STRUCTURE TRANSISTOR MOS Cellule MOS élémentaire

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1 TRANITOR MO ou MOFET [ Metal Oxide emiconductor Field Effect Transistor ] tructure d'un transistor MO - Rappel - Caractéristiques statiques: Etat bloqué : - Limites en tension Conduction : - Limites en courant. - Aire de sécurité. Caractéristiques dynamiques : - Les capacités du MOFET - Lacapacité d'entrée - Temps de commutation - ertes en commutation Applications: Commande de grille omaines d'applications TRUCTURE TRANITOR MO Cellule MO élémentaire rille (+) io rain + N e- e- e- e- I drain N ource Cellule MO élémentaire-canal N - rincipe 1/ Canal & Courant de conduction La polarisationpositive de la grillecrée un "effet de champ" qui provoque une accumulation de charges négatives (électrons ) sous cette électrode.cela vaformer un canal "inversé" de type N dans la zone. Les électrons concentrés sous la grille vont assurer laconduction entre la source et le drain. (La source doit être connectée à la zone pour en fixer le potentiel.) 2/ Comportement dynamique Il n y a que des porteurs majoritaires => pas de recombinaison! - Temps de commutation rapides. - Fonctionnement en hautefréquence. - Facile à commander. - rande disponibilité sur le marché. 3/ Conduction inverse (iode body) : diode N - (Body diode) 1

2 TRUCTURE TRANITOR MO Canal ou N? MO canal N à enrichissement: MO canal à enrichissement: rille (+) rille (-) rain + N N ource rain - N ource I V V I On peut réaliser de lamême façon un transistor MO à canal. La miseen conduction sefera en appliquant unetensionnégativesur la grille. Intérêt : La possibilitéde commande par tensionnégative rille-ourceainsi que l'association avec des MO canal N, simplifie considérablement les circuits dans certains cas (voir applications ). Inconvénients : COÛT : Ilfaut environ 3fois plus de silicium pour obtenir la même R(on) qu'un MO canal N. Tension de seuil (Vth) plus élevée. TRUCTURE TRANITOR MO éplétion ou enrichissement? MO canal N à déplétion: MO canal à déplétion: rille (+) rille (-) rain + N N ource rain - N ource I V V I MO à déplétion: Contrairement au MO à enrichissement, le MO à déplétion est toujours passant. Il faut lui appliquer une tension de grille négative (canal N) pour le bloquer. I Transconductance canal N: epl. Enrich. V 2

3 TRUCTURE TRANITOR MO VMO: Vertical iffused Mos rille (+) ource R CH R A N- (couche EI) R (substrat) + Le MO Haute-Tension est unestructure verticale (et non horizontale comme pour les LMO, MO basse-tension, présentés aux pages précédentes ). Le canal de chaquecellule est horizontal. Le courant totalcircule verticalement. rain Réalisation : On part d'une plaquettede silicium monocristallin fortement dopée (substrat )sur laquelle on faitcroître, par épitaxie, une couche très faiblement dopéen- (d'épaisseur et de résistivité fixées par la tenue en tension souhaitée). Ensuiteon procède aux différentes opérations pour réaliser les puits + et la source (double diffusion), la grille (métal ou i polycristallin) et son isolation et enfin les métallisations d'interconnexions. Les performances de R CH sont liées à la densitéde cellules élémentaires que l'on pourra intégrer par unité de surface (vraien bassetension): MO bassetension : cellules /cm² MO haute tension : cellules / cm² (prédominance R A et R ) (variante: MEHFET) Compromis chute de tension / tenue en tension TRUCTURE TRANITOR MO COOLMO ou TRENCHMO rille (+) ource N- (couche EI) (substrat) + rain La tenue en tension se fait à la fois en horizontal et en vertical. Le compromis Tenue en tension / R ON peut être optimisé: -VMO: -COOLMO: R (ON) R (ON) = k V = k V 2,5 (BR ) (BR ) our un MO 600 V, la résistance à l état passant peut être divisée d unfacteur 2 à 3. Inconvénient: V (th) plus élevée (capacité en courant + faible). 3

