MOSFET विहंगावलोकन

पॉवर MOSFET हे जंक्शन प्रकार आणि इन्सुलेटेड गेट प्रकारात देखील विभागले गेले आहे, परंतु सामान्यत: मुख्यतः इन्सुलेटेड गेट प्रकार MOSFET (मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर FET) चा संदर्भ देते, ज्याला पॉवर MOSFET (पॉवर MOSFET) म्हणून संबोधले जाते. जंक्शन प्रकार पॉवर फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टरला सामान्यतः इलेक्ट्रोस्टॅटिक इंडक्शन ट्रान्झिस्टर (स्टॅटिक इंडक्शन ट्रान्झिस्टर - एसआयटी) म्हणतात. ड्रेन करंट नियंत्रित करण्यासाठी हे गेट व्होल्टेजद्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहे, ड्राइव्ह सर्किट सोपे आहे, थोडे ड्राइव्ह पॉवर आवश्यक आहे, वेगवान स्विचिंग गती, उच्च ऑपरेटिंग वारंवारता, थर्मल स्थिरता पेक्षा चांगली आहेGTR, परंतु त्याची वर्तमान क्षमता लहान, कमी व्होल्टेज आहे, सामान्यत: फक्त 10kW पेक्षा जास्त पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांवर लागू होते.

 

1. पॉवर MOSFET रचना आणि ऑपरेटिंग तत्त्व

पॉवर MOSFET प्रकार: प्रवाहकीय चॅनेलनुसार पी-चॅनेल आणि एन-चॅनेलमध्ये विभागले जाऊ शकते. गेटच्या व्होल्टेजनुसार मोठेपणा विभागले जाऊ शकते; कमी होण्याचे प्रकार; जेव्हा गेट व्होल्टेज शून्य असते तेव्हा प्रवाहकीय वाहिनीच्या अस्तित्वामधील ड्रेन-स्रोत पोल, वर्धित केले जाते; N (P) चॅनेल उपकरणासाठी, प्रवाहकीय वाहिनीच्या अस्तित्वापूर्वी गेट व्होल्टेज शून्यापेक्षा जास्त (पेक्षा कमी) आहे, पॉवर MOSFET प्रामुख्याने एन-चॅनेल वर्धित आहे.

 

१.१ पॉवरMOSFETरचना　　

पॉवर MOSFET अंतर्गत रचना आणि विद्युत चिन्हे; त्याचे वहन केवळ एक ध्रुवीय वाहक (पॉली) कंडक्टिवमध्ये गुंतलेले आहे, एक ध्रुवीय ट्रान्झिस्टर आहे. कंडक्टिंग मेकॅनिझम ही लो-पॉवर MOSFET सारखीच आहे, परंतु संरचनेत मोठा फरक आहे, लो-पॉवर MOSFET एक क्षैतिज प्रवाहकीय यंत्र आहे, पॉवर MOSFET बहुतेक उभ्या प्रवाहकीय रचना आहे, ज्याला VMOSFET (व्हर्टिकल MOSFET) असेही म्हणतात. , जे MOSFET डिव्हाइस व्होल्टेज आणि वर्तमान सहन करण्याची क्षमता मोठ्या प्रमाणात सुधारते.

 

उभ्या प्रवाहकीय संरचनेतील फरकांनुसार, परंतु व्हीव्हीएमओएसएफईटीची अनुलंब चालकता प्राप्त करण्यासाठी व्ही-आकाराच्या खोबणीच्या वापरामध्ये देखील विभागली गेली आहे आणि व्हीडीएमओएसएफईटीची अनुलंब प्रवाहकीय डबल-डिफ्यूज्ड एमओएसएफईटी रचना आहे (उभ्या दुहेरी-विसरलेलीMOSFET), या पेपरची प्रामुख्याने VDMOS उपकरणांचे उदाहरण म्हणून चर्चा केली जाते.

 

षटकोनी युनिट वापरून इंटरनॅशनल रेक्टिफायर (इंटरनॅशनल रेक्टिफायर) HEXFET सारख्या एकाधिक एकात्मिक संरचनेसाठी पॉवर MOSFET; Siemens (Siemens) SIPMOSFET एक चौरस युनिट वापरून; मोटोरोला (मोटोरोला) TMOS "पिन" आकाराच्या व्यवस्थेद्वारे आयताकृती एकक वापरून.

