1.2 Моп транзисторы.
МОП транзистор, он же MOSFET ( Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect Transistor) принадлежит к классу полевых (униполярных) транзисторов. Его основу составляет полупроводниковая структура металл-окисел-полупроводник (МОП). Канал такого транзистора может быть встроенным (т.е. созданным физически при изготовлении транзистора) или индуцированным (т.е. наведенным в процессе работы при соответствующей поляризации транзистора). В ключевых транзисторах, как правило, используется именно эта структура.
На рис.5 схематично показана базовая структура и условное графическое обозначение n- канального силового МОП–транзистора с индуцированным каналом и его условное графическое обозначение.
Основными характеристиками полевого транзистора являются входная стоко-затворная характеристика (рис.6а) и выходная вольт-амперная характеристика исток-сток и (рис. 6б).
Положительное пороговое напряжение затвора UПор. МОП транзисторов с индуцированным затвором делает ненужными цепи смещения при работе в ключевом режиме. Это существенно упрощает схемы управления транзистором.
Кроме того благодаря изоляции управляющего электрода (затвора) МОП транзистор обладает высоким входным сопротивлением и поэтому работает практически без токов управления.
В сравнении с биполярными транзисторами, МОП транзисторы свободны от многих недостатков свойственных БТ и имеют перед ними следующие преимущества:
- ничтожно малые мощности управления благодаря высокому входному сопротивлению;
- устойчивость к вторичному пробою и отсюда высокая стойкость к перегрузкам (практически прямоугольная область безопасной работы);
- отсутствие процессов накопления и рассасывания зарядов, что способствует повышению предельных частот коммутации и снижает динамические потери;
- отсутствие необходимых для запирания смещений;
- беспроблемное параллельное включение, что позволяет получить требуемые предельные мощности коммутации.
Эти свойства значительно упрощают схемы ключа, способствуют унификации схемотехнических решений, обеспечивает стыковку с логическими схемами цифрового управления и более полному использованию интегральных технологий.
Основным недостатком МОП транзисторов является относительно высокое сопротивление канала при повышенных напряжениях коммутации. Выше 500-600В такие потери становятся недопустимо высокими. Соответственно на средних и больших мощностях МОП транзисторы характеризуются повышенными потерями напряжения и мощности во включенном состоянии. Высоковольтных МОП-транзисторов с достаточно хорошими характеристиками пока нет, так как сопротивление открытого МОП - транзистора растет пропорционально квадрату пробивного напряжения. Кристаллы высоковольтных МОП-транзисторов имеют большую площадь (и соответственно большую стоимость) чем у биполярных транзисторов.
Обладая при низких напряжениях коммутации малыми статическими и низкими динамическими потерями, кратными небольшому времени переключения, позволяет им работать на частотах до 100 кГц. Благодаря этому МОП -транзисторы вытесняют из низковольтной преобразовательной аппаратуры (менее 200 В) все остальные типы полупроводниковых приборов.
Новые технологии, в их числе Trech-gate Тechnology (“углубленный, утопленный затвор”) позволяют, снизить сопротивление открытого транзистора до 0,01 мкОм \м2 таким образом уменьшить один их основных недостатков МОП – транзистора.
На рис.3 показана структура МОП –транзистора с утопленным затвором (Trech-gate Technology). Увеличение площади истока и рабочей области канала благодаря углублению затвора позволяет уменьшить сопротивление транзистора и габариты кристалла в сравнении с традиционной структурой МОП- транзистора.
Технологии COOL MOSTM позволили получить МОП транзистор с удельным сопротивлением 3 Ом\мм2. Это расширяет область применения этого класса до напряжений 600-1000 В и мощностей до 10 кВт.
Развитие и объединение положительных качеств биполярных транзисторов и управляющих свойств МОП структуры реализуется в Биполярном транзисторе с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor- IGBT).