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, furono proposte e analizzate svariate strutture, molte delle quali furono abbandonate a favore della struttura VDMOS (MOS a Diffusione Verticale), anche chiamata "Double Diffused MOS" o semplicemente DMOS.

La sezione verticale di un VDMOS (vedi figura 1) 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 (vedi figura 1) 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, la massima Vds sopportabile dal MOSFET è funzione del drogaggio e dello spessore dello strato epitassiale N (vedi figura 1), mentre la massima corrente sopportabile è funzione della larghezza del canale. In tal modo, il MOSFET può sostenere sia elevate tensioni di blocco, sia elevate correnti all'interno di un compatto pezzo di silicio.

Si noti che esistono anche MOSFET di potenza con struttura laterale, utilizzati soprattutto negli amplificatori audio high-end. Il loro vantaggio è un miglior comportamento nella regione di saturazione (corrispondente alla regione lineare dei Transistor a giunzione bipolare) rispetto ai MOSFET verticali. I Mosfet Verticali sono progettati per applicazioni switching e quindi sono utilizzati solo negli stati ON o OFF.

Resistenza di ON

Quando il MOSFET di potenza è nello stato ON (vedi MOSFET per una discussione sugli stati operativi), esso presenta un comportamento resistivo tra i terminali di drain e source. Come si può vedere dalla figura 2, 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+; Rch 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; Ra 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 RDSon nei MOSFET ad alta tensione. RD è l'equivalente di RS per il drain. Essa rappresenta la resistenza del substrato (la figura 1 non è in scala, lo strato N- in basso è il più spesso) e delle connessioni del package.

Trade-off tra Tensione di Breakdown e Resistenza di ON

Quando si trova nello stato OFF, il MOSFET di potenza equivale ad un diodo PIN (costituito da uno strato diffuso P+, lo strato epitassiale N- ed il substrato N+). Quando questa struttura fortemente asimmetrica è polarizzata inversamente, la regione di carica spaziale si estende principalmente nel lato meno drogato, cioè lo strato N-. Ciò significa che questo strato deve supportare la maggior parte della tensione drain-source del mosfet nello stato OFF.

Quando invece il MOSFET è nello stato ON, questo strato N-, essendo una regione leggermente drogata, presenta una resistenza intrinseca non trascurabile che contribuisce principalmente alla Resistenza Drain-Source nello stato ON del MOSFET (RDSon) (Questa è la Rn nella figura 2).

I due principali parametri che governano sia la tensione di breakdown che la RDSon del transistor sono il livello di drogaggio e lo spessore dello strato epitassiale N-. Più è spesso lo strato e minore è il livello di drogaggio e maggior sarà la tensione di breakdown. Viceversa, più è sottile lo strato e più è elevato il livello di drogaggio e più bassa sarà la resistenza di ON (e quindi minori saranno le perdite di conduzione del MOSFET). Vi è quindi un trade-off nella progettazione del MOSFET tra il suo rating di tensione e la sua resistenza di ON. Ciò è mostrato nel grafico di figura 3.

Body diode Come si può vedere in figura 1, la metallizzazione di source copre sia la regione N+ che la regione P, anche se il principio operativo del MOSFET richiede che il source sia connesso solo alla regione N+. Se fosse così, si avrebbe una regione P floating tra il source e il drain (drogati N), che equivale ad un transistor NPN con la base non connessa. Sotto certe condizioni (elevate correnti di drain, quando la tensione tra drain e source è di pochi volt nello stato ON), questo transistor NPN parassita risulta essere attivo e rende il MOSFET incontrollabile. Facendo in modo che la metallizzazione di source copra anche la regione P, si connettono base ed emettitore del transistor parassita, in modo da prevenire latching spuri.

Questa soluzione però crea un diodo tra il drain (catodo) e il source (anodo) del MOSFET, rendendolo in grado di bloccare la corrente solo in una direzione.

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 (vedi figura 4). 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).

Capacità 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 (vedi figura 4). 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 daS. M. Sze, Modern semiconductor device physics John Wiley and Sons, Inc 1998 ISBN 0-471-15237-4

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 (vedi figura 1), 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.

Altri elementi dinamici

Induttanze di Packaging Per operare, il MOSFET deve essere connesso ad un circuito esterno, la maggior parte delle volte utilizzando wire bonds (benché siano state investigate tecniche alternative). Queste connessioni esibiscono una induttanza parassita, che non è caratteristica della tecnologia del MOSFET, ma ha importanti effetti a causa delle elevate velocità di commutazione. Le induttanze parassite tendono a mantenere la corrente costante e generano degli overshoot di tensione durante il turn off del transistor. Ciò causa un incremento delle perdite di commutazione.

Ad ogni terminale del MOSFET può essere associata un'induttanza parassita. Esse hanno effetti diversi: L'induttanza di gate ha poca influenza (supponendo che sia minore di qualche centinaio di nanohenries), poiché i gradienti di corrente sulla gate sono relativamente piccoli. In alcuni casi, comunque, l'induttanza di gate e la capacità di ingresso del transistor possono costituire un oscillatore. Ciò deve essere evitato poiché può causare elevate perdite di commutazione (fino a portare alla distruzione del dispositivo). Tipicamente le induttanze parassite sono mantenute abbastanza basse in modo da prevenire questo fenomeno; L'induttanza di drain tende a ridurre la tensione di drain quando il MOSFET si accende, in modo da ridurre le perdite al turn-on. Comunque, esso crea una sovratensione durante lo spegnimento, aumentando le perdite al turn-off; L'induttanza parassita di source ha lo stesso comportamento dell'induttanza di drain, più un effetto di feedback che rende la commutazione più lunga, così da aumentare le perdite di commutazione. All'inizio di un fast turn-on (accensione), a causa dell'induttanza di source, la tensione al source (sul die) sarà in grado di salire di colpo così come la tensione di gate; la tensione VGS interna rimarrà quindi bassa per un tempo maggiore, ritardando il turn-on.