Tranzystory MDmesh – 20 lat rozwoju technologii
| TechnikaWiele uwagi w mediach poświęca się obecnie półprzewodnikom mocy z azotku galu i węglika krzemu. Są one rynkową nowością i mają znakomite parametry elektryczne, przez co przyciągają uwagę konstruktorów. W naturalny sposób ogranicza to uwagę, jaką poświęca się nowościom w zakresie tranzystorów krzemowych, mimo że w tym obszarze wiele się dzieje, a parametry wielu nowości są wręcz imponujące. Przykładem może być rodzina tranzystorów MDmesh firmy STMicroelectronics.
Czas w elektronice bardzo szybko płynie i okazuje się, że tranzystory MOSFET produkowane w procesie MDmesh mają już 20-letnią historię. Elementy te nazywane są superzłączowymi po to, aby odróżnić ich konstrukcję wewnętrzną od klasycznych planarnych MOSFET-ów. Cechą charakterystyczną jest tutaj wydłużony w dół obszar bramki oraz odpowiednie domieszkowanie z przeplataniem warstw z dużą gęstością, co umożliwia wzajemne zniesienie wpływu ładunków przestrzennych i wysoki obszar środkowy zachowuje się jak niedomieszkowany. W związku z tym rośnie wytrzymałość napięciowa tranzystora, mimo że domieszkowanie obszaru N nie zmienia się. Innymi słowy, superzłącze pozwoliło obejść wiele wad konstrukcji płaskich, a przede wszystkim pozwolić na wytwarzania tanich elementów o napięciu przebicia powyżej 400 V.
W wielu aplikacjach zasilanych wyprostowanym napięciem sieci energetycznej (315 V) tranzystory planarne się nie sprawdzają, bo mają za dużą rezystancję w stanie przewodzenia rzędu omów, a więc są źródłem znacznych strat mocy.
Superzłącze pozwala na obniżenie tej wartości nawet do 15 mΩ za pomocą połączenia równoległego wielu elementarnych części tworzących strukturę (rodzina MDmesh M6), natomiast zmiany koncentracji domieszek w półprzewodniku dają możliwość osiągniecia maksymalnego napięcia aż do 1700 V (produkty MDmesh K5). Ocenia się, że od czasu opracowania 20 lat temu sprzedano 5 mld tych elementów.
Duża część tych zalet wynika z zamiany płaskiej powierzchni podłoża P+ na kolumny, które wbijają się w warstwę epitaksjalną N, rozrzedzając (pocieniając) ją. W rezultacie obszar dryfu jest gęściej domieszkowany, w niektórych przypadkach obniżając RDS(ON) nawet czterokrotnie. Nawet gdy planarny MOSFET oferuje podobny RDS(ON), element superzłączowy ma mniejsze straty przełączania.
Koncepcja tranzystora superzłączowego pojawiła się pierwszy raz w 1978 roku, gdzie gęsto upakowane pionowe cienkie warstwy półprzewodnika P i N zostały użyte do wykonania waraktorowej diody pojemnościowej. Ale dopiero w latach 90. ubiegłego wieku pionowe kolumny z półprzewodnika P wbijające się w obszar dryfu wykorzystano do zbudowania MOSFET-a. Pierwszy komercyjny tranzystor pojawił się na rynku w 1999 roku i od tego czasu co kilka lat pojawiają się nowe generacje, wykonywane w coraz bardziej zaawansowanym procesie technologicznym, które pionowe kolumny P mają coraz cieńsze. Początkową szerokość 11 μm (przy długości 409 μm) obniżono do 5 μm, co znacząco poprawiło parametry elektryczne, niestety kosztem większej komplikacji produkcji. Pierwsze rozwiązania wymagały od czterech do sześciu warstw epitaksjalnych, podczas gdy najnowsze wymagają od sześciu do dwunastu.
Komplikacja jest problemem, ale pozwala też na opracowywanie wielu innowacji i poszerzania oferty w kierunku coraz to nowych typów takich tranzystorów, które są dopasowane do potrzeb klientów lub wymagań aplikacji.
Te nowe opracowania są korzystną alternatywą dla elementów z węglika krzemu, gdyż są tanie i zapewniają niezłe parametry, dużą powtarzalność i stabilność działania. Poza tym są dostępne i masowo produkowane przez wiele firm.
Korzyści aplikacyjne
Przykładem może być rodzina MOSFET-ów MDmesh K5 ST Microelectronics przeznaczona do układów konwersji energii, a więc zasilaczy impulsowych, zasilaczy do LED, stateczników lamp wyładowczych, falowników. Pozwalają one spełnić wymagania dyrektyw dotyczących produktów energetycznych (ErP). Są dostępne na napięcia 800, 900, 950, 1050, 1200, 1500 i 1700 V.
Ich główną zaletą jest połączenie w jednym produkcie małej rezystancji w stanie przewodzenia RDS(ON) z wysokim napięciem dopuszczalnym w stanie blokowania. Oba parametry przyczyniają się do zapewnienia dużej sprawności. Znaczenie rezystancji kanału jest oczywiste, ale duże napięcie umożliwia ograniczenie strat mocy, jakie w zasilaczach występuje w elementach tłumiących przepięcia i oscylacje powstające na zboczach. Pasożytnicze reaktancje, np. indukcyjność rozproszenia transformatora, pojemności powodują powstawanie oscylacji na zboczach przebiegów w układach impulsowych. Od strony układowej wymusza to dodanie obwodów gasikowych i tłumików (snubber), które są źródłem strat energii. Im dopuszczalne napięcie tranzystora przełączającego jest mniejsze, tym tłumiki muszą być bardziej skuteczne, a więc straty są większe. Dlatego użycie tranzystora o napięciu przebicia 900 V zamiast standardowego 650 V jest w stanie wyraźnie poprawić bilans energetyczny oraz uprościć układ, bo np. z tłumika będzie można zrezygnować. W aplikacjach wrażliwych na cenę, czego przykładem mogą być zasilacze do oświetlenia LED, każdy komponent się liczy.
Poza napięciem i rezystancją tranzystory te mają małą pojemność bramki, a więc ten sam driver może zapewnić większą szybkość komutacji. Moc wymagana do sterowania, która jest potrzebna do przeładowania tej pojemności, też w konsekwencji jest mniejsza. To także korzystny aspekt z punktu zapewnienia dużej sprawności. Innymi słowy, MOSFET-y z tej grupy mają bardzo dobry parametr FoM (Figure of Merit), będący iloczynem RDS(ON) i Qg.
STF16N90K5
Przykładem może być tutaj STF16- N90K5. To 900-woltowy N-kanałowy MOSFET wykonany w technologii MDmesh K5, a więc ze strukturą rozbudowaną w pionie. Jego rezystancja w stanie przewodzenia to tylko 0,28 Ω a dopuszczalny prąd sięga 15 A w wersji w obudowie TO-220FP. Całkowity ładunek bramki to jedynie 30 nC, a więc FoM jest rewelacyjny. Obwód bramki jest chroniony przed przebiciem za pomocą diody Zenera. Małe pojemności wejściowe i wyjściowe (Ciss, Coss) umożliwiają realizację przełączników ZVS o minimalnych stratach mocy w półmostkowych rezonansowych przetwornicach LLC stosowanych w układach zasilania serwerów, 3-fazowych zasilaczach impulsowych, systemach oświetleniowych z diodami LED, systemach fotowoltaicznych, spawarkach i układach napędowych.
Uniwersalność zapewniają też różne obudowy, w tym D2PAK, TO-247, TO-220FP oraz wersje z większym odstępem izolacyjnym między pinami lub o długich końcówkach.
