Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Tranzystory: historia i współczesność, część 4. Zubożane MOSFET-y

Na początku XX wieku wynalazcy dążyli do stworzenia tranzystora sterowanego napięciem. Historia spłatała figla i najpierw rozpowszechniły się stworzone przypadkowo w roku 1948 tranzystory bipolarne (pnp i npn). Gdy z opóźnieniem powstały tranzystory sterowane napięciem, tranzystory polowe złączowe (JFET) nie zdobyły szerszej popularności. Między innymi dlatego, że były to tranzystory normalnie otwarte, które do zatkania potrzebowały niewygodnego napięcia „odwrotnego”. Przełom dokonał się za sprawą wynalezionych na początku lat 60. tranzystorów MOSFET.
Article Image

Dziś klasyczne tranzystory bipolarne są stosowane rzadko, a dominują tranzystory MOSFET, zarówno jako „cegiełki” układów scalonych, jak też jako elementy dużej mocy. Są to tak zwane MOSFET-y wzbogacane (enhancement mode), które normalnie są zatkane. Koniecznie trzeba też wspomnieć o mniej popularnej odmianie MOSFET-ów.

MOSFET-y zubożane

Na rynku są też dostępne MOSFET-y, w tym elementy dużej mocy „normalnie otwarte” (depletion mode – zubożane). Są wprawdzie bardzo rzadko wykorzystywane, jednak w niektórych zastosowaniach okazują się niezastąpione, na przykład w przetwornicach, pracujących przy bardzo małych napięciach zasilania, nawet grubo poniżej 1 wolta.

Rys.1 IXYS IXTH16N10D2

Przykładem takiego zubożonego MOSFET-a z kanałem N dużej mocy (do 530W) może być IXYS IXTH16N10D2. Jak wskazuje rysunek 1, przy zerowym napięciu bramki jest otwarty (zielone krzywe), a w przeciwieństwie do JFET-ów i MOSFET-ów, może także pracować przy znacznych dodatnich napięciach bramki (czerwone krzywe).

Dostępne są też zubożone MOSFET-y małej mocy – rysunek 2 pokazuje fragmenty karty katalogowej Infineon BSP179 w małej obudowie SMD (SOT-223).

MOSFET-y zubożone z kanałem N dziś bez problemu można kupić u lepszych dystrybutorów także w ilościach detalicznych. Nie sposób natomiast znaleźć zubożonego MOSFET-a z kanałem P.

Jak na razie, nie widać szans, żeby ta odmiana MOSFET-ów zdobyła szerszą popularność.

Rys.2 Infineon BSP179

Klasyczne MOSFET-y P

W poprzednim odcinku podziwialiśmy MOSFET-y o znikomo małej rezystancji RDSon, nawet poniżej 1 milioma. Wszystkie są klasycznymi MOSFETami wzbogacanymi z kanałem N.

Jak wiadomo, tranzystory MOSFET z kanałem P mają gorsze parametry. Jednak dziś i one wykazują zaskakująco dobre właściwości. Na przykład 30-woltowy MOSFET P Infineon BSC030P03NS3G ma RDSon typowo 3mΩ i może pracować przy prądach do 100A – rysunek 3. Tymczasem bardzo popularny do dziś 100-woltowy MOSFET P typu IRF9540 ma RDSon do 117mΩ.

Aktualnie warto zwrócić uwagę na popularny i niedrogi IRF4905, który przy dopuszczalnym napięciu UDS 55V ma maksymalną rezystancję RDSon tylko 20 miliomów. To znaczy, że przy prądzie 5 amperów spadek napięcia na otwartym tranzystorze wyniesie tylko 0,1V, a straty mocy nie przekroczą 0,5W.

Rys.3 30-woltowy MOSFET P Infineon BSC030P03NS3G

Pomimo poprawy parametrów, MOSFET-y z kanałem P są wielokrotnie mniej popularne od „klasycznych” MOSFET-ów N, choć w wielu przypadkach łatwiej byłoby je wykorzystać zamiast MOSFET-ów N. Jednym z ograniczeń jest znacząco wyższa cena.

