3 Принцип работы CoolMos-транзистора

Ключевым моментом в понимании невосприимчивости CoolMOS-транзистора к механизму пробоя в резонансных схемах являются его отличия во внутренней структуре. Рисунок 4 демонстрирует поперечный разрез ячейки. Здесь видно единственное отличие от обычного транзистора, показанного на рисунке 2 : столб p-области глубоко проникает в активную область силового транзистора. Дополнительная p-зона обеспечивает более высокую степень легирования соседнего <n-столбца, снижая тем самым присущее данной области сопротивление в открытом состоянии CoolMOS-транзистора в пять раз по сравнению с обычным транзистором. Степень легирования данной p-зоны должна тщательно контролироваться, так как при закрытом состоянии транзистора свободные носители в ней полностью отсутствуют.

Рисунок 4 - Поперечное сечение ячейки CoolMOS-транзистора

Данная структура прямо влияет на динамические свойства CoolMOS-транзистора. Ее воздействие на 4 стадии переключения в мостовом резонансном преобразователе показано на рисунке 5.

Рисунок 5 - Протекание электронов и дырок внутри CoolMOS™ ячейки транзистора в течение четырех стадий мостового резонансного преобразователя (t₁–t₄: слева направо, сверху вниз)

В течение стадии t₁ транзистор работает как внутренний паразитный диод с током, текущим в обратном направлении. На данной стадии нет существенного отличия от обычного транзистора, поскольку концентрация плазмы все еще на порядок выше, чем степень легирования p- и n-столбцов транзистора. Из-за включения полевого канала на стадии t₂ концентрация электронов и дырок между областями p-well уменьшается, структура p-столбца начинает появляться вновь.

На стадии t₃ направление тока изменит свой знак, электронный поток движется теперь вниз к контакту n⁺, а поток дырок течет вверх, к области p-well. Обратите внимание на то, что на этой стадии электронно-дырочная плазма все еще присутствует в активной области транзистора, и область объемного заряда фактически отсутствует. Такая область, которая полностью очищена от подвижных носителей, должна распределиться вокруг p-n-перехода устройства [3].

Так как в CoolMOS-транзисторе глубина p-n-перехода достигает нескольких десятков микрометров, плазма должна быть вытеснена практически полностью из всей активной области силового транзистора прежде, чем на транзисторе установится некоторое блокирующее напряжение. Работа силового транзистора во многом подобна источнику тока. Благодаря току нагрузки, электронно-дырочная плазма уменьшается во всей активной области транзистора. Относительно сильно легированные p- и n-столбцы появляются вновь, но они не обеднены подвижными носителями. Эта ситуация обозначена областью синего цвета и цвета охры ниже красных областей p-well.

В наиболее важной стадии 4 транзистор находится в выключенном состоянии. CoolMOS-транзистор действует как источник тока, пока заряд обратного восстановления не будет фактически полностью вытеснен из активной области. Только после того, как произойдет полное удаление носителей, введенных в течение работы внутреннего паразитного диода на стадии t₁, силовой транзистор начинает блокировать некоторое напряжение. Здесь силовой транзистор выключается в жестком режиме, как и при обычном переключении. Область объемного заряда, поддерживающая повышающееся напряжение на силовом транзисторе, распространяется вокруг глубокого p-n-перехода.

Электроны n-столбца текут в пределах своей области сгущения к n⁺-контакту, поток дырок устремлен вверх, в пределах своего столбца. Ни один из носителей не должен пересечь расширяющуюся область объемного заряда. Снова мы имеем только ток смещения, или, другими словами, ток и напряжение не в фазе внутри силового транзистора. На данной стадии нет никакой мощности рассеяния. Этот эффект делает CoolMOS наибыстрейшим переключающимся силовым транзистором с самыми низкими потерями при выключении. Транзистор быстро переключается, когда его активная область полностью освобождена от заряда обратного восстановления; он демонстрирует фактически полное отсутствие повышения напряжения на предыдущем интервале времени. Благодаря своей структуре, транзистор CoolMOS ожидает момента безопасного быстрого переключения. При частично удаленном заряде обратного восстановления воздействие напряжения dv/dt отсутствует.

