Leistungshalbleiter 30% weniger RDS_(on) durch Deep Trench Filling im DTMOS-IV

DTMOS-IV-MOSFETs bieten den geringsten spezifischen Durchlasswiderstand aller 600-V-MOSFETs und den niedrigsten RDS_(on) unter allen anderen vergleichbaren Leistungsbausteinen.

Anbieter zum Thema

Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Toshiba Electronics Europe GmbH

Die Netzteil-Entwickler stehen unter Druck: Die Forderung nach einer niedrigeren Stromaufnahme elektrischer Geräte führt zu überarbeiteten Umwelt-Designvorgaben wie Energy Star und der europäischen ErP-Richtlinie. Diese Standards kommen in immer mehr Anwendungsbereichen zum Einsatz und schließen verstärkt Endverbraucher-Produkte mit ein. Damit sollen konkrete Ziele bei der Energieeffizienz in allen Betriebsmodi erreicht werden. So begrenzen die neuesten Energy-Star-Ziele den Stromverbrauch eines LCD-Fernsehers in Bezug auf seine Bildschirmgröße. Mindestziele für die Betriebseffizienz werden ebenfalls eingeführt, wie z.B. durch Energy Star 80 Plus.

Geräteentwickler müssen heute verschiedene Stromspartechniken in ihr Design integrieren, um diese Standards zu erfüllen. Die Hauptstromversorgung stellt einen Bereich dar, in dem Energie verloren geht, da sämtliche von der Anwendung bezogene Leistung zuerst dieses Netzteil passieren muss. Ein effizienteres Netzteil, das über das Wechselspannungsnetz betrieben wird, ist daher in Geräten wie Desktop- oder Notebook-PCs, großformatigen Fernsehgeräten und Haushaltsgeräten ein wesentliches Ziel der Elektronikentwickler.

Zu den anderen Anwendungen, die ebenfalls effizienter werden sollen, zählen energiesparende Beleuchtungen, wie FL/CFL-Vorschaltgeräte und leistungsfähige LED-Treiber. Da das Interesse an der Solarstromerzeugung weiter wächst, ist auch hier eine effiziente Stromaufbereitung und Wandlung entscheidend, um die Ausbeute der Solarmodule für Photovoltaik-Anlagen zu maximieren. Hocheffiziente Mikrowechselrichter sind hier gefordert, um eine qualitativ hochwertige, sinusförmige Netzwechselspannung zu erzeugen.

In den meisten Anwendungen sind MOSFETs der bevorzugte Leistungsschalter. Sie bieten Vorteile wie einfache Gate-Treiberschaltkreise und einen hohen Wirkungsgrad in Bezug auf ihre Nennspannung. Generell sind Bauteile mit einer Nennspannung im Bereich von 5 bis 600 V für 250-V-Netzspannungsanwendungen erforderlich, um einen ausreichenden Sicherheitsspielraum gegen möglicherweise schädliche Spannungsspitzen zu bieten. Da Entwickler bereits Generationen von Umwelt-Designstandards durchlaufen haben und immer effizientere Endprodukte bereitstellen, ist das Interesse groß, auch bei den MOSFETs mit diesem Nennspannungsbereich weitere Verbesserungen in Sachen Wirkungsgrad und Leistungsfähigkeit zu erzielen.

MOSFET-Leistungsparameter und die Silizium-Grenze

Der Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen und DC/AC-Wandlern hängt vor allem von den Verlustmechanismen im Haupt-Leistungsschalter ab, der je nach Anwendung ein einzelner MOSFET oder eine MOSFET-Brücke sein kann. In Generationen von Leistungs-MOSFETs wurden die Leitungsverluste stetig durch die Verringerung des Durchlasswiderstandes (RDS_(on)) erzielt. Die Schalteffizienz wird zudem durch Verkleinerung der parasitären Kapazitäten rund um Gate, Source und Drain erhöht. In Kombination entsteht daraus die effektive Eingangs- und Ausgangskapazität eines MOSFETs. Darüber hinaus bestimmt die Gate-Ladung (Q_G) die Energie, die der Gate-Treiber für das Schalten des Bausteins bereitstellen muss. Eine niedrige Gate-Ladung erlaubt hohe Schaltfrequenzen, was wiederum kleine externe Filterkomponenten möglich macht, um die Größe und Kosten zu verringern.

Herkömmliche High-Voltage-MOSFET-Technologien bieten nur eingeschränkte Möglichkeiten zur Verringerung des RDS_(on) und der Kapazitäten, sowie der Gate-Ladungen. In High-Voltage-MOSFETs macht der Widerstand des Drift-Bereichs den Hauptanteil des Durchlasswiderstandes aus, aber die Abmessungen und Dotierung dieses Bereichs müssen genau gesteuert werden, um die gewünschte Durchbruchspannung zu erzielen. Daher gibt es eine natürliche (Silizium-)Grenze, über der hinaus sich der Durchlasswiderstand eines MOSFETs für eine bestimmte Die-Fläche nicht mehr weiter verringern lässt, ohne auch die Durchbruchspannung zu verringern. Obwohl eine größere Die-Fläche den Durchlasswiderstand verringern würde, wäre dies mit höheren Kosten und einem größeren Chipgehäuse verbunden.

Bei MOSFETs führen Maßnahmen zur Verringerung des Durchlasswiderstands demnach zu einer höheren Gate-Ladung, was einen Kompromiss zwischen Leitungs- und Schaltverhalten erfordert. Diese Abwägung wird mit der Gütezahl eines MOSFETs ausgedrückt: RDS_(on) x Q_G. Diese beiden multiplizierten Werte sollten bei gleicher Temperatur, Gate-Source-Spannung und Drain-Source-Spannung gemessen werden.

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