Перспективные полевые МОП-транзисторы DTMOS, U-MOS компании Toshiba Semiconductor

Компания Toshiba Semiconductor (TSC), входящая в группу Toshiba Corporation, является одним из крупнейших мировых производителей дискретных полупроводниковых приборов и микросхем. В июле 2011 г. в группе была проведена внутрифирменная реорганизация с образованием компании The Semiconductor & Storage Company, в состав которой вошла TSC и подразделение приборов для хранения информации. Компания располагает центрами разработки полупроводниковых систем (Semiconductor System Engineering Center) и микроэлектроники. Производственные мощности компании расположены не только в Японии, но и в Малайзии, Таиланде, Китае и на Филиппинах. Компания разрабатывает и выпускает широкий спектр микросхем различного назначения и дискретных полупроводниковых приборов, в том числе силовых транзисторов и микросхем для управления двигателями и источников питания.

В каталоги компании 2013 г. включены силовые полевые транзисторы средней и большой мощности, IGBT, комбинированные сборки транзисторов и диодов различного типа, а также MOSFET для автомобильных приложений. В категорию низковольтных (30–250 В) полевых транзисторов включены приборы на основе технологии U-MOS, а в категорию высоковольтных (600 В) — на основе технологии DTMOS [1].

Полевые транзисторы U-MOS выполнены на основе технологии с вертикальным затвором (Trench MOS). Компания разработала уже несколько поколений транзисторов U-MOS, параметры которых постоянно улучшались. На рис. 1 показаны диаграммы, отражающие снижение удельного сопротивления открытого канала R_on A для различных поколений U-MOS транзисторов с Р-каналом (розовая линия) и N-каналом (синяя линия). Полевые транзисторы U-MOS VIII-H относятся к восьмому поколению низковольтных Trench MOS-транзисторов и характеризуются одними из лучших в отрасли параметрами энергоэффективности. Структура кристалла транзистора U-MOS VIII-H приведена на рис. 2, ее основной особенностью является вертикальное расположение канала. К известным преимуществам транзисторов Trench MOS относятся уменьшенное значение R_{DS ON}, большая плотность тока на единицу площади кристалла и более высокая устойчивость к лавинному пробою, чем у приборов, выполненных по планарной технологии.

Рис. 1. Снижение удельного сопротивления полевых транзисторов U-MOS

Рис. 2. Структура Trench MOS

Приборы U-MOS VIII-H обеспечивают значительно лучший компромисс между сопротивлением R_{DS ON} и входной емкостью С_iss в сравнении с Trench MOSFET 4-го поколения U-MOS IV, обладают повышенной устойчивостью к лавинному пробою и меньшим уровнем излучений. Сопротивление потерь на единицу площади кристалла R_on A в сравнении с типичными N-канальными МОП-транзисторами примерно вдвое меньше. Для определения эффективности преобразования энергии в источниках питания на полевых транзисторах часто используется показатель R_on×C_iss, для U-MOS VIII-H он примерно на 60% меньше, чем у приборов U-MOS IV.

Для сравнения специалисты компании провели измерения эффективности AC/DC-преобразователя с выходным напряжением 19,5 В при U_сети = 100 В/60 Гц, выполненного на полевых транзисторах различных производителей. Зависимости эффективности преобразования от величины выходного тока испытываемого преобразователя приведены на рис. 3. В тестировании были использованы транзисторы TK65E10N1 (U-MOS VIII-Н, 100 В/4 мОм) и IPP045N10N3 (Infineon, 100 В/3,9 мОм), а также группа приборов IRFB4410ZGPbF (International Rectifier), FDP047N10 (Fairchild), PSMN5R6-100PS (NXP). Как видно из диаграмм, эффективность преобразователя на транзисторах Toshiba и Infineon самая высокая в группе испытуемых приборов, а при малых нагрузках TK65E10N1 лучше, но уступает IRFB4410ZGPbF. Основные области применения транзисторов U-MOS VIII-H — AC/DC- и DC/DC-преобразователи для широкого спектра промышленных и потребительских приложений, средств связи и оборудования для информационных технологий. Специально для автомобильных приложений компания выпускает ряд приборов с максимальной температурой канала до +175 °С в соответствии с требованиями стандарта AES-Q101 и с защитными стабилитронами между затвором и истоком. Транзисторы выпускаются в корпусах DPAK (TO-252), TO-220SM/SIS (TO-263/SC-67), TO-3P (SC-65), TSON Advance (MO-240), PS-8.

Рис. 3. Эффективность преобразователя напряжения

Высоковольтные полевые транзисторы DTMOS выполнены на основе технологии Super-Junction, компании разработала уже четыре поколения приборов с данной технологией и постоянно улучшающимися параметрами. На рис. 4 приведены диаграммы, показывающие снижение удельного сопротивления открытого канала транзисторов R_on A для различных поколений МОП-транзисторов с n-каналом серий π-MOS, DTMOS. Приборы DTMOS IV относятся к четвертому поколению высоковольтных полевых транзисторов со структурой Super-Junction, приведенной на рис. 5. Данная структура увеличивает напряжения пробоя за счет применения вертикально ориентированного пакета из слоев n- и p-типов для формирования обедненного слоя, что обеспечивает равномерное распределение электрического поля вдоль p-n-переходов. Структура Super-Junction обычно обеспечивает и более низкие значения потерь проводимости в сравнении с другими структурами.

Рис. 4. Снижение удельного сопротивления транзисторов DTMOS

Рис. 5. Структура Super-Junction

При производстве приборов DTMOS IV используется однофазная эпитаксиальная технология (Single-epi Process) для формирования в пакетах слоев p-типа. Наиболее часто используемая многофазная эпитаксиальная технология (Multi-epi Process), в сравнении с однофазной, чувствительна к изменениям концентрации легирующих примесей на стыках p-n-переходов за счет термодиффузии. Кроме того, при однофазной эпитаксии формируется дополнительный пакет слоев n- и p-типов (рис. 6), что позволяет уменьшить размеры кристалла или увеличить производительность прибора. Однофазная эпитаксиальная технология позволяет также сократить производственный цикл при изготовлении кристаллов транзисторов, так как эпитаксиальный рост слоев p-типа в пакетах производится только один раз [2].

Рис. 6. Технологии эпитаксии

Потери проводимости, определяемые в основном R_{DS ON}, у приборов DTMOS IV снижены примерно на 30% по сравнению с предыдущим поколением DTMOS III. Кроме того, приборы нового поколения характеризуются меньшим сопротивлением потерь на единицу площади, например, при Т = +125 °С их сопротивление R_on A на 10% меньше, чем у транзисторов DTMOS III, а потери переключения E_oss — на 12%. Компания последовательно, в течение ряда лет, снижает удельное сопротивление R_on A выпускаемых высоковольтных полевых транзисторов. На рис. 7 показаны диаграммы, иллюстрирующие этот процесс в сравнении с приборами компаний Infineon (Cool-MOS), Fairchild (SuperFET), STMicroelectronics (MDmesh).

Рис. 7. Сравнение приборов различных производителей

Классификационные параметры полевых транзисторов DTMOS IV из каталога TSC 2013 г. приведены в таблице 1. В таблицу включены перспективные приборы DTMOS IV на напряжение U_си = 600/650 В и приборы DTMOS IV с быстрыми диодами (U_си = 600/650 В). В таблицу 1 вошли только приборы со статусом МР («массовая продукция»), транзисторы со статусом ES («экспериментальная серия») и разрабатываемые типы приборов в таблицу не включены. Внешние виды транзисторов в различных корпусах показаны на рис. 8а, б. Классификационные параметры полевых транзисторов U-MOS VIII-H со статусом МР приведены в таблице 2 (прочерки в графах таблицы означают отсутствие опубликованных спецификаций на соответствующие приборы на момент написания статьи). Рассмотрим особенности некоторых приборов, приведенных в таблицах 1 и 2, более подробно.