4 CARACTERITIQUE TATIQUE MOFET A L'ETAT BLOQUE CARACTERITIQUE TATIQUE Tension maximale à l état bloqué rille N- ource + rain + Tension rain-ource Max spécifiée : V (avec V =0) C'est en fait la tenue de la jonction N ( diode ). La tension est supportée par la couche épi N- (la moins dopée) La tension max admissible est essentiellement fonction de la résistivitéet de l'épaisseur decettezone N- (air connu!) L'impact de la tension de blocage sur la résistance àl'état passant (Ron) est important. Les produits actuels : V=30V à 1000V Ron (mw) V (V) ex: MO 8Amp. 4

5 CARACTERITIQUE TATIQUE Limites absolues et caractéristiques d'utilisation Limites absolues: V : Tension rain-ource V =0 et T j = 25 C V : idem avec R = 20 KOhm - la tension d avalanche diminue si la température diminue (-10% entre 25 C et -60 C) V M : Limite de tenue à tension de l'oxyde de grille (en général 30V) Valeurs caractéristiques: I : courant de fuite V =0.8xV, V =0 et T j = C (de l ordre de 10 à 100 µa) I : courant de fuite V =0 ett j = C (de l ordre de 1 à 10 na, souvent spécifié à 100 na par commodité de mesure) CARACTERITIQUE TATIQUE Tenue dans l'avalanche Tension d'avalanche Min : BV ou V (BR) [Breakdown Voltage] La jonction N- a unclaquage uniforme et peut donc supporter une certaine énergie dans l'avalanche. La plupart des produits sont maintenant spécifiés dans cemode defonctionnement (accidentel), par une valeur de tenue en énergie impulsionnelle (E A ) I Valim I Valim V BV I IM I (Ex:250µA) V BV V V V Valeur de l énergie dissipée par le MO: Ws = 1/2. L.IM².BV / (BV-Valim) 5

6 CARACTERITIQUE TATIQUE MOFET EN CONUCTION CARACTERITIQUE TATIQUE Caracteristique de Transfert Tension de seuil I (A) I 10 V V 5 F Caractéristique de V=25V V (th) V (V) Il faut que la tension Vsoit supérieure à un certain seuil ( V (th) ) pour faire conduire le transistor MO. Ce seuil de tension est mesuré àfaible niveau de courant I ( 0.25 ou 1mA) our les MO "standard" cettetension est de l'ordre de 3 à 4 V our les MO "logic level" le V(th) est typiquement de 1 à 2V ( V(th) à un coefficient de température négatif. ) Transconductance: F = I / V 6

7 CARACTERITIQUE TATIQUE Régime linéaire ou saturé I I(A) 20 V = V-V(th) (pincement ) 15 V 10 V=10V V 5 V=8V V=6V V > V(th) 2 modes de conduction: V(V) 1) -Régime "linéaire" ou "ohmique" : V = R x I pour V < V-V(th) ( = tension de pincement ) 2) -Régime de "saturation" : I =Cte(V) = F (V - V (th) ) pour V > V-V(th)! Attention! : Cette terminologie est opposée à celle utilisée pour les transistors bipolaires. CARACTERITIQUE TATIQUE R(on) I I V V=10V V R(on) Région utilisée en conduction V C'est un paramètre clé : R(on) Max est spécifié à : V=10V pour les MO standard. V=5V pour les MO "logic level" (en général à 50% du courant drain max admissible et à 25 ) Rq: R (on) ne varie presque plus avec le V à partir d un certain niveau.! R(on) augmenteavec la température: doubleentre25 C et 150 C Avantage : Cela facilitelamise en paralléle des MO. ertes en conduction: cond = R(on).I² RM 7

8 CARACTERITIQUE TATIQUE LIMTE EN COURANT Courant rain : 1) Icourant max en continu à Tc =25 C et/ou à Tc =100 C Ces valeurs correspondent, pour un boîtier donné, à la puissance dissipée (=R (on)ị² ) pour laquelle la température de jonction atteint la TJMAX spécifiée. La puissance max àtc=25 C (!) est également donnée. 2) IM: Courant max en impulsion : Cette valeur est limitée, soit par les caractéristiques du MOFET, soit par des considérations thermiques (Aire desécurité) (Exemple : MO 12A/500V) CARACTERITIQUE TATIQUE AIRE E ECURITE Imax (C) IM(pulse) I (A) R(on) tp=100µs tp=1ms tp=10ms 1 uissance Max 1 continu ,000 V (V) L'aire desécuritéd'un MO est limitée par - la tension rain-ource Max - le courant drain (I et IM) - la résistance R(on) - la puissance max admissible (TJ<TJMAX) Vmax 8

