Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Tranzystory: historia i współczesność, część 3. Pierwsze MOSFET-y

Od połowy lat 20. XX wieku naukowcy chcieli zbudować półprzewodnikowy element wzmacniający, gdzie przepływ prądu sterowany byłby zmianami pola elektrycznego. Omówione w poprzednim odcinku tranzystory polowe złączowe JFET z różnych powodów nigdy nie zdobyły dużej popualrności. Rewolucyjnym przełomem było wynalezienie i upowszechnienie polowych tranzystorów...
Article Image

Historia tranzystora MOSFET

Historia tranzystora MOSFET sięga przełomu lat 50. i 60. (D. Kahng + M. M. Attala z Bell Labs). Nazwa MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) wskazuje na budowę elementu. Jest to tranzystor sterowany polem elektrycznym, czyli polowy, podobnie jak JFET, ale nie ma w nim złącza diodowego. Elektrodą sterującą jest metalowa (M) bramka, która jest oddzielona od półprzewodnikowego (S) kanału warstwą izolatora, którym jest cieniutka warstwa tlenku (O – oxide), a ściślej dwutlenku krzemu (SiO2). Rysunek 1 to fragment zgłoszenia patentowego z roku 1960.

Rys.1 MOSFET - fragment zgłoszenia patentowego z roku 1960

Rysunek 2 pokazuje symbole komplementarnych tranzystorów MOSFET z kanałem typu N i typu P. Co ważne, typowy tranzystor MOSFET jest normalnie zatkany (zamknięty). Przy zerowym napięciu elektrody sterującej – bramki, rezystancja kanału jest ogromna, a prąd praktycznie równy zeru. W przeciwieństwie do tranzystorów JFET, a podobnie jak w przypadku tranzystorów BJT, klasyczny MOSFET zostaje otwarty przez podanie na bramkę napięcia o „dogodnej polaryzacji”. W przypadku MOSFET-a z kanałem N jest to napięcie dodatnie względem źródła, a dla tranzystorów z kanałem P – ujemne, jak pokazuje rysunek 3.

Trzeba też nadmienić, że istnieją tranzystory MOSFET normalnie otwarte (depletion mode – zubożane), które przy zerowym napięciu bramki są otwarte i zatyka się je napięciem ujemnym na bramce, tak samo jak tranzystory JFET, jednak przytłaczającą większość stanowią normalnie zatkane „klasyczne MOSFET-y”, (enhancement mode – wzbogacane), działające według rysunku 3.

Rys.2 Symbole komplementarnych tranzystorów MOSFET z kanałem typu N i typu P
Rys.3 Działanie 'klasycznego' MOSFET-a

Obwód bramki MOSFET-a jest rodzajem kondensatora, dlatego sterowanie jest napięciowe. W warunkach statycznych prąd tam nie płynie – obwód bramki jest doskonały, nie zużywa energii. Jednak, co bardzo ważne, niewielka porcja energii jest potrzebna podczas włączania i wyłączania. Zasadniczo MOSFET-y mocy są bardzo szybkie, jednak w praktyce realnym ograniczeniem jest konieczność przeładowania znacznej pojemności wejściowej CGS, wynoszącej od 1nF do ponad 10nF.

Aby w pełni otworzyć typowego MOSFET-a, trzeba zmienić napięcie na jego bramce o około ΔU = 10V. Trzeba dostarczyć lub usunąć ładunek o wartości w pierwszym przybliżeniu określonej zależnością Q = ΔU*CGS. W rzeczywistości przeładowany ładunek musi być większy z uwagi na wpływ tzw. pojemności Millera między drenem i bramką. Dlatego w katalogach zamieszczane są charakterystyki przełączania jak na rysunku 4, pokazujące zmiany napięcia na bramce od zmiany ładunku bramki (Qg). Poziomy „schodek” wynika właśnie z wpływu pojemności Millera (CGD).

