ماسفت قدرت

ماسفت قدرت (به انگلیسی: power MOSFET) یا VMOSFET، نوعی خاصی از ترانزیستور ماسفت است که به منظور کارکرد در توان‌های بالا طراحی شده است.

در مقایسه با دیگر ادوات الکترونیک قدرت مانند (IGBT) یا تریستور، مهمترین مزایای ماسفت قدرت، سرعت سوئیچینگ بالا و کارایی خوب در ولتاژهای پایین است. همانند IGBT، در ماسفت قدرت هم از گیت عایق شده استفاده شده است که این امر عمل راه اندازی ترانزیستور را آسان می‌کند. این ماسفت در بهره کم نیز بکار می‌رود تا جایی که بعضاً لازم است ولتاژ گیت ترانزیستور بیشتر از ولتاژ تحت کنترل باشد.

طراحی ماسفت قدرت با توسعه تکنولوژی CMOS که برای ساخت مدارهای مجتمع در اواخر دهه ۱۹۷۰ صورت گرفت، آغاز شد. نحوه عملکرد ماسفت قدرت شبیه ماسفت معمولی است.

ماسفت قدرت، پرکاربردترین کلید مورد استفاده در ولتاژهای پایین (کمتر از ۲۰۰ V) است که معمولاً در مدارات منابع تغذیه، مبدل‌های DC به ac و کنترل کننده‌های موتور بکار می‌رود.

ساختار پایه

در اوایل دهه ۱۹۸۰ و همزمان با معرفی اولین ماسفت قدرت، ساختارهای متعددی ارائه شدند اما اغلب آنها (حداقل تا همین اواخر) کنار گذاشته شده و فقط ساختار ماسفت با نفوذ عمودی (VDMOS) مورد توجه قرار گرفت.^[۱]

در شکل ۱، سطح مقطع یک VDMOS نشان داده شده است: دیده می‌شود که پایه سورس بالاتر از پایه درین قرار دارد که باعث می‌شود جریان الکتریکی به صورت “عمودی” جاری شود. واژه “نفوذ (دیفوژن)” که در اسم این نوع ترانزیستور وجود دارد، به پروسه ساخت آن مربوط می‌شود. نواحی ⁺P و ⁺N (شکل۱)، با استفاده از تکنیک دیفوژن ایجاد می‌شوند.

ماسفت‌های قدرت ساختاری متفاوت از ماسفت‌های معمولی دارند. بر خلاف اغلب ادوات الکترونیک قدرت که ساختاری مسطح (افقی) دارند، این المان دارای ساختار عمودی است. در یک ساختار مسطح، مقدار جریان و ولتاژ شکست هر دو تابعی از ابعاد کانال (به ترتیب عرض و طول کانال) هستند که در نتیجه سبب استفاده ناکارآمد از «سیلیکون و مستغلات» می‌شود. در ساختار عمودی، ولتاژ نامی ترانزیستور تابعی از دوپینگ و ضخامت لایه N است در حالی که مقدار جریان تابعی از عرض کانال است. این حالت سبب آن می‌شود که ترانزیستور بتواند ولتاژ و جریان بالا را در یک قطعه سیلیکون فشرده تحمل کند.

شایان ذکر است که ماسفت قدرت با ساختار افقی (عرضی) نیز وجود دارد که عمدتاً در تقویت کننده‌های صوتی استفاده می‌شوند. مزیت آنها این است که رفتار بهتری در ناحیه اشباع به نسبت ترانزیستور با ساختار عمودی از خود نشان می‌دهند. ماسفت‌های قدرت عمودی، برای کاربردهای کلیدزنی طراحی شده‌اند و بنابراین فقط در حالت روشن یا خاموش بکار برده می‌شوند.

مقاومت در حالت روشن

زمانی که ماسفت قدرت در حالت روشن قرار دارد، مقاومتی را مابین پایه‌های درین و سورس از خود نشان می‌دهد. همانطورکه در شکل ۲ دیده می‌شود، این مقاومت که R_DSon نامیده می‌شود، مجموعی از چندید مقاومت اولیه است.

