ماسفت قدرت
(به انگلیسی: power MOSFET) یا VMOSFET، نوعی خاصی از ترانزیستور ماسفت است که به منظور کارکرد در توان‌های بالا طراحی شده‌است.
در مقایسه با دیگر ادوات الکترونیک قدرت مانند (IGBT) یا تریستور، مهم‌ترین مزایای ماسفت قدرت، سرعت سوئیچینگ بالا و کارایی خوب در ولتاژهای پایین است. همانند IGBT، در ماسفت قدرت هم از گیت عایق شده‌استفاده شده‌است که این امر عمل راه اندازی ترانزیستور را آسان می‌کند. این ماسفت در بهره کم نیز بکار می‌رود تا جایی که بعضاً لازم است ولتاژ گیت ترانزیستور بیشتر از ولتاژ تحت کنترل باشد.
طراحی ماسفت قدرت با توسعه تکنولوژی CMOS که برای ساخت مدارهای مجتمع در اواخر دهه ۱۹۷۰ صورت گرفت، آغاز شد. نحوه عملکرد ماسفت قدرت شبیه ماسفت معمولی است.
ماسفت قدرت، پرکاربردترین کلید مورد استفاده در ولتاژهای پایین (کمتر از 200 V) است که معمولاً در مدارات منابع تغذیه، مبدل‌های DC به ac و کنترل‌کننده‌های موتور بکار می‌رود.
ساختار پایه
در اوایل دهه ۱۹۸۰ و همزمان با معرفی اولین ماسفت قدرت، ساختارهای متعددی ارائه شدند اما اغلب آن‌ها (حداقل تا همین اواخر) کنار گذاشته شده و فقط ساختار ماسفت با نفوذ عمودی (VDMOS) مورد توجه قرار گرفت.[۱]
در شکل ۱، سطح مقطع یک VDMOS نشان داده شده‌است: دیده می‌شود که پایه سورس بالاتر از پایه درین قرار دارد که باعث می‌شود جریان الکتریکی به صورت “عمودی” جاری شود. واژه “نفوذ (دیفوژن)” که در اسم این نوع ترانزیستور وجود دارد، به پروسه ساخت آن مربوط می‌شود. نواحی +P و +N (شکل۱)، با استفاده از تکنیک دیفوژن ایجاد می‌شوند.
ماسفت‌های قدرت ساختاری متفاوت از ماسفت‌های معمولی دارند. بر خلاف اغلب ادوات الکترونیک قدرت که ساختاری مسطح (افقی) دارند، این المان دارای ساختار عمودی است. در یک ساختار مسطح، مقدار جریان و ولتاژ شکست هر دو تابعی از ابعاد کانال (به ترتیب عرض و طول کانال) هستند که در نتیجه سبب استفاده ناکارآمد از «سیلیکون و مستغلات» می‌شود. در ساختار عمودی، ولتاژ نامی ترانزیستور تابعی از دوپینگ و ضخامت لایه N است در حالی که مقدار جریان تابعی از عرض کانال است. این حالت سبب آن می‌شود که ترانزیستور بتواند ولتاژ و جریان بالا را در یک قطعه سیلیکون فشرده تحمل کند.
شایان ذکر است که ماسفت قدرت با ساختار افقی (عرضی) نیز وجود دارد که عمدتاً در تقویت کننده‌های صوتی استفاده می‌شوند. مزیت آن‌ها این است که رفتار بهتری در ناحیه اشباع به نسبت ترانزیستور با ساختار عمودی از خود نشان می‌دهند. ماسفت‌های قدرت عمودی، برای کاربردهای کلیدزنی طراحی شده‌اند و بنابراین فقط در حالت روشن یا خاموش بکار برده می‌شوند.
مقاومت در حالت روشن[ویرایش]
شکل. ۲: سهم بخش‌های مختلف ماسفت مقاومت حالت روشن
زمانی که ماسفت قدرت در حالت روشن قرار دارد، مقاومتی را مابین پایه‌های درین و سورس از خود نشان می‌دهد. همانطورکه در شکل ۲ دیده می‌شود، این مقاومت که RDSon نامیده می‌شود، مجموعی از چندید مقاومت اولیه است.
- RS مقاومت سورس است که نشان دهنده همه مقاومت بین الکترود سورس و کانال ماسفت است: مقاومت بین پایه سورس ماسفت و قسمت +N
- Rch مقاومت کانال است. این مقاومت، نسبت معکوس با عرض کانال و همچنین در یک ویفر سیلیکون، با چگالی کانال دارد. مقاومت کانال، یکی از عوامل مهم در تعیین مقاومت حالت روشن ماسفت‌های ولتاژ پایین است و تلاش‌های فراوانی در جهت کوچکتر کردن ابعاد کانال به منظور افزایش چگالی آن، در حال انجام است.
- Ra که به مقاومت دسترسی معروف است، نشان دهنده مقاومت ناحیه لایه نشانی شده در زیر ترمینال گیت است؛ محلی که حرکت جریان الکتریکی از شکل افقی (درون کانال)، به شکل عمودی (به سمت ترمینال درین) تغییر جهت پیدا می‌کند.
- Rn مقاومت قسمت لایه نشانی شده‌است. از آنجایی که نقش این لایه تحمل افت ولتاژ در حالت قطع ماسفت است، لذا مقدار این مقاومت به‌طور مستقیم با ولتاژ نامی ماسفت در ارتباط است. یک ماسفت ولتاژ بالا نیازمند یک لایه ضخیم با ناخالصی پایین (مقاومت زیاد) در حالی که ماسفتی با ولتاژ پایین نیازمند یک لایه نازک با ناخالصی بالا (مقاومت کم) است؛ بنابراین در یک ماسفت ولتاژ بالا، Rn عامل اصلی در مقاومت کل ماسفت است.
- RD معادل مقاومت RS برای درین است. این مقاومت، نشان دهنده مقاومت بستر ترانزیستور است.
شکل. 3: RDSon با افزایش ولتاژ شکست ماسفت، بیشتر می‌شود.
تعادل بین ولتاژ شکست و مقاومت حالت روشن[ویرایش]
هنگامی که ماسفت قدرت در حالت خاموش قرار دارد، معادل یک پین‌دیود است. زمانی که این ساختار بسیار نامتقارن تحت بایاس معکوس قرار می‌گیرد، ناحیه تخلیه، بیشتر به درون قسمتی که ناخالصی کمتری دارد، نفوذ می‌کند (ناحیه –N) و این بدان معناست که این لایه باید بتواند ولتاژ درین-سورس ماسفت را در حالت خاموش تحمل کند.[۲]
علاوه بر این، به علت اینکه لایه –N دارای ناخالصی کمی است، مقاومت این لایه، بالا بوده و سبب بالا رفتن مقاومت درین-سورس در حالت روشن می‌شود.
دو پارامتر اصلی تعیین‌کننده ولتاژ شکست و RDSon ترانزیستور عبارتند از: میزان ناخالصی و عرض لایه –N. هر چقدر این لایه عریضتر بوده و ناخالصی آن کمتر باشد، ولتاژ شکست ماسفت بیشتر می‌شود. در مقابل هر اندازه که این لایه کم عرض تر و با ناخالصی بالا باشد، مقاومت حالت روشن ماسفت RDSon (و در نتیجه تلفات هدایتی ماسفت)، کمتر می‌شود؛ بنابراین ملاحظه می‌شود که در طراحی ماسفت قدرت باید یک حالت تعادل یا میانه مابین مقاومت حالت روشن و ولتاژ شکست ماسفت برقرار شود.
دیود بدنه[ویرایش]
دیود موجود در داخل ماسفت قدرت که می‌تواند به عنوان دیود هرزگرد عمل کند
همانطورکه در شکل رو به رو دیده می‌شود، الکترود سورس به هر دو لایه +N و +P متصل است اما می‌دانیم که در ماسفت معمولی، پایه سورس تنها به لایه +N متصل می‌شود. حال اگر در ماسفت قدرت نیز بدین صورت عمل می‌شد، سبب معلق ماندن لایه +P مابین دو منطقه N (درین و سورس) می‌شود که معادل یک ترانزیستور NPN که پایه بیس آن به جایی متصل نیست، می‌شود. این ترانزیستور پارازیتی، سبب بهم خوردن عملکرد ماسفت در شرایط خاص می‌شود. اتصال الکترود سورس به هر دو لایه +P و +N سبب می‌شود که پایه بیس این ترانزیستور به پایه امیتر آن وصل شده و همانند یک دیود عمل کند.
دیود بدنه ممکن است به عنوان دیود هرزگرد در بارهای سلفی که در پل اچ یا نیم پل وجود دارد، استفاده شود. با وجود اینکه این دیود افت ولتاژ بالایی در بایاس مستقیم دارد، می‌تواند جریان‌های بالا را تحمل کند و در اکثر کاربردها کافی بوده و نیاز به استفاده از دیود مستقل دیگری در بیرون بسته‌بندی ماسفت قدرت نیست.
محل خازن‌های ذاتی یک MOSFET قدرت.
به دلیل تک قطبی بودن ماسفت قدرت، می‌تواند در سرعت‌های بسیار بالا عمل کلیدزنی را انجام دهد و نیازی به تخلیه شدن حامل‌های اقلیت همانند آنچه که در ادوات دو قطبی اتفاق می‌افتد، نیست.
