Istoria tehnologiei FET şi trecerea la NexFET™

22 MAI 2009

Introducere
Introduse ca un înlocuitor pentru tranzistoarele bipolare, MOSFET-urile de putere au fost utilizate ca un comutator electronic pentru aplicaţiile de management al alimentării. Un MOSFET de putere are o impedanţă mare de intrare. Acest lucru înseamnă că este un comutator bipolar controlat de tensiune, nu de curent. Cu alte cuvinte, un MOSFET de putere poate realiza viteză mare de comutare chiar şi când este folosit un driver de putere joasă. Cu timpul, MOSFET-ul de putere a devenit cel mai popular comutator de putere pentru aplicaţiile care necesită o tensiune de intrare mai mică de 200V.
Pe măsură ce s-a îmbunătăţit performanţa MOSFET-urilor de putere, a urmat evoluţia tehnologiei CMOS introdusă la sfârşitul anilor ’70 pentru a produce circuite integrate. Normal, tehnologia FET de putere foloseşte baze CMOS depreciate, urmărind tehnologia de vârf cu un decalaj de timp de ordinul a 3-5 ani cu o dimensiune caracteristică de: 1µm, 0,8µm, 0,5µm, 0,35µm, 0,25µm, 0,18µm, etc. Dimensionarea geometriei conduce la reducerea tensiunilor de alimentare pentru circuitele VSLI (Very Large Scale Integrated) folosite în aplicaţii electronice precum sunt computerele, electronice portabile şi telecomunicaţii. Ca o consecinţă, arhitecturile convertoarelor de alimentare au avansat către tensiuni mai mici, curenţi mai mari şi o nevoie de a controla mai bine nivelul de putere livrat către sarcină.
Prima generaţie de tranzistoare MOSFET de putere macro-celulă, DMOS (MOSFET cu dublă difuzie), a fost introdusă cu succes pe piaţă la începutul anilor ’80 de către International Rectifier. Această tehnologie a fost un MOSFET vertical cu o structură cu poartă planară, cunoscut ca MOSFET de putere planar. A doua generaţie de tehnologie macro-celulă, TrenchFET® introdusă de către Siliconix, a devenit populară în anii ’90. Această tehnologie a furnizat o rezistenţă de comutare îmbunătăţită (RDSON). Tehnologia TrenchFET deţine o superioritate clară asupra DMOS în termeni de rezistenţă şi încărcate a porţii pentru un produs specific când este proiectat pentru o capacitate tensiune pe drenă mai mică decât 100V. Tehnologia dominantă de joasă tensiune pe piaţa de astăzi, o oferă aproape toţi furnizorii de MOSFET de putere. Rezistenţa de comutare mică a redus pierderea de putere prin conducţie în circuitele de alimentare. Totuşi, pierderile de comutare, care foarte importante pentru SMPS-uri (Switch-Mode Power Supply), au rămas obstacolul principal. Spre sfârşitul anilor ’90, pentru a reduce costul, dimensiunea şi să îmbunătăţească performanţa, precum răspunsul tranzitoriu al întregului sistem de management al puterii, frecvenţa de comutare a convertorului trebuia să fie mărită.
O a treia generaţie de tehnologie MOSFET de putere recent introdusă de Texas Instruments, tehnologia NexFET™, oferă un RDSON specific competitiv cu TrenchFET, ceea ce reduce semnificativ valoarea capacitanţei de intrare şi Miller. Capacitanţe mici înseamnă încărcarea mică a porţii de intrare şi variaţii mici ale tensiunii în timpul comutării. Noua generaţie MOSFET reduce pierderile de comutare în aplicaţiile SMPS şi permite lucrul la frecvenţe mari de comutare. Această tehnologie este cea mai avantajoasă la 30V şi sub această valoare, ceea ce este de dorit pentru arhitecturile bus distribuite dominante în produsele finale de astăzi.