P-столбец, который выровнен к области p-well и металлическим контактам терминала истока, имеет другой приятный эффект с точки зрения надежности работы в мостовом резонансном преобразователе: как показано на рисунке 6, ток дырок не сосредоточен в искривленной шейной области p-well, подобно стандартной ячейке транзистора, а подходит непосредственно к металлическому контакту. Причиной данного поведения является то, что p- и n-столбцы создают горизонтальное электрическое поле глубоко внутри структуры транзистора, которое отделяет электроны и дырки. Поток дырок поэтому сосредоточен внутри p-колонки подобно световым лучам в лупе или сиропу в воронке. Благодаря этому силовой транзистор не подвергается боковым потокам дырок ниже n⁺-области истока, которые, как предполагается, запускают паразитный биполярный n-p-n-транзистор. Таким образом, транзистор CoolMOS не страдает от второй вышеупомянутой причины эксплуатационных отказов мостового резонансного преобразователя.

Рисунок 6 - Детальное представление CoolMOS-ячейки транзистора, иллюстрирующее сфокусированный поток дырок, протекающий вертикально вверх к металлическому контакту

Кроме того, транзистор CoolMOS способен выдерживать высокие значения di/dt при жестком переключении диода. Рисунок 7 демонстрирует результаты измерения, близкие к 1000 A/мкс. Дальнейшие измерения до 3000 A/мкс были выполнены без отказа силового транзистора [4].

Рисунок 7 - Жесткое переключение внутреннего паразитного диода CoolMOS-транзистора при di/dt > 900 А/мкс и напряжении питания 380 В

4 Характеристики и преимущества CoolMOS-транзистора

Основные характеристики и преимущества:

1) Резкое уменьшение потерь мощности в проводящем состоянии силового ключа;

2) Сопротивление во включенном состоянии полевого транзистора CoolMOS при Uds=600 В в 5 раз, а при Uds=1000 В - в 10 раз меньше, чем у стандартного MOS-транзистора;

3) Уменьшение активной площади кристалла в 3 раза, при этом потери мощности в проводящем состоянии снижены на 20%, а плотность энергии на единицу площади кристалла достигает 2,5 Вт/мм2;

4) Компактность корпусов – замена силовых модулей на транзисторы в корпусах ТО 220 и ТО 247;

5) Значительное снижение заряда затвора и потерь при переключении (до 50%);

6) Заметное улучшение частотных свойств – номинальная рабочая частота до 200 кГц и выше;

7)Высокая способность по перегрузке – пиковая мощность рассеивания до 40 кВт при токе КЗ в 114 А;

8) Увеличение помехозащищенности – пороговое напряжение включения: 3,5 - 5,5 В.

Области применения:

1) импульсные источники питания для персональных компьютеров, серверов и рабочих станций, бытовой электроники: телевизоров, видеомагнитофонов, игровых видео-приставок и др.;

2) источники бесперебойного питания (UPS) и устройства коррекции коэффициента мощности;

3) системы электропитания для микроволновых устройств и медицинского оборудования;

4) установки индукционного нагрева;

5) сварочное оборудование мощностью 1 кВт – 1 МВт и квазистатические регуляторы света;

6) резонансные регуляторы с коммутацией в нуле напряжения.

5 Моделирование силового CoolMOS в САПР Silavaco TCAD

5.1 Листинг программы

Для моделирования CoolMOS транзистора нужно открыть DeckBuild, который входит в САПР TCAD Silavaco и написать код который приведен ниже.

# Создание и моделирование CoolMOS транзистора в программе Athena

go athena

# задание геометрических размеров структуры и делений сетки по оси x

line x loc=0.00 spac=0.25

line x loc=3.00 spac=0.10

line x loc=10.00 spac=1.0

# задание геометрических размеров структуры и делений сетки по оси y

line y loc=39.00 spac=0.5

line y loc=40.00 spac=0.5

# инициализация сетки для кремниевой структуры заданной ориентации с заданным количеством примеси

init c.phosphor=1.0e18 orientation=100 space.mult=2

# выращивание эпитаксиальной пленки кремния, легированной фосфором в концентрации 1×10¹⁵ см-3, толщина нарощенной пленки 39 мкм, время роста 10 минут, температура процесса 1200 ^оС

epitaxy time=10 temp=1200 thickness=39 divisions=79 dy=0.10 ydy=0.00 c.phos=1.0e15

# нанесение оксидной маски

deposit oxide thickness=0.06 div=1

deposit poly thickness=0.35 div=3

deposit oxide thickness=0.35 div=3

deposit photores thickness=1 div=3

# стравливание оксида

etch photores p1.x=3 left

etch oxide p1.x=3 left

etch poly p1.x=3 left

etch oxide p1.x=3 left

# имплантация бора с заданной концентрацией и энергией

implant boron dose=1e14 energy=80

#

etch photores all

# диффузия, время диффузии 100 минут, температура 1100 ⁰С

diffuse time=100 temp=1100

# имплантация мышьяка с заданной концентрацией и энергией

implant arsenic dose=3e15 energy=100

# диффузия, время диффузии 20 минут, температура 1100 ⁰С

diffuse time=20 temp=1100

# нанесение оксидной маски и вытравливание прямоугольной области

deposit oxide thickness=0.5 div=4

etch oxide thickness=0.5

etch start x=0 y=-0.1

etch cont x=0 y=0.8

etch cont x=2.5 y=0.8

etch done x=2.5 y=-0.1

диффузия, время диффузии 1 минут, температура 1100 ⁰С

diffuse time=1 temp=1100

# нанесение алюминия и стравливание

deposit alum thickness=1 div=8

etch alum right p1.x=3.5

# создание электродов

electrode name=source x=0

electrode name=gate x=5 y=-0.2

electrode name=drain backside

# заходим в программу Atlas

go atlas

# легирование p-типом с равномерным распределением концентрации по всему кремнию

doping p.type conc=2.0e15 x.min=0.0 x.max=4.0 y.min=1.5 y.max=39.0 uniform

# сохранение результатоы моделирования в файл powerex14_0.str

save outfile=powerex14_0.str

# вывод результатов моделирования на экран

tonyplot powerex14_0.str -set powerex14_0.set

# определение модели

models cvt srh print

impact selb

# задание работы выхода затвора, n.poly задает n⁺ легированный поликремний как материал контакта с работой выхода workfuction=4.17eV

contact name=gate n.poly

# определение численного метода (метод Ньютона)

method newton trap maxtraps=10 climit=1e-4 ir.tol=1e-30 ix.tol=1e-30

# начало расчета

solve init

# вывод результатов в специальный log файл

log outf=powerex14.log

# расчет при заданном значении напряжения смещения на затворе и стоке

solve vdrain=0.03

solve vdrain=0.1

# моделирование при заданном начальном напряжении на стоке 0,25 В, изменять с шагом 0,25 В до 2 В

solve vdrain=0.25 vstep=0.25 vfinal=2 name=drain

# моделирование при заданном начальном напряжении на стоке 0,25 В, изменять с шагом 1 В до 10 В

solve vstep=1 vfinal=10 name=drain

# моделирование при заданном начальном напряжении на стоке 0,25 В, изменять с шагом 5 В до 660 В

solve vstep=5.0 vfinal=660 name=drain

# моделирование при заданном начальном напряжении на стоке 0,25 В, изменять с шагом 0,25 В до 700 В

solve vstep=0.25 vfinal=700 name=drain compl=1.e-7 cname=drain outf=powerex14_1.str master onefile

# расчет напряжения пробоя

extract name="bv" max(v."drain")

вывод результатов моделирования на экран

tonyplot powerex14_1.str -set powerex14_1.set

tonyplot powerex14.log -set powerex14_2.set

quit