MosFet di Potenza

In elettronica, il MOSFET di potenza è usato nelle applicazioni ad alti valori di tensione e corrente. Rispetto agli altri dispositivi di potenza a semiconduttore (IGBT, Tiristori,...) i suoi principali vantaggi sono l'elevata velocità di commutazione e la buona efficienza a basse tensioni; come l'IGBT possiede un gate isolato che lo rende semplice da pilotare.
Il MOSFET di potenza è stato introdotto alla fine degli anni '70 grazie all'evoluzione della tecnologia CMOS, e condivide lo stesso principio di funzionamento del tradizionale MOSFET. È usato principalmente come interruttore all'interno di alimentatori e convertitori di potenza.

Struttura

Quando all'inizio degli anni '80 furono introdotti i MOSFET di potenza, fu adottata la struttura VDMOS (MOS a Diffusione Verticale), anche chiamata "Double Diffused MOS" o semplicemente DMOS.
La sezione verticale di un DMOS mostra come l'elettrodo di source è posto al di sopra dell'elettrodo di drain. Di conseguenza, quando il transistor è nello stato ON, si ha una corrente principalmente verticale. Le regioni P sono ottenute tramite un processo di diffusione (attualmente un processo di doppia diffusione per avere le regioni P e N da cui il nome Double Diffused). A differenza dei MOSFET di segnale, i MOSFET di potenza hanno una struttura non planare ma verticale. In una struttura planare, la corrente e la tensione di breakdown sono entrambe funzioni della dimensione del canale (rispettivamente larghezza e lunghezza del canale) con il risultato di un uso poco efficiente del silicio. Con una struttura verticale, il rating di tensione del transistor è funzione del drogaggio e dello spessore dello strato epitassiale N, mentre il rating di corrente è funzione della larghezza del canale. In tal modo il transistor può sostenere sia elevate tensioni di blocco, sia elevate correnti all'interno di un compatto pezzo di silicio.

Resistenza di ON

Quando il MOSFET di potenza è nello stato ON, esso presenta un comportamento resistivo tra i terminali di drain e source. Come si può vedere dalla figura, questa resistenza (Chiamata RDSon - Resistenza tra source e drain nello stato ON) è la somma di vari contributi elementari:

    RS è la resistenza di source. Essa rappresenta tutte le resistenze tra il terminale di source del package e il canale del MOSFET: resistenza dei Wire Bonds, della metallizzazione di source e delle regioni N è la resistenza di canale. Essa è inversamente proporzionale alla larghezza del canale e, per una data dimensione del die, alla densità del canale. La resistenza del canale è uno dei maggiori contributi alla RDSon nei MOSFET a bassa tensione; è la resistenza di accesso. Essa rappresenta la resistenza della zona epitassiale direttamente al di sotto dell'elettrodo di gate, dove la direzione della corrente cambia da orizzontale (nel canale) a verticale (verso il contatto di drain);

    RJFET: le regioni P formano i gate di JFET parassiti che tendono a ridurre la larghezza del flusso di corrente;

    Rn è la resistenza dello strato epitassiale. Poiché il ruolo di questo strato è quello di sostenere la tensione di blocco, Rn è direttamente correlato al rating di tensione del dispositivo. Un MOSFET per alta tensione richiede uno strato spesso e poco drogato (i.e. altamente resistivo), mentre un transistor a bassa tensione richiede uno strato sottile ed un elevato livello di drogaggio (i.e. poco resistivo). Di conseguenza Rn è il principale fattore responsabile della RDSonnei MOSFET ad alta tensione.

    RD è l'equivalente di RS per il drain. Essa rappresenta la resistenza del substrato, (lo strato N in basso è il più spesso) e delle connessioni del package.

Funzionamento in commutazione SWITCHING

A causa della sua natura unipolare, il MOSFET di potenza può commutare a velocità molto elevate. Infatti non bisogna rimuovere portatori minoritari come nei dispositivi bipolari.

L'unica limitazione intrinseca alla velocità di commutazione è dovuta alle capacità interne del MOSFET.