• R_S مقاومت سورس است که نشان دهنده همه مقاومت بین الکترود سورس و کانال ماسفت است: مقاومت بین پایه سورس ماسفت و قسمت ⁺N
• R_ch مقاومت کانال است. این مقاومت، نسبت معکوس با عرض کانال و همچنین در یک ویفر سیلیکون، با چگالی کانال دارد. مقاومت کانال، یکی از عوامل مهم در تعیین مقاومت حالت روشن ماسفت‌های ولتاژ پایین است و تلاش‌های فراوانی در جهت کوچکتر کردن ابعاد کانال به منظور افزایش چگالی آن، در حال انجام است.
• R_a که به مقاومت دسترسی معروف است، نشان دهنده مقاومت ناحیه لایه نشانی شده در زیر ترمینال گیت است؛ محلی که حرکت جریان الکتریکی از شکل افقی (درون کانال)، به شکل عمودی (به سمت ترمینال درین) تغییر جهت پیدا می‌کند.
• R_n مقاومت قسمت لایه نشانی شده است. از آنجایی که نقش این لایه تحمل افت ولتاژ در حالت قطع ماسفت است، لذا مقدار این مقاومت به طور مستقیم با ولتاژ نامی ماسفت در ارتباط است. یک ماسفت ولتاژ بالا نیازمند یک لایه ضخیم با ناخالصی پایین (مقاومت زیاد) در حالی که ماسفتی با ولتاژ پایین نیازمند یک لایه نازک با ناخالصی بالا (مقاومت کم) است؛ بنابراین در یک ماسفت ولتاژ بالا، R_n عامل اصلی در مقاومت کل ماسفت است.
• R_D معادل مقاومت R_S برای درین است. این مقاومت، نشان دهنده مقاومت بستر ترانزیستور است.

عملیات کلیدزنی

تنها محدودیت ذاتی در کاهش سرعت کلیدزنی، خازن‌هایی داخلی ماسفت است. (شکل ۴ را ببینید). این خازن‌ها باید در هنگام سوئیچ کردن ترانزیستور، شارژ و تخلیه شوند. این فرایند می‌تواند کند باشد زیرا جریانی که از طریق خازن گیت جاری می‌شود، توسط مدار خارجی محدود می‌گردد. در واقع این مدار خارجی سرعت کلیدزنی ترانزیستور را تعیین می‌کند.

خازن‌ها

در دیتاشیت ماسفت، خازن‌های مختلفی با نام‌های C_iss (خازن ورودی در حالتی که پایه‌های درین و سورس به هم متصل هستند), C_oss (خازن خروجی در حالتی که گیت و سورس به هم متصل هستند) و C_rss (خازن انتقال معکوس در حالتی که پایه سورس به زمین متصل است) به چشم می‌خورد.

خازن گیت-سورس

خازن C_GS تشکیل شده است از اتصال موازی C_oxN+C_oxP و C_oxm (شکل ۴ را ببینید). به دلیل اینکه نواحی ⁺N و ⁺P دارای ناخالصی بالایی هستند، لذا خازن‌های سری با هم، ثابت هستند. C_oxm خازن مابین عایق گیت و الکترود سورس بوده و بنابراین مقدار آن نیز ثابت است. از این رو، ثابت فرض کردن C_GS، تقریب صحیحی است بدین معنا که مقدار این خازن وابسته به نقطه کار ماسفت نیست.

خازن گیت-درین

خازن C_GD را می‌تواند همانند اتصال سری دو خازن اولیه دانست. اولی عبارت است از خازن اکسید (C_oxD) که تشکیل شده است از الکترود گیت، عایق دی اکسید سیلیکون و قسمت بالای لایه ⁺N و مقدار آن ثابت است. دومی خازن (C_GDj) است که ناشی از گسترش ناحیه تخلیه در زمانی که ماسفت خاموش می‌باشد، است که در نتیجه مقدار این خازن تابعی از ولتاژ درین-سورس است. C_GDj (و در نتیجه C_GD) خازنی است که مقدار آن وابسته به ولتاژ گیت-درین است. اگر این ولتاژ افزایش یابد، مقدار ظرفیت خازن کم می‌شود. زمانی که ماسفت در حالت روشن است، C_GDj به حالت موازی درآمده و بنابراین خازن گیت به درین برابر با C_oxD که یک مقدار ثابت است، می‌شود.

خازن درین-سورس

در وضعیتی که الکترود سورس، لایه ⁺P را نیز می‌پوشاند (نگاه کنید به شکل ۱)، پایه‌های درین و سورس توسط یک پیوند P-N از همدیگر جدا می‌شود؛ بنابراین C_DS، خازن پیوند است.

برای انتخاب پاور مناسب بر مبنای نیاز کاریتان از ما مشاوره بگیرید. تلفن های تماس : ۳۶۰۵۵۰۸۵ و ۳۰۶۵۵۱۰۵

آرشیو کاتالوگ های مینول