Power MOSFET

Zwei Leistungs-MOSFETs im SMD-Gehäuse D2PAK. Diese FETs können einen Strom von 30 A schalten.

Ein Leistungs-MOSFET (engl. Power MOSFET) ist eine spezialisierte Version eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET), der für das Leiten und Sperren von großen elektrischen Strömen und Spannungen optimiert ist (bis mehrere hundert Ampere und bis ca. 1000 Volt, bei einem Bauteilvolumen von ca. einem Kubikzentimeter).

Leistungs-MOSFETs unterscheiden sich von bipolaren Leistungstransistoren sowohl in der Funktionsweise als auch in der Effizienz. Einige Vorteile von Leistungs-MOSFETs sind die schnelle Schaltzeit, kein zweiter Durchbruch und stabile Verstärkungs- und Antwortzeiten. Ab einer Strombelastbarkeit von etwa 1 A wird ein MOSFET den Leistungs-MOSFETs zugeordnet.

Historie

Ein Antrieb zur Entwicklung der Power MOSFETs waren die Schwächen der bis dahin dominierenden bipolaren Leistungstransistoren (engl.: bipolar power junction transistor, BJT). Bipolartransistoren benötigen z. B. hohe Steuerströme bis ca. 1/5 des Laststromes, während Leistungs-MOSFETs im ein- bzw. ausgeschalteten Zustand prinzipiell keinen Steuerstrom benötigen.

Physikalische Funktionsweise

Leistungs-MOSFETs arbeiten nach dem gleichen physikalischen Prinzip wie die in integrierten Schaltkreisen verwendeten MOSFETs, sie unterscheiden sich jedoch durch andere geometrische Formen und Dimensionen. Die hohe Leistungsdichte wird durch eine raster- oder wabenartige Halbleiterstruktur erreicht, die einer Parallelschaltung von Tausenden einzelner MOSFETs entspricht.

Der Aufbau des Leistungs-MOSFETs entspricht dem des MOSFETs – allerdings ergeben sich zahlreiche Besonderheiten. Im Gegensatz zum Signaltransistor der Nachrichtentechnik ist die Anordnung von Source und Drain vertikal. In der Halbleiterstruktur von Gate, Drain und Source entstehen in einem MOSFET zahlreiche parasitäre Elemente, wie z. B. Widerstände, Kapazitäten und Dioden. In der Leistungselektronik muss diesen parasitären Elementen besondere Beachtung geschenkt werden. Die enthaltenen Kapazitäten müssen bei jedem Schaltvorgang umgeladen werden, was besonders bei hohen Schaltfrequenzen zu erheblichen Schaltverlusten führt. Die prinzipbedingt immer mitenthaltene Diode, die im Normalbetrieb in Sperrrichtung geschaltet ist, kann wie eine zu Drain-Source parallelgeschaltete Diode schaltungstechnisch ausgenutzt werden. Je nach Anforderung müssen noch weitere Effekte berücksichtigt werden.

Es gibt hauptsächlich zwei Typen von Leistungs-MOSFETs – die DMOS- und die VMOS-Struktur. Beide besitzen eine große Drain-Drift-Region, welche das Bauteil gegen Durchbruch bei hohen Sperrspannungen schützt.

DMOS-Feldeffektransistor

Schematischer Aufbau (Querschnitt) von zwei parallel geschalteten Elementen eines n-Kanal-DMOSFETs

Quadratische Struktur einer DMOS-Zelle

MOSFETs dieses Strukturaufbaus werden durch Doppelimplantation der Kanalstruktur hergestellt und als DMOSFET (double-diffused metal-oxide semiconductor field effect transistor) bezeichnet.^[1][2] Beim NMOS-Typ befindet sich der Kanal im schmalen p-Gebiet unterhalb der Gate-Elektrode, siehe Bild.