Queste capacità devono essere caricate e scaricate quando il transistor commuta. Questo può essere un processo relativamente lento poiché la corrente che fluisce attraverso le capacità di gate è limitata dai circuiti di driver esterni. Questi circuiti determinano effettivamente la velocità di commutazione del transistor (assumendo che il circuito di potenza abbia induttanze sufficientemente basse).

Capacita

Nei datasheet dei MOSFET, le capacità sono spesso chiamate Ciss (capacità di input, con i terminali di drain e source in corto circuito), Coss (capacità di output, con i terminali di gate e source in corto circuito), and Crss (reverse transfer capacitance). Le relazioni tra queste capacità e le altre (le capacità "reali") sono le seguenti:

dove CGS, CGD and CDS sono rispettivamente le capacità tra gate e source, tra gate e drain, tra drain e source.

 


Capacità gate-source

La capacità CGS è costituita dal parallelo di CoxN+, CoxP e Coxm. Poiché le regioni N+ e P sono fortemente drogate, le prime due
componenti possono essere considerate costanti. Coxm è la capacità tra la gate (polisilicio) e l'elettrodo di source (metallo), cosicché anche questa è costante. Perciò è pratica comune considerare CGS come una capacità costante, cosicché il suo valore non dipende dallo stato del transistor.

Capacità Gate-Drain

La capacità CGD può essere vista come la serie di due capacità elementari. La prima è la capacità dell'ossido (CoxD), costituita dall'elettrodo di gate, dal biossido di silicio e dallo strato epitassiale N. Essa ha un valore costante. La seconda capacità (CCDj) è dovuta all'allargamento della regione di carica spaziale quando il MOSFET è nello stato di OFF e dipende quindi dalla tensione tra gate e drain. Di conseguenza, il valore di CGD è:

La larghezza della regione di carica spaziale è data da

dove  è la permittività del silicio, q è la carica dell'elettrone e N è il livello di drogaggio. Il valore di CGDj può essere approssimato usando l'espressione del condensatore a facce piane:

dove AGD è l'area della sovrapposizione tra gate e drain. Quindi:

 

Si può vedere che, come detto in precedenza, CGDj (e quindi CGD) è una capacità il cui valore dipende dalla tensione tra gate e drain. All'aumentare della tensione, la capacità diminuisce. Quando il MOSFET è nello stato ON, CGDj è cortocircuitata, cosicché la capacità gate-drain resta uguale a CoxD, ossia un valore costante.

Capacità Drain-Source

Siccome la metallizzazione di source si sovrappone al pozzo P, i terminali di drain e source sono separati da una giunzione P-N. Quindi la CDS è la capacità di giunzione. Questa è una capacità non lineare e il suo valore può essere calcolato usando la stessa equazione vista per CGDj.

Applicazioni pratiche dei Mosfet di Potenza

La realizzazione di amplificatori di segnali rappresenta, assieme a quella di alimentatori a commutazione, uno dei due principali impieghi dei MOSFET di potenza; questi dispositivi risultano particolarmente indicati per questo scopo per via di alcune caratteristiche già citate, quali la linearità della transconduttanza , l'immunità dal breakdown secondario, la velocità e la stabilità termica.

Tipicamente i circuiti di polarizzazione richiesti sono più semplici di quelli necessari per polarizzare transistori bipolari, poiché i MOSFET necessitano di potenze di pilotaggio molto inferiori e minori precauzioni per la stabilizzazione termica. Un possibile schema di base per la costruzione di amplificatori con coppie complementari è quello in figura a sinistra.

La polarizzazione viene determinata con un  generatore di corrente costante, realizzato con BJT e la regolazione dell'OFFSET e bilanciamento, viene fatta da R13.

La versatilità, entro certi limiti dell'impiego dei MOSFET di Potenza nei finali audio è che per aumentare la potenza di uscita, è sufficiente mettere in parallelo due o tre MOSFET, semplicemente aumentando la tensione di alimentazione e ricalcolando la circuiteria BJT per la nuova tensione di lavoro, e regolando R13.