 

1.2 पॉवर MOSFET ऑपरेशनचे सिद्धांत

कट-ऑफ: ड्रेन-स्रोत खांब आणि पॉझिटिव्ह पॉवर सप्लाय दरम्यान, व्होल्टेजमधील गेट-स्रोत खांब शून्य आहे. P बेस रिजन आणि N ड्रिफ्ट प्रदेश PN जंक्शन J1 रिव्हर्स बायस दरम्यान तयार होतो, ड्रेन-स्रोत पोल दरम्यान कोणताही विद्युत प्रवाह नाही.

चालकता: गेट-स्रोत टर्मिनल्समध्ये सकारात्मक व्होल्टेज UGS लागू केल्याने, गेट इन्सुलेट केले जाते, त्यामुळे गेट करंट वाहत नाही. तथापि, गेटचा पॉझिटिव्ह व्होल्टेज त्याच्या खालच्या P-क्षेत्रातील छिद्रांना दूर ढकलेल आणि P-क्षेत्रातील ऑलिगॉन-इलेक्ट्रॉन गेटच्या खाली असलेल्या P-क्षेत्राच्या पृष्ठभागाकडे आकर्षित करेल जेव्हा UGS पेक्षा जास्त असेल. यूटी (टर्न-ऑन व्होल्टेज किंवा थ्रेशोल्ड व्होल्टेज), गेटच्या खाली असलेल्या पी-क्षेत्राच्या पृष्ठभागावरील इलेक्ट्रॉनची एकाग्रता छिद्रांच्या एकाग्रतेपेक्षा जास्त असेल, ज्यामुळे पी-टाइप सेमीकंडक्टर एन-टाइपमध्ये उलटतो आणि बनतो. एक इनव्हर्टेड लेयर, आणि इनव्हर्टेड लेयर एक N-चॅनेल बनवते आणि PN जंक्शन J1 गायब, ड्रेन आणि स्त्रोत प्रवाहकीय बनवते.

 

1.3 पॉवर MOSFET ची मूलभूत वैशिष्ट्ये

1.3.1 स्थिर वैशिष्ट्ये.

ड्रेन करंट आयडी आणि गेट सोर्समधील व्होल्टेज यूजीएस यांच्यातील संबंधांना एमओएसएफईटीचे हस्तांतरण वैशिष्ट्य म्हणतात, आयडी मोठा आहे, आयडी आणि यूजीएसमधील संबंध अंदाजे रेखीय आहे आणि वक्रचा उतार ट्रान्सकंडक्टन्स जीएफएस म्हणून परिभाषित केला आहे. .

 

MOSFET ची ड्रेन व्होल्ट-अँपिअर वैशिष्ट्ये (आउटपुट वैशिष्ट्ये): कटऑफ क्षेत्र (जीटीआरच्या कटऑफ क्षेत्राशी संबंधित); संपृक्तता क्षेत्र (GTR च्या प्रवर्धन क्षेत्राशी संबंधित); संपृक्तता नसलेला प्रदेश (GTR च्या संपृक्तता क्षेत्राशी संबंधित). पॉवर MOSFET स्विचिंग स्थितीत कार्य करते, म्हणजे, ते कटऑफ क्षेत्र आणि नॉन-सॅच्युरेशन प्रदेश दरम्यान मागे आणि पुढे स्विच करते. पॉवर MOSFET मध्ये ड्रेन-स्रोत टर्मिनल्सच्या दरम्यान एक परजीवी डायोड असतो आणि जेव्हा ड्रेन-स्रोत टर्मिनल्समध्ये रिव्हर्स व्होल्टेज लागू केले जाते तेव्हा डिव्हाइस चालते. पॉवर MOSFET च्या ऑन-स्टेट रेझिस्टन्समध्ये पॉझिटिव्ह तापमान गुणांक असतो, जे डिव्हाइसेस समांतर जोडलेले असताना विद्युत् प्रवाहाची बरोबरी करण्यासाठी अनुकूल असते.