W każdym razie, obserwując postępy w dziedzinie klasycznych MOSFET-ów, można odnieść wrażenie, że tylko kwestią czasu jest opracowanie elementów o dowolnie małej rezystancji RDSon i dowolnie wysokim napięciu pracy. Owszem, wiele współczesnych MOSFET-ów ma RDSon rzędu 1 milioma, a więc w niektórych zastosowaniach są bliskie ideału, jeżeli chodzi o rezystancję tranzystora zatkanego i otwartego.

Tak, ale dotyczy to wersji o niskim dopuszczalnym napięciu UDS.

MOSFET-y okazują się znakomite i niezastąpione w roli przełączników – kluczy, ale tylko przy niedużych napięciach i niedużych częstotliwościach.

Ale tak dobrze nie jest, gdy napięcia są wyższe niż kilkadziesiąt woltów i gdy szybkość przełączania ma być duża. W grę wchodzą dwa główne parametry i dwa główne problemy.

Dwa problemy z MOSFET-ami

Celem jest zbudowanie MOSFET-a o jak najmniejszej rezystancji RDSon. Idea jest beznadziejnie prosta: trzeba wziąć dużą liczbę jednakowych „małych” MOSFET-ów i połączyć równolegle. Przy odpowiednio dużej liczbie „małych” MOSFET-ów uzyskamy dowolnie małą rezystancję w stanie otwarcia.

Koncepcja jest jak najbardziej prawidłowa, ponieważ MOSFET-y mocy możemy traktować jako połączenie w jednej strukturze krzemowej dużej liczby „małych” MOSFET-ów. Dlaczego więc nie scalić jeszcze większej ich liczby w jednym płatku krzemu?

Aby wyjaśnić problem, trzeba dokładniej zrozumieć problem współzależności rezystancji i pojemności.

Po pierwsze trzeba uwzględnić problem maksymalnego napięcia pracy (zatkanego tranzystora), czyli napięcie UDSmax. Wiemy, że w strukturze MOSFET-a występuje kanał, który w stanie otwarcia tranzystora ma mieć jak najmniejszą rezystancję (RDSon), natomiast w stanie zatkania ten sam kanał ma być i jest dobrym dielektrykiem – zupełnie nie przewodzi prądu. I tu w grę wchodzi coś tak oczywistego, jak wytrzymałość dielektryka: czym grubszy dielektryk, tym wyższe jest napięcie jego przebicia.

Nie wchodząc w szczegóły, można sobie wyobrazić, że wysokonapięciowy MOSFET musi mieć kanał „grubszy” od MOSFET-a niskonapięciowego, żeby występujące napięcie nie przebiło zamkniętego kanału, co w uproszczeniu ilustruje rysunek 4a. A jeśli kanał z konieczności jest „grubszy”, to po otwarciu będzie miał większą rezystancję.

Aby porównać pod tymi względami różne tranzystory o danym napięciu UDSmax, określa się tzw. rezystancję charakterystyczną (specific reistance) – rezystancję związaną z jednostką powierzchni struktury, wyrażaną w miliomach razy centymetr kwadratowy (mΩ*cm2) lub miliomach razy milimetr kwadratowy (mΩ*mm2). Chodzi o powierzchnię płatka krzemu, a nie powierzchnię przekroju kanału, widoczną na rysunku 4a.

Rys.4 MOSFET niskonapięciowy i wysokonapięciowy

W literaturze można znaleźć wykresy jak na rysunku 4b, gdzie zaznaczona czerwona prosta bywa określana jako fizyczna granica możliwości tranzystorów MOSFET, a zaznaczone punkty oznaczają różne tranzystory różnych producentów. Lepsza technologia pozwala bardziej zbliżyć się do zaznaczonej fizycznej granicy. Tu widać, dlaczego tranzystory poszczególnych producentów mają znacząco inne parametry i dlaczego ich ceny bywają różne.

Jednak te różnice nie są duże, a podstawowy problem leży jeszcze gdzie indziej. Otóż tak czy inaczej, aby uzyskać tranzystor o danym napięciu UDSmax i małej rezystancji, trzeba powiększyć powierzchnię jego struktury (pole powierzchni przekroju kanału).

Ale zwiększanie powierzchni oznacza też zwiększenie obszaru bramki, a to nieuchronnie zwiększy też pojemność wejściową, a tym samym ładunek bramki potrzebny do przełączania (oznaczany QG lub Qg).

