MOSFET सिंहावलोकन

पावर MOSFET को जंक्शन प्रकार और इंसुलेटेड गेट प्रकार में भी विभाजित किया गया है, लेकिन आमतौर पर यह मुख्य रूप से इंसुलेटेड गेट प्रकार MOSFET (मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर FET) को संदर्भित करता है, जिसे पावर MOSFET (पावर MOSFET) कहा जाता है। जंक्शन प्रकार के पावर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर को आम तौर पर इलेक्ट्रोस्टैटिक इंडक्शन ट्रांजिस्टर (स्टेटिक इंडक्शन ट्रांजिस्टर - एसआईटी) कहा जाता है। यह ड्रेन करंट को नियंत्रित करने के लिए गेट वोल्टेज की विशेषता है, ड्राइव सर्किट सरल है, कम ड्राइव पावर की आवश्यकता होती है, तेज स्विचिंग गति, उच्च ऑपरेटिंग आवृत्ति, थर्मल स्थिरता बेहतर हैजीटीआर, लेकिन इसकी वर्तमान क्षमता छोटी, कम वोल्टेज है, आम तौर पर केवल 10 किलोवाट से अधिक बिजली वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों पर लागू नहीं होती है।

 

1. पावर MOSFET संरचना और संचालन सिद्धांत

पावर MOSFET प्रकार: प्रवाहकीय चैनल के अनुसार पी-चैनल और एन-चैनल में विभाजित किया जा सकता है। गेट वोल्टेज के अनुसार आयाम को विभाजित किया जा सकता है; कमी का प्रकार; जब गेट वोल्टेज शून्य होता है जब एक प्रवाहकीय चैनल के अस्तित्व के बीच नाली-स्रोत ध्रुव, बढ़ाया जाता है; एन (पी) चैनल डिवाइस के लिए, गेट वोल्टेज एक कंडक्टिंग चैनल के अस्तित्व से पहले शून्य से अधिक (कम) होता है, पावर एमओएसएफईटी मुख्य रूप से एन-चैनल बढ़ाया जाता है।

 

1.1 शक्तिMOSFETसंरचना　　

पावर MOSFET आंतरिक संरचना और विद्युत प्रतीक; इसके संचालन में केवल एक ध्रुवीयता वाहक (पॉली) शामिल होता है, जो एकध्रुवीय ट्रांजिस्टर है। संचालन तंत्र कम-शक्ति MOSFET के समान है, लेकिन संरचना में एक बड़ा अंतर है, कम-शक्ति MOSFET एक क्षैतिज प्रवाहकीय उपकरण है, शक्ति MOSFET अधिकांश ऊर्ध्वाधर प्रवाहकीय संरचना है, जिसे VMOSFET (वर्टिकल MOSFET) के रूप में भी जाना जाता है। , जो MOSFET डिवाइस वोल्टेज और करंट झेलने की क्षमता में काफी सुधार करता है।

 

ऊर्ध्वाधर प्रवाहकीय संरचना में अंतर के अनुसार, VVMOSFET की ऊर्ध्वाधर चालकता प्राप्त करने के लिए वी-आकार के खांचे के उपयोग में भी विभाजित किया गया है और इसमें VDMOSFET की एक ऊर्ध्वाधर प्रवाहकीय डबल-डिफ्यूज्ड MOSFET संरचना है (वर्टिकल डबल-डिफ्यूज्ड)MOSFET), इस पेपर पर मुख्य रूप से VDMOS उपकरणों के उदाहरण के रूप में चर्चा की गई है।

 

एकाधिक एकीकृत संरचना के लिए पावर MOSFETs, जैसे हेक्सागोनल इकाई का उपयोग करके अंतर्राष्ट्रीय रेक्टिफायर (अंतर्राष्ट्रीय रेक्टिफायर) HEXFET; एक वर्ग इकाई का उपयोग करके सीमेंस (सीमेंस) SIPMOSFET; मोटोरोला (मोटोरोला) टीएमओएस "पिन" आकार व्यवस्था द्वारा एक आयताकार इकाई का उपयोग कर रहा है।

 

1.2 पावर MOSFET संचालन का सिद्धांत

कट-ऑफ: ड्रेन-सोर्स पोल और सकारात्मक बिजली आपूर्ति के बीच, गेट-सोर्स पोल के बीच वोल्टेज शून्य है। पी आधार क्षेत्र और एन बहाव क्षेत्र पीएन जंक्शन जे 1 रिवर्स बायस के बीच बना है, नाली-स्रोत ध्रुवों के बीच कोई वर्तमान प्रवाह नहीं है।

