I nuovi MOSFET di potenza al silicio migliorano l’efficienza e riducono le perdite di potenza

I transistor di potenza standard sono basati su una struttura planare, realizzata su un piano X-Y di wafer di silicio. Per ottenere un’elevata densità di potenza, requisito indispensabile per le applicazioni di potenza, le dimensioni del transistor sul piano orizzontale X-Y devono essere il più possibile ridotte. Anche se ciò consente di integrare un maggior numero di transistor nella stessa area del wafer di silicio, la riduzione delle direzioni in cui scorre la corrente aumenta la possibilità di tunneling quantistico, che a sua volta comporta un degrado delle prestazioni del dispositivo.

Questa limitazione, legata al compromesso tra dimensioni e prestazioni del transistor, può essere risolta adottando una struttura verticale. Nel FET con struttura verticale, la corrente scorre nella direzione dell’asse Z attraversando i terminali di source, drain e gate del transistor. Rispetto a quella laterale, la struttura verticale riduce l’ingombro del transistor, consentendo di integrare un numero maggiore di die sullo stesso piano di silicio bidimensionale.

Una innovazione significativa in quest’area è dovuta a Leo Mathew, che, quando era a capo del settore stato solido presso Freescale Semiconductor, inventò l’ITFET (FET a canale T invertito). L’ITFET combina strutture verticali e orizzontali nello stesso transistor, superando così i limiti pratici del processo di progettazione planare e la complessità di fabbricazione dei dispositivi multi-gate verticali. La nuova struttura eredita i principali vantaggi dei dispositivi verticali, come elevata corrente, bassa corrente di dispersione, elevata corrente di inserzione e maggiore controllo della corrente, ai quali si aggiunge una semplificazione della produzione che rappresenta spesso un problema nei dispositivi verticali.

MOSFET di potenza AND

I MOSFET di potenza sono dispositivi discreti progettati specificamente per la commutazione di segnali ad elevata tensione ed elevata corrente e ampiamente utilizzati nelle applicazioni industriali, automobilistiche e nell’elettronica di consumo. La domanda di soluzioni di alimentazione ad elevata efficienza è in costante aumento in queste aree, le quali impongono ai progettisti requisiti sfidanti come elevata frequenza di commutazione, ingombro e peso ridotti e una eccellente gestione termica.

Applied Novel Devices (AND), fornitore leader di nuove architetture di dispositivi a semiconduttore applicabili a sistemi di alimentazione discreti e integrati, ha sviluppato una nuova classe di MOSFET di potenza al silicio che fornisce una conversione di potenza ad elevata efficienza. I principali vantaggi della nuova tecnologia sviluppata da AND sono i seguenti:

  • perdita di recupero inversa quasi nulla. Ciò rappresenta un ottimo risultato per un dispositivo basato sul silicio, normalmente rilevabile solo nelle tecnologie a banda larga come il nitruro di gallio (GaN);
  • fattore di forma ridotto, sia per dispositivi standard che per moduli multichip, ottenuto attraverso un nuovo package wafer level;
  • maggiore frequenza operativa nelle applicazioni di conversione della potenza;
  • capacità di uscita 2 volte inferiore;
  • basso valore di Qoss;
  • bassa corrente di quiescenza;
  • pendenza sottosoglia quasi ideale;
  • basso valore di resistenza ON specifica. RDS(on) può arrivare a 5 mOhm/mm2 @ 30V BVDSS;
  • bassa tensione di drive del gate, fino a 2,5V (valore logico del drive);
  • spessore del substrato inferiore a 30µm, realizzato con tecnologia cristallina.

Una bassa resistenza di ON e un recupero inverso quasi nullo consentono una maggiore efficienza e contribuiscono a ridurre sia il numero di componenti, sia il costo complessivo della soluzione in applicazioni come alimentatori e controllo di motori. Le prestazioni delle applicazioni di commutazione morbida e risonante possono anche essere migliorate grazie a una combinazione di RDS(on), basso gate drive e bassa carica di uscita. Inoltre, il corpo molto sottile fornisce un’eccellente gestione termica, una migliore immunità alle variazioni di temperatura e potrebbe aiutare a ottenere caratteristiche intrinseche di resistenza alle radiazioni.

Secondo Leo Mathew, attuale CEO e co-fondatore della Applied Novel Devices fondata ad Austin nel 2008, “AND ha sviluppato una tecnologia unica che porta ai MOSFET al silicio tradizionali i vantaggi e le prestazioni tipiche del GaN”.

