موسفت الطاقة

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 21 صور
الموسوعة الحرة
ترانزستور MOSFET من نوع IRLZ24N في غلاف TO-220 AB ذي ثقوب تمريرية . الأطراف من اليسار إلى اليمين هي: البوابة (مستوى منطقي)، المصرف، المصدر. الطرف المعدني العلوي هو المصرف، وهو نفسه الطرف رقم 2. [ 1 ]

ترانزستور MOSFET عالي القدرة هو نوع من ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOSFET) مصمم للتعامل مع مستويات طاقة عالية. بالمقارنة مع أجهزة أشباه الموصلات الأخرى عالية القدرة ، مثل ترانزستور ثنائي القطب ذي البوابة المعزولة (IGBT) أو الثايرستور ، فإن مزاياه الرئيسية هي سرعة التبديل العالية والكفاءة الجيدة عند الفولتية المنخفضة. يشترك مع IGBT في بوابة معزولة تسهل عملية التشغيل. قد يُظهر كسبًا منخفضًا، أحيانًا لدرجة أن جهد البوابة يجب أن يكون أعلى من الجهد المراد التحكم فيه.

أصبح تصميم ترانزستورات MOSFET عالية القدرة ممكنًا بفضل تطور تقنيتي MOSFET و CMOS ، المستخدمتين في تصنيع الدوائر المتكاملة منذ ستينيات القرن الماضي. يشترك ترانزستور MOSFET عالي القدرة في مبدأ التشغيل مع نظيره منخفض القدرة، ترانزستور MOSFET الجانبي. وقد تم تطوير ترانزستور MOSFET عالي القدرة، المستخدم بشكل شائع في إلكترونيات القدرة ، من ترانزستور MOSFET القياسي، وطُرح تجاريًا في سبعينيات القرن الماضي. [ 2 ]

يُعد ترانزستور MOSFET من أكثر أجهزة أشباه الموصلات شيوعًا في العالم، وذلك بفضل استهلاكه المنخفض لطاقة تشغيل البوابة، وسرعة التبديل العالية، [ 3 ] وسهولة توصيله بالتوازي المتقدم، [ 3 ] [ 4 ] وعرض نطاقه الترددي الواسع، ومتانته، وسهولة تشغيله، وبساطة تحيزه، وسهولة استخدامه، وسهولة صيانته. [ 4 ] وهو على وجه الخصوص أكثر  مفاتيح الجهد المنخفض (أقل من 200 فولت) استخدامًا. ويُستخدم في نطاق واسع من التطبيقات، مثل معظم مصادر الطاقة ، ومحولات التيار المستمر إلى التيار المستمر ، ووحدات التحكم في المحركات ذات الجهد المنخفض ، وغيرها الكثير .

تاريخ

تم اختراع ترانزستور MOSFET في مختبرات بيل بين عامي 1955 و1960. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] وقد مثّل هذا الاختراع طفرةً نوعيةً في مجال إلكترونيات الطاقة . مكّنت أجيالٌ من ترانزستورات MOSFET مصممي الطاقة من تحقيق مستويات أداء وكثافة لم تكن ممكنة باستخدام الترانزستورات ثنائية القطب. [ 11 ]

في عام 1969، قدمت شركة هيتاشي أول ترانزستور MOSFET رأسي للطاقة، [ 12 ] والذي عُرف لاحقًا باسم VMOS (ترانزستور MOSFET ذو الأخدود V). [ 13 ] في العام نفسه، تم الإبلاغ لأول مرة عن ترانزستور DMOS (ترانزستور MOSFET مزدوج الانتشار) ذي البوابة ذاتية المحاذاة من قِبل ي. تاروي، وي. هاياشي، وتوشيهيرو سيكيغاوا من مختبر الهندسة الكهربائية (ETL). [ 14 ] [ 15 ] في عام 1974، اخترع جون-إيتشي نيشيزاوا في جامعة توهوكو ترانزستور MOSFET للطاقة خاصًا بالصوت، والذي سرعان ما قامت شركة ياماها بتصنيعه لمضخمات الصوت عالية الدقة . كما بدأت شركات JVC ، وبايونير ، وسوني ، وتوشيبا بتصنيع مضخمات صوت مزودة بترانزستورات MOSFET للطاقة في عام 1974. [ 16 ] طرحت شركة سيليكونيكس ترانزستور VMOS تجاريًا في عام 1975. [ 13 ]

تطورت تقنيتا VMOS وDMOS إلى ما يُعرف الآن باسم VDMOS (DMOS العمودي). [ 16 ] قام فريق جون مول البحثي في ​​مختبرات HP بتصنيع نماذج أولية من DMOS في عام 1977، وأظهروا مزاياها مقارنةً بتقنية VMOS، بما في ذلك انخفاض مقاومة التشغيل وارتفاع جهد الانهيار. [ 13 ] في العام نفسه، قدمت هيتاشي تقنية LDMOS (DMOS الجانبي)، وهي نوع مستوٍ من DMOS. كانت هيتاشي المُصنِّع الوحيد لتقنية LDMOS بين عامي 1977 و1983، حيث استُخدمت هذه التقنية خلال تلك الفترة في مُضخِّمات طاقة الصوت من مُصنِّعين مثل HH Electronics (سلسلة V) و Ashly Audio ، كما استُخدمت في أنظمة الموسيقى وأنظمة الصوت العامة . [ 16 ] مع إطلاق شبكة الجيل الثاني (2G ) للهواتف المحمولة الرقمية في عام 1995، أصبحت تقنية LDMOS مُضخِّم طاقة الترددات اللاسلكية الأكثر استخدامًا في شبكات الهاتف المحمول مثل 2G و 3G [ 17 ] و 4 G. [ 18 ]

شارك أليكس ليدو في اختراع HexFET، وهو نوع سداسي من ترانزستورات MOSFET للطاقة، في جامعة ستانفورد عام 1977، [ 19 ] بالاشتراك مع توم هيرمان. [ 20 ] وقد طرحت شركة International Rectifier ترانزستور HexFET تجاريًا عام 1978. [ 13 ] [ 20 ] أما ترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGBT)، الذي يجمع بين عناصر كل من ترانزستور MOSFET للطاقة وترانزستور ثنائي القطب (BJT)، فقد طوره جايانت باليغا في شركة جنرال إلكتريك بين عامي 1977 و1979. [ 21 ]

