MOSFET ઝાંખી

પાવર MOSFET ને જંકશન પ્રકાર અને ઇન્સ્યુલેટેડ ગેટ પ્રકારમાં પણ વિભાજિત કરવામાં આવે છે, પરંતુ સામાન્ય રીતે તે મુખ્યત્વે ઇન્સ્યુલેટેડ ગેટ પ્રકાર MOSFET (મેટલ ઓક્સાઇડ સેમિકન્ડક્ટર FET) નો સંદર્ભ આપે છે, જેને પાવર MOSFET (પાવર MOSFET) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. જંકશન ટાઇપ પાવર ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટરને સામાન્ય રીતે ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ઇન્ડક્શન ટ્રાન્ઝિસ્ટર (સ્ટેટિક ઇન્ડક્શન ટ્રાન્ઝિસ્ટર - SIT) કહેવામાં આવે છે. તે ડ્રેઇન પ્રવાહને નિયંત્રિત કરવા માટે ગેટ વોલ્ટેજ દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, ડ્રાઇવ સર્કિટ સરળ છે, થોડી ડ્રાઇવ પાવરની જરૂર છે, ઝડપી સ્વિચિંગ ગતિ, ઉચ્ચ ઓપરેટિંગ આવર્તન, થર્મલ સ્થિરતા વધુ સારી છે.જીટીઆર, પરંતુ તેની વર્તમાન ક્ષમતા નાની છે, નીચા વોલ્ટેજ છે, સામાન્ય રીતે માત્ર 10kW કરતાં વધુ પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોને લાગુ પડે છે.

1. પાવર MOSFET માળખું અને સંચાલન સિદ્ધાંત

પાવર MOSFET પ્રકારો: વાહક ચેનલ અનુસાર P-ચેનલ અને N-ચેનલમાં વિભાજિત કરી શકાય છે. ગેટ વોલ્ટેજ કંપનવિસ્તાર અનુસાર વિભાજિત કરી શકાય છે; અવક્ષય પ્રકાર; જ્યારે ગેટ વોલ્ટેજ શૂન્ય હોય છે જ્યારે વાહક ચેનલના અસ્તિત્વ વચ્ચેના ડ્રેઇન-સોર્સ પોલ, ઉન્નત; N (P) ચેનલ ઉપકરણ માટે, વાહક ચેનલના અસ્તિત્વ પહેલા ગેટ વોલ્ટેજ શૂન્ય કરતા વધારે (ઓછું) છે, પાવર MOSFET મુખ્યત્વે N-ચેનલ ઉન્નત છે.

1.1 પાવરMOSFETમાળખું　　

પાવર MOSFET આંતરિક માળખું અને વિદ્યુત પ્રતીકો; તેનું વહન માત્ર એક ધ્રુવીય વાહક (પોલીસ) વાહકમાં સામેલ છે, તે એક ધ્રુવીય ટ્રાન્ઝિસ્ટર છે. કંડક્ટીંગ મિકેનિઝમ લો-પાવર MOSFET જેવું જ છે, પરંતુ સ્ટ્રક્ચરમાં મોટો તફાવત છે, ઓછી-પાવર MOSFET એ આડી વાહક ઉપકરણ છે, પાવર MOSFET મોટાભાગની ઊભી વાહક રચના છે, જેને VMOSFET (વર્ટિકલ MOSFET) તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. , જે MOSFET ઉપકરણના વોલ્ટેજ અને વર્તમાનનો સામનો કરવાની ક્ષમતાને મોટા પ્રમાણમાં સુધારે છે.

વર્ટિકલ વાહક માળખામાં તફાવતો અનુસાર, પણ VVMOSFET ની ઊભી વાહકતા હાંસલ કરવા માટે V-આકારના ગ્રુવના ઉપયોગમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે અને VDMOSFET (વર્ટિકલ ડબલ-ડિફ્યુઝ્ડ) નું વર્ટિકલ વાહક ડબલ-ડિફ્યુઝ્ડ MOSFET માળખું ધરાવે છે.MOSFET), આ પેપરની ચર્ચા મુખ્યત્વે VDMOS ઉપકરણોના ઉદાહરણ તરીકે કરવામાં આવી છે.

ષટ્કોણ એકમનો ઉપયોગ કરીને ઇન્ટરનેશનલ રેક્ટિફાયર (ઇન્ટરનેશનલ રેક્ટિફાયર) HEXFET જેવા બહુવિધ સંકલિત માળખા માટે પાવર MOSFETs; Siemens (Siemens) SIPMOSFET ચોરસ એકમનો ઉપયોગ કરીને; મોટોરોલા (મોટોરોલા) TMOS "Pin" આકારની ગોઠવણી દ્વારા લંબચોરસ એકમનો ઉપયોગ કરે છે.