 

1.3.2 डायनॅमिक वैशिष्ट्यीकरण;

त्याची चाचणी सर्किट आणि स्विचिंग प्रक्रिया वेव्हफॉर्म्स.

टर्न-ऑन प्रक्रिया; टर्न-ऑन विलंब वेळ td(चालू) - समोरचा क्षण आणि uGS = UT आणि iD दिसू लागल्याच्या क्षणादरम्यानचा कालावधी; उदय वेळ tr- ज्या कालावधीत uGS uT वरून गेट व्होल्टेज UGSP पर्यंत वाढते ज्यावर MOSFET नॉन-सॅच्युरेटेड प्रदेशात प्रवेश करते; iD चे स्थिर स्थितीचे मूल्य ड्रेन सप्लाय व्होल्टेज, UE आणि ड्रेन द्वारे निर्धारित केले जाते UGSP चे परिमाण iD च्या स्थिर स्थिती मूल्याशी संबंधित आहे. UGS UGSP वर पोहोचल्यानंतर, ते स्थिर स्थितीत येईपर्यंत ते वरच्या क्रियेखाली वाढत राहते, परंतु iD अपरिवर्तित आहे. टर्न-ऑन टाइम टन-टर्न-ऑन विलंब वेळ आणि वाढीच्या वेळेची बेरीज.

 

ऑफ विलंब वेळ td(ऑफ)-ज्या कालावधीत आयडी शून्यावर कमी होण्यास सुरुवात होते ते वेळेपासून शून्यावर येते, Cin रुपये आणि RG द्वारे डिस्चार्ज केला जातो आणि uGS घातांकीय वक्रानुसार UGSP मध्ये येतो.

 

फॉलिंग टाइम tf- UGSP आणि iD वरून uGS कमी होत राहिल्यापासून uGS < UT वर चॅनल गायब होईपर्यंत आणि ID शून्यावर येईपर्यंतचा कालावधी. टर्न-ऑफ टाइम ऑफ- टर्न-ऑफ विलंब वेळ आणि पडण्याच्या वेळेची बेरीज.

 

1.3.3 MOSFET स्विचिंग गती.

MOSFET स्विचिंग स्पीड आणि Cin चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंगचा चांगला संबंध आहे, वापरकर्ता Cin कमी करू शकत नाही, परंतु ड्रायव्हिंग सर्किट अंतर्गत प्रतिरोधकता कमी करू शकतो रु. वेळ स्थिर ठेवण्यासाठी, स्विचिंगचा वेग वाढवण्यासाठी, MOSFET फक्त पॉलिट्रॉनिक चालकतेवर अवलंबून आहे, ऑलिगोट्रॉनिक स्टोरेज इफेक्ट नाही, आणि अशा प्रकारे शटडाउन प्रक्रिया खूप वेगवान आहे, 10-100ns चा स्विचिंग वेळ, ऑपरेटिंग वारंवारता 100kHz किंवा त्याहून अधिक असू शकते, मुख्य पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये सर्वोच्च आहे.

 

फील्ड-नियंत्रित उपकरणांना विश्रांतीमध्ये जवळजवळ कोणतेही इनपुट वर्तमान आवश्यक नसते. तथापि, स्विचिंग प्रक्रियेदरम्यान, इनपुट कॅपेसिटर चार्ज करणे आणि डिस्चार्ज करणे आवश्यक आहे, ज्यासाठी अद्याप विशिष्ट प्रमाणात ड्रायव्हिंग पॉवर आवश्यक आहे. स्विचिंग वारंवारता जितकी जास्त असेल तितकी जास्त ड्राइव्ह पॉवर आवश्यक आहे.