Generaţii de tehnologii
Diferenţa între tranzistoarele DMOS şi TrenchFET este ilustrată în Figura 1. Un dispozitiv DMOS are o structură plană a porţii şi profită de deplasarea verticală a curentului între sursă şi electrodul drenă plasat pe faţa şi spatele plăcii de siliciu. Curentul trece sub poarta plană, apoi coboară între regiunile de bază P şi trec vertical prin stratul epitaxial al substratului. Stratul epitaxial uşor dopat suportă uşor căderi mari de tensiune. Curgerea verticală a curentului permite densităţi mari de curent să fie gestionate spre deosebire de dificultăţile în dimensionarea zonei MOSFET-urilor cu dispunere laterală. Rezoluţia de bază a celulei sau dimensiunea laterală este relativ mare pentru a menţine destul spaţiu între regiunile de bază P.
Spaţierea largă este importantă pentru a micşora efectul JFET creat de regiunile bază la joncţiunile PN opuse. RDSON-ul tranzistoarelor DMOS este format de contribuţiile rezistive ale regiunilor de canal sub poartă, efectul JFET între regiunile de bază P şi rezistenţa stratului epitaxial şi a substratului. Cu cât este mai mare căderea de tensiune proiectată în dispozitiv, cu atât mai mare este contribuţia rezistivă a stratului epitaxial. Într-un dispozitiv proiectat pentru aplicaţii de tensiuni mici, contribuţia rezistivă a canalelor MOS şi regiunea JFET devin mai importante.
Într-un TrenchFET, canalele MOS sunt proiectate de-a lungul pereţilor verticali ai canalelor. Acest lucru permite o mai mare densitate a canalelor pe unitate de siliciu. Prin eliminarea structurii JFET, rezoluţia celulei poate fi făcută mai mică, reducând RDSON-ul specific (rezistenţa MOSFET pe suprafaţă). La sfârşitul anilor ’90, RDSON -ul mic al tranzistorului a făcut tehnologia TrenchFET o zonă standard de facto pentru MOSFET-urile de putere de tensiune mică. Totuşi, zona mare de perete cu canale conduce la o valoare mare de condensatoare built-in. Când fundul canalului se suprapune peste stratul epitaxial, care este o parte din terminalul drenă, acesta creează o capacitate mare de la poartă la drenă (CGD). Aceasta este un dezavantaj major, în special dacă este necesară o viteză de comutare mare.
La debutul secolului 21, tendinţa de dezvoltare a convertoarelor DC/DC cu frecvenţe mai mari de comutare a condus la necesitatea de a micşora pierderile de comutare legate de MOSFET. Dezvoltarea de structuri TrenchFET continuă. Prima îmbunătăţire conţinea un oxid gros pe fundul canalului, reducând valoarea capacitanţei Miller (CGD). Îmbunătăţiri şi mai semnificative au fost realizate prin divizarea electrodului porţii şi conectarea părţii inferioare la terminalul sursei. Partea inferioară a electrodului porţii are un efect de scut, decuplând poarta de la drenă pentru a reduce semnificativ CGD-ul. Pe la mijlocul anului 2000, a doua versiune a structurii MOSFET de putere cu canal domina aplicaţiile de management al puterii de joasă tensiune.
A treia generaţie sau MOSFET-urile de putere NexFET furnizează o reuşită în performanţa dinamică a comutatorului (vezi Figura 2).
Dispozitivul îşi are rădăcinile în tranzistoarele LDMOS folosite pentru amplificarea semnalelor RF pe o gamă de frecvenţe de până la 2GHz.
Pentru a atinge acest nivel de performanţă dinamică, este important să se reducă capacitatea Miller la nivelul de picofarazi. Suprapunerea electrodului poartă peste extensia uşor dopată a drenei (LDD) este menţinută la minim. În plus, topologia unică a sursei înfăşurând metalic electrodul porţii şi creând un element de câmp field-plate peste regiunea LDD creează un scut electrostatic eficient între terminalele porţii şi drenei.
Câmpul creat de metalul sursei este de asemenea important lărgirea distribuţiei câmpului electric de-a lungul suprafeţei LDD. Această caracteristică scade înălţimea vârfului câmpului electric la colţul drenei al electrodul porţii. Prin aceasta, sunt evitate efectele hot-carrier de creare a problemelor de fiabilitate în dispozitivele LDMOS convenţionale. Însăşi regiunea LDD este proiectată pe baza regulii de proiectare prin echilibrul sarcinilor. Aici, dopând regiunea LDD este contrabalansată de încărcarea zonelor P sărace şi este influenţată în plus de câmpul sursă. Abordarea prin echilibrul sarcinilor permite creşterea concentrării de purtători în regiunea LDD cu aproximativ un ordin de mărime.
RDSON al dispozitivelor NexFET profită de canalul MOS scurt şi lungimea mică a regiunii LDD puternic dopată. În plus, rezoluţia mică a celulei realizată prin litografie modernă de mare fineţe face RDSON-ul specific al dispozitivelor NexFET competitiv tehnologiei TrenchFET. Avantajul abordării NexFET vine de la sarcina porţii de intrare mică şi valori CDG foarte mici, nerealizabile cu dispozitivele TrenchFET.