Rys.4 Charakterystyka przełączania IRF540

Czas przełączania mógłby być rzędu pojedynczych nanosekund, ale przy każdej zmianie stanu MOSFET-a musi w obwodzie bramki popłynąć prąd, by przeładować pojemności. W związku z ograniczoną wartością prądu sterującego bramki, realne czasy przełączania MOSFET-ów mocy są rzędu kilkudziesięciu, a nawet kilkuset nanosekund. Niemniej MOSFET-y mogą pracować w układach przełączających z częstotliwościami rzędu kilkuset kiloherców, a nawet ponad 1MHz.

Pierwszy MOSFET został zaprezentowany w roku 1960 i tranzystory te w pierwszej kolejności zostały wykorzystane do budowy układów scalonych. W roku 1964 w RCA powstał pierwszy układ scalony, zbudowany z takich tranzystorów. Dziś podstawą techniki cyfrowej są układy scalone CMOS, czyli Complementary MOS wskazuje na wykorzystanie w jednej strukturze komplementarnych tranzystorów MOSFET, czyli z kanałem N i z kanałem P. Kluczową zaletą jest fakt, że w spoczynku takie układy nie pobierają prądu. Pobór prądu rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania.

Lata 60. i 70. to okres rozwoju układów scalonych z coraz mniejszymi, gęściej upakowanymi tranzystorami MOS, jednak upowszechnienie się tranzystorów MOSFET większej mocy nastąpiło po skutecznym rozwiązaniu szeregu poważnych problemów. Pierwsze MOSFET-y mocy pojawiły się dopiero w drugiej połowie lat 70.

Jak są zbudowane i jak działają MOSFET-y dużej mocy?

W podręcznikach najczęściej przedstawia się budowę MOSFET-a jak na rysunku 5, nieprzypadkowo podobnym do rysunku 1. Początkujących dziwi fakt, że w tranzystorach MOSFET N półprzewodnik, w którym tworzy się przewodzący kanał, jest typu P. Podanie na bramkę napięcia dodatniego powoduje „odepchnięcie” nośników obszaru typu p w bezpośrednim sąsiedztwie bramki, tak zwaną inwersję i wytworzenie przewodzącego kanału z nośnikami typu n. Wtedy zależnie od napięcia bramki różna jest szerokość i rezystancja kanału powstałego między źródłem i drenem.

Rys.5 Budowa MOSFET-a (typowe przedstawienie)

Tak zbudowany jest tzw. MOSFET lateralny – o budowie „poziomej”, gdzie prąd drenu płynie „poziomo”. Natomiast przy budowie tranzystorów MOSFET mocy dla uzyskania lepszych parametrów wykorzystuje się bardziej złożone struktury „pionowe”, przez co powstaje też dodatkowa struktura diodowa między źródłem i drenem.

Pierwsze tranzystory MOSFET były nazywane VMOS, gdzie litera V wskazywała na budowę kanału. Później ulepszono parametry, zmieniając strukturę wewnętrzną – pojawiły się tranzystory DMOS. Dzisiejsze MOSFET-y często są określane mianem UMOS lub TrenchMOS, przy czym istnieje mnóstwo rozwiązań konstrukcyjnych, stosowanych przez poszczególnych wytwórców. Rysunek 6 pokazuje wspomniane podstawowe schematy budowy.

Rys.6 Podstawowe schematy budowy VMOS, DMOS i UMOS 

Odnośnie do skrótów warto wspomnieć, że oprócz podstawowych określeń typu NMOS, PMOS, CMOS oraz kluczowych struktur VMOS, DMOS i UMOS, producenci reklamowali i reklamują swoje nazwy handlowe takich tranzystorów. I tak Motorola reklamowała swoje tranzystory jako TMOS, Siemens – SIPMOS, Ixys – MegaMOS. Dla ciekawości można nadmienić, że słynne HEXFET-y o sześciokątnej budowie komórek zostały wypuszczone w roku 1979 przez pioniera w tej dziedzinie, firmę International Rectifier.