 

1.4 डायनॅमिक कामगिरी सुधारणा

डिव्हाइस अनुप्रयोग व्यतिरिक्त, डिव्हाइस व्होल्टेज, वर्तमान, वारंवारता विचारात घेण्यासाठी, परंतु डिव्हाइसचे संरक्षण कसे करावे याच्या अनुप्रयोगामध्ये देखील प्रभुत्व असणे आवश्यक आहे, हानीमध्ये क्षणिक बदलांमध्ये डिव्हाइस बनवू नये. अर्थातच थायरिस्टर हे दोन द्विध्रुवीय ट्रान्झिस्टरचे संयोजन आहे, मोठ्या क्षेत्रामुळे मोठ्या क्षमतेसह जोडलेले आहे, त्यामुळे त्याची dv/dt क्षमता अधिक असुरक्षित आहे. di/dt साठी त्यात विस्तारित वहन क्षेत्राची समस्या देखील आहे, म्हणून ती खूप गंभीर मर्यादा देखील लादते.

पॉवर MOSFET चे केस अगदी वेगळे आहे. त्याच्या dv/dt आणि di/dt क्षमतेचा अंदाज अनेकदा प्रति नॅनोसेकंद (प्रति मायक्रोसेकंद ऐवजी) क्षमतेनुसार केला जातो. परंतु असे असूनही, त्यास गतिमान कामगिरी मर्यादा आहेत. पॉवर MOSFET च्या मूलभूत संरचनेच्या दृष्टीने हे समजले जाऊ शकते.

 

पॉवर MOSFET आणि त्याच्याशी संबंधित समतुल्य सर्किटची रचना. डिव्हाइसच्या जवळजवळ प्रत्येक भागामध्ये कॅपेसिटन्स व्यतिरिक्त, हे लक्षात घेतले पाहिजे की MOSFET मध्ये समांतर कनेक्ट केलेला डायोड आहे. एका विशिष्ट दृष्टिकोनातून, एक परजीवी ट्रान्झिस्टर देखील आहे. (जसे IGBT मध्ये परजीवी थायरिस्टर असते). MOSFETs च्या डायनॅमिक वर्तनाच्या अभ्यासात हे महत्त्वाचे घटक आहेत.

 

सर्वप्रथम MOSFET संरचनेला जोडलेल्या अंतर्गत डायोडमध्ये काही हिमस्खलन क्षमता असते. हे सहसा एकल हिमस्खलन क्षमता आणि पुनरावृत्ती हिमस्खलन क्षमतेच्या संदर्भात व्यक्त केले जाते. जेव्हा रिव्हर्स di/dt मोठा असतो, तेव्हा डायोड खूप वेगवान पल्स स्पाइकच्या अधीन असतो, ज्यामध्ये हिमस्खलन क्षेत्रामध्ये प्रवेश करण्याची क्षमता असते आणि एकदा त्याची हिमस्खलन क्षमता ओलांडली की डिव्हाइसचे संभाव्य नुकसान होते. कोणत्याही पीएन जंक्शन डायोडप्रमाणे, त्याच्या डायनॅमिक वैशिष्ट्यांची छाननी करणे खूप क्लिष्ट आहे. ते PN जंक्शन फॉरवर्ड दिशेने चालवणाऱ्या आणि उलट दिशेने ब्लॉक करण्याच्या सोप्या संकल्पनेपेक्षा खूप भिन्न आहेत. जेव्हा विद्युत् प्रवाह वेगाने कमी होतो, तेव्हा डायोड रिव्हर्स रिकव्हरी टाइम म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या कालावधीसाठी रिव्हर्स ब्लॉकिंग क्षमता गमावतो. PN जंक्शन वेगाने चालवणे आवश्यक असते आणि खूप कमी प्रतिकार दर्शवत नाही असा कालावधी देखील असतो. पॉवर MOSFET मध्ये डायोडमध्ये फॉरवर्ड इंजेक्शन केल्यावर, इंजेक्शन दिलेल्या अल्पसंख्यक वाहकांनी मल्टीट्रॉनिक डिव्हाइस म्हणून एमओएसएफईटीची जटिलता वाढवते.

 

क्षणिक परिस्थिती रेषेच्या परिस्थितीशी जवळून संबंधित आहेत आणि अनुप्रयोगामध्ये या पैलूकडे पुरेसे लक्ष दिले पाहिजे. संबंधित समस्या समजून घेणे आणि त्यांचे विश्लेषण करणे सुलभ करण्यासाठी डिव्हाइसचे सखोल ज्ञान असणे महत्वाचे आहे.