Performanţa NexFET™
Tehnologia NexFET furnizează valori FOM (Figure Of Merit) excelente atât de importante pentru aplicaţiile SMPS. Metoda clasică de a analiza cât de bună este tehnologia unei platforme MOSFET de putere în aplicaţiile de comutare este analizarea rezistenţei înmulţită cu sarcina totală pe poartă sau capacitatea Miller. Istoria recentă a îmbunătăţirilor FOM şi a progreselor realizate prin introducerea tehnologiei NexFET este ilustrată de Figura 3.
Tehnologia TrenchFET, după aproape două decenii de dezvoltare, prezintă un efect de saturaţie în ritmul îmbunătăţirilor FOM. Abordarea NexFET, fiind în stadiul de maturare timpurie, promite îmbunătăţiri în curs pe viitor.
Nivelul de îmbunătăţire posibil datorită implementării dispozitivelor NexFET este demonstrat în Figura 4, care prezintă randamentul unui convertor de 12V coborâtor de tensiune sincron cu şase faze care funcţionează la 635 kHz. În general, simpla plasare a acestor dispozitive într-o aplicaţie existentă permite aproape dublarea frecvenţei de comutare a unui convertor DC/DC fără o penalitate semnificativă în randamentul conversiei. Alt avantaj poate fi realizat prin optimizarea dedicată a condiţiilor de conducere cum sunt dictate de către circuitul de conducere al porţii.

Concluzie
Tehnologia NexFET este o nouă generaţie de MOSFET-uri de putere pe bază de siliciu cu o structură cu sarcină joasă intrinsecă, ce creşte randamentul în convertoarele cu comutare existente, dar care permite şi apariţia noilor generaţii de convertoare de putere prin comutare cu operare multi-megahertz.

Referinţe
Pentru mai multe informaţii despre tehnologia NexFET, vizitaţi: www.ti.com/mosfet-ca
Despre Autori
Dr. Jacek Korec are peste de 30 de ani de experienţă în industria semiconductoarelor şi este Senior Power Scientist în Power Stage Business Unit la Texas Instruments (fostul Ciclon Semiconductor). Înainte de Ciclon, Jacek a fost Vicepreşedintele al Engineering la Silicon Semiconductor şi a fost Director de Device Design şi Principal Scientist cu Vishay-Siliconix. În această poziţie Jacek a fost indispensabil în dezvoltarea şi implementarea produselor MOSFET discrete noi. La începuturile carierei sale, Jacek a petrecut 10 ani la Central Research Center al Daimler-Benz în Germania unde a condus Departamentul de Power Semiconductor Devices and IC. Jacek este autorul şi co-autorul a mai mult de 60 de publicaţii ştiinţifice şi deţine peste 35 de patente.

Christopher (Chris) Bull este Power Marketing Manager pentru grupul Power Stage al Texas Instruments. Înaintea achiziţiei de către TI, Chris a fost Director de Marketing cu CICLON Semiconductor. Cu peste 15 ani de experienţă în industriile surselor de alimentare şi semiconductoarelor, acesta a deţinut poziţii importante în activităţile de vânzare şi marketing. Chris şi-a câştigat diploma de B.S. Honors în fizică cu Electronică Fizică de la University of Bath, UK.

Chris sau Jacek pot fi contactaţi la nexfet@list.ti.com.

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO
Tel: 021 204 81 00
Fax: 021 204 81 30
birou.vanzari@ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre