Применение MOSFET транзисторов NXP в электронике

История развития транзисторов

     Рождение твердотельной электроники можно отнести к 1833 году. Именно тогда Майкл Фарадей экспериментируя с сульфидом серебра, обнаружил, что проводимость данного вещества растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в этом случае уменьшается. Это явление Фарадей не смог объяснить.

     Следующим этапом в развитии твердотельной электроники стал 1874 год, когда немецкий физик Фердинанд Браун опубликовал свою статью в одном из журналов, где он описал важнейшее свойство полупроводников (на примере серных металлов) – возможность проводить ток только в одном направлении. Браун тщетно пытается объяснить, противоречащее закону Ома, выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом, проводя все новые и новые исследования. Браун не сумел объяснить такое свойство полупроводников и его современники не уделили должного внимания этому явлению.

     Появление транзистора в XX веке стало переворотным моментом в развитии электроники. Это изобретение связано со многими именами великих ученых.

     В 1906 году американский инженер Гринлиф Виттер Пикард получил патент на кристаллический детектор. Такой детектор представлял собой тонкий металлический проводник, с помощью которого осуществлялся контакт с поверхностью металла. Появление множества конструкций такого детектора, не принесло желаемых результатов, а появление в это время электронных ламп сводит на нет все усилия создать полупроводниковое устройство отвечающее требованиям того времени.

     Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году на имя Юлия Эдгара Лилиенфельда. Немецкий физик Оскар Хейл в 1934 году запатентовал полевой транзистор.

     Полевые транзисторы основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физическим процессам они проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы, задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу микроэлектроники, был изготовлен позже биполярного транзистора в 1960 году. И только в 90-х годах XX века во времена лавинного развития компьютерной техники, МОП-технология получила массовое распространение и стала доминировать над биполярной.

     Так только в 1947 году Уильям Шокли, Джон Барди и Уолтер Браттейн в лабораториях компании Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, который был продемонстрирован 16 декабря того же года. 23 декабря состоялась официальная церемония демонстрации транзистора в действии, и эта дата считается днем изобретения транзистора.

     Транзистор получил свое настоящее наименование не сразу, предлагались различные варианты его наименования «полупроводниковый триод» ( semiconductor triode ), «твердый триод» ( solid triode ), «триод поверхностного состояния» ( surface states triode ), «кристаллический триод» ( crystal triode ) и « lotatron », но в итоге было принято название предложенное Джоном Пирсом транзистор ( transistor от анг. transfer – переносить и resistance - сопротивление).

     Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением, схематически транзистор можно представить именно в таком виде, как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах – напряжение между затвором и истоком, в биполярных – напряжение между базой и эмиттером).

Транзистор:
структура, основные понятия и принципы работы

 

     Транзистор – полупроводниковый электронный элемент, как правило, с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи.

Биполярный транзистор

     Биполярный транзистор построен на основе трехслойного кристалла с двумя близко расположенными pn -переходами. В транзисторе имеются три области: эмиттер, база, коллектор. В соответствии с расположением pn – переходы называются эмиттер-база – эмиттерным , база коллектор – коллекторным.

     В зависимости от типа проводимости слоев различают два типа транзисторов: pnp и npn . Принцип работы обоих типов транзисторов одинаковый, разница только в проводимости.

     Управление токов в выходной цепи осуществляется за счет изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Такое свойство усиливать сигналы широко используется в аналоговой технике. На схеме наглядно показан принцип усиления сигнала в транзисторе, основанный на вольтамперной характеристике (ВАХ) транзистора, и чем круче ВАХ, тем больше коэффициент усиления.

 

 

MOSFET транзистор

     В настоящее время на рынке аналоговой техники доминируют биполярные транзисторы (международный термин биполярного транзистора – bipolar junction transistor (BJT)). В другой важнейшей отрасли электроники – цифровой технике (логика, память, микроконтроллеры, цифровая связь и тп.) биполярные транзисторы практически полностью вытеснены полевыми транзисторами.

     Вся современная цифровая электроника построена, в основном, на полевых МОП (метал-оксид-полупроводник) транзисторах, как более экономичных, по сравнению с биполярными транзисторами. Иногда МОП-транзисторы называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Международный термин таких транзисторов – MOSFET ( metal - oxide - semiconductor field effect transistor ). Существуют два типа MOSFET транзисторов n-канальные и p-канальные. На рисунке приведена структура n-канального MOSFET транзистора, его отличие от p-канального транзистора всего лишь в полярности проводящего слоя.

     С момента изобретения первого транзистора быстрое развитие технологий позволило создать более совершенные и производительные и в тоже время экономичные и энергосберегающие элементы. В рамках интегральной технологии транзисторы изготавливаются на одном кристалле для изготовления микросхем памяти, микроконтроллеров, микросхем логики и др. Размеры современных MOSFET транзисторов составляют 100-30 нм. При современной степени интеграции на одном чипе (размером 1-2 кв. см) размешаются несколько миллиардов транзисторов.

NXP Semiconductors на рынке MOSFET транзисторов

     MOSFET транзисторы, на ряду с диодами и транзисторами общего применения, являются одними из самых востребованных элементов в современной электронике. В условиях жесткой конкуренции и существующих требований к высокой энергоэффективности оборудования разработчики стремятся уменьшить габариты, энергопотребление и себестоимость конечной продукции. Вследствие этих факторов различные производители MOSFET транзисторов International Rectifier ( IR ), STMicroelectronics , ON - Semiconductors , Vishay , Fairchild , Infineon вынуждены совершенствовать и предлагать все новые и новые разработки и технологии.

     Компания NXP, смогла занять одну из лидирующих позиций в области производства MOSFET транзисторов, благодаря передовым технологиям и широкому портфолио MOSFET транзисторов насчитывающий более 900 наименований, включая высокочастотные, предоставляет реальный выбор разработчикам электроники подобрать для своих потребностей максимально удовлетворяющий их задачам элемент. Параметры транзисторов распределяется в диапазоне от 12 до 300 Вольт, с током истока до 100 Ампер и различными вариантами корпусов, рабочий диапазон температур транзисторов -55 – 175 °С. Краткий перечень и характеристики MOSFET транзисторов NXP сведены в таблицу ниже; полный перечень и характеристики транзисторов можно найти на сайте www.nxp.com .

Технология TrenchMOS

     Мощные MOSFET транзисторы традиционно выпускались по планарной технологии. В конце 1990-х годов компания NXP вывела на рынок транзисторы, изготовленные по новой технологии, так называемой траншейной ( TrenchMOS ) обеспечивающей чрезвычайно низкое сопротивление открытого канала исток-сток.
     На рисунке показана структура развития технологии Trench MOS NXP:

 

     Развитие этой технологии позволило увеличить компактность кристалла и снизить сопротивление открытого канала RDS( ON ) (потери в канале) в несколько раз, а так же снизить стоимость таких транзисторов.

     Противоречивые требования к MOSFET транзисторам, с одной стороны минимальное сопротивление открытого канала RDS( ON ), с другой стороны минимальный заряд затвора QG, прежде всего, приводили разработчиков электроники к необходимости выбора различных марок транзисторов для работы в тех или иных каскадах. К тому же возникала потребность выбора оптимального соотношения занимаемой площади и рассеиваемой мощности транзисторов. По мере совершенствования технологий производства MOSFET транзисторов производители предлагали различные варианты построения корпусов.

     Эффективность MOSFET транзисторов основана не только на технологии получения кристалла, но и на корпусе в который данный кристалл установлен. Наиболее эффективными корпусами для MOSFET транзисторов признаны корпуса, предназначенные для SMD (поверхностного) монтажа, которые обеспечивают максимальную удельную мощность рассеяния. Совокупность совершенствования технологии получения кристаллов и компактность корпусов MOSFET транзисторов предоставляют производителям достаточно широкое поле для разработок.

     Так наряду со стандартными корпусами TO-220, DPAK , D?PAK и SO , компания NXP выпустила на рынок транзисторы MOSFET изготовленные по технологии шестого поколения Trench 6, в корпусе LFPAK (Loss Free Package). Комбинация технологии шестого поколения Trench с высокоэффективной упаковкой LFPAK увеличивают надежность транзисторов и расширяют границы применения. Транзисторы обладают малым сопротивлением до 1 мОм и высокой рабочей температурой.

     Преимущества транзисторов NXP в корпусе LFPAK , очевидны, проведем их краткий анализ, для сравнения возьмем самые популярные корпуса D?PAK , DPAK, SO8. На рисунке 5 показаны габаритные соотношения этих корпусов, из которого очевидно преимущество корпуса LFPAK. Расчет площади занимаемой D?PAK , DPAK и LFPAK показывает, что экономия места, при применении транзисторов в корпусе LFPAK, достигает 75 и 46% соответственно.

     При примерно соизмеримой площади занимаемой MOSFET транзисторами в корпусе SO8, корпус LFPAK имеет небольшое преимущество по высоте. Конструкция корпуса LFPAK, толщиной всего 1,1 мм , позволяет добиться оптимальных показателей по отводу тепла, обеспечивая дополнительный путь отвода тепла с верхней части корпуса, что позволяет при необходимости более эффективно использовать радиатор. Кроме того, корпус LFPAK имеет на 50% меньшую паразитную индуктивность, что делает транзисторы в этом корпусе идеальным для применения в мощных высокочастотных схемах.

     На рисунке показаны результаты терфографии MOSFET транзисторов в корпусах SO8, DPAK и LFPAK:

     Данные измерения были проведены при прочих равных условиях, рассеиваемая мощность на поверхности корпусов примерно 1Вт. Исключительные термические свойства корпуса LFPAK наилучшим образом влияют на производительность MOSFET транзисторов, и в ряде случаев это позволяет применить разработчикам два транзистора в корпусе LFPAK вместо трех транзисторов в корпусе SO8.

     Компания NXP является одной из ведущих фирм в производстве электроники для автомобильных приложении. В портфолио компании для автомобильной электроники можно найти CAN, LIN, FlexRay трансиверы, и контроллеры, MOSFET транзисторы, автомобильные датчики (магниторезистивные, температурные), мультимедийные микросхемы, микросхемы-корректоры фар, защитные (TVS) диоды.

     Расширяя портфолио MOSFET транзисторов для автомобильных применений, компания NXP разработала семейство MOSFET транзисторов TrenchPLUS с дополнительными функциями защиты и измерения температуры. Транзисторы семейства TrenchPLUS были разработаны и квалифицированны к соответствующему стандарту AEC для использования в особо важных системах автомобиля, например: тормозные системы (ABS), системы управления (ЭМУР).

     На рисунке показана функциональная блок-схема устройства транзисторов семейства TrenchPLUS:

     Наличие встроенного датчика тока в силовом MOSFET транзисторе позволяет эффективно защищать выходные цепи устройств от перегрузок по току и коротких замыканий. При таком построении транзистора повышается надежность прибора и снижается его стоимость, т.к. отпадает необходимость в использовании навесных элементов.

     MOSFET транзисторы NXP, изготовленные по технологии TrenchMOS, представляют собой матрицу из нескольких тысяч полевых транзисторов с изолированным затвором, размещенных на одном кристалле, каналы которых соединены параллельно. Поскольку все транзисторы матрицы идентичны, протекающий ток, а значит и тепловая энергия, равномерно распределяются по всему кристаллу. К тому же параллельное соединение позволяет уменьшить сопротивление открытого канала.

     Кроме того, такая конфигурация позволяет изолировать соединенные истоки нескольких ячеек и вывести их с кристалла отдельным выводом. Такой прибор может быть представлен в виде двух MOSFET транзисторов с объединенным стоком, затвором и раздельными истоками (рис.8). В случае открытого канала ток нагрузки будет распределяться в отношении, пропорциональном сопротивлению каналов. Ток истока датчика тока значительно меньше тока истока основного силового транзистора. При этом токи пропорциональны площадям, занимаемым элементами на кристалле, и их отношение обычно составляет n =500:1 (отношение тока истока основного транзистора к току истока датчика тока). Это отношение называется «sense ratio», и оно определено для случая, когда потенциалы истоков датчика тока и основного силового транзистора равны. Дополнительный отвод от области истока основного силового транзистора (отвод Кельвина) позволяет передать в анализирующую цепь точное значение потенциала.

MOSFET транзисторы NXP

P/N	Корпус	Тип канала	V DS, В	R DSon (V GS =10В), мОм	R DSon (V GS =4,5В), мОм	I D, А	P tot макс, Вт
PMN28UN	SC-74	N	12		34	5,7	1,75
BSH205	SOT23	P	-12		400	-0,75	0,417
BSH207	SC-74	P	-12		120	-1,52	0,417
PHK04P02T	SO8	P	-16		120	-4,66	5
PMV31XN	SOT23	N	20		37	5,9	2
PH3120L	LFPAK	N	20	2,65	3,7	100	62,5
PHKD6N02LT	SO8	N	20			10,9	4,17
PHD38N02LT	DPAK	N	20			44,7	57,6
PMV65XP	SOT23	P	-20		76	-3,9	1,92
PMK50XP	SO8	P	-20		50	-7,9	5
PHP78NQ03LT	TO-220AB	N	25	9		75	93
PH2925U	LFPAK	N	25		3	100	62,5
PHU97NQ03LT	IPAK	N	25	6,6		75	107
PHD108NQ03LT	DPAK	N	25	6		75	187
PSMN1R2-25YL	LFPAK2	N	25	1,2	1,85	100	121
PHB66NQ03LT	D2PAK	N	25	10,5		66	93
PHN210T	SO8	N	30	100	200	3,4
PSMN4R3-30PL	TO-220AB	N	30	4,3	6,2	100	103
SI2304DS	SOT23	N	30	117	190	1,7	0,83
PH6030L	LFPAK	N	30	6	9,7	76,7	62,5
BUK9213-30A	DPAK	N	30	11	14,4	75	150
PMV40UN	SOT23	N	30		47	4,9	1,9
BUK762R7-30B	D2PAK	N	30	2,7		75	300
BUK7E2R7-30B	I2PAK	N	30	2,7		75	300
PHU101NQ03LT	IPAK	N	30	5,5		75	166
PSMN1R3-30YL	LFPAK2	N	30	1,3	1,95	100	121
BUK7607-30B	D2PAK	N	30	7		157
PMK35EP	SO8	P	-30	19		-14,9	6,9
BSH203	SOT23	P	-30		900	-0,47	0,417
PSMN004-36B	D2PAK	N	36	4		75	230
BUK7905-40ATE	TO-220-5	N	40	5		75	272
PSMN4R0-40YS	LFPAK	N	40	4,2		100	106
BUK9609-40B	D2PAK	N	40	7		75	157
BUK9209-40B	DPAK	N	40	7		75	167
BUK752R3-40C	TO-220AB	N	40	2,3		100	333
BUK7E2R3-40C	I2PAK	N	40	2,3		100	333
BSN20	SOT23	N	50	15000		0,173	0,83
BSS84	SOT23	P	-50	10000		-0,13	0,25
OC1005	TO-220AB	N	55	7,1		75
BUK7107-55ATE	D2PAK	N	55	7		75	272
PSMN005-55P	TO-220AB	N	55	5,8		75	230
PH1955L	LFPAK	N	55	17,3	21	40	75
BUK7237-55A	DPAK	N	55	37		32,3	77
BSH111	SOT23	N	55		4000	0,335	0,83
BUK9MGP-55PTS	SO20	N	55	22,6	27,9	10,7	3,9
BUK7E11-55B	I2PAK	N	55	11		75	157
PHB32N06LT	D2PAK	N	60		43	34	97
PHP32N06LT	TO-220AB	N	60		43	34	97
BSH112	SOT23	N	60	5000	5300	0,3	0,83
PMF3800SN	SC-70	N	60	4500	5300	0,26	0,56
PSMN004-60B	D2PAK	N	60	3,6		75	230
PMR780SN	SC-75	N	60	920	1400	0,55	0,53
2N7002	SOT23	N	60	5000	5300	0,3	0,83
PHD3055E	DPAK	N	60	150		10,3	33
PMZ760SN	SC-101	N	60	900	1600	1,22	2,5
BSH201	SOT23	P	-60	2500	3750	-0,3	0,417
PHB160NQ08T	D2PAK	N	75	5,6		75	300
BUK9516-75B	TO-220AB	N	75	14		67	157
BUK7909-75ATE	TO-220-5	N	75	9		75	272
PH3075L	LFPAK	N	75	28	34	30	75
BUK7E4R3-75C	I2PAK	N	75	4,3		100	333
BUK9217-75B	DPAK	N	75	15		64	167
PSMN012-80PS	TO-220AB	N	80	11		74	148
PSMN013-80YS	LFPAK	N	80	12,9		60	106
BSP110	SC-73	N	100			0,52	6,25
BUK7510-100B	TO-220AB	N	100	10		75	300
BUK9Y53-100B	LFPAK	N	100	49		23	75
PHKD3NQ10T	SO8	N	100	90		3	2
BSH114	SOT23	N	100	500		0,85	0,83
PSMN015-100B	D2PAK	N	100	15		75	300
PSMN025-100D	DPAK	N	100	25		47	150
PSMN7R0-100ES	I2PAK	N	100	6,8		100	269
PHP45NQ11T	TO-220AB	N	105	25		47	150
PSMN015-110P	TO-220AB	N	110	15		75	300
PHP27NQ11T	TO-220AB	N	110	50		27,6	107
PSMN063-150D	DPAK	N	150	63		29	150
PHP28NQ15T	TO-220AB	N	150	65		28,5	150
PHB45NQ15T	D2PAK	N	150	42		45,1	230
PHK5NQ15T	SO8	N	150	75		5	6,25
PSMN059-150Y	LFPAK	N	150	59		43	113
PHP20NQ20T	TO-220AB	N	200	130		20	150
PSMN102-200Y	LFPAK	N	200	102		21,5	113
BSS87	MPT3; UPAK	N	200	3000		0,4	1
PSMN165-200K	SO8	N	200	165		2,9	3,5
PML260SN	HVSON8	N	200	294		8,8	50
PSMN130-200D	DPAK	N	200	130		20	150
PSMN057-200P	TO-220AB	N	200	57		39	250
BSP220	SC-73	P	-200	12000		-0,225	1,5
PML340SN	HVSON8	N	220	386		7,3	50
BSP89	SC-73	N	240	5000	7500	0,375	1,5
BSS192	MPT3; UPAK	P	-240	12000		-0,2	1
BSP126	SC-73	N	250	5000		0,375	1,5
BSP225	SC-73	P	-250	15000		-0,225	1,5
BSP130	SC-73	N	300	6000		0,35	1,5
PHC2300	SO8	N/P	300	6000		-0,235	1,6
BSP230	SC-73	P	-300	17000		-0,21	1,5

Применение MOSFET-транзисторов

     MOSFET транзистор универсальный прибор и области его применения практически не ограничены:

 

     Рассмотрим некоторые варианты схемы применения MOSFET транзисторов.

     На рисунке показана типовая блок-схема применения MOSFET транзисторов в антиблокировочной автомобильной системе (ABS) и электронной системе контроля устойчивости автомобиля (ESP):

     На следующем рисунке показана блок-схема блока управления приводом электромотора стояночного тормоза автомобиля построенном на MOSFET транзисторах:

      Далее показано, как можно с помощью MOSFET транзисторов NXP организовать гибридную схему подключения блока управления стартером генератора:

 

      На следующем рисунке показана блок-схема управления бесщеточным трехфазным электромотором с защитой от переполюсовки:

 

 

      На следующем рисунке показана еще одна простейшая блок-схема управления электромотором. В отличие от предыдущих схем, данная схема предназначена для управления высокоскоростным электромотором постоянного тока.

 

      В заключение рассмотрим блок-схему впрыска для типового дизельного автомобильного двигателя, построенного на MOSFET транзисторах:

 

      На основании рассмотренных преимуществ MOSFET транзисторов производства компании NXP Semiconductors можно сделать выводы, что, в сравнении с продукцией других производителей, они наиболее эффективны для использования в различных силовых системах электроники, и наиболее пригодны для использования в особо важных системах безопасности автомобильного и железнодорожного транспорта. А в совокупности с магниторезистивными датчиками компании NXP можно организовать максимально производительные и эффективные системы.

      Опыт применения MOSFET транзисторов NXP показал, что их легко можно применять в электронике, где ранее применялись электронные компоненты других известных производителей, таких International Rectifier (IR), STMicroelectronics, ON-Semiconductors , Vishay, Fairchild, Infineon , а зачастую превосходить качественные и ценовые параметры этих производителей.