Рис. 8. Корпуса приборов

Приборы DTMOS IV

Рис. 9. Корпус D2PAK

TK20G60W (Datasheet 2013 г.) предназначен для применения в импульсных преобразователях напряжения и выполнен в корпусе D2PAK с неизолированным выводом стока (рис. 9). Основные особенности и параметры транзистора (за исключением приведенных в таблице 1):

• Низкое сопротивление открытого канала: типовое значение R_{DS ON} = 0,13 Ом, однако его величина существенно зависит от температуры кристалла и тока стока. На рис. 10 приведена зависимость R_{DS ON} от температуры окружающей среды при различных токах стока.
  

  Рис. 10. Зависимости R_DS(ON) транзистора TK20G60W от температуры

• Пониженное пороговое напряжение затвора V_th — 2,7–3,7 В. Входная характеристика прибора при U_си = 10 В приведена на рис. 11.
  

  Рис. 11. Входная характеристика прибора TK20G60W

• Мощность рассеяния P_расс при Т_корп = +25 °С — 165 Вт, максимальный импульсный ток стока 80 А.
• Максимальная температура кристалла — 150 °С.
• Тепловое сопротивление канал-корпус R_th (ch-c) — 0,757 °С/Вт.
• Сопротивление затвора Rз (при отключенном стоке на частоте 1 МГц) — 1,5 Ом.
• Динамические характеристики (схема измерения приведена на рис. 12):
  – длительность фронта t_r — 25 нс;
  – длительность спада t_f — 6 нс;
  – время включения t_on — 50 нс;
  – время выключения t_off — 100 нс;
  – скорость нарастания выходного напряжения dV/dt — не менее 50 В/нс.
  

  Рис. 12. Схема измерения параметров

• Параметры внутреннего (обратного) диода:
  – прямое напряжение U_д (V_{DS f}) при I_c = 20 А — –1,7 В;
  – время восстановления обратного сопротивления t_rr — 290 нс (при I_c = 10 А, –dI_си/dt = 50 А/мкс);
  – пиковый прямой ток I_д пик (пиковый обратный ток стока I_drp) — 23 А.

TK39A60W/TK39J60W (2012 г.) — приборы в изолированном корпусе TO220SIS/в корпусе TO-3P (N) с неизолированным выводом стока. Основные параметры:

• Зависимости сопротивления открытого канала транзисторов от температуры окружающей среды при различных токах стока приведены на рис. 13.
  

  Рис. 13. Зависимости R_DS(ON) транзисторов TK39A60W, TK39J60W от температуры

• Р_расс — 50 Вт/270 Вт, I_c имп — 155 А, R_th (ch-c) — 2,5/0,463 °С/Вт, R_з — 2 Ом.
• Динамические характеристики: t_r = 50 нс, t_f = 9 нс, t_on = 80 нс, t_off = 200 нс, dV/dt не менее 50 В/нс.
• Параметры обратного диода: U_д = –1,7 В, t_rr = 450 нс, I_д пик = 21 А.

Как видно из приведенных данных, при одинаковых параметрах приборы в изолированном корпусе обеспечивают значительно меньшую мощность рассеяния.

TK62N60W (TO-247)/TK62J60W (TO-3P (N) (Datasheet 2013 г.) — приборы в корпусах с неизолированными выводами стока. Основные параметры:

• Р_расс — 400 Вт, I_c имп — 247 А, R_th (ch-c) — 0,313 °С/Вт, R_з — 2 Ом.
• Динамические характеристики: t_r = 58 нс, t_f = 15 нс, t_on = 115 нс, t_off = 310 нс, dV/dt не менее 50 В/нс.
• Параметры обратного диода: U_д = –1,7 В, t_rr = 500 нс, I_д пик – 25 А.

TK100L60W (2012 г.) — прибор в корпусе TO-3P (L) с неизолированным выводом стока. Его основные параметры:

• Р_расс — 797 Вт, I_c имп – 400 А, R_th (ch-c) — 0,157 °C/Вт, R_з — 1,8 Ом.
• Динамические характеристики: t_r = 130 нс, t_f = 125 нс, t_on = 230 нс, t_off = 690 нс, dV/dt не менее 50 В/нс.
• Параметры обратного диода: U_д = 1,7 В, t_rr = 580 нс, I_д пик – 30 А.

Приборы U-MOS VIII-H

Рис. 14. Корпус TSON Advance

TPN30008NH/TPN13008NH (2012 г.) — приборы предназначены для применения в DC/DC-преобразователях, импульсных источниках питания и драйверах двигателей. Они выполнены в корпусе TSON Advance (рис. 14). Основные особенности и параметры транзистора (за исключением приведенных в таблице 2):

• малые размеры и толщина корпуса (3,3×3,3×0,85 мм);
• высокое быстродействие (t_on/t_off — 11/14 нс);
• малый заряд затвора — общий заряд Q_з = 11/18 нК, заряд переключения Q_sw = 4,1/6,7 нК при U_с = 40 В, I_с = 9,6/18 А, U_зи = 10 В;
• малая величина сопротивления открытого канала и его относительная независимость от тока стока, зависимости R_{DS ON} от температуры окружающей среды транзистора TPN30008NH при различных токах стока приведены на рис. 15;
  

  Рис. 15. Зависимости R_DS(ON) транзистора TPN30008NH от температуры

• малый ток утечки I_dss — не более 10 мкА при U_си = 10 В;
• импульсный ток стока 47/98 А (t_имп = 1 мс), тепловое сопротивление R_th (ch-c) — 4,62/2,97 °С/Вт, сопротивление затвора R_з = 0,6/0,9 Ом;
• динамические характеристики: t_r = 3,8/4,5 нс, t_f = 3,6/5 нс, t_on = 11/14 нс, t_off = 14/18 нс;
• параметры обратного диода: U_д = –1,2 В, I_д пик = 47/98 А.

Рис. 16. Корпус SOP Advance

TPH4R008NH/TPH4R50ANH (2012 г.) — приборы в корпусах SOP Advance (рис. 16), предназначенные для тех же областей применения, что и рассмотренные выше транзисторы. Основные параметры приборов:

• габариты корпуса 5×5×0,95 мм;
• параметры затвора: Q_з = 59/58 нК, Q_sw = 18/22 нК, R_з = 1,2/1 Ом;
• зависимости R_{DS ON} транзистора TPH4R008NH от температуры окружающий среды при различных токах стока приведены на рис. 17 (аналогичные зависимости для TPH4R50ANH близки к показанным на рис. 18);
  

  Рис. 17. Зависимости R_DS(ON) транзистора TPH4R008NH

  

  Рис. 18. Области безопасной работы

• I_{с имп} — 200 А, R_th (ch-c) — 1,6 °С/Вт;
• динамические характеристики: t_r = 8,6/9,6 нс, t_f = 12/13 нс, t_on = 25 нс, t_off = 52 нс;
• параметры обратного диода: U_д = –1,2 В, I_д пик = 200 А.

TK100A06N1/TK100E10N1 (2012 г.) — приборы в корпусах TO220SIS/ТО-220, предназначенные для применения в импульсных источниках питания. Основные параметры приборов:

• I_c имп — 584/434 А (t_и = 1 мс), R_th (ch-c) — 2,77/0,49 °С/Вт;
• параметры затвора: Q_з = 140 нК, Q_sw = 56 нК, R_з = 3/2,6 Ом;
• динамические характеристики: t_r = 67/32 нс, t_f = 64/45 нс, t_on = 110/59 нс, t_off = 180/140 нс;
• параметры обратного диода: U_д = –1,2 В, I_{д пик} = 584/434 А.

Разработка ИП и выбор силовых элементов

К современным тенденциям при конструировании импульсных источников питания относятся (ИП):

• Снижение потерь и повышение эффективности, которое достигается использованием синхронных выпрямителей, уменьшением R_{DS ON} и увеличением быстродействия транзисторов, увеличением пикового тока обратных диодов и уменьшением прямого падения напряжения.
• Увеличение частот коммутации — переход от ШИМ-регуляторов к резонансным и преобразователям с чередующимся режимом (Interleaved Switching). Режим с чередованием фаз вместо традиционного параллельного имеет ряд преимуществ, в том числе снижение пульсаций тока, позволяющее уменьшить габариты фильтра.
• Уменьшение габаритов и толщины — распределение ИП в конструкциях приборов (модульный дизайн); использование усовершенствованных корпусов (WCSP, BGA).
• Снижение уровня шумов и гармоник — использование активных фильтров, микросхем контроллеров коэффициента мощности.
• Улучшение нагрузочных характеристик — параллельное включение ИП, цифровое управление, улучшение высокочастотных параметров.
• Интеллектуальные системы — схемы «горячего» отключения (Hot Swap), МОП-транзисторы с логическими входами, ORing MOSFET (приборы для работы в силовых схемах «ИЛИ»).

Одной из актуальных задач, возникающих при разработке различных ИП, является оптимальный выбор силовых элементов. Представляют интерес рекомендации инженеров Toshiba по методам определения «рейтинговых» параметров полевых МОП-транзисторов. К рейтинговым параметрам, превышение которых недопустимо ни при каких условиях, относятся: максимальное напряжение «сток–исток», максимальное напряжение «затвор–исток», токовый рейтинг, максимальная температура канала, рейтинговая мощность рассеяния, область безопасной работы, ограничение допустимых параметров (Derating).

Различают четыре метода определения максимального напряжения «сток–исток» транзисторов: V_dss (U_си в таблицах 1, 2) — измеренное напряженея пробоя при соединении затвора и истока; V_dsx — с отрицательным напряжением на затворе (для N-канальных транзисторов при U_зи = –3 В); V_dsr — при соединении затвора и истока через резистор; V_dso — с отключенным затвором. Для современных типов транзисторов (кроме Trench MOS) напряжения V_dss, V_dsx, V_dsr приблизительно одинаковы, для транзисторов с вертикальным каналом («тренч») — V_dss ≥ V_dsx.

Максимальное напряжение «затвор–исток» V_gss определяется электрической прочностью оксидной пленки, отделяющей затвор от канала транзистора, и измеряется при соединении стока и истока.

К токовым параметрам транзисторов относятся: I_d (в таблицах 1, 2 — I_с) — максимальный ток стока при температуре корпуса транзистора +25 °С (транзистор должен быть установлен на теплоотвод, при этом температура канала транзистора не должна превышать +150 °С); I_dp (в тексте I_c имп) — максимальный импульсный ток стока при длительности импульса 1 мс (Т_корп не более +150 °С); I_drp (в тексте I_{д пик}) — максимальный импульсный прямой ток внутреннего диода (обратный импульсный ток стока).

Мощность рассеяния на стоке транзистора определяется соотношением P_d = I_d × U_ds, допустимая мощность рассеяния зависит от эффективности отвода тепла от транзистора, температуры окружающей среды, теплового сопротивления и максимально допустимой температуры канала. Максимальная мощность рассеяния определяется также выражением P_d макс = (Т_{ch макс}–Т_о)/R_th, где Т_ch макс — максимально допустимая температура канала, Т_о — текущая температура корпуса (Т_с) или окружающей среды (Т_а), R_th — тепловое сопротивление «канал–корпус» (R_{th ch-c}) или «канал–окружающая среда» (R_{th ch-a}).

Область безопасной работы (SOA) определяется взаимозависимостью тока и напряжения стока транзисторов. На рис. 18 показаны области безопасной работы прибора TPN30008NH. SOA описывает прямосмещенные характеристики прибора; нарастающий наклон характеристики, обозначенный пунктиром, отражает постоянное сопротивление R_{DS ON}; спадающий наклон характеристик — постоянную мощность. При низких напряжениях транзистор не может обеспечить номинальный ток из-за наличия сопротивления R_{DS ON}. Горизонтальные части характеристик отражают постоянный и импульсный максимальные токи через транзистор. Участки характеристик с отрицательным наклоном отражают постоянную и импульсную мощность транзистора.

Рекомендованные ограничения параметров: максимальное напряжение и ток стока — не более 80% от максимальных значений (таблицы 1, 2); рассеиваемая мощность — не более 50%; рабочая температура канала — не более 70%. Подробные рекомендации по расчету схем на полевых транзисторах и их выбору приведены в информационных материалах компании.