चालकता: गेट-सोर्स टर्मिनलों के बीच लगाए गए सकारात्मक वोल्टेज यूजीएस के साथ, गेट अछूता रहता है, इसलिए कोई गेट करंट प्रवाहित नहीं होता है। हालाँकि, गेट का सकारात्मक वोल्टेज इसके नीचे पी-क्षेत्र में छिद्रों को दूर धकेल देगा, और यूजीएस से अधिक होने पर गेट के नीचे पी-क्षेत्र की सतह पर पी-क्षेत्र में ऑलिगॉन-इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करेगा। यूटी (टर्न-ऑन वोल्टेज या थ्रेशोल्ड वोल्टेज), गेट के नीचे पी-क्षेत्र की सतह पर इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता छिद्रों की सांद्रता से अधिक होगी, जिससे पी-प्रकार अर्धचालक एन-प्रकार में उलट जाएगा और बन जाएगा एक उलटी परत, और उलटी परत एक एन-चैनल बनाती है और पीएन जंक्शन J1 को गायब कर देती है, नाली और स्रोत को प्रवाहकीय बनाती है।

 

1.3 पावर एमओएसएफईटी की बुनियादी विशेषताएं

1.3.1 स्थैतिक विशेषताएँ।

गेट स्रोत के बीच ड्रेन करंट आईडी और वोल्टेज यूजीएस के बीच संबंध को एमओएसएफईटी की स्थानांतरण विशेषता कहा जाता है, आईडी बड़ी है, आईडी और यूजीएस के बीच संबंध लगभग रैखिक है, और वक्र की ढलान को ट्रांसकंडक्टेंस जीएफएस के रूप में परिभाषित किया गया है .

 

MOSFET की ड्रेन वोल्ट-एम्पीयर विशेषताएँ (आउटपुट विशेषताएँ): कटऑफ क्षेत्र (जीटीआर के कटऑफ क्षेत्र के अनुरूप); संतृप्ति क्षेत्र (जीटीआर के प्रवर्धन क्षेत्र के अनुरूप); गैर-संतृप्ति क्षेत्र (जीटीआर के संतृप्ति क्षेत्र के अनुरूप)। पावर MOSFET स्विचिंग स्थिति में काम करता है, यानी, यह कटऑफ क्षेत्र और गैर-संतृप्ति क्षेत्र के बीच आगे और पीछे स्विच करता है। पावर MOSFET में ड्रेन-सोर्स टर्मिनलों के बीच एक परजीवी डायोड होता है, और जब ड्रेन-सोर्स टर्मिनलों के बीच रिवर्स वोल्टेज लगाया जाता है तो डिवाइस संचालित होता है। पावर MOSFET के ऑन-स्टेट प्रतिरोध में एक सकारात्मक तापमान गुणांक होता है, जो उपकरणों को समानांतर में कनेक्ट होने पर करंट को बराबर करने के लिए अनुकूल होता है।

 

1.3.2 गतिशील लक्षण वर्णन;

इसका परीक्षण सर्किट और स्विचिंग प्रक्रिया तरंगरूप।

टर्न-ऑन प्रक्रिया; टर्न-ऑन विलंब समय टीडी(चालू) - अप फ्रंट के क्षण और उस क्षण के बीच की समयावधि जब यूजीएस = यूटी और आईडी दिखाई देने लगते हैं; वृद्धि समय tr- वह समय अवधि जब यूजीएस यूटी से गेट वोल्टेज यूजीएसपी तक बढ़ जाता है, जिस पर एमओएसएफईटी गैर-संतृप्त क्षेत्र में प्रवेश करता है; iD का स्थिर अवस्था मान ड्रेन आपूर्ति वोल्टेज, UE और ड्रेन द्वारा निर्धारित किया जाता है। UGSP का परिमाण iD के स्थिर अवस्था मान से संबंधित है। यूजीएस यूजीएसपी तक पहुंचने के बाद, यह स्थिर स्थिति तक पहुंचने तक अप की कार्रवाई के तहत बढ़ता रहता है, लेकिन आईडी अपरिवर्तित रहता है। टर्न-ऑन समय टन-टर्न-ऑन विलंब समय और उदय समय का योग।

 

ऑफ डिले टाइम टीडी(ऑफ) - वह समयावधि जब आईडी घटने लगती है और ऊपर से शून्य तक गिरती है, सिन को रुपये और आरजी के माध्यम से डिस्चार्ज किया जाता है, और यूजीएस एक घातीय वक्र के अनुसार यूजीएसपी तक गिर जाता है।

 

फ़ॉलिंग टाइम tf- वह समय अवधि जब यूजीएस यूजीएसपी और आईडी से गिरता रहता है, तब तक घटता जाता है जब तक कि चैनल यूजीएस <यूटी पर गायब नहीं हो जाता और आईडी शून्य पर नहीं आ जाती। टर्न-ऑफ टाइम टॉफ- टर्न-ऑफ विलंब समय और गिरावट के समय का योग।

 

1.3.3 MOSFET स्विचिंग गति।

MOSFET स्विचिंग गति और Cin चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के बीच बहुत अच्छा संबंध है, उपयोगकर्ता Cin को कम नहीं कर सकता है, लेकिन समय स्थिरांक को कम करने के लिए ड्राइविंग सर्किट के आंतरिक प्रतिरोध को कम कर सकता है, स्विचिंग गति को तेज करने के लिए, MOSFET केवल पॉलीट्रॉनिक चालकता पर निर्भर करता है, कोई ऑलिगोट्रॉनिक भंडारण प्रभाव नहीं है, और इस प्रकार शटडाउन प्रक्रिया बहुत तेज है, स्विचिंग समय 10-100ns, ऑपरेटिंग आवृत्ति 100kHz या अधिक तक हो सकती है, मुख्य पावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में सबसे अधिक है।