Le curve caratteristiche di trasferimento, riferite a un dispositivo basato sulla nuova tecnologia sviluppata da AND, a un dispositivo industriale e a un dispositivo industriale con diodo body Schottky, sono visibili in Figura 1. Il MOSFET di AND è caratterizzato da una pendenza sottosoglia quasi ideale, una bassa tensione di drive del gate insieme a una bassa corrente di dispersione.

Figura 1: caratteristiche di trasferimento per diversi MOSFET

Un confronto tra le caratteristiche di resistenza all’inserzione del MOSFET AND e un dispositivo di alimentazione industriale è invece visibile in Figura 2. Qui possiamo osservare come il nuovo dispositivo, rispetto a uno di tipo tradizionale, mostri una resistenza all’inserzione inferiore e un gate drive molto basso (circa 2,5 V, corrispondente alla tensione di livello logico).

Figura 2: caratteristiche della resistenza di ON

La tecnologia proprietaria di AND offre qualità eccezionali che possono aiutare i sistemi di gestione dell’alimentazione a ridurre significativamente le perdite parassite. Ciò produce un miglioramento della gestione dell’alimentazione e dell’efficienza di conversione in una varietà di applicazioni nei settori industriali, elettronica di consumo, data center, automotive, azionamenti di motori elettrici, microinverter per sistemi di energia rinnovabile e altro ancora.

Grazie all’innovativa architettura del dispositivo, la tecnologia di AND offre vantaggi evidenti in applicazioni come i convertitori di alimentazione CC-CC. Inoltre, non sono necessari diodi Schottky integrati o indipendenti, a causa del recupero inverso prossimo allo zero e delle basse capacità di uscita. Queste caratteristiche di miglioramento dell’efficienza rendono la tecnologia interessante per applicazioni di conversione di tensione a frequenze elevate, normalmente non gestite dai tradizionali MOSFET basati sul silicio. Le elevate frequenze operative raggiungibili con questi MOSFET di potenza consentono una riduzione delle dimensioni dei componenti passivi, risultando in moduli di alimentazione con fattore di forma ridotto che facilitano ulteriori miglioramenti nell’efficienza a livello di sistema.

Lo scorso gennaio, Applied Novel Devices (AND) e SkyWater Technology, un produttore di semiconduttori statunitense e fornitore di fiducia accreditato al DoD (Department of Defense), hanno annunciato di aver stipulato un accordo di licenza e produzione per fornire la nuova tecnologia a transistor con vantaggi significativi per gli alimentatori switching e i convertitori.

Con sede a Bloomington, Minnesota, SkyWater Technology produrrà i dispositivi di alimentazione al silicio basati sulla nuova tecnologia, consentendo a AND di offrire prodotti con tensioni di 15-80 V per applicazioni industriali e di elettronica di consumo. AND prevede di espandere l’offerta per abbracciare la gamma 200-1000 V con una famiglia di dispositivi fabbricati da SkyWater e destinati a veicoli elettrici, energia rinnovabile e varie applicazioni industriali. Inoltre, attraverso un accordo di licenza tecnologica, SkyWater offrirà questo processo tecnologico per la produzione di MOSFET di potenza ai clienti delle fonderie.

“SkyWater è un partner ideale per realizzare questa innovazione tecnologica in un ambiente di sviluppo e produzione protetto da IP”, ha affermato Mathew.

Per quanto riguarda la disponibilità del prodotto, Applied Novel Devices sta attualmente campionando i nuovi MOSFET di potenza e sta avviando la produzione ad alto volume presso la fabbrica SkyWater da 8 pollici. I dispositivi nei package wafer scale saranno adattati a fattori di forma specifici per schede e sistemi esistenti. I prodotti sono disponibili presso AND e la tecnologia è immediatamente disponibile come offerta di fonderia direttamente da SkyWater.

Stefano Lovati
Dopo aver conseguito la laurea in Ingegneria Elettronica al Politecnico di Milano, Stefano ha iniziato a lavorare, inizialmente, come progettista digitale e sviluppatore firmware. Negli anni ha maturato una solida esperienza nella progettazione di sistemi embedded, anche con prestazioni real-time, con applicazioni nei settori avionico, trasporti e telecomunicazioni. Stefano ha una profonda passione per tutto ciò che riguarda le tecnologie elettroniche e l'innovazione in generale, curando nel tempo libero la stesura di alcuni articoli tecnici inerenti il mondo dell'elettronica.