Технология полевых транзисторов

Опубликовано 25.01.2011 Ведущий Валерий Харыбин

Сегодня большинство схем силовой электроники построено на основе полевых транзисторов с изолированным затвором. В цифровых и силовых устройствах использование полевых транзисторов более популярно, чем применение биполярных. Во-первых, полевыми транзисторами гораздо легче управлять – их управляющий электрод изолирован от области переноса тока, и для поддержания его в открытом состоянии энергии не требуется вообще. Как только полевой транзистор включился, его управляющий ток практически равен нулю. Кроме того, заряд необходимый для переключения значительно снижен, и, соответственно, снижено время его переноса. Это в огромной степени снижает проблемы с излишним падением напряжения на приборе в статическом режиме – оно обратно пропорционально избытку управляющего заряда, и резко уменьшает время выключения транзистора. В результате, использование полевых транзисторов оказывается значительно более выгодным в плане простоты и эффективности схем управления. Не менее важный фактор для силовой электроники заключается в том, что канал полевого транзистора ведет себя как резистор, т.е. падение напряжения между стоком и истоком изменяется линейно от протекающего через канал тока. Это линейное соотношение характеризуется сопротивлением канала в открытом состоянии, в терминологии Rds, и оно является константой при заданном напряжении на ключе и температуре кристалла. В противоположность p-n переходу с его отрицательным температурным коэффициентом – 2.2mV/⁰C, сопротивление открытого канала полевого транзистора имеет положительный температурный коэффициент, примерно от 0,7%/⁰С до 1%/⁰С, что позволяет очень легко параллелить их в мощных устройствах, когда использование одиночных компонентов не оправданно с практической точки зрения, или вообще не возможно. Из-за положительного температурного коэффициента, работающего как медленная отрицательная обратная связь, происходит автоматическое выравнивание токов через отдельные ключи. В результате достигается равновесие, когда ток через все параллельно включенные транзисторы одинаков. Начальный разброс сопротивлений открытого ключа и различные тепловые сопротивления могут привести к значительному, до 30%, разбросу в распределении токов.
Представленные на рынке типы силовых ключей мировыми производителями, можно свести к трем вариантам. Силовые полевые транзисторы с двойной диффузией, с использованием структуры затвора на основе поликристаллического кремния. Trench – технология, использование V – образных канавок, в плане дальнейшего увеличения плотности ячеек силовых полевых транзисторов. И, наконец, транзисторы с горизонтальной структурой. Полевые транзисторы с горизонтальной структурой имеют значительно более низкие паразитные емкости, поэтому скорости их переключения значительно выше, и они не требуют мощных схем управления.