Was ist ein Leistungs-MOSFET?
Leistungs-MOSFET ist ein Oberbegriff für MOSFET-Bauelemente für Hochleistungsanwendungen. MOSFET ist ein Feldeffekttransistor (FET), der durch Anlegen einer Spannung an den Gate-Anschluss und Einschalten von Drain und Source einen verstärkten Ausgang erzeugen kann. MOS steht für Metall-Oxid-Silizium.
In der Vergangenheit waren bipolare Transistoren mit Basis-, Kollektor- und Emitteranschlüssen die Hauptstütze der Schaltgeräte, aber im Vergleich dazu haben MOSFETs schnellere Schaltgeschwindigkeiten, niedrige Spannungen und einen geringen Durchlasswiderstand, was einen verlustarmen Betrieb ermöglicht.
Anwendungen von Leistungs-MOSFETs
Leistungs-MOSFETs können in Schaltungen eingesetzt werden, in denen üblicherweise bipolare Leistungstransistoren verwendet werden. Insbesondere haben Leistungs-MOSFETs geringere Schaltverluste als bipolare Leistungstransistoren.
Der hohe Durchlasswiderstand und die niedrige Durchbruchsspannung von MOSFETs sowie die Schwierigkeit, sie für Hochleistungsanwendungen einzusetzen, sind dank der jüngsten technologischen Innovationen wie der Doppeldiffusionsstruktur mit planarem Gate, der Trench-Gate-Struktur und der Super-Junction-Struktur überwunden worden und werden nun in Leistungstransistoren eingesetzt. MOSFETs sind jetzt die Hauptstütze in der Welt der Leistungstransistoren.
Funktionsweise von Leistungs-MOSFETs
Im Prinzip arbeiten Leistungs-MOSFETs nur mit einer großen Anzahl von Kernen (Elektronen für n-Typ und Löcher für p-Typ). Daher sind sie nicht von der Minoritätszyarie des bipolaren Typs betroffen, der in der Vergangenheit die Hauptstütze der Leistungs-MOSFETs war, und haben grundsätzlich eine höhere Eingangsimpedanz als FETs vom Junction-Typ.
Leistungs-MOSFETs können auch grob nach ihrer Gate- und Driftschichtstruktur klassifiziert werden, und die drei in den letzten Jahren vorherrschenden Hauptstrukturen werden im Folgenden beschrieben:
1. D-MOS Doppel-Diffusions-MOSFET-Struktur
Mit dieser Struktur wird eine hohe Durchbruchspannung durch die Bildung von Doppeldiffusionskanälen erreicht, was zu einem Hochleistungs-Leistungs-MOSFET mit hoher Integration, niedrigem On-Widerstand und geringem Verlust führt. Im Falle von N-Kanal-MOSFETs werden auf der N-Substrat-Epitaxieschicht durch Doppeldiffusion eine p-Schicht mit geringer Konzentration und eine n-Schicht mit hoher Konzentration gebildet; es gibt auch P-Kanal-MOSFETs, aber die Mobilität der Löcher ist geringer als die der Elektronen, was zu einem hohen On-Widerstand und schlechteren Eigenschaften führt.
2. Trench-Gate-Struktur
Diese Struktur hat ein U-Graben-Gate und die Kanäle werden vertikal gebildet, um eine hohe Integration und einen noch geringeren On-Widerstand zu erreichen. Diese Struktur wird jedoch für Leistungs-MOSFETs mit niedriger Spannung verwendet. Die Fläche der Einheitszelle wird durch die U-Nut des Gates verringert.
3. Super-Junction-Struktur
Dies ist der derzeit beste verfügbare Leistungs-MOSFET, abgesehen von der Änderung des Substratmaterials. In der Driftschicht wird eine periodische vertikale p/n-Struktur, ein so genannter Superübergang, gebildet, um einen ultraniedrigen Durchlasswiderstand unterhalb der Siliziumgrenze herkömmlicher Leistungs-MOSFETs zu erreichen.
Weitere Informationen über Leistungs-MOSFETs
Anwendungsbereich von Leistungs-MOSFETs auf dem Markt
Leistungs-MOSFETs werden aufgrund ihrer kostengünstigen und hochzuverlässigen Siliziumsubstrate zu relativ geringen Kosten in Hochleistungs-Stromversorgungsanwendungen eingesetzt. Wenn es jedoch um Hochleistungs-Stromversorgungsanwendungen mit mehreren kVA geht, steigt der Durchlasswiderstand auf mehrere Ω an, was die Verluste erheblich erhöht und sie aus dem nutzbaren Bereich herausnimmt.
Die derzeit in diesem Bereich hauptsächlich verwendeten Halbleiterbauelemente sind IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder SiC Leistungs-MOSFETs, wobei IGBTs mit Bipolartransistoren kombiniert werden, um den Anstieg des On-Widerstands im Hochstrombereich der MOSFETs zu unterdrücken. Der SiC-Leistungs-MOSFET ist ein Leistungs-MOSFET mit einem bipolaren Transistor und einem SiC-Leistungs-MOSFET.
SiC-Leistungs-MOSFETs verwenden SiC-Verbindungshalbleiter, einen Kristall mit breiter Bandlücke, als Substratmaterial und zeichnen sich durch ihre drastisch verbesserte Durchbruchspannung aus. MOSFETs werden für Schaltnetzteile mit hoher Leistung und hoher Geschwindigkeit bei mehreren 100 KHz eingesetzt.
IGBTs eignen sich aufgrund ihrer Bauelementestruktur nicht für Hochgeschwindigkeits-Schaltnetzteile, während SiC-Leistungs-MOSFETs relativ hohe SiC-Substratkosten aufweisen (teilweise aufgrund der begrenzten Wafergröße). Dennoch werden Leistungs-MOSFETs auf Silizium-Substraten, die relativ preiswert und einfach zu verwenden sind, weiterhin im mittleren bis niedrigen Leistungsbereich eingesetzt werden, wobei sich die Eigenschaften und Kosten verbessern werden, sofern nicht neue Bauelemente auftauchen, die sie ersetzen können.