2 Устройство mosfet-транзистора

Для сравнения рассмотрим для начала работу обычного MOSFET-транзистора

На рисунке 3 показано поперечное сечение стандартного мощного MOSFET-транзистора. В направлении прямого тока поток электронов течет от n⁺ - области (исток) n-канал, который сформирован положительным напряжением затвора на поверхности шейной области p-well, через область дрейфа n^- к контактному слою n⁺, который связан с потенциалом стока.

Рисунок 1 – Поперечный разрез мощного MOSFET-транзистора

В направлении протекания обратного тока (к стоку приложено отрицательное напряжение относительно потенциала истока) основной p-n переход находится в прямом смещении. Дырки (положительные заряды) пересекают p-n переход и текут через область дрейфа к контактному слою n⁺, где уничтожаются доминирующими там электронами (отрицательные заряды). Напротив, электроны движутся от n⁺ контактного слоя через область дрейфа вверх, пересекая p-n переход. Немногие из них могут достигать n⁺ области истока, остальные уничтожаются в шейной области p-well, где доминируют дырки. В дрейфовой области электроны и дырки сосуществуют.

Мы говорим здесь об электронно-дырочной плазме, поскольку концентрация и электронов, и дырок выше, чем степень легирования n-примесей в области дрейфа. Электроны и дырки могут рекомбинировать в данном случае с некоторой скоростью в зависимости от присутствия центров рекомбинации. Эти центры обычно создаются облучением устройства или диффузией Au или Pt. Электронно-дырочная плазма имеет высокую проводимость с результирующим падением напряжения всего 0,7–1,2 В в режиме протекания обратного тока в мощном MOSFET-транзисторе. Если к транзистору снова прикладывается положительное напряжение, плазма должна быть удалена прежде, чем транзистор будет способен блокировать напряжение. Эта плазма — источник тока обратного восстановления в течение переключения диода. Заряд, который получается в результате интегрирования по времени тока обратного восстановления, называется зарядом обратного восстановления Qrr [1].

Процессы, происходящие в мостовом резонансном преобразователе в течение этих четырех стадий (t₁–t₄) схематично показаны на рисунке 2 в следующей последовательности: слева направо и сверху вниз. В течение стадии t в силовом транзисторе протекает обратный ток. Активная область заполняется электронно-дырочной плазмой, обозначаемой пурпурным цветом. В начале стадии 2 силовой транзистор находится во включенном состоянии за счет положительного напряжения, приложенного к затвору. Часть электронного тока, который течет от контактного слоя n⁺ к выводу истока, теперь может течь через канал вместо протекания через p-n переход, что способствует уменьшению концентрации электронов и дырок между шейными областями p-well. Это показано на второй части рисунка 2.

Рисунок 2 - Потоки электронов и дырок внутри обычного силового MOSFET-транзистора, протекающих в течение четырех стадий работы мостового резонансного преобразователя (t₁–t₄: слева направо, сверху вниз)

На стадии 3 направление тока изменилось из-за переключения транзисторов в противоположной диагонали мостового резонансного преобразователя. Обратите внимание, что на третьей картинке рисунка 2 стрелки для электронного потока теперь указывают на контактный слой n⁺, и поток дырок течет вверх, к шейной области p-well - p-n-переход начинает закрываться. Из-за очень низкого падения напряжения на открытом переходе транзистора (примерно 1 или 2 В) вокруг p-n-перехода формируется небольшая обедненная область. Она обозначена белым цветом. Далее инжекция электронно-дырочной плазмы в активную область силового транзистора прекращается. Однако в нижней части активной области электронно-дырочная плазма пока еще присутствует [2]. Эта плазма все еще поддерживает поток дырок к шейной области p-well. Из-за искривления областей p-well поток дырок сосредоточен в области ниже электрода затвора.

На стадии 4 силовой транзистор закрывается. На высоких частотах переключения заряд обратного восстановления внутреннего диода может не полностью быть вытеснен из активной области транзистора, особенно при незначительной или средней нагрузке. Эта ситуация продемонстрирована на четвертой картинке рисунка 2 областью светло-пурпурного цвета возле обратной стороны слоя n⁺. Если теперь на силовой прибор подать напряжение за очень короткое время dv/dt, область заряда (обозначенная белым цветом) быстро расширится, занимая n^–-область дрейфа по направлению к контакту n⁺. Оставшаяся электронно-дырочная плазма будет далее выдавлена, как паста из тюбика, в результате чего большой поток дырок устремится вверх к области p-well. Данный поток дырок снова сосредоточится вокруг искривления области p-well, что и показано большим количеством стрелок на четвертой картинке рисунка 2.

Теперь более детально рассмотрим ячейку силового MOSFET-транзистора. Рис. 5 содержит поперечное сечение ячейки обычного MOSFET-транзистора, используемой в таком или почти таком виде всеми производителями силовых MOSFET-транзисторов. Металлизация истока контактирует с областью p-well и с совместной или разделенной на разные стороны областью n⁺, p-контакт необходим для закрытого состояния, и n⁺-контакт для открытого состояния транзистора. Затвор изолирован от области p-well тонким оксидным слоем, который обозначен желтым цветом на рисунке 3.

Рисунок 3 - Детальный вид обычной ячейки силового MOSFET-транзистора, иллюстрирующий механизм разрушения движущимися с разных сторон дырками ниже области n⁺

Поток дырок, проходя через дрейфовую область n^–, достигает области p-well - таким образом, он пересекает шейную область p-well с разных сторон по направлению к металлическому контакту (показан серым цветом). Ток создаст разность потенциалов вдоль своего пути к контакту. Это падение напряжения стремится к организации прямого смещения p-n-перехода, сформированного областями p-well и n⁺, приводя к открыванию свойственного ячейке паразитного биполярного n-p-n-транзистора. Так как этот ток имеет положительный температурный коэффициент, полный ток через транзистор, вероятно, создаст шнурование в одной или нескольких ячейках, приводя транзистор к термодеструкции. Вероятность данной ситуации зависит (помимо скорости нарастания напряжения dv/dt при выключении) от нескольких технологических факторов, таких как размещение контакта относительно области p-well, объем заряда обратного восстановления, уровень легирования области p-well и т. д. Для обычного MOSFET-транзистора всегда существует вероятность отказа силового транзистора при неудачной комбинации перечисленных технологических факторов. Данная ситуация достаточно неприятна для потребителей из-за риска возникновения серии эксплуатационных отказов силовых MOSFET-транзисторов в схемах с резонансным преобразованием.