يُعدّ ترانزستور MOSFET ذو الوصلة الفائقة نوعًا من ترانزستورات MOSFET عالية القدرة، ويستخدم أعمدة من النوع P+ تخترق الطبقة الرقيقة من النوع N- . وقد طُرحت فكرة تكديس طبقات P وN لأول مرة من قِبل شوزو شيروتا وشيغيو كانيدا في جامعة أوساكا عام 1978. [ 22 ] اخترع ديفيد ج. كوي في شركة فيليبس ترانزستور MOSFET ذو الوصلة الفائقة بطبقات متناوبة من النوع p والنوع n، وحصل على براءة اختراع أمريكية عام 1988. [ 23 ]

التطبيقات

NXP 7030AL - ترانزستور تأثير المجال ذو مستوى منطقي من نوع TrenchMOS ذو قناة N
شريحة ترانزستور الطاقة IRF640

يُعد ترانزستور MOSFET للطاقة أكثر أجهزة أشباه الموصلات استخدامًا في العالم. [ 3 ] اعتبارًا من عام 2010تُشكّل ترانزستورات MOSFET للطاقة 53% من سوق ترانزستورات الطاقة ، متقدمةً على ترانزستور ثنائي القطب ذي البوابة المعزولة (27%)، ومضخم طاقة الترددات الراديوية (11%)، وترانزستور الوصلة ثنائي القطب (9%). [ 24 ] اعتبارًا من عام 2018 يتم شحن أكثر من 50 مليار ترانزستور MOSFET للطاقة سنويًا. [ 25 ] وتشمل هذه الترانزستور MOSFET ذو الطبقة الخندقية، الذي بيع منه أكثر من 100  مليار وحدة حتى فبراير 2017، [ 26 ] وترانزستور MDmesh (ترانزستور MOSFET ذو الوصلة الفائقة) من شركة STMicroelectronics، الذي بيع منه 5  مليارات وحدة حتى عام 2019.[ 22 ]​

تُستخدم ترانزستورات MOSFET للطاقة على نطاق واسع في العديد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية ، بالإضافة إلى تقنيات النقل ، بما في ذلك مجموعة واسعة من المركبات . [ 27 ] [ 28 ] كما تُستخدم ترانزستورات MOSFET للطاقة على نطاق واسع في إلكترونيات السيارات . [ 29 ] [ 30 ] [ 27 ]

ترانزستور RF DMOS، المعروف أيضًا باسم ترانزستور MOSFET للطاقة RF، هو نوع من ترانزستورات الطاقة DMOS المصممة لتطبيقات الترددات الراديوية (RF). ويُستخدم في تطبيقات الراديو والترددات الراديوية المختلفة. [ 31 ] [ 32 ]

تُستخدم ترانزستورات MOSFET للطاقة (بما في ذلك DMOS و LDMOS و VMOS ) بشكل شائع في مجموعة واسعة من التطبيقات الأخرى. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

الهيكل الأساسي

الشكل 1: مقطع عرضي لترانزستور VDMOS، يوضح خلية أساسية. لاحظ أن الخلية صغيرة جدًا (يتراوح عرضها من بضعة ميكرومترات إلى عشرات الميكرومترات)، وأن ترانزستور MOSFET للطاقة يتكون من عدة آلاف منها.

تم استكشاف العديد من الهياكل في سبعينيات القرن الماضي، عندما تم طرح أول ترانزستورات MOSFET التجارية للطاقة. ومع ذلك، تم التخلي عن معظمها (على الأقل حتى وقت قريب) لصالح هيكل MOS المنتشر عموديًا ( VDMOS ) (يسمى أيضًا MOS المنتشر مزدوجًا أو ببساطة DMOS ) وهيكل LDMOS (MOS المنتشر جانبيًا).

يُظهر المقطع العرضي لترانزستور VDMOS (انظر الشكل 1) "عمودية" الجهاز: حيث يُلاحظ أن قطب المصدر موضوع فوق قطب المصرف، مما ينتج عنه تيار عمودي في الغالب عندما يكون الترانزستور في حالة التشغيل. يشير مصطلح " الانتشار " في VDMOS إلى عملية التصنيع: حيث يتم الحصول على الآبار من النوع P (انظر الشكل 1) من خلال عملية انتشار (في الواقع، عملية انتشار مزدوجة للحصول على منطقتي P و N + ، ومن هنا جاءت تسمية الانتشار المزدوج).

تختلف بنية ترانزستورات MOSFET ذات القدرة عن بنية ترانزستورات MOSFET الجانبية: فكما هو الحال مع معظم أجهزة القدرة، تكون بنيتها عمودية وليست مستوية. في البنية المستوية، يعتمد كل من التيار وجهد الانهيار على أبعاد القناة (عرضها وطولها على التوالي)، مما يؤدي إلى استخدام غير فعال لمساحة السيليكون. أما في البنية العمودية، فيعتمد جهد الترانزستور على تركيز الشوائب وسماكة طبقة N المترسبة (انظر المقطع العرضي)، بينما يعتمد التيار على عرض القناة. وهذا ما يُمكّن الترانزستور من تحمل كل من جهد الحجب العالي والتيار العالي ضمن قطعة سيليكون صغيرة الحجم.

ترانزستورات LDMOS هي ترانزستورات MOSFET ذات بنية جانبية. تُستخدم بشكل أساسي في مضخمات الصوت عالية الجودة ، [ 16 ] ومضخمات طاقة الترددات الراديوية في شبكات الاتصالات الخلوية اللاسلكية ، مثل الجيل الثاني والثالث ، [ 17 ] والجيل الرابع . [ 18 ] تتميز هذه الترانزستورات بأداء أفضل في منطقة التشبع (المقابلة للمنطقة الخطية لترانزستور ثنائي القطب) مقارنةً بترانزستورات MOSFET الرأسية. صُممت ترانزستورات MOSFET الرأسية لتطبيقات التبديل، لذا فهي تُستخدم فقط في حالتي التشغيل والإيقاف.

