Cool-MOS транзисторы: Преимущества, расчет и отличия от MOSFET

Содержание страницы

1. Проблема классических силовых транзисторов
2. Архитектура и принцип работы Cool-MOS
3. Электрические характеристики и математическая модель
4. Распределение электрического поля: Секрет надежности
5. Динамические характеристики: Емкость и быстродействие
6. Сравнительная таблица: Cool-MOS vs Стандартный MOSFET
7. Преимущества и недостатки
8. Интересные факты о технологии Cool-MOS
9. FAQ: Часто задаваемые вопросы
Заключение

Что такое Cool-MOS? Это революционная технология производства силовых полевых транзисторов (MOSFET), основанная на принципе суперперехода (Superjunction). До появления этой технологии инженеры сталкивались с жестким физическим ограничением: чем выше напряжение, которое может выдержать транзистор, тем выше его сопротивление в открытом состоянии, что ведет к огромным тепловым потерям.

Технология Cool-MOS, впервые представленная компанией Infineon Technologies в конце 1990-х годов, сломала этот стереотип. Она позволила создать высоковольтные транзисторы (600–900 В) с рекордно низким сопротивлением, что открыло новую эру в разработке импульсных источников питания, зарядных устройств и инверторов. Сегодня этот подход является промышленным стандартом для высоковольтных МДП-структур.

1. Проблема классических силовых транзисторов

Чтобы понять гениальность технологии Cool-MOS, необходимо разобраться, как работали обычные транзисторы до её появления. В классическом силовом VDMOS (Vertical Double-diffused MOS) основное сопротивление току создает так называемая дрейфовая область (n-слой).

Аналогия: Представьте себе шоссе. Чтобы выдержать большой поток машин (высокое напряжение), дорожное полотно (дрейфовый слой) должно быть очень длинным. Но в классической технологии, чтобы дорога не разрушилась под давлением, её приходилось делать узкой и из «плохого асфальта» (низкая степень легирования). В итоге машины едут медленно, создается пробка (высокое сопротивление).

В стандартной физике полупроводников сопротивление открытого канала \( R_{on} \) растет пропорционально напряжению пробоя \( U_{BR} \) в степени 2.5:
\[ R_{on} \propto U_{BR}^{2.5} \]
Это называется «кремниевым пределом». Технология Cool-MOS позволила обойти это ограничение, изменив саму структуру кристалла.

2. Архитектура и принцип работы Cool-MOS

На рисунке 1 показано поперечное сечение силового транзистора, выполненного по технологии Cool-MOS. Главное отличие от стандартной схемы кроется в уникальной конструкции дрейфового слоя.

Рисунок 1. Структура транзистора МДП по технологии Cool—MOS
(Схематичное отображение: G — затвор, S — исток, D — сток, чередующиеся столбцы p и n)

Условные обозначения на рисунке:
G — Затвор (Gate); S — Исток (Source); D — Сток (Drain);
n+ / p+ — сильнолегированные области контактов;
p — глубокие столбы p-слоя;
n- — дрейфовая область (n-столбец).

2.1. Структурные особенности

Взгляните на рисунок 1. В отличие от обычного транзистора, в приборе Cool-MOS мы видим вертикальные столбцы p-слоя, которые глубоко проникают в активную дрейфовую область структуры. Эти p-столбцы «встроены» в n-слой, по которому протекает ток.

Такая «полосатая» структура выполняет двойную функцию:

В открытом состоянии: Ток течет по n-столбцам. Благодаря наличию соседних p-столбцов, инженеры могут легировать n-столбцы намного сильнее (добавить больше носителей заряда), чем в обычном транзисторе. Это кардинально снижает сопротивление.
В закрытом состоянии: Происходит взаимная компенсация зарядов. p-столбцы и n-столбцы полностью обедняются (освобождаются от носителей заряда), создавая мощный барьер для высокого напряжения.

Важное замечание: Степень легирования p-слоя тщательно контролируется в технологическом процессе изготовления структуры. Это критически важно, поскольку при закрытом состоянии транзистора свободные носители в данной области должны полностью отсутствовать для обеспечения так называемого «баланса заряда» (Charge Balance).

3. Электрические характеристики и математическая модель

3.1. Расчет сопротивления дрейфового слоя

Благодаря высокой степени легирования n-столбца, сопротивление транзистора Cool-MOS в открытом состоянии снижается в несколько раз по сравнению с обычной структурой транзистора МОП. Зависимость сопротивления от напряжения пробоя становится практически линейной, что является огромным достижением физики твердого тела.

Сопротивление дрейфового слоя транзистора Cool-MOS аппроксимируется следующей формулой:

R_D = k \cdot U_{BD\, DS}^n

Где:

\( R_D \) — сопротивление дрейфовой области (Ом);
\( U_{BD\, DS} \) — максимально допустимое напряжение сток-исток (В);
\( n \approx 1,17 \) — показатель степени (обратите внимание, он близок к 1, в отличие от 2.5 для обычных MOSFET);
\( k \) — коэффициент пропорциональности, зависящий от площади кристалла.

Для площади кристалла \( S = 1 \, \text{см}^2 \) коэффициент составляет \( k = 6 \times 10^{-6} \, \text{Ом} \cdot \text{В}^{1/n} \).

3.2. Пример практического расчета

Рассмотрим реальный пример расчета сопротивления для транзистора, предназначенного для работы в сети с выпрямленным напряжением.

Дано:

Напряжение пробоя: \( U_{BD\, DS} = 600 \, \text{В} \)
Площадь кристалла: \( S = 0,5 \, \text{см}^2 \)

Решение:

Поскольку сопротивление обратно пропорционально площади (\( R \propto 1/S \)), при уменьшении площади в 2 раза (с 1 до 0.5 см²), коэффициент \( k \) должен увеличиться в 2 раза.

Следовательно, новый \( k = 1,2 \times 10^{-5} \, \text{Ом} \cdot \text{В}^{1/n} \).

Подставим значения в формулу:
\[ R_D = 1,2 \times 10^{-5} \cdot 600^{1,17} \]

Результат: Значение сопротивления дрейфовой области составит 0,02 Ом.

Это экстремально низкое значение для 600-вольтового прибора, недостижимое для классических кремниевых технологий старого образца при такой площади кристалла.

4. Распределение электрического поля: Секрет надежности

Почему Cool-MOS выдерживает высокое напряжение при таком низком сопротивлении? Ответ кроется в форме распределения электрического поля внутри кристалла.

Напряженность электрического поля вдоль дрейфовой области транзистора Cool-MOS имеет практически прямоугольную форму.

В обычном MOSFET: Поле имеет форму треугольника (максимум у p-n перехода, ноль у стока). Чтобы «набрать» нужное напряжение (площадь треугольника), нужно делать базу очень толстой.
В Cool-MOS: Поле распределяется равномерно (прямоугольник). Это позволяет сделать дрейфовую область тоньше при том же напряжении пробоя, что дополнительно снижает сопротивление и повышает напряжение лавинного пробоя структуры.

Выпускаемые серийно приборы Cool-MOS имеют максимально допустимые напряжения сток—исток 600 и 900 В, что перекрывает потребности большинства бытовых и промышленных источников питания.

5. Динамические характеристики: Емкость и быстродействие

Еще одним ключевым преимуществом приборов Cool-MOS является специфическая нелинейность выходной емкости транзистора \( C_{DS} \). Это свойство играет решающую роль в высокочастотных преобразователях.

Процесс изменения емкости происходит следующим образом:

При подаче небольшого напряжения на сток емкость высока.
С ростом напряжения на стоке (порядка нескольких десятков вольт) столбец p-слоя (см. рис. 1) начинает расширять свою область пространственного заряда.
При определенном пороге столбец становится полностью обедненным.
Это вызывает резкое и заметное снижение емкости \( C_{DS} \).

Поэтому при высоких рабочих напряжениях выходная емкость транзистора Cool-MOS намного меньше, чем у обычных приборов.

Энергетическая эффективность: Энергия, запасенная в выходной емкости (\( E = \frac{1}{2}CV^2 \)), является чистой потерей при каждом цикле включения транзистора. В Cool-MOS в диапазоне напряжений 350—400 В эта энергия снижается примерно на 50 %. Это позволяет существенно уменьшить потери с ростом частоты коммутации и сделать блоки питания компактнее.

6. Сравнительная таблица: Cool-MOS vs Стандартный MOSFET

Для наглядности сравним технологию Cool-MOS (Superjunction) с классической планарной технологией.

Характеристика	Обычный Power MOSFET	Cool-MOS (Superjunction)
Зависимость \( R_{on} \) от \( U_{BR} \)	Экспоненциальная (\( \propto U^{2.5} \))	Почти линейная (\( \propto U^{1.17} \))
Сопротивление канала (при 600В)	Высокое	Очень низкое (в 5-10 раз меньше)
Форма электрического поля	Треугольная	Прямоугольная (более эффективная)
Выходная емкость \( C_{DS} \)	Линейно убывает, остается значительной	Резко падает при росте напряжения (нелинейная)
Площадь кристалла (Chip Size)	Большая (для низкого R)	Маленькая (высокая плотность мощности)
Сложность производства	Низкая	Высокая (требует точного баланса легирования)

7. Преимущества и недостатки

Преимущества:

Экстремально низкие потери проводимости: Меньший нагрев при том же токе.
Высокая скорость переключения: Низкая паразитная емкость затвора и выхода позволяет работать на частотах 100 кГц и выше.
Компактность: Возможность использовать меньшие радиаторы или вовсе отказаться от них.
Лавинная устойчивость: Способность выдерживать кратковременные перенапряжения.

Недостатки и сложности:

Высокие токи короткого замыкания: Из-за малого сопротивления и высокой крутизны характеристики токи КЗ могут достигать огромных величин, требуя быстрой защиты.
«Звон» в цепи затвора: Высокая скорость переключения (высокое \( dU/dt \)) может создавать электромагнитные помехи и требует тщательной разводки печатной платы.
Стоимость: Технологический процесс сложнее (многократная эпитаксия), что удорожает кристалл.

8. Интересные факты о технологии Cool-MOS

Silicon Limit. Cool-MOS стала первой коммерчески успешной технологией, которая на практике преодолела теоретический «кремниевый предел» для зависимости сопротивления от напряжения.
Многократная эпитаксия. Технология изготовления часто включает в себя сложный процесс наращивания слоев: слой растет, легируется, затем снова растет. Это похоже на создание слоеного пирога на наноуровне.
Термодинамика. Название «Cool-MOS» буквально подразумевает, что транзистор остается «холодным» (Cool) благодаря низким потерям тепла, что стало прорывом для систем с пассивным охлаждением.
Стандарт Titanium. Более 90% современных серверных блоков питания с высшим классом КПД (96%+) используют вариации технологии Superjunction, родоначальником которой является Cool-MOS.
Вытеснение IGBT. В диапазоне 600В Cool-MOS практически заменили биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) в приложениях мощностью до нескольких киловатт благодаря лучшей динамике переключения.
Серийная эволюция. С момента появления вышло уже более 7 поколений (серий) приборов (например, C3, CP, C6, C7, P6), каждое из которых уменьшало потери проводимости еще на 15-20% относительно предыдущего.
Эко-след. По оценкам экспертов, массовый переход на Superjunction транзисторы в мировой электронике сэкономил тераватт-часы электроэнергии, что сопоставимо с годовой выработкой нескольких атомных электростанций.

9. FAQ: Часто задаваемые вопросы

В чем главное отличие Cool-MOS от обычного MOSFET простыми словами?

Обычный транзистор похож на узкую тропинку: высокое сопротивление движению. Cool-MOS — это широкое шоссе с разделительными полосами, где ток течет свободно, но при «красном свете» (закрытии) дорога мгновенно перекрывается.

Можно ли заменить обычный MOSFET на Cool-MOS в старой схеме?

В большинстве случаев да, и это повысит КПД. Однако нужно быть осторожным: Cool-MOS переключается очень быстро, что может вызвать осцилляции (звон) в старых схемах драйверов. Возможно, потребуется увеличить резистор в затворе.

Почему выходная емкость нелинейна?

Это связано с уникальной формой p-n переходов (вертикальные столбы). При повышении напряжения обедненная область растет не только вниз, но и в стороны, резко уменьшая эффективную площадь «обкладок» конденсатора.

Для каких напряжений существует эта технология?

В основном это диапазон 500В – 950В. Для низких напряжений (ниже 200В) лучше подходят Trench-MOSFET, а для сверхвысоких (выше 1200В) — SiC (карбид кремния) или IGBT.

Где чаще всего применяются эти транзисторы?

В компьютерных блоках питания, зарядных устройствах для ноутбуков и телефонов, драйверах LED-светильников, солнечных инверторах и станциях зарядки электромобилей.

Заключение

Технология Cool-MOS представляет собой одну из самых значимых вех в истории силовой полупроводниковой электроники. Благодаря гениальному инженерному решению — внедрению глубоких p-столбцов в дрейфовую область — удалось обойти фундаментальные ограничения кремния. Это обеспечило создание приборов, сочетающих высокое пробивное напряжение с минимальным сопротивлением и отличными частотными свойствами. Понимание физики работы этих структур, описанной выше, необходимо каждому инженеру, работающему над созданием эффективных систем преобразования энергии.

Нормативная база

ГОСТ 20398.1-74 — Транзисторы полевые. Метод измерения модуля полной проводимости прямой передачи.
ГОСТ 20398.4-74 — Транзисторы полевые. Методы измерения сопротивления сток-исток в открытом состоянии.
ГОСТ 15133-77 — Приборы полупроводниковые. Термины и определения.
IEC 60747-8 — Международный стандарт для полупроводниковых приборов (Field-effect transistors).

Список литературы

Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х книгах. — М.: Мир, 1984. — Фундаментальный труд по физике твердого тела и p-n переходам.
Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. — М.: Додэка-XXI, 2001. — Подробный разбор статических и динамических потерь в MOSFET.
Lorenz L., Marz M., Knapp A. CoolMOS™ — a new milestone in high voltage power MOS. — Infineon Technologies AG, Application Note, 1999. — Первоисточник от разработчиков технологии.