9 CARACTERITIQUE YNAMIQUE CARACTERITIQUE YNAMIQUE LE CAACITE "ARAITE" Cgd Cgs Cds Les caractéristiques dynamiques d'un transistor MOsont essentiellement déterminées par les différentes capacités inhérentes à sa structure. Les temps de commutation à lafermeture et àl'ouverture dépendent de l'aptitude du circuit de commande à charger et décharger rapidement ces capacités. Les temps de commutationsont indépendants de la température. On définit: Capacité d'entréesource commune [Input capacitance] : Ciss ( =Cgd+Cgs ) - en c/c Capacitédetransfert ou de MILLER [Reversetransfertcapacitance] : Crss ( =Cgd ) - en c/c Capacitéde sortie en source commune [Output capacitance] : Coss ( =Cgd+Cds ) - en c/c! Ces capacités sont spécifiées pour une tension - de 30 V = peu d utilité! 9

10 CARACTERITIQUE YNAMIQUE Variation des capacités en fonction de la tension rain-ource ource rille (+) Cgs C : mise en série de Cgd1 et Cgd2 -Cgd1= Capacité entre grille et surface zone épi N- (ou capacitéde l'oxyde) -Cgd2 =Capacitéde la zone déserte dans N- (qui dépend fortement de la tension V) Cds Zone déserte Cgd1 Cgd2 C : capacité entreles surfaces en regard des métallisation de rille et de source -ne varie pas avec la tension N- C : capacité de la jonction N rain Capacitance [pf) V [V] CARACTERITIQUE YNAMIQUE UTILIATION E LA CHARE E RILLE V (V) V et I spécifiés V(on) spécifié tps Qg (nc) 0 t1 Q1 t2 Q2 t3 Q3 our prendre en compte les variations des capacités, il suffit de s intéresser simplement à la charge totale de la grille. Méthode de caractérisation: - courant de grille I constant - courant de drain nominal (I ) - tension rain-ource = 80 % de V. Intérêt de I constant: le relevé V (tps) correspond à unecourbe V (Q): t1=q1/ig t2=q2/ig t3=q3/ig On peut remonter facilement à la valeur de la capacité équivalente: I = C x V / t => C= Qg / V 10

11 CARACTERITIQUE YNAMIQUE UTILIATION IRECTE E LA CHARE E LA RILLE: UIANCE IIEE AN LE CIRCUIT E COMMANE Vgs (V) +Vcc LOA V max V(plateau) V(Miller) 0 W1 W2 Qg total Energie stockée dans Ciss à l amorçage Qg (nc) T1 Rs T2 - La zone W2 représente l'énergie stockée dans lacapacitéde grille (Ciss) Cette énergie sera dissipée au blocagedans la résistance de source (Rs) et le transistor T2 - La zone W1représente l'énergie dissipée à lafermeture, dans Rs et le transistor T1. - L'énergie totale fournie par le circuit de commande est : Wdr = Qgtotale.Vmax ( Vmax=Vcc) - A lafréquence de commutation F, la puissance dissipée dans cecircuit est: =Wdr.F CARACTERITIQUE YNAMIQUE EXLICATION E L ALLURE E LA CHARE E LA RILLE V I Vdd Io Vdd Io I V Ig Cgd V(Mil) V(th) V(on) Cgs V V t0 t1 t2 t3 t4 t Q1 Q2 Q3 Q4 (pour Ig=cte) Q t0 à t1: le courant de grille charge les capa Cgs et Cgd (Ciss). La tension V monte linéairement jusqu'au seuil V (th). t1 à t2: le courant de drain I commence à circuler (régime de "saturation" ): I = F (V - V (th) ) t2 à t3: la tension V commence à décroître (la diode roue-libre ne conduit plus) pente dv /dt = dv /dt = Ig/Cgd ( =Ig/Cgd2) t3 à t4: la tension V est voisine de zéro et lacapacitéc croît brusquement (#Cdg1). La tension V diminue plus lentement (tension de queue). On est en régime "ohmique". t > t4: la tension V a atteint V (on) = R (on) xi ; la tension V continue d'augmenter (charge des capacités Cdg et Cgs ). lateau Vgs (t2 à t4): le circuit de grille doit fournir la charge de Crss: Q=Crss.(Vdd-Vds(on)). endant cette période lacapacité d'entrée apparaît comme infinie. La tension aux bornes n'augmente pratiquement pas. C'est l'effet MILLER. 11

