Новые технологии STMicroelectronics в MOSFET

25 марта 2013

Одной из характерных черт современной полупроводниковой силовой электроники является постоянное повышение плотности энергии — увеличиваются рабочие напряжения, токи и рабочие частоты при уменьшении габаритов изделий и увеличении энергоэффективности. Это ставит производителей перед необходимостью постоянно совершенствовать технологии производства полупроводниковых изделий. Одними из ключевых компонентов для управления и преобразования электрической энергии являются полевые транзисторы, от которых требуются низкие потери на переключение, низкие потери проводимости и высокая эффективность рассеивания излишнего тепла.

Компания STMicroelectronics постоянно совершенствует технологии производства транзисторов для высоковольтных и низковольтных приложений. Ассортимент силовых транзисторов STMicroelectronics включает MOSFET-транзисторы для работы с напряжениями 500…1500 В, IGBT-транзисторы с предельными напряжениями 350…1300 В, а также широкий спектр биполярных транзисторов [1].

Портфолио MOSFET-транзисторов STMicroelectronics включает в себя p- и n-канальные транзисторы с рабочими напряжениями до 1500 В с малой емкостью затвора и низким сопротивлением открытого канала, представленные в более чем тридцати вариантах корпусов различного способа монтажа (TO-220, TO-220FP, I2PAK, D2PAK, I2PAKFP, DPAK, IPAK, TO-247, Max247, PowerFLAT и др.).

Спектр технологий компании ST для производства транзисторов представлен на рисунке 1 [2].

 

Спектр технологий производства транзисторов

 

Рис. 1. Спектр технологий производства транзисторов

Система маркировки MOSFET-транзисторов STMicroelectronics, представленная на рисунке 2 [2], позволяет получить основную информацию о компоненте — максимальные рабочие токи, напряжение пробоя, тип канала и технология изготовления.

 

Система маркировки MOSFET-транзисторов STMicroelectronics

 

Рис. 2. Система маркировки MOSFET-транзисторов STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics постоянно работает над совершенствованием технологий производства. Это касается и такого большого сегмента рынка, как силовые транзисторы (силовые MOSFET). При этом переход на каждую из новых технологий дает достаточно существенное улучшение характеристик. Одним из ключевых показателей является сопротивление транзистора во включенном состоянии (сопротивление «исток-сток», RDS(ON)), чаще фигурирующее в нормализованном виде, т.е. помноженное на площадь кристалла транзистора, RDS(ON)S.

В начале 2000-х годов STMicroelectronics представила на рынок технологию «Super Junction MOSFET». Базовая структура транзистора данной технологии представлена на рисунке 3 [3]. Основная идея технологии заключается в том, что исток разбит на отдельные области, связанные металлическими переходниками.

 

Структура транзистора технологии SuperJunction MOSFET

 

Рис. 3. Структура транзистора технологии SuperJunction MOSFET

Нормализованное сопротивление открытого канала, RDS(on)S (площадь транзистора) и напряжение пробоя связаны между собой и представляют так называемый «теоретический предел», зависящий от материала транзистора (рисунок 4). Усилия разработчиков были направлены на приближение RDS(on)S к теоретическому пределу за счет снижения RDS(on).

 

Зависимость RDS(on) от напряжения пробоя

 

Рис. 4. Зависимость RDS(on) от напряжения пробоя

Увеличение плотности размещения областей стока позволило существенно снизить сопротивление эпитаксиального слоя и самого канала, и уменьшить его протяженность. Однако для получения требуемого напряжения пробоя необходимо увеличивать площадь кристалла, что негативно сказывается на частотных характеристиках транзистора. Теоретический предел технологии Super Junction MOSFET также представлен на рисунке 4 [3].

Развитием технологии SuperJunction явилась концепция MDmesh, воплощенная компанией в нескольких последующих поколениях транзисторов. Она заключается в следующем: в тело стока встраиваются протяженные p-области в виде полос (рисунок 5) [2].