 

फ़ील्ड-नियंत्रित उपकरणों को आराम के समय लगभग किसी इनपुट करंट की आवश्यकता नहीं होती है। हालाँकि, स्विचिंग प्रक्रिया के दौरान, इनपुट कैपेसिटर को चार्ज और डिस्चार्ज करने की आवश्यकता होती है, जिसके लिए अभी भी एक निश्चित मात्रा में ड्राइविंग पावर की आवश्यकता होती है। स्विचिंग आवृत्ति जितनी अधिक होगी, ड्राइव पावर की आवश्यकता उतनी ही अधिक होगी।

 

1.4 गतिशील प्रदर्शन में सुधार

डिवाइस के वोल्टेज, करंट, फ्रीक्वेंसी पर विचार करने के लिए डिवाइस एप्लिकेशन के अलावा, डिवाइस को सुरक्षित रखने के तरीके के एप्लिकेशन में भी महारत हासिल करनी चाहिए, न कि डिवाइस को क्षति में क्षणिक परिवर्तन करने के लिए। बेशक थाइरिस्टर दो द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर का एक संयोजन है, जो बड़े क्षेत्र के कारण बड़ी क्षमता के साथ मिलकर बनता है, इसलिए इसकी डीवी/डीटी क्षमता अधिक कमजोर है। Di/dt के लिए इसमें एक विस्तारित चालन क्षेत्र की समस्या भी है, इसलिए यह काफी गंभीर सीमाएं भी लगाता है।

पावर MOSFET का मामला काफी अलग है। इसकी डीवी/डीटी और डीआई/डीटी क्षमता का अनुमान अक्सर प्रति नैनोसेकंड क्षमता (प्रति माइक्रोसेकंड के बजाय) के संदर्भ में किया जाता है। लेकिन इसके बावजूद, इसमें गतिशील प्रदर्शन सीमाएँ हैं। इन्हें पावर MOSFET की मूल संरचना के संदर्भ में समझा जा सकता है।

 

पावर MOSFET की संरचना और उसके अनुरूप समकक्ष सर्किट। डिवाइस के लगभग हर हिस्से में कैपेसिटेंस के अलावा, यह माना जाना चाहिए कि MOSFET में समानांतर में एक डायोड जुड़ा हुआ है। एक निश्चित दृष्टिकोण से, एक परजीवी ट्रांजिस्टर भी है। (जिस प्रकार IGBT में भी एक परजीवी थाइरिस्टर होता है)। MOSFETs के गतिशील व्यवहार के अध्ययन में ये महत्वपूर्ण कारक हैं।

 

सबसे पहले MOSFET संरचना से जुड़े आंतरिक डायोड में कुछ हिमस्खलन क्षमता होती है। इसे आमतौर पर एकल हिमस्खलन क्षमता और दोहरावदार हिमस्खलन क्षमता के रूप में व्यक्त किया जाता है। जब रिवर्स di/dt बड़ा होता है, तो डायोड बहुत तेज़ पल्स स्पाइक के अधीन होता है, जिसमें हिमस्खलन क्षेत्र में प्रवेश करने की क्षमता होती है और इसकी हिमस्खलन क्षमता पार हो जाने पर संभावित रूप से डिवाइस को नुकसान हो सकता है। किसी भी पीएन जंक्शन डायोड की तरह, इसकी गतिशील विशेषताओं की जांच करना काफी जटिल है। वे पीएन जंक्शन की सरल अवधारणा से बहुत अलग हैं जो आगे की दिशा में संचालन करता है और विपरीत दिशा में अवरुद्ध करता है। जब करंट तेजी से गिरता है, तो डायोड कुछ समय के लिए अपनी रिवर्स ब्लॉकिंग क्षमता खो देता है जिसे रिवर्स रिकवरी टाइम के रूप में जाना जाता है। एक समयावधि ऐसी भी होती है जब पीएन जंक्शन को तेजी से संचालन करने की आवश्यकता होती है और यह बहुत कम प्रतिरोध नहीं दिखाता है। एक बार पावर MOSFET में डायोड में फॉरवर्ड इंजेक्शन होता है, तो इंजेक्ट किए गए अल्पसंख्यक वाहक मल्टीट्रॉनिक डिवाइस के रूप में MOSFET की जटिलता को भी बढ़ाते हैं।

 

क्षणिक स्थितियाँ लाइन स्थितियों से निकटता से संबंधित हैं, और इस पहलू पर आवेदन में पर्याप्त ध्यान दिया जाना चाहिए। संबंधित समस्याओं की समझ और विश्लेषण को सुविधाजनक बनाने के लिए डिवाइस का गहन ज्ञान होना महत्वपूर्ण है।