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TRANSISTOR DI POTENZA - unirc.it · TRANSISTOR DI POTENZA Caratteristiche essenziali: - bassa resistenza R on - elevata frequenza di commutazione - elevata impedenza di ingresso -

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TRANSISTOR DI POTENZA

Caratteristiche essenziali:

- bassa resistenza Ron- elevata frequenza di commutazione

- elevata impedenza di ingresso

- stabilit termica (bassa resistenza termica)

- funzionamento ad alta temperatura

- elevata tensione di breakdown

- basse correnti di leakage nello stato off

BJT- controllato in corrente (5 < < 20)

- lo spegnimento spesso richiede la polarizzazione inversa della base (circuito di controllo complesso e costoso)

- fuga termica e difficolt di parallelizzare pi BJT (laumento di T riduce Ron con conseguente squilibrio delle correnti nei BJT paralleli)

- second breakdown (elevato rischio di rottura in presenza di elevate VCE e IC)

Power MOSFET (IGFET)- controllato in tensione (IG praticamente nulla in DC, e spesso trascurabile anche a frequenze dellordine dei 100 kHz)

- conduzione per maggioritari, nessun accumulo di minoritari e quindi nessuna necessit di liberarsi dei minoritari (semplice circuito di pilotaggio). La velocit di commutazione pu essere ordini di grandezza superiore rispetto ai BJT

- coefficiente di temperatura negativo (la mobilit diminuisce con T) e dunque parallelizzabile

- elevata resistenza al second breakdown

Canale verticale (per aumentare la superficie di drain e source).

La regione P-base ha il potenziale fissato a quello del source. In assenza di polarizzazione di gate, lo svuotamento a cavallo della giunzione P-base/N-drift blocca il passaggio della corrente fra drain e source. La massima tensione VDS sopportata dal MOS (forward blocking) corrisponde alla tensione di breakdown della giunzione P-base/N-drift.

Polarizzando positivamente il drain, lo svuotamento fra P-base/N-drift aumenta (specialmente in N-drift, a causa del basso drogaggio).

Lapplicazione di un potenziale positivo al gate porta la regione P-base in inversione sotto il gate, creando il cammino fra source e drain.

La velocit di spegnimento legata alla velocit con cui le cariche positive sono rimosse dal gate. E possibile ottenere tempi dellordine di 100 ns.

DMOS

(double diffusion MOSFET)

V-MOSIl source ricavato per diffusione nella regione superficiale P-base (che inizialmente ricopre tutto il wafer).

Lattacco a V (V-groove) realizzato successivamente.

Il canale si forma lungo le pareti del V-groove.

Nel MOS verticale esiste un BJT parassita (source-base-channel-drain). Il BJT mantenuto spento dal corto circuito fra source/P-base.

Nonostante ci, la resistenza della regione P-base pu determinare linnalzamento del potenziale lontano dalla regione di corto circuito, con conseguente accensione del BJT.

In tal caso si ha comunque corrente fra source e drain, solo che essa sostenuta dalliniezione di minoritari (rallentamento dello switch-off).

Ron definita come pendenza della ID-VDS nella regione lineare.

La Ron determina la potenza che si dissipa sul dispositivo quando completamente acceso. Essa prevalentemente somma della resistenza del canale e della resistenza della regione di drift. Ad elevate polarizzazioni di gate, la R del canale diventa trascurabile per cui la Ron diventa costante.

Un dispositivo che deve condurre 50 A e per il quale sia richiesta Von=0.25 V, deve avere Ron=5 m. In questo caso P = (50)2 0.005 = 12.5 W.

RN+ e Rs sono trascurabili

RCH e RA dipendono dalla polarizzazione di gate

RJ modulata dalla VD a seguito dallo svuotamento P-base/N-channel (effetto pinch-off)

RD dipende dallo spessore del dispositivo (e dunque dalla massima tensione che esso dovr sostenere).