 

Сравнение структуры транзисторов в технологиях SuperJunction и MDmesh

 

Рис. 5. Сравнение структуры транзисторов в технологиях SuperJunction и MDmesh

Это позволяет снизить сопротивление эпитаксиальной n-области без снижения напряжения пробоя, а также — активное сопротивление канала. Геометрия полос и чередование p- и n-областей позволяет получить постоянную напряженность электрического поля во всем объеме стока, несмотря на низкое сопротивление проводящей области [2, 3].

Технология MDmesh позволяет вплотную приблизиться к идеальному теоретическому пределу для кремния (рисунок 4).

Дальнейшее развитие технологии связано с оптимизацией трехмерной структуры транзистора. Таким образом, следующее поколение транзисторов технологии MDmesh II обладает примерно на 40% меньшим показателем RDS(ON)S (среднее значение 30мОмсм2), чем транзисторы первой версии. Дальнейшее уменьшение размеров полос p-вставок и уменьшение расстояния между ними в технологии MDmesh V дало снижение RDS(ON)S на 40% по сравнению с MDmeshII. Устойчивое снижение RDS(ON)S от технологии к технологии иллюстрирует рисунок 6 [3].

 

Снижение RDS(on) по мере развития технологий производства

 

Рис. 6. Снижение RDS(on) по мере развития технологий производства

По сравнению с предыдущей транзисторной технологией MDmesh II, в технологии MDmesh V изменена структура вставок, уменьшен шаг их следования, применен более эффективный диффузионный процесс, повышен уровень легирования n-области.

Снижение сопротивления канала в транзисторах технологии MDmesh V позволяет существенно снизить потери в схемах коррекции коэффициента мощности и в первичных преобразователях напряжения питания. Это, в свою очередь, позволяет повысить эффективность преобразователей и корректоров, уменьшить габариты устройств за счет меньших размеров радиаторов и уменьшения площади печатной платы.

В каждой из технологий производства транзисторов компания STMicroelectronics представляет серии на различные диапазоны напряжений, высоковольтные версии транзисторов, а также транзисторы с диодами с малым временем восстановления.

Некоторые параметры транзисторов STMicroelectronics различных технологий представлены в таблицах 1…7.

Таблица 1. Параметры транзисторов технологии SuperMesh3  

Максимальное
напряжение, UDSS, В
Максимальное напряжение
открытого канала, RDS(ON), Ом
Наименование Тип корпуса
450   3,5   STx3N45K3 SOT-223/SO-8/IPAK  
525   2,6   STx4N52K3 TO-220/FP/TO-247/DPAK  
1,5   STx5N52K3 TO-220/FP/DPAK/D2PAK/IPAK  
1,2   STx6N52K3 TO-220/FP/DPAK/D2PAK  
0,98   STx7N52K3 TO-220/FP/DPAK/D2PAK  
1,15   STx7N52DK3 TO-220/FP/DPAK  
620   3   STx2N62K3 TO-220/FP/DPAK/IPAK  
2,5   STx3N62K3 TO-220/FP/DPAK/D2PAK/IPAK/I2PAK  
2,0   STx4N62K3 TO-220/FP/DPAK/D2PAK/IPAK/I2PAK/PowerFLAT_5x6  
1,6   STx5N62K3 TO-220/FP/DPAK/D2PAK/IPAK  
1,28   STx6N62K3 TO-220/FP/DPAK/D2PAK/IPAK/I2PAK/PowerFLAT_5x6_HV  
0,75   STx10N62K3 TO-220/FP/I2PAK  
0,38   STx17N62K3 TO-220/FP/TO-247  
650   1   STx10N65K3 TO-220/FP  

 

