минимальными. В усилительном режиме потери мощности в режиме покоя пропорциональны амплитуде выходного сигнала и неизбежны. Эти потери и соответственно температура структуры, пропорциональны сопротивлению канала. Кроме того, при большом сопротивлении канала происходит снижение крутизны транзистора как за счет перегрева, так и вследствие возникновения отрицательной обратной связи через сопротивление истока.

Таким образом, главное требование к параметрам мощных полевых транзисторов – это снижение сопротивления канала, что обеспечивается созданием короткого канала. С этой целью в мощных полевых транзисторах переходят от рассмотренных ранее горизонтальных (планарных) структур к вертикальным, в которых направление тока перпендикулярно поверхности структуры (рисунок 9.44). Другая особенность мощных полевых транзисторов, позволяющая снизить сопротивление канала, – это большое количество параллельно соединенных каналов (около тысячи), т. е. многоканальность (многоэлементность) структуры.

Необходимость рассеивать большие мощности требует увеличения площади кристалла мощного полевого транзистора, что, естественно, приводит к увеличению паразитных емкостей (до 1000 пФ и более). Снижение быстродействия полевого транзистора в сильноточных устройствах происходит не так заметно, так как перезаряд паразитных емкостей при этом обеспечивается через низкоомные внешние резисторы. Тем не менее создание мощного и одновременно быстродействующего полевого транзистора – одна из проблем силовой полупроводниковой электроники.

Наибольшее применение в энергетической электронике нашли мощные МДП- транзисторы, транзисторы и тиристоры со статической индукцией (SIT), а также биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Мощные МДП-транзисторы

В настоящее время мощные МДП-транзисторы в основном реализуются на базе вертикальной многоэлементной структуры: ДМДП, VМДП и UМДП типов. Структуры типа VМДП и UМДП были приведены ранее на рисунке 9.44. Структура ДМДП- транзистора с вертикальным стоком представлена на рисунке 9.59.



Она выполнена в эпитаксиальном n–-слое на n+-подложке. Затвор из самоизолированного поликристаллического кремния используется в качестве первого слоя металлизации. В качестве контакта к областям истока (n+) и подложки (p+) используется слой алюминия (не показан на схеме). В этой конструкции p+-области обеспечивают малое сопротивление исток-подложка, что уменьшает влияние паразитного биполярного транзистора n+-p-n–-n+ и повышает устойчивость к эффектам шнурования тока (вторичному пробою). Типичные профили легирования в таких приборах показаны на рисунке 9.43. В отличие от VМДП- структур, в которых ток распределен вертикально, в ДМДП- транзисторе управляемый канал Lк расположен в горизонтальной плоскости, и ток в канале течет параллельно поверхности затвора. В дрейфовой n–-области ток растекается в вертикальном направлении (рисунок 9.59, б). Многоэлементная структура обеспечивает высокое отношение Wk/Lk , а следовательно, крутизну. Ширина канала определяется суммой периметров истока всех элементов.

Рисунок 9.59 - Вид сверху (а) и поперечное сечение (б) ДМДП – транзистора

с многоэлементной структурой

Основные особенности мощных МДП- структур – это сокращение длины канала и встраивание высокоомной стоковой n-области, через которую происходит дрейф носителей заряда тока стока. Простое сокращение длины канала привело бы к снижению пробивного напряжения между стоком и затвором; введение дополнительной дрейфовой n-области позволяет обеспечить высокое значение пробивного напряжения транзистора. Связь между сопротивлением дрейфовой области и пробивным напряжением сток – затвор описывается полуэмпирическим выражением [24]:

rдр = kUmпроб , (9.67)

где m = 2,2÷2,7 в зависимости от удельного сопротивления исходного кремния.

В связи с малой длиной канала и насыщением дрейфовой скорости передаточная характеристика IС(UЗИ) описывается линейной зависимостью (9.56), а крутизна насыщается при малых напряжениях стока и не зависит от напряжения затвора (9.57).

Быстродействие МДП-транзистора определяется его межэлектродными емкостями. Паразитные межэлектродные емкости мощных полевых транзисторов увеличиваются пропорционально мощности транзистора, что связано с ростом геометрических размеров структуры прибора.

Мощные МДП-транзисторы характеризуются следующими межэлектродными емкостями:

С11И – входная емкость – емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (между стоком и истоком);

С22И – выходная емкость – емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе транзистора (между затвором и истоком);

С12И – проходная емкость – емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на выходе.

При количественной оценке влияния емкостей С11И, С22И, С12И на быстродействие МДП-транзистора в реальных режимах эксплуатации необходимо учитывать следующее:

1) увеличение входной емкости МДП-транзистора вследствие эффекта Миллера в активной рабочей области транзистора;

2) зависимость межэлектродных емкостей от напряжения. Можно предвидеть, в частности, что вследствие обратно пропорциональной зависимости между барьерной емкостью и напряжением на p-n переходе эксплуатация МДП- транзистора при повышенном напряжении сток-исток обеспечивает повышение быстродействия из-за снижения значения емкостей ССИ и СЗС.

Основные эксплуатационные показатели мощного МДП-транзистора в ключевом режиме – это потери мощности в транзисторе, быстродействие и надежность. Кроме того, важно оценить возможности непосредственного управления от интегральных микросхем или совместимость мощных МДП-транзисторов с цифровыми ИС.

Рисунок 9.60 - Зависимость падения напряжения на открытом МДП- транзисторе от напряжения затвор-исток

Потери мощности в ключе на МДП-транзисторе определяются прежде всего потерями в открытом состоянии транзистора P = IC2∙rСИ . Значение выходного тока IC задается внешней нагрузкой, и для снижения мощности потерь P необходимо обеспечить минимальное значение сопротивления открытого транзистора rСИmin. При увеличении напряжения затвор-исток растет наведенный заряд подвижных носителей и уменьшается сопротивление канала МДП-транзистора, а значит, и полное сопротивление открытого транзистора. Очевидно, что влияние управляющего напряжения UЗИ на сопротивление открытого транзистора имеет предел, так как оно воздействует только на одну составляющую – на сопротивление канала – rкан ; другие составляющие rдр , rконт от UЗИ практически не зависят и определяют минимально достижимое сопротивление открытого транзистора: rСИmin ≈ rдр . Изложенное наглядно иллюстрирует зависимости UСИ =f(UЗИ), снятые при различных токах стока IС мощного VМДП- транзистора (рисунок 9.60): падение напряжения UСИ на открытом транзисторе, а значит, и сопротивление rСИ снижаются с ростом напряжения UЗИ , однако это влияние имеет место только до значения UЗИ = 12 В.

Быстродействие мощного МДП-транзистора, имеющего большую емкость затвора, в значительной степени определяется длительностью перезаряда входной емкости транзистора. Энергия импульса управления, необходимая для заряда входной емкости, , где UЗИ – амплитуда управляющего напряжения затвор-исток, обеспечивающая rСИmin (рисунок 9.60).

Рассмотрим переходные процессы в мощном МДП- транзисторе по схеме ключа с общим истоком (рисунок 9.61, а). Пусть в момент времени t1 подается скачок управляющего напряжения ег с амплитудой Ег (рисунок 9.61, б). Напряжение затвор-исток UЗИ при этом изменяется по мере заряда входной емкости МДП-транзистора. На интервале t1–t2 напряжение UЗИ < Uпор , транзистор находится в области отсечки и входная емкость Свх1 = С11И . В момент t2 напряжение затвор-исток достигает значения Uпор и МДП-транзистор переходит в активную (усилительную) область, начинает действовать эффект Миллера и входная емкость определяется выражением

Свх2 = СЗИ + СЗС(1 + gmRн).

б)
а)
в)

Рисунок 9.61 - Мощный МДП- транзистор в ключевом режиме: а – схема включения;

б – диаграммы работы; в – вольт-кулоновская характеристика

Эффект Миллера исчезает, когда транзистор полностью открывается, т. е. сопротивление открытого транзистора достигает своего минимального значения, задаваемого напряжением затвор-исток (момент времени t3 на рисунке 9.61, б). Итак, процесс установления сопротивления открытого транзистора определяется зарядом входной емкости – это время задержки включения транзистора tЗ,вкл (рисунок 9.61, б), которое оценивается по формуле [24]:

, (9.68)

где Rг – внутреннее сопротивление источника управляющего напряжения, например выходное сопротивление цифровой ИС; Eг – амплитуда управляющего потенциала; UЗИmin – напряжение затвор-исток, при котором сопротивление открытого транзистора минимально, а ток стока IС максимален (рисунок 9.61, б).

Пусть Ег=10 В; Rг=10 кОм; Uпор = 3,8 В; СЗИ = 645 пФ; СЗС = 25 пФ; S = 250 мСм; RН = 200 Ом, тогда расчет по (9.68) даст для задержки включения значение 10 мкс. При уменьшении сопротивления Rг пропорционально будет уменьшаться время задержки включения и расти амплитуда тока заряда входной емкости (выходной ток управляющей МДП-транзистором интегральной микросхемы).

При выключении МДП-транзистора имеем задержку выключения, определяемую переходным процессом разряда входной ёмкости. Длительность этого процесса складывается из следующих этапов: во-первых, этапа разряда входной ёмкости Свх3 от напряжения Ег до напряжения UЗИ.min, при котором транзистор переходит в активную область (на этом этапе переходного процесса транзистор открыт, интервал времени t5–t6 на рисунке 9.61, б); во-вторых, этапа разряда входной ёмкости Свх2 в активной области, когда действует эффект Миллера (интервал времени t6–t7 на рисунке 9.61, б).

В момент времени t7 напряжение UЗИ достигает значения Uпор, и ток стока спадает до нуля. Длительность задержки выключения МПД-транзистора оценивается выражением

. (9.69)

Процессы формирования фронтов выходного напряжения и определяются перезарядом емкости нагрузки и практически не отличаются от рассмотренных ранее (9.62), (9.63).

Входные емкости Свх1, Свх2 и Свх3 могут быть оценены из вольт-кулоновских характеристик (рисунок 9.61, в):

; ; .

Зависимости QЗ(UЗИ) разделены на три области. Первая I заканчивается при QЗ = QЗ1 , а вторая II – при QЗ = QЗ2. Третья область III характеризуется высокими значениями напряжения на затворе и заряде в нём и низким значением напряжения стока. Значение Свх3 > Свх1 , так как СЗС3 > СЗС1. При включении СЗС определяется областью обеднения стока (большой потенциал UС), при выключении поверхность сильно инвертирована и ёмкость СЗС определяется толщиной диэлектрика затвора.

По аналогии с биполярным транзистором период (t5–t6) иногда называют временем рассасывания накопленного заряда в затворе, которое значительно меньше, чем у биполярного транзистора.

Важное достоинство мощных МДП-транзисторов – возможность непосред-ственного управления от ИС. Рассмотрим построение цепи управления мощным МДП- транзистором с цифровыми ИМС на комплементарных полевых транзисторах (КМДП ИС) и на биполярных транзисторах (ТТЛ ИС). С точки зрения управления мощными МДП-транзисторами среди параметров цифровых ИМС важны параметры нагрузочной способности: выходное напряжениеUвых и выходной ток Iвых [24].

Для КМДП ИС Uвых =15 В, Iвых = 1÷5 мА; для ТТЛ ИС Uвых = 5В; Iвых = 5÷30 мА.

Рассмотрим две схемы включения мощного МДП-транзистора в ключевом режиме: схему с общим истоком, когда нагрузка не заземлена и напряжение между затвором и истоком равно выходному напряжению управляющей ИМС (рисунок 9.62, а); схему с общим стоком (истоковый повторитель), когда нагрузка соединена с общей точкой схемы (заземлённая нагрузка), а напряжение UЗИ меньше выходного напряжения управляющей ИМС на величину падения напряжения на нагрузке (UЗИ = Uвых – URн) (рисунок 9.62, б). Следует отметить, что при таком включении транзистора снижается входная емкость.

Рисунок 9.62 - Мощный МДП-транзистор в ключевом режиме по схеме

с общим истоком (а) и с общим стоком (б)

Сначала определим особенности построения цепи управления мощным МДП- транзистором с общим истоком при управлении от ИС, когда требования к быстродействию ключа относительно низкие. В этом случае основная задача управляющей ИС – формирование выходного напряжения с амплитудой Uвых ≥ 15 В, обеспечивающей минимальное сопротивление открытого МДП- транзистора. Очевидно, что для КМДП ИС указанное требование к амплитуде Uвых выполняется при непосредственной связи между ИС и мощным МДП-транзистором. При управлении от ТТЛ ИС необходимо повысить амплитуду выходного напряжения, что обычно достигается применением ТТЛ ИС с открытым коллектором с питающим напряжением не менее 15 В.

Если же основное требование к ключу на мощном МДП-транзисторе – максимальное быстродействие, то необходимость повышения скорости перезаряда входной емкости транзистора усложняет цепь управления. Это усложнение обычно сводится к постановке между ИС и входом транзистора дополнительных эмиттерных повторителей, которые усиливают выходной ток ИМС и ускоряют перезаряд входной емкости МДП-транзистора. Усиление выходного тока КМДП ИС показано на рисунке 9.63. Заряд входной емкости происходит через эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, а разряд через эмиттерный повторитель на VT2. Усиление выходного тока ТТЛ ИС с помощью внешнего эмиттерного повторителя иллюстрирует рисунок 9.63, б. Когда на выходе ТТЛ ИС низкое напряжение (выходной транзистор ИС VT открыт), транзистор VT1 эмиттерного повторителя закрыт – входная емкость МДП-транзистора быстро разряжается через диод VD и транзистор VT. При запирании транзистора VT входная емкость форсировано заряжается большим эмиттерным током открытого транзистора VT1.

Рисунок 9.63 - Управление мощным МДП- транзистором через внешний

эмиттерный повторитель от КМДП ИС (а) и от ТТЛ ИС (б)

При управлении мощным МДП-транзистором, включенным по схеме с общим стоком, в целях повышения напряжения затвор-исток вводят форсирующие ёмкостные цепи. Принцип действия такой форсирующей цепи рассмотрим на примере рисунка 9.64. Пусть на выходе ИМС низкий уровень выходного напряжения, мощный МДП-транзистор закрыт, конденсатор Сфор заряжен до напряжения питания Е. Резистор R ограничивает ток, потребляемый на выходе ИС от источника питания Е. Когда выходное напряжение ИС возрастает, мощный МДП-транзистор открывается и между истоком и затвором прикладывается напряжение конденсатора UС = Е; в результате включение транзистора обеспечивается высоким напряжением Е, и сопротивление открытого мощного МДП- транзистора быстро снижается до минимального значения. Длительность поддержания форсирующего напряжения определяется сопротивлением открытого диода VD, через который разряжается форсирующий конденсатор Сфор во время открытого состояния МДП-транзистора. Минимальное значение ёмкости форсирующего конденсатора Сфор ≥ 10С11И.

Выходной каскад управляющей ИС в схеме с форсирующим конденсатором должен выдерживать удвоенное напряжение источника питания МДП-транзистора. При запи-рании МДП-транзистора входная ёмкость разряжается по цепи: выход ИС–RH –Сфор–R.

Быстродействующие ключи на мощных МДП-транзисторах предъявляют повышенные требования к монтажу цепи управления: в частности, необходимо снизить до минимума индуктивность цепи управления (рисунок 9.65).Например, соединительный проводник длиной всего 10 мм между затвором и выходом ИС составляет с входной ёмкостью МДП-транзистора паразитный колебательный контур с собственным периодом колебаний нс; такой контур резко снижает помехоустойчивость мощного МДП-транзистора. Для снижения добротности паразитного колебательного контура в цепь затвора вводят последовательно резистор R ≥ 100 Ом или на вывод затвора (ближе к корпусу МДП-транзистора) надевают экранирующую ферритовую бусинку.

Если МДП-транзистор эксплуатируют в ключевом режиме при высоком уровне внешних импульсных помех, то следует применять высокопороговые МДП-транзисторы с Uпор ≥ 4÷6 В.


6099095719504660.html
6099119546286505.html
    PR.RU™