12 CARACTERITIQUE YNAMIQUE TEM E COMMUTATION - AMORCAE V1 Vdd V I ON I R Crss V V OFF V Ciss V(plateau) t td(on) t RI t FV td(on) = temps de retard à l amorçage C'est le temps nécessaire à la tension V pour atteindre la tension de seuil [V (th) ] V = V1( 1-exp[-t/(R.Ciss)] ) V =V (th) au temps t=td(on): td(on)= R.Ciss.ln [V1/(V1-V (plateau) )] t RI = temps demontée du courant C'est le temps nécessaire pour charger Ciss du V pour atteindre le courant de charge I. our une source de courant I : di / dt = I x F / Ciss. t FV = temps de descente de la tension - C'est le temps nécessaire pour décharger la capacité Miller (Crss) de Vdd à -V1. our une source de courant ou une R : tr=qg /Ig avec Ig=V1-V(plateau)/ R CARACTERITIQUE YNAMIQUE TEM E COMMUTATION - BLOCAE V1 Vdd I V ON I R Crss V V OFF V Ciss V(plateau) t td(off) t RV t FI td(off) = temps de retard au blocage C'est le temps nécessaire à la tension V pour redescendreà la tension de plateau. V = V1exp[-t/(R.Ciss)] V =V (plateau) au temps t=td(off): td(off)= R.Ciss.ln [V1/V (th) ] t RV = temps demontéede la tension (en g al de 10% à 90% de Vdd): C'est le temps nécessaire pour charger lacapacitémiller (Crss) de -V1 à Vdd. our unesource de courant ou une R : tr=qg /Ig avec Ig=V(plateau)/ R (tps + long qu à l amorçage) t FI = temps dedescentedu courant C'est le temps nécessaire pour décharger Ciss du V pour atteindre le V (th). our unesource de courant I : di / dt = -I x F /Ciss. 12

13 CARACTERITIQUE YNAMIQUE TEM E COMMUTATION & ERTE V V Id2 Vdd1 V(plateau) Id1 V(plateau) Vdd2 t0 Augmentation du courant de rain (Id2 > Id1) t, Q t0 t, Q Augmentation de V C (Vdd2 > Vdd1) Influence Rg (ON & OFF): La rapidité de commutation est liée aux temps de charge et décharge de Ciss et Crss. Avec une R faible, les temps de commutation seront plus courts. Les pertes seront donc réduites. Inconvénient R faible: courant et pertes de recouvrement + perturbations Electromagnétiques. Influence V et I : lus la tension et le courant à commuter sont importants, plus les temps de commutation sont longs. Les pertes maximales apparaissent donc bien à V et I maximaux. Choix du MO: La charge de Crss est prépondérante dans les pertes => Intérêt des structures MEH ou TRENCH. V1 V CARACTERITIQUE YNAMIQUE ERTE CAACITIVE A L AMORCAE V Vdd ON I écharge de Coss Rg V Coss OFF t La capacité équivalentede sortie participe defaçon importanteaux pertes de puissance: A l amorçage, la capacité Coss sedécharge dans le transistor et l'énergie dissipée est alors: (Won) C = 1/2Coss.V ² Remarque: Les pertes augmentent avec la tension et la fréquence. Compromis dans les applications haute fréquenceet haute tension: la taille de la puce à utiliser. : Coss : Ron et on et cond 13

14 ALICATION ALICATION CIRCUIT E COMMANE E RILLE Exemple 1 : montage push -pull avec 2 transistors bipolaires +Vcc LOA 15V (max) 0 ON OFF Rg1 Rg2 Z Les résistances R1 et R2 permettent decontrôler, indépendamment, le di/dt à lafermeture et à l'ouverture (Réduction du bruit et des surtensions rain-ource). Attention : Une impédancedu circuit de commande trop élevée (R2) augmenteles risques de miseen conduction par dv/dt (variations rapides de la tension de drain transmisepar la capacité Crss). Une valeur minimum est par ailleurs recommandée pour éviter des risques d'oscillations ( R>5Ω) La diode zénerz protège la grille contre d'éventuelles surtensions (E). 14

15 ALICATION CIRCUIT E COMMANE E RILLE Exemple 2 Exemple 3 +V +V +Vcc (10/12 V) LOA +5V LOA Rg Rg 0 ON OFF TTL /MO Z 0 ON OFF TTL /MO Z MOFET tandard " Logic Level " MOFET ALICATION CIRCUIT E COMMANE E RILLE ECIFIQUE V1 Vdd IL V I I ON I R Crss V V OFF V Ciss t Avec unerésistance de rille V I On peut acélérer la charge de Crss (pas d influence sur le di/dt et donc sur le Recouvrement) => Réductions pertes comme sur un TRENCH. I V t 15

16 ALICATION OMAINE ALICATION - Automobile (MO basse tension): remplacement relais - Alimentations à découpage ( M): toutes topologies. - Eclairage (ballast électronique haut de gamme, transformateurs "électroniques"). - Commandes de moteurs (ventilateurs 12 V pour C). ALICATION AUTOMOBILE - Critères de Choix des MO Basse tension : omaine de "prédilection" pour les MO (compromisv & R (on) ) Utilisation du MOFET en relais statique : - lus fiable queles relais mécaniques. - Facile à commander. - Faible énergie de commande. - ossibilité de protection en courant (surcharges / courts-circuits) ALICATION : Commande demoteurs continus (tous types) Commande delampes Commande "actuators" divers. 16

17 ALICATION AUTOMOBILE + 12v (BATTERIE) + 12v (BATTERIE) + 12v (BATTERIE) LOA Commande "flottante" +V OFF 0 ON MOFET Canal +V ON 0 OFF LOA LOA Interrupteur coté masse ( Low side witch) Interrupteur coté Alimentation (High side witch) Avec MOFET canal N Interrupteur coté Alimentation (High side witch) Avec MOFET canal La configuration "High ide" est généralement obligatoire dans l'automobile. Le moins (-) de la batterie est relié au chassis, ainsi quetoutes les charges. L'idéal serait d'utiliser des MOFETs canal (Coût!). Circuit de commande simple depuis la masse (?) La miseen œuvre de MOFET canal N nécessiteun circuit de commande "flottant " et la génération d'une tension de grille > à la tension de batterie. On utilisera par exemple: - Circuit à "pompe de charge" (ou pompe à diodes). - Circuit "bootstrap". ALICATION COMMANE E MOTEUR Exemples de configurations: + Valim + Valim + Valim M T3 T3 et T2 "ON" T4 M WM iode Roue-libre M T1 et T4 "ON" T1 T2 Variateurde vitesse (HACHEUR) Moteur continu Inversion de sens de rotation (ont en H) (avec ou sans contrôle de vitesse) (ont en H) Moteur continu Autopilotage & Contrôle moteur ( onduleur triphasé ) Ex: Moteur continu à aimant permanent sans balai ( M brushless C motor ) Ex: ventilateur Ex: lève-vitre Ex: ventilateur brushless (2-ϕ) 17

18 ALICATION REREEMENT YNCHRONE - Ex: FLYBACK M M M M M M I Vin Np Ns I C Vout V M M M M M M td ON td OFF V ON Utilisation d un MO au lieu d une diode: -utilisation de la conduction inverse du MO -pour réduire les pertes, il faut réduire au maximum td ON et td OFF -ne pas oublierles pertes de commande! CONCLUION A retenir... - omaine de prédilection: < 100 V - Compromis Tenue en tension / R (on) - as de porteurs minoritaires - Composant adapté pour la Haute-Fréquence - Temps de commutations surtout limités par Crss et le circuit de grille. - Commande en tension - Courant de grille + ou -, juste à la charge ou décharge de Ciss - ertes de commande négligeable (attention à la très haute fréquence: Tr.Bip) - Evolution constante des technologies - MECHFET - TRENCHFET 18