1.2 પાવર MOSFET ઓપરેશનનો સિદ્ધાંત

કટ-ઓફ: ડ્રેઇન-સ્રોત ધ્રુવો વત્તા પોઝિટિવ પાવર સપ્લાય વચ્ચે, વોલ્ટેજ વચ્ચેના ગેટ-સ્રોત ધ્રુવો શૂન્ય છે. p આધાર ક્ષેત્ર અને N ડ્રિફ્ટ પ્રદેશ PN જંકશન J1 રિવર્સ બાયસ વચ્ચે રચાય છે, ડ્રેઇન-સોર્સ પોલ્સ વચ્ચે કોઈ વર્તમાન પ્રવાહ નથી.

વાહકતા: ગેટ-સ્રોત ટર્મિનલ્સ વચ્ચે સકારાત્મક વોલ્ટેજ UGS લાગુ કરવામાં આવે છે, ગેટ ઇન્સ્યુલેટેડ હોય છે, તેથી કોઈ ગેટ પ્રવાહ વહેતો નથી. જો કે, ગેટનું પોઝિટિવ વોલ્ટેજ તેની નીચેના પી-રિજનમાં છિદ્રોને દૂર ધકેલશે, અને જ્યારે UGS કરતાં વધુ હોય ત્યારે P-પ્રદેશમાં ઓલિગોન્સ-ઇલેક્ટ્રોનને ગેટની નીચે P-પ્રદેશની સપાટી તરફ આકર્ષિત કરશે. UT (ટર્ન-ઓન વોલ્ટેજ અથવા થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ), ગેટ હેઠળ પી-રિજનની સપાટી પર ઇલેક્ટ્રોનની સાંદ્રતા કરતાં વધુ હશે. છિદ્રોની સાંદ્રતા, જેથી પી-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર એન-ટાઈપમાં ઊંધી થઈ જાય અને ઈન્વર્ટેડ લેયર બને અને ઈન્વર્ટેડ લેયર એન-ચેનલ બનાવે અને PN જંકશન J1 અદૃશ્ય થઈ જાય, ડ્રેઇન કરે અને સ્ત્રોત વાહક બને.

1.3 પાવર MOSFET ની મૂળભૂત લાક્ષણિકતાઓ

1.3.1 સ્થિર લાક્ષણિકતાઓ.

ડ્રેઇન વર્તમાન ID અને ગેટ સ્ત્રોત વચ્ચેના વોલ્ટેજ UGS વચ્ચેના સંબંધને MOSFET ની ટ્રાન્સફર લાક્ષણિકતા કહેવામાં આવે છે, ID મોટી છે, ID અને UGS વચ્ચેનો સંબંધ લગભગ રેખીય છે, અને વળાંકનો ઢોળાવ ટ્રાન્સકન્ડક્ટન્સ Gfs તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. .

MOSFET ની ડ્રેઇન વોલ્ટ-એમ્પીયર લાક્ષણિકતાઓ (આઉટપુટ લાક્ષણિકતાઓ): કટઓફ પ્રદેશ (જીટીઆરના કટઓફ પ્રદેશને અનુરૂપ); સંતૃપ્તિ ક્ષેત્ર (GTR ના એમ્પ્લીફિકેશન ક્ષેત્રને અનુરૂપ); બિન-સંતૃપ્તિ ક્ષેત્ર (GTR ના સંતૃપ્તિ ક્ષેત્રને અનુરૂપ). પાવર MOSFET સ્વિચિંગ સ્થિતિમાં કાર્ય કરે છે, એટલે કે, તે કટઓફ પ્રદેશ અને બિન-સંતૃપ્ત પ્રદેશ વચ્ચે આગળ અને પાછળ સ્વિચ કરે છે. પાવર MOSFET માં ડ્રેઇન-સ્રોત ટર્મિનલ્સ વચ્ચે પરોપજીવી ડાયોડ હોય છે, અને જ્યારે ડ્રેઇન-સોર્સ ટર્મિનલ્સ વચ્ચે રિવર્સ વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવે છે ત્યારે ઉપકરણ તેનું સંચાલન કરે છે. પાવર MOSFET ના ઑન-સ્ટેટ પ્રતિકારમાં સકારાત્મક તાપમાન ગુણાંક હોય છે, જે જ્યારે ઉપકરણો સમાંતર રીતે જોડાયેલા હોય ત્યારે વર્તમાનને સમાન કરવા માટે અનુકૂળ હોય છે.