المقاومة داخل الدولة

الشكل 2: مساهمة الأجزاء المختلفة من MOSFET في مقاومة حالة التشغيل.

عندما يكون ترانزستور MOSFET في حالة التشغيل (انظر قسم MOSFET لمناقشة أوضاع التشغيل)، فإنه يُظهر سلوكًا مقاوميًا بين طرفي المصرف والمصدر. كما هو موضح في الشكل 2، فإن هذه المقاومة (المسماة R DSon اختصارًا لـ "مقاومة المصرف إلى المصدر في حالة التشغيل") هي مجموع العديد من المساهمات الأولية:

  • R S هي مقاومة المصدر. وهي تمثل جميع المقاومات بين طرف المصدر للعبوة وقناة MOSFET: مقاومة أسلاك التوصيل ، ومعدن المصدر، وآبار N + ؛
  • R<sub> ch</sub> هي مقاومة القناة. وهي تتناسب عكسياً مع عرض القناة، وبالنسبة لحجم رقاقة معين، مع كثافة القناة. تُعد مقاومة القناة أحد العوامل الرئيسية المساهمة في R<sub> DSon </sub> لترانزستورات MOSFET منخفضة الجهد، وقد بُذلت جهود مكثفة لتقليل حجم خلاياها من أجل زيادة كثافة القناة.
  • R a هي مقاومة الوصول . وهي تمثل مقاومة المنطقة فوق المحورية مباشرة تحت قطب البوابة، حيث يتغير اتجاه التيار من أفقي (في القناة) إلى رأسي (إلى نقطة التصريف)؛
  • R JFET هو التأثير الضار لانخفاض حجم الخلية المذكور أعلاه: تشكل عمليات زرع P (انظر الشكل 1) بوابات ترانزستور JFET طفيلي تميل إلى تقليل عرض تدفق التيار؛
  • تمثل R<sub> n</sub> مقاومة الطبقة المترسبة. وبما أن دور هذه الطبقة هو الحفاظ على جهد الحجب، فإن R<sub> n</sub> ترتبط ارتباطًا مباشرًا بجهد التشغيل للجهاز. يتطلب ترانزستور MOSFET عالي الجهد طبقة سميكة ذات مستوى تشويب منخفض، أي ذات مقاومة عالية، بينما يتطلب الترانزستور منخفض الجهد طبقة رقيقة ذات مستوى تشويب أعلى، أي ذات مقاومة أقل. ونتيجة لذلك، تُعد R<sub> n</sub> العامل الرئيسي المسؤول عن مقاومة ترانزستورات MOSFET عالية الجهد.
  • يمثل R D ما يعادل R S بالنسبة للمصرف. وهو يمثل مقاومة ركيزة الترانزستور (المقطع العرضي في الشكل 1 ليس بمقياس الرسم، فالطبقة N + السفلية هي في الواقع الأكثر سمكًا) وتوصيلات العبوة.

المفاضلة بين جهد الانهيار ومقاومة التشغيل

الشكل 3: تزداد قيمة R DSon لترانزستورات MOSFET مع زيادة تصنيف الجهد الخاص بها.

في حالة الإيقاف، يُعادل ترانزستور MOSFET ثنائي PIN (المكون من طبقة الانتشار P + ، والطبقة المترسبة N-، والركيزة N + ) . عند تطبيق انحياز عكسي على هذا التركيب غير المتناظر، تمتد منطقة الشحنة الفضائية بشكل رئيسي على الجانب ذي التشويب المنخفض، أي فوق الطبقة N- . هذا يعني أن هذه الطبقة تتحمل معظم جهد المصرف-المصدر في حالة الإيقاف لترانزستور MOSFET.

مع ذلك، عندما يكون ترانزستور MOSFET في حالة التشغيل، لا تؤدي طبقة N- هذه أي وظيفة. علاوة على ذلك، ولأنها منطقة ذات تشويب منخفض، فإن مقاومتها الذاتية ليست ضئيلة، وتُضاف إلى مقاومة المصرف-المصدر في حالة التشغيل (R<sub> DSon </sub> ) (وهي المقاومة R <sub>n</sub> في الشكل 2).

يتحكم عاملان رئيسيان في كل من جهد الانهيار ومقاومة التشغيل (RDson ) للترانزستور: مستوى التشويب وسُمك طبقة N- المُرَسَّبة . فكلما زاد سُمك الطبقة وانخفض مستوى التشويب، ارتفع جهد الانهيار. وعلى النقيض، كلما قل سُمك الطبقة وارتفع مستوى التشويب، انخفضت مقاومة التشغيل (RDson) ( وبالتالي انخفضت خسائر التوصيل في ترانزستور MOSFET). لذا، يتضح وجود مفاضلة في تصميم ترانزستور MOSFET بين جهد الانهيار المُقدَّر ومقاومة التشغيل. ويتضح ذلك من خلال الرسم البياني في الشكل 3.

ثنائي الجسم

كما هو موضح في الشكل 1، يربط التمعدن المصدر بين منطقتي الزرع N + وP + ، على الرغم من أن مبدأ عمل ترانزستور MOSFET يتطلب فقط توصيل المصدر بمنطقة N + . مع ذلك، لو تم ذلك، لنتج عن ذلك منطقة P عائمة بين المصدر والمصب المطعّمين بالنيتروجين، وهو ما يُعادل ترانزستور NPN بقاعدة غير موصولة. في ظروف معينة (عند تيار مصب عالٍ، عندما يكون جهد المصب-المصدر في حالة التشغيل في حدود بضعة فولتات)، سيتم تشغيل هذا الترانزستور NPN الطفيلي، مما يجعل التحكم في MOSFET غير ممكن. يؤدي توصيل الزرع P بالتمعدن المصدر إلى قصر قاعدة الترانزستور الطفيلي على باعثه (مصدر MOSFET)، وبالتالي يمنع التثبيت الطفيلي. مع ذلك، يُنشئ هذا الحل ثنائيًا بين المصب (الكاثود) والمصدر (الأنود) لترانزستور MOSFET، مما يجعله قادرًا على حجب التيار في اتجاه واحد فقط.

يمكن استخدام ثنائيات الجسم كثنائيات حرة للأحمال الحثية في تكوينات مثل جسر H أو نصف الجسر. على الرغم من أن هذه الثنائيات عادةً ما يكون لها انخفاض جهد أمامي مرتفع نسبيًا، إلا أنها قادرة على تحمل تيارات عالية وتُعد كافية في العديد من التطبيقات، مما يقلل من عدد المكونات، وبالتالي تكلفة الجهاز ومساحة اللوحة. ولزيادة الكفاءة، غالبًا ما يُستخدم التقويم المتزامن لتقليل مدة توصيل التيار بواسطة ثنائي الجسم.

عملية التبديل

الشكل 4: موقع السعات الداخلية لترانزستور MOSFET للطاقة.

بسبب طبيعته أحادية القطبية، يمكن لترانزستور MOSFET الخاص بالطاقة التبديل بسرعة عالية جدًا. في الواقع، لا حاجة لإزالة حاملات الشحنة الأقلية كما هو الحال مع الأجهزة ثنائية القطبية. القيد الجوهري الوحيد في سرعة التبديل ناتج عن السعات الداخلية لترانزستور MOSFET (انظر الشكل 4). يجب شحن هذه السعات أو تفريغها عند تبديل الترانزستور. قد تكون هذه العملية بطيئة نسبيًا لأن التيار المتدفق عبر سعات البوابة محدود بواسطة دائرة القيادة الخارجية. هذه الدائرة هي التي تحدد سرعة تبديل الترانزستور (بافتراض أن دائرة الطاقة ذات حث منخفض بما فيه الكفاية).

السعات

في بيانات MOSFET ، تُسمى السعات عادةً C <sub>iss</sub> (سعة الإدخال، حيث يكون طرفا المصدر والمصب متصلين)، وC<sub> oss</sub> (سعة الإخراج، حيث يكون طرفا البوابة والمصدر متصلين)، وC <sub>rss</sub> (سعة النقل العكسي، حيث يكون المصدر متصلاً بالأرض). والعلاقة بين هذه السعات والسعات الموضحة أدناه هي:

جأناss=ججيS+ججيدجoss=ججيد+جدSجرss=ججيد{\displaystyle {\begin{matrix}C_{iss}&=&C_{GS}+C_{GD}\\C_{oss}&=&C_{GD}+C_{DS}\\C_{rss}&=&C_{GD}\end{matrix}}}

حيث تمثل C <sub>GS</sub> و C <sub>GD</sub> و C <sub>DS</sub> على التوالي سعات البوابة-المصدر، والبوابة-المصرف، والمصرف-المصدر (انظر أدناه). يفضل المصنّعون استخدام C <sub>iss</sub> و C <sub>oss</sub> و C <sub>rss</sub> لأنها قابلة للقياس مباشرةً على الترانزستور. مع ذلك، ولأن C<sub> GS</sub> و C <sub>GD</sub> و C<sub> DS</sub> أقرب إلى المعنى الفيزيائي، فسيتم استخدامها في بقية هذا المقال.

السعة بين البوابة والمصدر

تتكون سعة C<sub> GS</sub> من التوصيل المتوازي لـ C <sub>oxN+</sub> و C <sub>oxP</sub> و C <sub>oxm</sub> (انظر الشكل 4). نظرًا لأن منطقتي N<sub> +</sub> و P مطعّمتان بدرجة عالية، يمكن اعتبار السعتين الأوليين ثابتتين. أما C <sub>oxm</sub> فهي السعة بين بوابة (السيليكون متعدد التبلور) وقطب المصدر (المعدن)، لذا فهي ثابتة أيضًا. لذلك، من الشائع اعتبار C<sub> GS </sub> سعة ثابتة، أي أن قيمتها لا تعتمد على حالة الترانزستور.

سعة البوابة إلى المصرف

يمكن اعتبار سعة C<sub> GD</sub> بمثابة توصيل متسلسل لسعتين أساسيتين. الأولى هي سعة الأكسيد (C <sub>oxD</sub> )، وتتكون من قطب البوابة، وثاني أكسيد السيليكون، وأعلى طبقة N المترسبة. وهي ذات قيمة ثابتة. أما السعة الثانية (C <sub>GDj</sub> ) فتنتج عن امتداد منطقة الشحنة الفضائية عندما يكون ترانزستور MOSFET في حالة الإيقاف. ولذلك، فهي تعتمد على جهد المصرف إلى البوابة. ومن هذا، تكون قيمة C<sub> GD</sub> كالتالي:

ججيد=جoxد×ججيدج(Vجيد)جoxد+ججيدج(Vجيد){\displaystyle C_{GD}={\frac {C_{oxD}\times C_{GDj}\left(V_{GD}\right)}{C_{oxD}+C_{GDj}\left(V_{GD}\right)}}}

يتم تحديد عرض منطقة الشحنة الفضائية بواسطة [ 36 ]

wجيدج=2ϵSأناVجيدqشمال{\displaystyle w_{GDj}={\sqrt {\frac {2\epsilon _{Si}V_{GD}}{qN}}}}

أينϵSأنا{\displaystyle \epsilon _{Si}}تمثل ε سماحية السيليكون، وq شحنة الإلكترون ، وN مستوى التشويب . يمكن تقريب قيمة C GDj باستخدام معادلة المكثف المستوي :

ججيدج=أجيدϵSأناwجيدج{\displaystyle C_{GDj}=A_{GD}{\frac {\epsilon _{Si}}{w_{GDj}}}}

حيث تمثل A GD مساحة سطح التداخل بين البوابة والمصرف. وبالتالي، فإن النتيجة هي:

ججيدج(Vجيد)=أجيدqϵSأناشمال2Vجيد{\displaystyle C_{GDj}\left(V_{GD}\right)=A_{GD}{\sqrt {\frac {q\epsilon _{Si}N}{2V_{GD}}}}}

يتضح أن C <sub>GDj</sub> (وبالتالي C<sub> GD</sub> ) هي سعة تعتمد قيمتها على جهد البوابة-المصرف. ومع ازدياد هذا الجهد، تنخفض السعة. وعندما يكون ترانزستور MOSFET في حالة التشغيل، يتم توصيل C<sub> GDj</sub> على التوازي، لذا تبقى سعة البوابة-المصرف مساوية لـ C <sub>oxD</sub> ، وهي قيمة ثابتة.

سعة المصرف إلى المصدر

بما أن طبقة التمعدن للمصدر تتداخل مع آبار P (انظر الشكل 1)، فإن طرفي المصدر والمصب يفصل بينهما وصلة PN . لذا، فإن C <sub>DS</sub> هي سعة الوصلة. هذه سعة غير خطية، ويمكن حساب قيمتها باستخدام المعادلة نفسها المستخدمة لحساب C <sub>GDj</sub> .

عناصر ديناميكية أخرى

الدائرة المكافئة لترانزستور MOSFET للطاقة، بما في ذلك العناصر الديناميكية (المكثفات، والمحاثات)، والمقاومات الطفيلية، وثنائي الجسم.

محاثات التغليف

لكي يعمل ترانزستور MOSFET، يجب توصيله بالدائرة الخارجية، وغالبًا ما يتم ذلك باستخدام أسلاك التوصيل (مع أن هناك تقنيات بديلة قيد الدراسة). تُظهر هذه التوصيلات حثًا طفيليًا، وهو ليس خاصًا بتقنية MOSFET، ولكنه يؤثر بشكل كبير نظرًا لسرعات التبديل العالية. يميل الحث الطفيلي إلى الحفاظ على ثبات التيار وتوليد جهد زائد أثناء إيقاف تشغيل الترانزستور، مما يؤدي إلى زيادة خسائر التبديل.

يمكن ربط محاثة طفيلية بكل طرف من أطراف ترانزستور MOSFET. ولها تأثيرات مختلفة:

  • لا يؤثر حث البوابة تأثيرًا يُذكر (بافتراض أنه أقل من بضع مئات من النانوهنري)، لأن تدرجات التيار على البوابة بطيئة نسبيًا. مع ذلك، في بعض الحالات، قد يشكل حث البوابة وسعة دخل الترانزستور مذبذبًا . يجب تجنب ذلك، لأنه يؤدي إلى خسائر تبديل عالية جدًا (قد تصل إلى تلف الجهاز). في التصميمات النموذجية، تُبقى قيم الحث الطفيلي منخفضة بما يكفي لمنع هذه الظاهرة.
  • يميل حث المصرف إلى تقليل جهد المصرف عند تشغيل MOSFET، مما يقلل من خسائر التشغيل. ومع ذلك، فإنه يؤدي إلى زيادة الجهد أثناء الإيقاف، مما يزيد من خسائر الإيقاف.
  • تتمتع المحاثة الطفيلية للمصدر بنفس سلوك محاثة المصرف، بالإضافة إلى تأثير التغذية الراجعة الذي يجعل عملية التبديل تدوم لفترة أطول، مما يزيد من خسائر التبديل.
    • في بداية التشغيل السريع، وبسبب محاثة المصدر، سيتمكن الجهد عند المصدر (على الرقاقة) من القفز لأعلى وكذلك جهد البوابة؛ وسيظل جهد VGS الداخلي منخفضًا لفترة أطول، مما يؤدي إلى تأخير التشغيل.
    • في بداية عملية الإيقاف السريع، عندما ينخفض ​​التيار المار عبر محاثة المصدر بشكل حاد، يصبح الجهد الناتج عبرها سالبًا (بالنسبة للسلك خارج العبوة) مما يؤدي إلى رفع جهد VGS الداخلي ، والحفاظ على تشغيل MOSFET، وبالتالي تأخير الإيقاف.

حدود التشغيل

انهيار أكسيد البوابة

طبقة أكسيد البوابة رقيقة جدًا (100  نانومتر أو أقل)، لذا فهي لا تتحمل إلا جهدًا محدودًا. غالبًا ما يذكر المصنّعون في بيانات المنتج الحد الأقصى لجهد البوابة-المصدر، حوالي 20  فولت، وتجاوز هذا الحد قد يؤدي إلى تلف المكون. علاوة على ذلك، يقلل الجهد العالي بين البوابة والمصدر بشكل ملحوظ من عمر ترانزستور MOSFET، مع فائدة ضئيلة أو معدومة في تقليل مقاومة التوصيل (RDson) .

لمعالجة هذه المشكلة، غالباً ما يتم استخدام دائرة تشغيل البوابة .

أقصى جهد بين المصرف والمصدر

تتمتع ترانزستورات MOSFET بقدرة قصوى محددة لجهد التصريف إلى المصدر (في حالة الإيقاف)، يتجاوزها جهد الانهيار وقد يحدث. يؤدي تجاوز جهد الانهيار إلى توصيل التيار في الجهاز، مما قد يتسبب في تلفه وتلف عناصر الدائرة الأخرى نتيجة لتبديد الطاقة الزائد.

أقصى تيار تصريف

يجب أن يبقى تيار المصرف عمومًا أقل من قيمة محددة (أقصى تيار مصرف مستمر). ويمكن أن يصل إلى قيم أعلى لفترات زمنية قصيرة جدًا (أقصى تيار مصرف نبضي، والذي يُحدد أحيانًا لفترات نبضات مختلفة). ويُحدَّد تيار المصرف بالتسخين الناتج عن الفقد المقاومي في المكونات الداخلية مثل أسلاك التوصيل ، وظواهر أخرى مثل الهجرة الكهربائية في الطبقة المعدنية.

درجة الحرارة القصوى

يجب أن تبقى درجة حرارة الوصلة (T<sub> J</sub> ) لترانزستور MOSFET أقل من قيمة قصوى محددة لضمان عمل الجهاز بكفاءة، وتُحدد هذه القيمة بناءً على تصميم رقاقة MOSFET ومواد التغليف. غالبًا ما يحد التغليف من درجة حرارة الوصلة القصوى، وذلك بسبب خصائص مركب التشكيل وخصائص الإيبوكسي (عند استخدامه).

تُحدد درجة حرارة التشغيل القصوى في البيئة المحيطة من خلال تبديد الطاقة والمقاومة الحرارية . وتُعد المقاومة الحرارية من الوصلة إلى الغلاف خاصية جوهرية للجهاز والتغليف؛ بينما تعتمد المقاومة الحرارية من الغلاف إلى البيئة المحيطة بشكل كبير على تصميم اللوحة/التركيب، ومساحة المشتت الحراري، وتدفق الهواء/السائل.

يؤثر نوع تبديد الطاقة، سواء كان مستمرًا أو نبضيًا، على درجة حرارة التشغيل القصوى ، وذلك تبعًا لخصائص الكتلة الحرارية ؛ وبشكل عام، كلما انخفض تردد النبضات لتبديد طاقة معين، ارتفعت درجة حرارة التشغيل المحيطة القصوى، نظرًا لإتاحة فترة أطول لتبريد الجهاز. ويمكن استخدام نماذج، مثل شبكة فوستر ، لتحليل ديناميكيات درجة الحرارة الناتجة عن تغيرات الطاقة العابرة.

منطقة تشغيل آمنة

تُحدد منطقة التشغيل الآمنة النطاقات المُجمعة لتيار المصرف وجهد المصرف-المصدر التي يستطيع ترانزستور MOSFET التعامل معها دون تلف. ويتم تمثيلها بيانيًا كمنطقة في المستوى المحدد بهذين المُعاملين. يجب أن يبقى كل من تيار المصرف وجهد المصرف-المصدر أقل من قيمتيهما القصوى، كما يجب أن يبقى حاصل ضربهما أقل من أقصى قدرة تبديد يستطيع الجهاز تحملها. وبالتالي، لا يمكن تشغيل الجهاز عند أقصى تيار وأقصى جهد في آنٍ واحد. [ 37 ]

الالتصاق

تتكون الدائرة المكافئة لترانزستور MOSFET من ترانزستور MOSFET واحد موصول بالتوازي مع ترانزستور ثنائي القطبية طفيلي. إذا تم تشغيل الترانزستور ثنائي القطبية، فلا يمكن إيقافه، لأن البوابة لا تتحكم به. تُعرف هذه الظاهرة باسم " التثبيت "، والتي قد تؤدي إلى تلف الجهاز. يمكن تشغيل الترانزستور ثنائي القطبية نتيجة لانخفاض الجهد عبر منطقة الجسم من النوع p. لتجنب التثبيت، يتم عادةً توصيل الجسم والمصدر بدائرة قصر داخل غلاف الجهاز.

تكنولوجيا

يحتوي هذا الترانزستور MOSFET للطاقة على بوابة شبكية، بخلايا مربعة.
يتكون تصميم بوابة هذا الترانزستور MOSFET من شرائح متوازية.

تَخطِيط

التركيب الخلوي

كما هو موضح أعلاه، تتحدد قدرة تحمل التيار لترانزستور MOSFET للطاقة بعرض قناة البوابة. ويمثل عرض قناة البوابة البعد الثالث (المحور Z) للمقاطع العرضية الموضحة في الصورة.

لتقليل التكلفة والحجم، من المهم الحفاظ على مساحة رقاقة الترانزستور بأصغر حجم ممكن. لذلك، طُوّرت تحسينات لزيادة عرض سطح القناة، أي زيادة "كثافة القناة". وتتمثل هذه التحسينات بشكل أساسي في إنشاء هياكل خلوية متكررة على كامل مساحة رقاقة MOSFET. وقد اقتُرحت أشكال عديدة لهذه الخلايا، أشهرها الشكل السداسي المستخدم في أجهزة HEXFET من شركة International Rectifier.

هناك طريقة أخرى لزيادة كثافة القنوات وهي تقليل حجم البنية الأساسية. يسمح هذا بوجود عدد أكبر من الخلايا في مساحة سطح معينة، وبالتالي عرض أكبر للقناة. مع ذلك، كلما تقلص حجم الخلية، يصبح من الصعب ضمان التلامس السليم بين كل خلية وأخرى. وللتغلب على هذه المشكلة، تُستخدم غالبًا بنية "الشريط" (انظر الشكل). وهي أقل كفاءة من البنية الخلوية ذات الدقة المكافئة من حيث كثافة القنوات، ولكنها قادرة على التعامل مع تباعد أصغر بين الخلايا. ومن المزايا الأخرى لبنية الشريط المستوي أنها أقل عرضة للفشل أثناء أحداث الانهيار الانهياري، حيث يتم تشغيل الترانزستور ثنائي القطب الطفيلي نتيجة انحياز أمامي كافٍ. في البنية الخلوية، إذا كان طرف المصدر لأي خلية غير متصل بشكل جيد، يصبح من المرجح جدًا أن يتم تثبيت الترانزستور ثنائي القطب الطفيلي أثناء حدث الانهيار الانهياري. لهذا السبب، لا يمكن أن تفشل ترانزستورات MOSFET التي تستخدم بنية الشريط المستوي إلا أثناء الانهيار الانهياري بسبب الإجهاد الحراري الشديد. [ 38 ]

الهياكل

يحتوي هيكل VMOS على أخدود على شكل حرف V في منطقة البوابة
يحتوي جهاز UMOS على بوابة خندق. والهدف من ذلك هو زيادة كثافة القناة عن طريق جعل القناة عمودية.

MOSFET طاقة ذو ركيزة من النوع P

ترانزستور MOSFET ذو الركيزة من النوع P (يُسمى أيضًا ترانزستور MOSFET ذو القناة من النوع P أو PMOS) هو ترانزستور MOSFET ذو نوعين مختلفين من التطعيم (N بدلًا من P وP بدلًا من N في المقطع العرضي الموضح في الشكل 1). يُصنع هذا الترانزستور باستخدام ركيزة من النوع P، مع طبقة رقيقة من النوع P. نظرًا لوجود القناة في منطقة من النوع N، يتم تشغيل هذا الترانزستور بجهد بوابة-مصدر سالب. هذا ما يجعله مرغوبًا في محول خافض للجهد ، حيث يتم توصيل أحد طرفي المفتاح بالجانب الموجب لجهد الدخل: مع ترانزستور MOSFET ذي القناة من النوع N (أو NMOS)، يتطلب هذا التكوين جهد بوابة يساويVأنان+VجيS{\displaystyle V_{in}+V_{GS}}، في حين لا يوجد جهد كهربائي فوقVأنان{\displaystyle V_{in}}يلزم استخدام MOSFET من نوع P.