Für Leistungs-MOSFETs sind Transistoren mit großem Verstärkungsfaktor und kleinem Durchlasswiderstand erforderlich. Mit DMOS lässt sich das durch eine große Kanalweite und Parallelschaltung erreichen und zwar in kompakter Weise auf Chip-Ebene. Es existieren primär quadratische (z. B. SIPMOS) und hexagonale (z. B. HEXFET) Strukturen. Die Source-Elektrode befindet zu oberst als großflächige Schicht, darunter vergraben die Gate-Elektrode.

Eine Besonderheit des DMOSFETs ist, u. a., dass er im Rückwärtsbetrieb (V_DS < 0) keine Sperrfähigkeit aufweist. Die Inversdiode des p-n-Überganges zwischen Basis und Kollektor des parasitären npn-Bipolartransistors befindet sich dann in Flusspolung. Dies wird beim Schalten induktiver Lasten ausgenutzt, hier kann die Inversdiode als Freilaufdiode wirken und so durch Kurzschluss die beim Abschalten der induktiven Last entstehenden hohen Spannung verhindern. Es muss jedoch beachtet werden, dass die Inversdioden bei Mosfets für höhere Sperrspannungen deutlich höhere Sperrverzugsladungen und Schaltverluste aufweisen als herkömmliche schnelle Dioden. Auch wenn besondere Techniken verwendet werden, um das Verhalten der Inversdiode zu verbessern, sind diese Dioden immer noch um einen Faktor von ca. 3 schlechter als separate schnelle Dioden. Die Verwendung der Inversdiode bei Mosfets mit Sperrspannungen > 200 V in Anwendungen zum Schalten induktiver Last mit hoher Frequenz ist daher oft nicht möglich.

Anwendungen

Leistungs-MOSFETs werden häufig in Verstärkerschaltungen, als stromlos steuerbarer Schalter und als schneller Schalter für die Pulsweitenmodulation eingesetzt, z. B. in Wechselrichtern, Schaltnetzteilen, DC/DC-Wandlern, Motorsteuerungen.

Bei Schaltanwendungen ist die schnelle Strom-Anstiegszeit von MOSFETs von Vorteil. Damit lassen sich die Umschaltverluste senken.

Induktive Lasten erzeugen beim Schaltvorgang große Spannungsspitzen, gegen die der Leistungs-MOSFET, wie auch andere Halbleiterschalter, geschützt sein muss. Dieser Schutz kann jedoch bei MOSFET im Bauteil selbst erreicht werden, indem der Avalancheeffekt beim Durchbruch kontrolliert abläuft, ohne die Bauelementstrukturen partiell zu überhitzen. Oft ist jedoch dennoch eine zusätzliche externe Beschaltung (Snubber) notwendig.

Leistungs-MOSFETs müssen wie auch andere Leistungshalbleiter bei hohen Leistungen gekühlt werden. Da der Kanalwiderstand mit steigender Temperatur ansteigt, erhöht sich bei unzureichender Kühlung die Verlustleistung zusätzlich, dadurch kann es zu einem sog. thermal runaway (thermisches Durchgehen) kommen. Überdies vertragen MOSFET-Strukturen nur geringere maximale Temperaturen als bipolare Strukturen (ca. 125…150 °C gegenüber 150…180 °C). Der mit steigender Temperatur ansteigende Bahnwiderstand erweist sich bei der Parallelschaltung mehrerer MOSFET jedoch als Vorteil: er sorgt für eine gleichmäßige, selbststeuernde Stromaufteilung auf alle Bauteile. Emitterwiderstände zur Stromaufteilung, wie sie bei Bipolartransistoren erforderlich sind, können entfallen.

Kenngrößen

Ein Leistungs-MOSFETs muss in seinem spezifizierten sog. sicheren Arbeitsbereich (engl. safe operating area, SOA) arbeiten. Wie bei bipolaren Leistungstransistoren ist der sichere Arbeitsbereich durch drei Kenngrößen bestimmt:

• Maximaler Drain-Strom $\,I_{D,max}$
• Durchbruchspannung $\,BV_{DSS}$ (auch $\!\,U_{Br}$) und die dadurch vorgegebene maximale Sperrspannung
• Maximale Verlustleistung $\,P_T = V_{DS} \cdot I_D$

weitere wichtige Kenngrößen:

• Minimaler Durchgangswiderstand $\,R_{DS(on)}$
• Maximal zulässige Energie beim Avalanche-Durchbruch
• Ladungsmenge Q_g, die für das Ein- und Ausschalten notwendig ist (Ansteuerverluste)
• max. Spannungsänderungsgeschwindigkeit dV / dt

Anders als Bipolartransistoren vertragen MOSFET sehr hohe Werte für die Spannungsänderungsgeschwindigkeit, sie müssen nicht durch Snubber-Glieder dagegen geschützt werden. Auch der sogenannte zweite Durchbruch (Zerstörung durch kleine Ströme bei Spannungen unterhalb der Sperrspannung) tritt bei MOSFET nicht auf, sofern die Verlustleistung nicht überschritten wird.

Weiterentwicklung

Heutzutage wird in den meisten Fällen der Drain-Source-Durchlasswiderstand $\!\,R_{DS(on)}$ (engl. on-state resistance) bei einer vorgegebenen Durchbruchspannung $\!\,U_{Br}$ als Qualitätsmerkmal von Leistungs-MOSFETs betrachtet. Bei der Reduzierung des Durchlasswiderstandes erzielten die Halbleiterhersteller in den späten 1990ern große Fortschritte. Grundsätzlich gilt bei gegebener Chipfläche: je größer die maximale Sperrspannung des MOSFET, desto größer ist sein Durchlasswiderstand.

Der spezifische Einschaltwiderstand $\!\,R_{DS(on)} \cdot A$ variiert mit der Durchbruchspannung:

$\!\,R_{DS(on)} \cdot A \sim {U_{Br}}^{2,5}$)

Ein üblicher Wert ist im Jahr 2004 ein $\!\,R_{DS(on)}$ von 0,15 Ω bei einer Sperrspannung von 250 V im Gehäuse TO-247.

Mit Einführung des "super junction" Prinzips (siehe auch "resurf") werden Einschaltwiderstände unterhalb des Siliziumlimits erreicht.

Neben der allgemeinen Verbesserung der Robustheit gegen hohe Strom- und Spannungsspitzen und der Verringerung des Durchlasswiderstandes werden zunehmend weitere Funktionen in das Bauteil integriert. Diese Bauteile werden häufig als „Smart Power Devices“ bezeichnet und enthalten neben Schutzschaltungen (Eingangsschutz, Schutz gegen thermische Überlastung, Strombegrenzung, Fehlersignalgenerierung) z. B. level shifting (Schalten der positiven Lastleitung mit einem massebezogenen Signal, sog. high side switches) oder sogar vollständige PWM-Controller.

Bauformen

Übliche Gehäusebauformen von Leistungs-MOSFET sind
für durchkontaktierte Platinen:

• TO-264
• TO-247
• TO-220

oberflächenmontierbare Gehäuse

• DPak
• D²Pak

Gehäuse mit Schraubanschlüssen für Leitungen oder Stromschienen:

• SOT-227 "Isotop": SOT-227-MOSFET haben vier Schraubanschlüsse - der Source-Anschluss wird doppelt herausgeführt, um ein exakteres Referenzpotential zur Gateansteuerung zur Verfügung zu haben.

Weblinks

• Power MOSFET Basics (engl.)

Literatur

• Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule. 1. Auflage. ISLE Verlag, 1998, ISBN 978-3-9326-3324-9 (PDF-Version). 

Einzelnachweise

1. ↑ Sigeo Akiyama, Masahiko Suzumura, Takeshi Nobe: Double-Diffused Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Device. Matsushuta Electric Works LTD. 8.10.1991. USA. Veröffentlichungsnr. US5055895
2. ↑ Thomas Tille : Mikroelektronik : Halbleiterbauelemente und deren Anwendung in elektronischen Schaltungen. Berlin : Springer, 2005 – ISBN 978-3-540-20422-0