Wszystko to były i są rozwiązania, gdzie tranzystor mocy MOSFET niejako składa się z wielu małych „komórek” połączonych równolegle. Czym więcej jest takich komórek, tym większa jest sumaryczna powierzchnia czynna i tym mniejsza rezystancja w pełni otwartego tranzystora, oznaczana RDSon. Z uwagi na inną zasadę pracy i wykorzystanie wyłącznie nośników większościowych, generalnie MOSFET-y są znacznie szybsze od tranzystorów bipolarnych.

W każdym razie do końca lat 70. jedynymi praktycznie użytecznymi tranzystorami mocy były tranzystory bipolarne (BJT), których istotnymi wadami, oprócz małego wzmocnienia, była mała szybkość wyłączania, ujemny współczynnik cieplny (niekorzystny przy równoległym łączeniu elementów), a przy małych napięciach pracy względnie duże napięcie nasycenia UCEsat.

W przeciwieństwie do tego, MOSFET-y mocy są, generalnie biorąc, sterowane napięciowo, można je szybciej włączyć i wyłączyć, mają dodatni współczynnik cieplny, a wersje niskonapięciowe mają bardzo małą rezystancję w stanie włączenia RDSon, co nawet przy dużych prądach daje spadek napięcia i straty mocy dużo mniejsze niż w bipolarnych. Nie występuje w nich zjawisko tzw. drugiego przebicia, przez co są odporniejsze na przeciążenia. Dodatkowo MOSFET-y mocy z uwagi na budowę, niejako „przy okazji” mają wbudowaną diodę, która w wielu zastosowaniach jest zaletą.

Rys.7 International Rectifier – MOSFET IRF6718L2TRPbF

Pierwsze MOSFET-y mocy były drogie, a ich parametry nie zachwycały. Z czasem je udoskonalono i w większości zastosowań całkowicie wyparły one tranzystory bipolarne. Właśnie poprawa parametrów i obniżanie cen MOSET-ów mocy umożliwiły wykorzystanie i upowszechnienie impulsowych zasilaczy (przetwornic) różnego typu. MOSFET-y są też powszechnie wykorzystywane do przełączania, w tym w elektronice samochodowej.

Dostępny w roku 1978 IRF100, jeden z pierwszych MOSFET-ów, miał napięcie UDS = 100V i rezystancję RDSon równą 0,1Ω (100mΩ). Współczesny 100-woltowy tranzystor IRLS4030-7PPbF tej samej firmy ma rezystancję RDSon typowo 3,2mΩ. Natomiast 100-woltowy 520-watowy IRFP4468PbF typowo ma RDSon 2mΩ, a dopuszczalny prąd impulsowy to 1120A. Ciągły prąd struktury mógłby wynosić 290A, ale rezystancja doprowadzeń ogranicza go do 195A.

Rys.8 Infineon IPT004N03L

Od kilku lat dostępne są MOSFET-y o rezystancji otwartego kanału poniżej 1 milioma (0,001Ω). Rysunek 7 to przykład z oferty International Rectifier – MOSFET IRF6718L2TRPbF, umieszczony w obudowie SMD o rozmiarach, 9 x 7 x 0,65mm ma rezystancję kanału w stanie pełnego otwarcia typowo 0,5 mili oma (0,0005Ω). Maksymalny prąd ciągły zależy od temperatury struktury – przy dobrym chłodzeniu może sięgać 270A!

Rysunek 8 przedstawia Infineon IPT004N03L o rezystancji RDSon 0,4 milioma i prądzie pracy do 300A. Podobne przykłady można mnożyć. Dla porównania warto dodać, że 10-centymetrowy odcinek miedzianego przewodu instalacyjnego o przekroju 1,5mm2 (średnicy 1,4mm) ma rezystancję nieco powyżej 1,1 milioma...

W następnym odcinku nadal będziemy omawiać tranzystory MOSFET.

AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich październik 2018
Udostępnij
UK Logo