تتمثل العيوب الرئيسية لهذا النوع من ترانزستورات MOSFET في ضعف أدائها في حالة التشغيل، حيث تستخدم الفجوات كناقلات للشحنة ، والتي تتميز بحركية أقل بكثير من الإلكترونات. وبما أن المقاومة النوعية مرتبطة ارتباطًا مباشرًا بحركية الإلكترونات، فإن أي جهاز من نوع P-channel سيتمتع بـRدSoن{\displaystyle R_{DSon}}أعلى بثلاث مرات من ترانزستور MOSFET ذي القناة N بنفس الأبعاد.

VMOS

يحتوي هيكل VMOS على أخدود على شكل حرف V في منطقة البوابة، وقد استُخدم في الأجهزة التجارية الأولى . [ 39 ]

UMOS

في هذا النوع من ترانزستورات MOSFET، والذي يُسمى أيضًا ترانزستور MOSFET الخندقي، يُدفن قطب البوابة في خندق محفور في السيليكون، مما ينتج عنه قناة عمودية. وتكمن أهمية هذا النوع من الترانزستورات في غياب تأثير JFET. ويُستمد اسم هذا النوع من الترانزستور من شكل الخندق الذي يشبه حرف U.

تقنية الخنادق العميقة ذات الوصلات الفائقة

خاصةً بالنسبة للفولتيات التي تتجاوز 500  فولت، بدأ بعض المصنّعين، بما في ذلك شركة إنفينون تكنولوجيز بمنتجاتها من نوع CoolMOS، باستخدام مبدأ تعويض الشحنة. وبفضل هذه التقنية، يمكن تقليل مقاومة الطبقة المترسبة، التي تُعدّ المساهم الأكبر (أكثر من 95%) في مقاومة أجهزة MOSFET عالية الفولتية، بأكثر من خمسة أضعاف.

سعياً لتحسين كفاءة وموثوقية تصنيع ترانزستورات MOSFET ذات الوصلات الفائقة، طورت شركة رينيساس إلكترونيكس بنية وصلة فائقة بتقنية الحفر العميق. تتضمن هذه التقنية حفر أخاديد في مادة من النوع N منخفضة الشوائب لتشكيل مناطق من النوع P. تتغلب هذه العملية على المشكلات المتأصلة في أسلوب النمو الطبقي متعدد المستويات، وتؤدي إلى مقاومة منخفضة للغاية في حالة التشغيل وسعة داخلية منخفضة.

بسبب زيادة مساحة وصلة pn، فإن بنية الوصلة الفائقة لها وقت استرداد عكسي أصغر ولكن تيار استرداد عكسي أكبر مقارنة بـ MOSFET الطاقة المستوي التقليدي.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ IRLZ24N، 55 فولت MOSFET طاقة قناة N، حزمة TO-220AB؛ Infineon.
  2. ↑ إيروين، ج. ديفيد (1997). دليل الإلكترونيات الصناعية . مطبعة سي آر سي . ص  218. ISBN 9780849383434.
  3. 1 2 3 "أساسيات MOSFET للطاقة" (ملف PDF) . شركة ألفا وأوميغا لأشباه الموصلات . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2019 .
  4. 1 2 دنكان، بن (1996). مضخمات طاقة صوتية عالية الأداء . إلسيفير . ص 178-181 . ISBN  9780080508047.
  5. ↑ US2802760A ، لينكولن، ديريك وفروش ، كارل جيه، "أكسدة الأسطح شبه الموصلة من أجل الانتشار المتحكم فيه"، صدر في 13 أغسطس 1957 
  6. ↑ فروتش، سي جيه؛ ديريك، إل (1957). "حماية السطح والتغطية الانتقائية أثناء الانتشار في السيليكون" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
  7. ↑ كانغ، د. (1961). "جهاز سطحي من السيليكون وثاني أكسيد السيليكون" . أجهزة أشباه الموصلات: أوراق بحثية رائدة . ص 583-596 . doi : 10.1142/9789814503464_0076 . ISBN  978-981-02-0209-5.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة ) ؛ تم |journal=تجاهله ( مساعدة )
  8. ↑ لويك، بو (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر-فيرلاغ برلين هايدلبرغ. ص 321. ISBN  978-3-540-34258-8.
  9. ↑ ليجينزا، جيه آر؛ سبيتزر، دبليو جي (1960). "آليات أكسدة السيليكون في البخار والأكسجين" . مجلة فيزياء وكيمياء المواد الصلبة . 14 : 131-136 . Bibcode : 1960JPCS...14..131L . doi : 10.1016/0022-3697(60)90219-5 .
  10. ↑ لويك، بو (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا . ص 120. ISBN  9783540342588.
  11. ↑ "إعادة التفكير في كثافة الطاقة باستخدام نيتريد الغاليوم" . التصميم الإلكتروني . 21 أبريل 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 يوليو 2019 .
  12. ↑ أوكسنر، إي إس (1988). تقنية وتطبيقات ترانزستورات FET . مطبعة CRC . ص 18. ISBN  9780824780500.
  13. 1 2 3 4 "التطورات في أشباه الموصلات المنفصلة مستمرة" . تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة . إنفورما : 52-56 . سبتمبر 2005. مؤرشف (PDF) من الأصل في 22 مارس 2006. تم الاطلاع عليه في 31 يوليو 2019 .
  14. ↑ تاروي، ي.؛ هاياشي، ي.؛ سيكيغاوا، توشيهيرو (سبتمبر 1969). "مُوَصِّل MOST ذاتي المحاذاة بالانتشار؛ نهج جديد للأجهزة عالية السرعة". ملخصات موسعة لمؤتمر 1969 حول أجهزة الحالة الصلبة . doi : 10.7567/SSDM.1969.4-1 . S2CID 184290914 . 
  15. ↑ ماكلينتوك، جي إيه؛ توماس، آر إي (ديسمبر 1972). نمذجة ترانزستورات MOST ذات الانتشار المزدوج مع بوابات ذاتية المحاذاة . الاجتماع الدولي لأجهزة الإلكترونيات لعام 1972. الصفحات 24-26 . doi : 10.1109/IEDM.1972.249241 . 
  16. 1 2 3 4 دنكان ، بن (1996). مضخمات طاقة صوتية عالية الأداء . إلسيفير . الصفحات 177-178، 406. ISBN  9780080508047.
  17. 1 2 باليغا، ب. جايانت (2005). ترانزستورات MOSFET السيليكونية للطاقة بترددات الراديو . وورلد ساينتيفيك . ISBN 9789812561213.
  18. 1 2 آصف، سعد (2018). اتصالات الجيل الخامس: المفاهيم والتقنيات . دار نشر سي آر سي . ص 134. ISBN  9780429881343.
  19. ↑ جائزة "سيمي" لأمريكا الشمالية . سيمي . مؤرشف من الأصل في 5 أغسطس 2016. تم الاطلاع عليه في 5 أغسطس 2016 .
  20. 1 2 "انضمام أليكس ليدو وتوم هيرمان من شركة إنترناشونال ريكتيفاير إلى قاعة مشاهير الهندسة" . بزنس واير . 14 سبتمبر 2004. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 يوليو 2019 .
  21. ↑ باليغا، ب. جايانت (2015). جهاز IGBT: فيزياء وتصميم وتطبيقات الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة . ويليام أندرو . الصفحات 28، 5-11 . ISBN  9781455731534.
  22. 1 2 "MDmesh: 20 عامًا من ترانزستورات MOSFET فائقة التوصيل من نوع STPOWER، قصة عن الابتكار" . STMicroelectronics . 11 سبتمبر 2019. تم الاطلاع عليه في 2 نوفمبر 2019 .
  23. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 4,754,310
  24. ↑ "سوق ترانزستورات الطاقة سيتجاوز 13 مليار دولار في عام 2011" . IC Insights . 21 يونيو 2011. مؤرشف من الأصل في 3 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه في 15 أكتوبر 2019 .
  25. ↑ كاربون، جيمس (سبتمبر-أكتوبر 2018). "يمكن للمشترين توقع استمرار فترات التسليم التي تصل إلى 30 أسبوعًا وارتفاع الأسعار بالنسبة لترانزستورات MOSFET" (ملف PDF) . مصادر الإلكترونيات : 18-19 .
  26. ↑ ويليامز، ريتشارد ك.؛ درويش، محمد ن.؛ بلانشارد، ريتشارد أ.؛ سيمينيك، رالف؛ روتر، فيل؛ كاواغوتشي، يوسوكي (23 فبراير 2017). "موسفت الطاقة الخندقي: الجزء الأول - التاريخ والتكنولوجيا والآفاق" . معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية . 64 (3): 674-691 . Bibcode : 2017ITED...64..674W . doi : 10.1109/TED.2017.2653239 . S2CID 20730536 . 
  27. 1 2 "موسفت" . شركة إنفينون تكنولوجيز . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 ديسمبر 2019 .
  28. ↑ "دوائر متكاملة لتشغيل البوابات EiceDRIVER من إنفينون" (ملف PDF) . إنفينون . أغسطس 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 ديسمبر 2019 .
  29. ↑ "موسفتات الطاقة للسيارات" (ملف PDF) . فوجي إلكتريك . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 أغسطس 2019 .
  30. ↑ ويليامز، آر كيه؛ درويش، إم إن؛ بلانشارد، آر إيه؛ سيمينيك، آر؛ روتر، بي؛ كاواغوتشي، واي. (2017). "ترانزستور MOSFET ذو الخندق - الجزء الثاني: تطبيقات محددة لـ VDMOS وLDMOS والتغليف والموثوقية". معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية . 64 (3): 692-712 . Bibcode : 2017ITED...64..692W . doi : 10.1109/TED.2017.2655149 . ISSN 0018-9383 . S2CID 38550249 .  
  31. ↑ "ترانزستورات DMOS بترددات الراديو" . شركة STMicroelectronics . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 ديسمبر 2019 .
  32. ↑ "AN1256: مذكرة تطبيقية - ترانزستور MOSFET عالي القدرة بترددات الراديو يستهدف تطبيقات VHF" (ملف PDF) . شركة ST Microelectronics . يوليو 2007. تاريخ الاطلاع: 22 ديسمبر 2019 .
  33. ↑ "مستشعرات CMOS تُمكّن كاميرات الهواتف من إنتاج فيديو عالي الدقة" . موقع ناسا سبين أوف . ناسا . تاريخ الاطلاع: 6 نوفمبر 2019 .
  34. ↑ فيندريك، هاري جيه إم (2017). الدوائر المتكاملة بتقنية CMOS النانومترية: من الأساسيات إلى الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات . سبرينغر. ص 245. ISBN  9783319475974.
  35. ↑ كوريك، جاك (2011). ترانزستورات MOSFET منخفضة الجهد: التصميم والأداء والتطبيقات . سبرينغر ساينس + بيزنس ميديا . الصفحات 9-14 . ISBN  978-1-4419-9320-5.
  36. ↑ سيمون م. سزي ، فيزياء أجهزة أشباه الموصلات الحديثة ، جون وايلي وأولاده، 1998، رقم ISBN 0-471-15237-4
  37. ^ بيير الويسي، الترانزستورات MOS de puissance in Interrupteurs électroniques de puissance، سمة EGEM ، تحت إشراف روبرت بيريه، لافوازييه، باريس، 2003 [بالفرنسية] ISBN 2-7462-0671-4
  38. ↑ موراي، أنتوني إف جيه؛ ماكدونالد، تيم؛ ديفيس، هارولد؛ كاو، جو؛ سبرينغ، كايل. "تقنية MOSFET شديدة التحمل ذات مقاومة منخفضة للغاية في حالة التشغيل ( RDS(on)) مصممة لمجموعة واسعة من ظروف ER " (ملف PDF) . مجلة International Rectifier . تاريخ الاسترجاع: 26 أبريل 2022 .
  39. ↑ دنكان أ. غرانت، جون غوار، ترانزستورات MOSFET للطاقة: النظرية والتطبيقات، جون وايلي وأولاده، رقم ISBN 0-471-82867-X1989

للمزيد من القراءة

  • باليغا، ب. جايانت (1996). أجهزة أشباه الموصلات للطاقة . دار نشر PWS. رقم ISBN 9780534940980.