Таблица 2. Параметры транзисторов технологии MDmesh II  

Максимальное
напряжение, UDSS, В
Максимальное напряжение
открытого канала, RDS(ON), Ом
Наименование Тип корпуса
500   0,790   STx8NM50N DPAK/TO-220/TO-220FP  
0,630   STx10NM50N DPAK/TO-220/TO-220FP  
0,470   STx11NM50N DPAK/TO-220/TO-220FP  
0,320   STx14NM50N D2PAK,DPAK/TO-220/TO-220FP  
0,250   STx19NM50N D2PAK-TO-247-TO-220/FP  
0,190   STx23NM50N D2PAK-TO-247-TO-220/FP  
0,158   STx28NM50N D2PAK-TO-247-TO-220/FP  
0,043   STW60NM50N TO-247  
0,022   STY105NM50N Max247  
600   0,900   STx7NM60N DPAK/TO-220/TO-220FP  
0,745   STx9NM60N   DPAK/TO-220/TO-220FP  
0,550   STx10NM60N DPAK/TO-220/TO-220FP  
0,600   STx10NM60ND DPAK/TO-220/TO-220FP  
0,360   STx13NM60N DPAK/TO-220/TO-220FP  
0,285   STx18NM60N D2PAK-TO-247-TO-220/FP  
0,220   STx22NM60N D2PAK-TO-247-TO-220/FP  
0,190   STx24NM60N D2PAK-TO-247-TO-220/FP  
0,165   STx26NM60N D2PAK-TO-247-TO-220/FP  
0,105   STX34NM60N D2PAK-TO-247-TO-220FP  
0,110   STx34NM60ND TO-247-TO-220  
0,070   STW48NM60N TO-247  
0,060   STW56NM60N TO-247  
0,049   STW62NM60N TO-247  
0,029   STY100NM60N Max247  
650   0,410   STx11NM65N TO220/FP/DPAK  
0,350   STx15NM65N TO-220  
0,250   STx20NM65N TO-220  

 

Таблица 3. Параметры транзисторов технологии MDmesh V  

Максимальное
напряжение, UDSS, В
Максимальное напряжение открытого канала, RDS(ON), Ом Наименование Максимальный
постоянный ток, Id, А
Тип корпуса
550   0,080   STx36N55M5 29   TO-220/TO-220FP/D2PAK  
0,100   STx32N55M5 25   TO-220/TO-220FP/D2PAK/I2PAK/TO-247  
0,240   STx18N55M5 14   TO-220/TO-220FP/D2PAK/DPAK  
650   0,017   STY139N65M5 130   Max247  
0,029   STx88N65M5 84   TO-247  
0,045   STW69N65M5 60   TO-247/TO-3P  
0,059   STx60N65M5 45   TO-247/TO-3PF  
0,063   STx57N65M5 42   TO-220/TO-220FP/D2PAK/I2PAK/TO-247  
0,078   STx45N65M5 31   TO-220/TO-220FP/D2PAK/TO-247  
0,110   STx34N65M5 29   TO-220/TO-220FP/D2PAK/TO-247  
0,148   STx31N65M5 22   TO-220/TO-220FP/D2PAK/I2PAKFP/TO-247  
0,190   STx20N65M5 18   TO-220/TO-220FP/I2PAKFP/TO-247  
0,220   STx18N65M5 15   TO-220/TO-220FP/D2PAK/DPAK  
0,340   STx15N65M5 11   TO-220/TO-220FP/I2PAKFP/DPAK  
0,480   STx11N65M5 9   TO-220/TO-220FP/I2PAK/DPAK/IPAK  
1,200   STL3N65M5 2.5   PowerFLAT  

 

Таблица 4. Параметры транзисторов технологии FDmesh II с диодами с малым временем восстановления  

Максимальное
напряжение, UDSS, В
Максимальное напряжение открытого канала, RDS(ON), Ом Максимальный заряд паразитной емкости диода, Qrr, мкКл Наименование Тип корпуса
500   0,380   <1   STx12NM50ND   DPAK/D2PAK  
600   0,700   <1   STx8NM60ND   DPAK/TO-220/FP  
0,450   <1   STx11NM60ND   DPAK/TO-220/FP  
0,299   <1   STx15NM60ND   D2PAK/TO-220/TO-247  
0,220   <1   STx21NM60ND   D2PAK/TO-220/TO-247  
0,180   <2   STx23NM60ND   D2PAK/TO-220/TO-247  
0,160   <2   STx25NM60ND   D2PAK/TO-220/TO-247  
0,130   <2   STx30NM60ND   D2PAK/TO-220/FP/TO-247  
0,110   <2   STx34NM60ND   TO-220/TO-247  
0,088   <2   STx43NM60ND   D2PAK/TO-220/FP/TO-247  
0,060   <2   STW55NM60ND TO-247  
0,085   <2   STW48NM60ND   TO-247  
0,060   <2   STW56NM60ND   TO-247  
650   0,067   <2   STW53NM65ND   TO-247  
0,065   <2   STW54NM65ND   TO-247  
0,057   <2   STW62NM65ND   TO-247  

 

Таблица 5. Параметры транзисторов технологии FDmesh V с диодами с малым временем восстановления 

Максимальное
напряжение, UDSS, В
Максимальное напряжение открытого канала, RDS(ON), Ом Наименование Тип корпуса
650   0,031   STW88N65DM5   TO-247  
0,085   STP/W/B57N65DM5   D2PAK/TO-220/TO-247  
0,230   STD18N65DM5   DPAK/TO-220FP/TO-220  

 

Таблица 6. Параметры высоковольтных транзисторов VHV   

Максимальное
напряжение, UDSS, В
Наименование Максимальное напряжение
открытого канала, RDS(ON), Ом
Тип корпуса
1500   STW9N150 2,5   TO-247  
STx4N150 7   TO-247/TO-3PF/TO-220/H2PAK  
STx3N150 9   TO-247/TO-3PF/TO-220/H2PAK  
1700   STx3N170* 13   TO-247/TO-3PF/TO-220  

 

Таблица 7. Высоковольтные транзисторы SuperMesh V  

Максимальное
напряжение, UDSS, В
Максимальное напряжение
открытого канала, RDS(ON), Ом
Наименование Тип корпуса
800   1,2   STx7N80K5 TO-220/FP/DPAK/PowerFLAT  
  0,95   STx8N80K5 TO-220/FP/I2PAKFP/DPAK/PowerFLAT  
  0,375   STx12N80K5 TO-220/FP/D2PAK/TO-247  
  0,260   STx25N80K5 TO-220/TO-220FP/TO-247  
850   0,275   STx23N85K5 PowerFLAT/TO-247  
900   0,299   STx21N90K5 TO-220/TO-220FP/TO-247/D2PAK  
950   1,25   STx6N95K5 IPAK/DPAK/TO-220/TO-220FP/TO-247  
  0,330   STx20N95K5 TO-220/TO-220FP/TO-247/D2PAK  
1200   0,690   STx12N120K5 TO-220/TO-3PF/TO-247  

Для некоторых серий одного и того же эшелона напряжений и токов сопротивление канала транзисторов технологии MDmeshV оказывается существенно ниже, что при прямой замене аналогичных по напряжению и токам транзисторов может дать неплохой выигрыш за счет сокращения потерь проводимости. Помимо этого, транзисторы технологии MDmesh V обладают меньшими потерями на переключение по сравнению с аналогами.

Улучшение характеристик транзисторов дает и заметное улучшение характеристик схем на их основе. К примеру, возьмем отладочную плату корректора коэффициента мощности STEVAL-ISF001V1 [4], работающего по методу фиксированного времени выключенного состояния.

Применение в отладочной плате транзистора STW88N65M5 дает прирост эффективности на несколько десятых процента (цифра может показаться малой, но речь идет о мощностях 500…2000 Вт, и при длительной непрерывной работе экономия будет ощутимой). Что не менее важно, снижается рабочая температура транзистора при работе под нагрузкой. Особенно это заметно при больших мощностях [2].

Транзисторы технологии FDmesh разработаны специально для схем мостовых преобразователей, выпрямителей и прекрасно подходят для импульсных высокочастотных схем. Обладают малым временем восстановления диода, высокой скоростью нарастания напряжения на выходе (dU/dt).

Одним из примеров таких схем является схема инверторов для солнечных батарей.

Транзисторы технологии FDmesh V рассчитаны на применение в импульсных источниках питания, инверторах, преобразователях напряжения, в том числе — в источниках альтернативной энергии (ветрогенераторы, солнечные батареи).

