В HTML      В PDF
микроэлектроника, микросхема, микроконтроллер, память, msp430, MSP430, Atmel, Maxim, LCD, hd44780, t6963, sed1335, SED1335, mega128, avr, mega128  
  Главная страница > Статьи > Транзисторы

реклама

 
радиационно стойкие ПЗУ Миландр

Продажа силового и бронированного кабеля и провода в Москве

текст еще



Применение MOSFET транзисторов NXP Semiconductors в электронике

  Rus Параметрический поиск MOSFET транзисторов

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 (рис.1).

Структура NPN биполярного транзистора
Рисунок 1. Структура NPN биполярного транзистора

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 рис. 2 наглядно показан принцип усиления сигнала в транзисторе, основанный на вольтамперной характеристике (ВАХ) транзистора, и чем круче ВАХ, тем больше коэффициент усиления.

Принцип усиления аналогового сигнала в транзисторе
Рисунок 2. Принцип усиления аналогового сигнала в транзисторе

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 рис. 3 приведена структура n-канального MOSFET транзистора, его отличие от p-канального транзистора всего лишь в полярности проводящего слоя.

Структура MOSFET транзистора
Рисунок 3. Структура MOSFET транзистора

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 1, 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 4 показана структура развития технологии TrenchMOS NXP.

Развитие технологии TrenchMOS
Рисунок 4. Развитие технологии TrenchMOS

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, D2PAK 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 D2PAK, DPAK, SO8. На рисунке 5 показаны габаритные соотношения этих корпусов, из которого очевидно преимущество корпуса LFPAK. Расчет площади занимаемой D2PAK, DPAK и LFPAK показывает, что экономия места, при применении транзисторов в корпусе LFPAK, достигает 75 и 46% соответственно.

Сравнение размеров корпусов D2PAK, DPAK и LFPAK
Рисунок 5. Сравнение размеров корпусов D2PAK, DPAK и LFPAK

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 6 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.

Результаты терфографии SO8, DPAK, LFPAK
Рисунок 6. Результаты терфографии SO8, DPAK, LFPAK

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 7 показана функциональная блок-схема устройства транзисторов семейства TrenchPLUS.

Устройство транзисторов семейства TrenchPLUS
Рисунок 7. Устройство 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.

Эквивалентная схема MOSFET транзистора TrenchPLUS с датчиком тока
Рисунок 8. Эквивалентная схема MOSFET транзистора TrenchPLUS с датчиком тока

Таблица 1. MOSFET транзисторы NXP

P/N Корпус Тип канала VDS, В RDSon (VGS=10В), мОм RDSon (VGS=4,5В), мОм ID, А Ptot 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 17
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

Область применения MOSFET транзисторов

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

  • промышленная автоматика - DC/DC преобразователи, понижающие/повышающие конверторы, блоки управления электродвигателями, блоки управления подачей топлива для автозаправочных станций, системы безопасности железнодорожного транспорта, электронные балласты для люминесцентных и компактных люминесцентных ламп, зарядные устройства;
  • бытовая электроника - мобильные и бытовые телефоны, ноутбуки и блоки питания к ним, MP3-плееры и мобильные плееры, цифровые видеокамеры, схемы защиты Li-ion батарей, set-top-box, схемы управления вращением кулеров, кондиционеры, модули управления лазерными приводами, блоки управления холодильниками, стиральными машинами, пылесосами;
  • автомобильная электроника - генераторы и стартеры переменного тока, электронные модули рулевого управления, электронасосы топлива и воды, турбокомпрессоры, модули управления стеклоподъемниками, стеклоочистителями, зеркалами, системы ABS, ESP, EBD, автоматизированные коробки передач, модули DC/DC преобразователей, регуляторы положения сидений, системы отопления, вентиляции, кондиционирования, система активной подвески.

Рассмотрим некоторые варианты схемы применения MOSFET транзисторов.

На рисунке 9 показана типовая блок-схема применения MOSFET транзисторов в антиблокировочной автомобильной системе (ABS) и электронной системе контроля устойчивости автомобиля (ESP).

Блок схема ABS и ESP с использованием MOSFET транзисторов
Рисунок 9. Блок схема ABS и ESP с использованием MOSFET транзисторов

На рисунке 10 показана блок-схема блока управления приводом электромотора стояночного тормоза автомобиля построенном на MOSFET транзисторах.

Блок-схема блока управления приводом электромотора стояночного тормоза автомобиля
Рисунок 10. Блок-схема блока управления приводом электромотора стояночного тормоза автомобиля

Рисунок 11 показывает, как можно с помощью MOSFET транзисторов NXP организовать гибридную схему подключения блока управления стартером генератора.

Гибридная схема подключения стартера генератора
Рисунок 11. Гибридная схема подключения стартера генератора

На рисунке 12 показана блок-схема управления бесщеточным трехфазным электромотором с защитой от переполюсовки.

Блок-схема управления бесщеточного трехфазового электромотора с защитой от переполюсовки
Рисунок 12. Блок-схема управления бесщеточного трехфазового электромотора с защитой от переполюсовки

На рисунке 13 показана еще одна простейшая блок-схема управления электромотором. В отличие от предыдущих схем, данная схема предназначена для управления высокоскоростным электромотором постоянного тока.

Блок-схема управления высокоскоростным электромотором постоянного тока
Рисунок 13. Блок-схема управления высокоскоростным электромотором постоянного тока

В заключение рассмотрим блок-схему впрыска для типового дизельного автомобильного двигателя, построенного на MOSFET транзисторах рисунок 14.

Схема впрыска типового дизельного автомобильного двигателя
Рисунок 14. Схема впрыска типового дизельного автомобильного двигателя

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.

Егоров Алексей,
Компания Гамма Санкт-Петербург






 
Впервые? | Реклама на сайте | О проекте | Карта портала
тел. редакции: +7 (495) 514 4110. e-mail:info@eust.ru
©1998-2016 ООО Рынок Микроэлектроники