1.3.2 ગતિશીલ લાક્ષણિકતા;

તેના પરીક્ષણ સર્કિટ અને સ્વિચિંગ પ્રક્રિયા વેવફોર્મ્સ.

ચાલુ કરવાની પ્રક્રિયા; ટર્ન-ઓન વિલંબ સમય td(ઓન) - આગળની ક્ષણ અને uGS = UT અને iD દેખાવાનું શરૂ થાય તે ક્ષણ વચ્ચેનો સમયગાળો; વધારો સમય tr- સમયગાળો જ્યારે uGS uT થી ગેટ વોલ્ટેજ UGSP સુધી વધે છે કે જેના પર MOSFET બિન-સંતૃપ્ત પ્રદેશમાં પ્રવેશે છે; iD નું સ્થિર સ્થિતિ મૂલ્ય ડ્રેઇન સપ્લાય વોલ્ટેજ, UE અને ડ્રેઇન દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે UGSP ની તીવ્રતા iD ના સ્થિર સ્થિતિ મૂલ્ય સાથે સંબંધિત છે. UGS UGSP પર પહોંચ્યા પછી, જ્યાં સુધી તે સ્થિર સ્થિતિમાં ન પહોંચે ત્યાં સુધી તે અપની ક્રિયા હેઠળ વધવાનું ચાલુ રાખે છે, પરંતુ iD યથાવત છે. ટર્ન-ઓન ટાઈમ ટન-ટર્ન-ઓન વિલંબ સમય અને ઉદય સમયનો સરવાળો.

ઑફ વિલંબ સમય td(ઑફ) - સમયગાળો જ્યારે iD ઘટીને શૂન્ય થવાનું શરૂ કરે છે તે સમયગાળો શૂન્ય પર આવે છે, Cin રૂ અને RG દ્વારા ડિસ્ચાર્જ થાય છે અને uGS ઘાતાંકીય વળાંક અનુસાર UGSP પર પડે છે.

ફોલિંગ ટાઈમ tf- જ્યારે યુજીએસપી અને આઈડીમાંથી uGS સતત ઘટતો રહે છે ત્યારથી તે સમયગાળો જ્યાં સુધી ચેનલ uGS < UT પર અદૃશ્ય થઈ જાય છે અને ID શૂન્ય થઈ જાય છે. ટર્ન-ઑફ ટાઈમ ટૉફ- ટર્ન-ઑફ વિલંબ સમય અને પતન સમયનો સરવાળો.

1.3.3 MOSFET સ્વિચિંગ ઝડપ.

MOSFET સ્વિચિંગ સ્પીડ અને Cin ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગનો એક મહાન સંબંધ છે, વપરાશકર્તા Cin ઘટાડી શકતો નથી, પરંતુ ડ્રાઇવિંગ સર્કિટના આંતરિક પ્રતિકારને ઘટાડી શકે છે, સમય સતત ઘટાડવા માટે, સ્વિચિંગની ઝડપ વધારવા માટે, MOSFET માત્ર પોલિટ્રોનિક વાહકતા પર આધાર રાખે છે, ત્યાં કોઈ ઓલિગોટ્રોનિક સ્ટોરેજ અસર નથી, અને આમ શટડાઉન પ્રક્રિયા ખૂબ જ ઝડપી છે, સ્વિચિંગનો સમય 10-100ns, ઓપરેટિંગ આવર્તન 100kHz અથવા વધુ સુધી હોઈ શકે છે, મુખ્ય પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોમાં સૌથી વધુ છે.

ફિલ્ડ-નિયંત્રિત ઉપકરણોને બાકીના સમયે લગભગ કોઈ ઇનપુટ વર્તમાનની જરૂર નથી. જો કે, સ્વિચિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન, ઇનપુટ કેપેસિટરને ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ કરવાની જરૂર છે, જેને હજુ પણ ચોક્કસ માત્રામાં ડ્રાઇવિંગ પાવરની જરૂર છે. સ્વિચિંગ ફ્રિક્વન્સી જેટલી વધારે છે, તેટલી વધારે ડ્રાઈવ પાવરની જરૂર છે.

1.4 ગતિશીલ પ્રદર્શન સુધારણા

ઉપકરણ એપ્લિકેશન ઉપરાંત, ઉપકરણ વોલ્ટેજ, વર્તમાન, આવર્તન ધ્યાનમાં લેવા માટે, પણ ઉપકરણને કેવી રીતે સુરક્ષિત કરવું તેની એપ્લિકેશનમાં માસ્ટર હોવું જોઈએ, નુકસાનમાં ક્ષણિક ફેરફારોમાં ઉપકરણ બનાવવા માટે નહીં. અલબત્ત થાઇરિસ્ટર એ બે દ્વિધ્રુવી ટ્રાન્ઝિસ્ટરનું સંયોજન છે, જે વિશાળ વિસ્તારને કારણે મોટી કેપેસીટન્સ સાથે જોડાયેલું છે, તેથી તેની ડીવી/ડીટી ક્ષમતા વધુ સંવેદનશીલ છે. di/dt માટે તેમાં વિસ્તૃત વહન ક્ષેત્રની સમસ્યા પણ છે, તેથી તે ખૂબ ગંભીર મર્યાદાઓ પણ લાદે છે.

પાવર MOSFET નો કેસ તદ્દન અલગ છે. તેની dv/dt અને di/dt ક્ષમતા ઘણી વખત પ્રતિ નેનોસેકન્ડ (માઈક્રોસેકન્ડ દીઠ કરતાં) ક્ષમતાના સંદર્ભમાં અંદાજવામાં આવે છે. પરંતુ આ હોવા છતાં, તેની ગતિશીલ કામગીરી મર્યાદાઓ છે. આને પાવર MOSFET ના મૂળભૂત માળખાના સંદર્ભમાં સમજી શકાય છે.

પાવર MOSFET અને તેના અનુરૂપ સમકક્ષ સર્કિટનું માળખું. ઉપકરણના લગભગ દરેક ભાગમાં કેપેસીટન્સ ઉપરાંત, તે ધ્યાનમાં લેવું આવશ્યક છે કે MOSFET પાસે સમાંતરમાં જોડાયેલ ડાયોડ છે. ચોક્કસ દૃષ્ટિકોણથી, પરોપજીવી ટ્રાન્ઝિસ્ટર પણ છે. (જેમ કે IGBT માં પણ પરોપજીવી થાઇરિસ્ટર હોય છે). MOSFETs ના ગતિશીલ વર્તનના અભ્યાસમાં આ મહત્વપૂર્ણ પરિબળો છે.

સૌ પ્રથમ MOSFET સ્ટ્રક્ચર સાથે જોડાયેલ આંતરિક ડાયોડમાં કેટલીક હિમપ્રપાત ક્ષમતા હોય છે. આ સામાન્ય રીતે સિંગલ હિમપ્રપાત ક્ષમતા અને પુનરાવર્તિત હિમપ્રપાત ક્ષમતાના સંદર્ભમાં વ્યક્ત થાય છે. જ્યારે રિવર્સ di/dt મોટો હોય છે, ત્યારે ડાયોડ ખૂબ જ ઝડપી પલ્સ સ્પાઇકને આધિન હોય છે, જે હિમપ્રપાત ક્ષેત્રમાં પ્રવેશવાની ક્ષમતા ધરાવે છે અને એકવાર તેની હિમપ્રપાત ક્ષમતા ઓળંગી જાય પછી ઉપકરણને સંભવિત રીતે નુકસાન પહોંચાડે છે. કોઈપણ PN જંકશન ડાયોડની જેમ, તેની ગતિશીલ લાક્ષણિકતાઓની તપાસ કરવી ખૂબ જટિલ છે. તેઓ આગળની દિશામાં ચાલતા અને વિપરીત દિશામાં અવરોધિત PN જંકશનના સરળ ખ્યાલથી ખૂબ જ અલગ છે. જ્યારે વર્તમાનમાં ઝડપથી ઘટાડો થાય છે, ત્યારે ડાયોડ તેની રિવર્સ બ્લોકિંગ ક્ષમતાને અમુક સમયગાળા માટે ગુમાવે છે જેને રિવર્સ રિકવરી ટાઈમ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. એવો સમયગાળો પણ હોય છે જ્યારે PN જંકશનને ઝડપથી ચલાવવાની જરૂર હોય છે અને તે ખૂબ ઓછો પ્રતિકાર બતાવતો નથી. એકવાર પાવર MOSFET માં ડાયોડમાં ફોરવર્ડ ઇન્જેક્શન થઈ જાય, ત્યારે ઇન્જેક્ટ કરાયેલ લઘુમતી કેરિયર્સ મલ્ટિટ્રોનિક ઉપકરણ તરીકે MOSFET ની જટિલતામાં વધારો કરે છે.

ક્ષણિક સ્થિતિઓ રેખાની સ્થિતિ સાથે નજીકથી સંબંધિત છે, અને એપ્લિકેશનમાં આ પાસાને પૂરતું ધ્યાન આપવું જોઈએ. અનુરૂપ સમસ્યાઓની સમજણ અને વિશ્લેષણને સરળ બનાવવા માટે ઉપકરણનું ઊંડાણપૂર્વકનું જ્ઞાન હોવું મહત્વપૂર્ણ છે.