Tu trzeba przypomnieć, że zaskakująco małe rezystancje RDSon mają wyłącznie tranzystory o niskich dopuszczalnych napięciach UDSmax, a ich pojemność wejściowa jest wysoka. I tak wspomniany w poprzednim odcinku IRF6718L2TRPbF (0,5mΩ) ma UDSmax = 25V, a pojemność wejściową Ciss typowo 8900pF, natomiast IPT004N03L (0,4mΩ) ma UDSmax = 30V, a pojemność Ciss typowo 18000pF, maksymalnie aż 24000pF. Dla porównania stary i nadal popularny IRF540 (UDSmax=100V, RDSon=55mΩ) ma pojemność wejściową rzędu 1000pF.

W zasadzie można byłoby zbudować wysokonapięciowe tranzystory o bardzo małej rezystancji, ale miałyby one niedopuszczalnie dużą pojemność wejściową i duży wymagany ładunek bramki (Qg), co przekreśliłoby możliwość ich szybkiego przełączania, a tranzystory wysokonapięciowe najczęściej tak właśnie pracują.

Dlatego dodatkową miarą, w omawianym zakresie (FOM – Figure Of Merit), pozwalającą porównać różne MOSFET-y o danym napięciu UDSmax, jest iloczyn rezystancji RDSon i ładunku bramki QG. Dopiero rezystancja charakterystyczna oraz FOM (RDSon*QG) pozwalają porównać i ocenić doskonałość tranzystorów poszczególnych producentów.

W grę wchodzą też względy ekonomiczne – duża struktura to większy koszt i cena, co też ma istotne znaczenie w konkurencji rynkowej. Trzeba tu zachować równowagę. A wracając do głównego wątku i mówiąc w dużym skrócie: podstawowy problem z wysokonapięciowymi MOSFET-ami polega na tym, że ich rezystancja RDSon jest stosunkowo duża, więc przepływ większych prądów powoduje znaczący spadek napięcia na otwartym tranzystorze. Okazuje się, że taki spadek napięcia ID*RDSon jest większy od napięcia nasycenia UCEsat w klasycznych bipolarnych tranzystorach złączowych (BJT).

Rysunek 4 wskazuje, iż ze wzrostem dopuszczalnego napięcia UDSmax poważnie rośnie rezystancja charakterystyczna RDSon. Zależność nie jest liniowa, tylko podobna do wykładniczej i łatwo się domyślić, że MOSFET-y o wysokim napięciu pracy nie będą mieć dobrych parametrów. Już tu widać powód, dla którego rzadkością są MOSFET-y o napięciu UDSmax powyżej 800V.

Rys.5 MOSFET-y 1700-woltowe (STFW3N170, STW3N170)

Owszem, można spotkać typy o napięciu powyżej 1500V, na przykład w ofercie ST: www.st.com/web/catalog/sense_power/FM100/CL824/SC1168, gdzie są też MOSFET-y 1700-woltowe (STFW3N170, STW3N170), co pokazuje rysunek 5. Przy tak wysokim napięciu nie można się spodziewać rewelacji: jak widać, rezystancja RDSon jest duża, maksymalnie 12Ω, a ciągły prąd drenu to 2,3A przy nierealnie małej temperaturze obudowy 25°C i tylko 1,45A przy realnej temperaturze obudowy 100°C. Z kolei w ofercie IXYS można znaleźć MOSFET-y o napięciu 4500V – rysunek 6.

Rys.6 MOSFET IXYS o napięciu 4500V

Prąd tej najsilniejszej wersji o oznaczeniu IXTL2N450 to tylko 2 ampery, a rezystancja RDSon to 20 omów. Trudno mówić o równoległym łączeniu wielu takich tranzystorów, jeżeli aktualnie (rok 2018) przy zakupie kilkudziesięciu sztuk trzeba za sztukę zapłacić ponad 300 złotych!

Omówione właśnie ograniczenia występujące w MOSFET-ach spowodowały poszukiwania różnych dróg poprawy sytuacji. Zanim przejdziemy do radykalnych rozwiązań, w następnym odcinku omówimy dwie takie drogi, mianowicie tranzystory zwane SJ MOSFET oraz IGBT.

AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich grudzień 2018
Udostępnij
UK Logo