P. es. la RCH pu essere calcolata da:

COMPONENTI DELLA Ron

DStGoxnD VVVCLWI da cui:

LVVCW

RG tGoxn

CHCH

1

Poich i MOSFET di potenza sono formati da un numero elevato di celle elementari del tipo di quella a fianco, in genere si preferisce fornire la conduttanza (o la resistenza) specifica, ovvero per unit di area.

Con riferimento alla met del dispositivo a fianco:

21'22

cmsLL

VVC

WsLGG

G

tGoxn

G

CHCH

ACCENSIONE INVOLONTARIA DEL MOSFET A CAUSA DI ELEVATI dV/dt SUL DRAIN

Considerando la capacit di svuotamento presente fra Drain e Base, a seguito dellapplicazione di una rampa sul drain, la corrente nella RB(resistenza dovuta alla distanza fra la base reale e il contatto di base), data da CDB d(V-VBE)/dt, pu polarizzare direttamente la giunzione B-E del BJT parassita. Trascurando VBE rispetto a V, laccensione si innesca per:

B

BEDB R

VdtdVC ,

in cui V,BE diminuisce allaumentare della temperatura

SAFE OPERATING AREA (SOA)

La SOA definisce i limiti di utilizzabilit di un dispositivo, in termini di I e V. La massima V definita dal breakdown mentre la massima I dettata dalla potenza dissipabile sul dispositivo.

Lapplicazione contemporanea di tensioni e correnti elevate (ma sotto i limiti massimi detti) pu portare comunque il dispositivo alla rottura, anche se lapplicazione ha una brevissima durata. Si parla in questi casi di secondbreakdown.

Esistono vari meccanismi in grado di innescare il second breakdown, ma il principale spesso il BJT parassita. Si ha:

EMSCMD IIIIII EC IMI

con M fattore di moltiplicazione a valangan

DBV

VM

1

1

n4 nei MOSFET

Per allargare la SOA, nella progettazione dei MOSFET di potenza si lavora principalmente sulla riduzione di RB. Da considerare che RBaumenta con la temperatura a causa della riduzione della mobilit.

Lampiezza della SOA dipende anche dalla durata del picco di tensione sul drain.

Progettazione dei MOSFET di potenza

Altri semiconduttori offrono Emax pi grande e dunque consentono di avere Nd pi elevato.

Un MOSFET viene normalmente progettato per sostenere una assegnata VDS quando nello stato off (Vmax). Assumendo che il breakdown avviene nella regione svuotata sotto il canale (giunzione P-base/N-drift region), ci vuol dire che il drogaggio e la lunghezza della regione di drift devono essere scelti opportunamente (come nel diodo pin):

22max2

maxmaxEhE

NqV

d

Si

Quando il dispositivo acceso, la regione di drift non pi svuotata e la sua conducibilit dipende dal drogaggio, che dunque non pu essere troppo basso per non penalizzare la Ron.

da cui Nd deve essere basso e h grande.

Semiconduttori per MOSFET di potenza

Il semiconduttore ideale quello che offre elevata , elevato Emax, elevata (conducibilit termica)

43

6

23

101.160

dGBD

NEV formula di Sze e Gibson

hAreaNq

hAreaG dndrift

dove Area la sezione della regione di drift.

21' cmhNqG dndrift

Sostituendo 2maxmax2

EqV

N d

max

max2EVh

si ottiene:2

max

3max

4'

VEqG ndrift

Dissipazione del calore nei dispositivi microelettronici

Il surriscaldamento pu condurre alla rottura di un dispositivo elettronico.

Il problema ugualmente presente nei dispositivi di potenza come nei dispositivi microelettronici ad elevata integrazione.

Meccanismi prevalenti di rottura:

Metallizzazioni: elettromigrazione, spiking dei contatti, fusione

Chip: frattura

Ossidi: intrappolamenti, perdita di isolamento

Dispositivo: contaminazioni ioniche, second breakdown

Interfacce ossido/silicio: elettroni caldi

kTE

O

a

eTMTTFTMTTF )(

Ea dipende dai processi, dai materiali, dalle geometrie, dalle applicazioni

Ea0.7 eV

Dipendenza dalla temperatura delle rotture per elettromigrazione

Nei dispositivi bipolari il calore si sviluppa prevalentemente in corrispondenza delle giunzioni iniettanti. Per tale motivo il limite in temperatura spesso fornito con il parametro TJ,max.

Normalmente la TJ,max fornita con riferimento ad una temperatura del case(contenitore) del dispositivo, TC. Occorre quindi garantire che il case sia alla temperatura indicata. A ci si provvede dimensionando il sistema di raffreddamento (alette, ventole, ) in modo tale da estrarre la quantit di calore che occorre.

metallo del case

Si

TJ

TA

RSi

RAl

convezione

contattoTC

dispSiSi A

dkR 1cont

AlAl AtkR 1

KmWkSi 170

KmWkAl 240

A regime si deve avere CJAlSi TTRRWQ 1

in cui hc il coefficiente di convezione, che dipende dal sistema di raffreddamento utilizzato.

Poich TC e TA sono indicate dal costruttore, e Q la potenza dissipata dal componente (Ron I2), possibile calcolare l hc e quindi dimensionare il sistema di raffreddamento.

ACC TTh 1coincidente con il calore che si estrae dal case

CONFRONTO FRA BJT E MOSFET DI POTENZA

Vantaggi del BJT:

- la sezione attiva del dispositivo coincide con larea dellemitter, mentre nel MOSFET limitata dallo spessore della regione di inversione

- il controllo della corrente attraverso la polarizzazione della giunzione E-B garantisce elevata sensibilit della corrente di uscita dalla tensione di controllo:

mbe

c

in

out gdvdi

dvdi

Tbe

Vv

sc eIi

ovvero possibile passare da una corrente minima a quella massima per variazioni della tensione di controllo di pochi decimi di Volt. In un MOSFET possono essere necessari alcuni Volt (la gm in genere molto inferiore).

In definitiva, a parit di ingombro, il BJT in grado di gestire correnti pielevate, e dunque pi rapido nelle operazioni di carica-scarica di carichi capacitivi.

CONFRONTO FRA BJT E MOSFET DI POTENZA (2)

Vantaggi del MOSFET:

- nessun consumo di potenza per la polarizzazione nello stato on (in un BJT il guadagno di corrente in saturazione spesso inferiore a 10)

- non essendo necessario limitare la corrente nel terminale di controllo, la rete di polarizzazione molto pi semplice

- essendo un dispositivo a portatori maggioritari, la commutazione pi rapida

In definitiva, come regola generale si pu affermare che i BJT di potenza sono preferibili per applicazioni analogiche (amplificazione), mentre i MOSFET sono preferibili per applicazioni switching

IGBT (insulated gate bipolar transistor)

Associa la capacit di gestire elevate correnti del BJT allassenza della corrente di controllo del MOSFET (caratteristica di ingresso del MOSFET e caratteristica di uscita del BJT)

Strutturalmente molto simile ad un D-MOS, ma la regione di drain (ora collettore) ha drogaggio di segno opposto (P+) il che crea un BJT PN-P+ verticale.

Collettore ed emitter hanno ruoli invertiti.

Nello stato off la regione N- floatingper cui la struttura PNP ha sempre una delle due giunzioni contro-polarizzata. Tutta la tensione esterna cade sulla giunzione PN che risulta contropolarizzata in quel momento (non sempre un vantaggio).

N- base

P+

EMITTER

COLLECTOR

EMITTER

IGBT (insulated gate bipolar transistor) (2)

Applicando una opportuna polarizzazione di gate, il canale orizzontale collega la regione N- (base) con la regione N+ . Dunque lemitter (che normalmente a massa) e la base sono cortocircuitati. La giunzione collettore-base, gipolarizzata direttamente, pu ora iniettare lacune in N-, per cui il BJT entra in funzione.

Essendo un dispositivo intrinsecamente bipolare, presenta problemi di storagedei minoritari.

P+

EMITTER

COLLECTOR

EMITTER

N- base

+Vc