Высоковольтные транзисторы технологии SuperMesh V при крайне низком сопротивлении канала обладают рабочими напряжениями до 1200 В. Доступен широкий выбор компактных корпусов, в том числе — корпусов для поверхностного монтажа, включая новые корпуса FlatPOWER.

 

Заключение

Вариация рабочих параметров и корпусных исполнений транзисторов STMicroelectronics позволяет подобрать оптимальное решение для любого диапазона рабочих напряжений и областей применения. Эти транзисторы применяются в преобразователях напряжения, корректорах коэффициента мощности, импульсных источниках питания, автомобильном оборудовании.

Компания КОМПЭЛ, совместно с STMicroelectronics, выводит на массовый рынок аналоги [6] (таблица 8) широко используемых полевых транзисторов таких производителей, как:

  • International Rectifier,
  • Infineon,
  • Vishay,
  • ON Semiconductor,
  • Fairchild.

Таблица 8. Аналоги популярных MOSFET-транзисторов от STMicroelectronics   

Транзисторы ST Аналоги других производителей
Infineon NXP Fairchild ONS Vishay IR
STB120NF10T4         FDB3632              
STB14NK50ZT4         FDB15N50       IRF840SPBF      
STB30NF20                     IRFS31N20D  
STB6NK60ZT4                        
STB75NF75T4         FDB16AN08A0       SUB75N08-10   IRF2807S  
STB80N20M5                        
STD20NF06LT4             NTD20N06L          
        NTD20N06LT4G      
STD20NF20     PSMN130-200D               IRFR4620PBF  
STD2HNK60Z                 IRFRC20PBF      
STD2HNK60Z-1                 IRFUC20      
STD30NF06LT4                     IRLR2905PBF  
STD30NF06T4             NTD32N06       IRFR1205PBF  
STD3NK50Z-1             NDD03N50Z-1G   IRFU420PBF      
          IRFU420APBF    
STD3NK50ZT4                 IRFR420PBF      
          IRFR420APBF    
STD5N52K3                 IRFR430PBF      
          IRFR430APBF    
STD5NK40Z-1                 IRFU320PBF      
STD5NK40ZT4                 IRFR320TRPBF      
STD5NK50ZT4                        
STD60NF06T4                     IRFR3806  
            IRFR2405  
STF18NM80 SPA17N80C3                      
STF19NF20         FQPF19N20       IRFI640GPBF      
STP4NK80Z                 IRFBE30      
STP5N52K3                 IRF830PBF      
STP6N62K3                 IRFBC40      
          IRFBC40A    
STW18NM80 SPW17N80C3                      
STW19NM50N SPW16N50C3               IRFP23N50L      
          IRFP22N50A    
          IRFP460N    

Ценовая политика STMicroelectronics и превосходные параметры производимых ею MOSFET-транзисторов во многих случаях способны склонить чашу весов в свою сторону.

 

Литература

1. Power MOSFETs — STMicroelectronics// http://www.st.com/web/en/catalog/sense_power/FM100/CL824

2. Maurizio Giudice. ST High Voltage Power MOSFET// http://www.compel.ru/wordpress/wp-content/uploads/2012/04/HV-Power-MOSFET.pdf  

3. AN3994 — Application note. Managing the best in class MDmeshTM V and MDmeshTM II super junction technologies: driving and layout key notes// http://www.arroweurope.com/nc/about-arrow/download-center.html?jumpurl=fileadmin%2Fuser_upload%2Fdownload%2FEvent%2520documents%2F2012-01_-_Hardware_Forum%2FAN3994.pdf&juSecure=1&locationData=72%3Att_content%3A3795&juHash=573b3054cc  

4. AN2951. Application note 3 kW fixed-off-time (FOT) power factor correction// http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/application_note/CD00228417.pdf?s_searchtype=keyword  

5. AN2794 Application note 1 kW dual stage DC-AC converter based on the STP160N75F3// http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/application_note/CD00201961.pdf?s_searchtype=keyword

6. Аналоги популярных MOSFET от STMicroelectronics// http://www.compel.ru/2012/10/12/aktsiya-analogi-populyarnyih-mosfet-v-roznitsu-po-optovyim-tsenam/.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: power.vesti@compel.ru

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее