CÁC LOẠI VI MẠCH MOS
11.6. CÁC Vỉ MẠCH CÔNG SUẤT
11.6.1. Các tran zito VMOS có cấu trú c thẳng đứng
Tranzito V M O S là các M OS có cực cửa được thực hiện dưới dạng hình chữ V . V ớ i cấu trúc này, kích thước của kênh được thu nhỏ nhất; nhở dó điện trở cũng như điện dung giảm đến mức tối thiểu và vì vậy cho phép tăng tốc chuyển mạch và tần số hoạt động của linh kiện. Các tranzito V M O S thực hiện dễ dàng trong các vi mạch có thể kích thích các dòng lớn, nên rất thích hợp trong các vi mạch công suất.
Bảng sau đây cho ta sự co sánh các đặc trưng của VM O S và các tranzito lưỡng cực:
Các th ô n g s ố Lưdng cực VMOS
Điên trở lối vào 1 0 " - 105Q 10® - I0" a
Khuếch đại công suất 100-200 10^ -10®
Thời gian chuyển mach toN 50 - 500ns 4ns
Thời gian chuyển mach t o F F 500 - 2000ns 4ns
Điện trở nối tiếp 0,3Q 3 0
Hình 11.15 là cấu tạo của tranzito VMOS.
174
s G
o o
Lâp epitaxie N Kênh ĐếN ++
Hình 11.15. Cấu tạo của tra n zito VMOS.
a) Cấu tạo của m ột V M O S ; b) VM O S trong thực tế sản xuất: Nhiều VM O S m ắc song song với nhau
Quá trình chế tạo như sau: trên đế pha tạp người ta ngưng đọng lófp epitaxie N pha lạp íl. Trên lớp epitaxie này, người ta khuếch tán một vùng p để tạo kênh và cực gốc và một vùng để thu hẹp chiều dài của kênh. Nhờ ăn mòn hoá học trong khoảng thời gian lương dối lâu, vùng ở giữa tinht hể bị ăn mòn khá sâu cho đến tận lớp epitaxie N.
Sau đó một lớp o x it được phủ lên trên hố bị ăn mòn hình chữ V này và tiếp tục phủ kim loại lêii trên lớp o x it đê làm cực cửa và chân nối cho cực gốc. M ặt sau của đế được đánh bóng, tráng kim loại và hàn với vỏ để iàm cực dẫn cho tranzito. Như vậy người ta đã thu được một MOS kênh p trong đó dòng điện không chạy theo phương nằm ngang mà lại chạy theo phương thẳng đứng dọc theo chiều dày của miếng silic. Nó xuất phát từ cực gốc, qua lớp khuếch tán và nhanh chóng đạt tới cực dẫn. Chiều dài của kênh rất ngắn (tương ứng với độ dày của vùng p, giữa vùng khuếch tán và lớp epitaxie N, dài cỡ l,5|am, tranzito công suất thông thường có độ dài kênh từ 5|am đến 8|^m). Trong cấu trúc này thì cả hai mặt của rãnh chữ V đểu tham gia dẫn dòng; do vậy dòng điện tải được sẽ rất cao, đồng thời kích thước của linh kiện cũng được thu nhỏ. Thế đánh thủng cũng tăng lên do lớp epităcxi có điện trở cao.
Mặt khác, điện dung giữa cửa và cực dẫn cũng được Ịgiảm bớt do sự có mặt của lớp epităxic N. Người ta cũng thấy sự phụ thuộc của dũng Iò vào thế cửa tuõn theo quy luật tuyến tính.
V ì độ dài của kênh rất ngắn, nên tần số hoạt động cực đại của tranztio VM O S cũng tăng so với các loại khác.
Trong thực tế, người ta mắc song song một số lớn các mạch cơ sở này để thu được các vi mạch có công suất như ý muốn (hình 11.15b).
Cck'đặc tnúìg củaVMOS
- Trở kháng vào rất cao cho phép tác động về thế.
175
-- Vận tốc chuyển mạch cỡ nano giây cho phép thực hiện các bộ chuyển mạch gần như lý tưởng.
- Hệ số khuếch đại công suất cực lớn cỡ hàng trăm nghìn lần.
- Độ tuyến lính cao cho phép thực hiện các bộ khuếch đại tuyến tính về công suất.
- Không có sự quá tải vé nhiệt độ và cũng không có hiện tượng đánh thủng thứ cấp do hệ số nhiệt độ dương.
-- Mắc song song nhiều mạch cơ sở không gây nên bất kỳ vấn đề nào và cũng không cần biện pháp bảo vệ đặc biệt nào. Điều đó có nghĩa là cấu trúc V M O S rất dễ thực hiện về phương diện công nghệ.
- Điện trở nối tiếp là nhược điểm duy nhất của VM O S so với loại lưỡng cực. VM OS kênh p có điện trở nối tiếp lớn gấp 2 đến 3 lần VM O S kênh N vì lỗ trống có độ lin h động rất nhỏ so với điện tử.
Hãng Siemens của Đức còn đưa ra MOS có cấu trúc thẳng đứng có tên gọi là SIPMOS (Siemens Power MOS). Hình 11.16 là cấu tạo và thực hiện một tranzito SIPMOS của hãng Siemens. Cấu trúc này đã được nghiên cứu để có thể kích hoạt các vi mạch logic hoặc lương tự LSI và tạo ra cồng suất lớn ờ lố i ra. Bảng sau đây cho thấy những đặc trưng cơ bản của 5 họ SIPMOS dưới dạng vỏ T 0 3 ;
Loại BUZ14/15 BUZ23/25 BUZ34/16 BUZ44/45 BUZ53/54 Đ đn vị
Vds 50 100 200 500 1000 V
Id 39/45 10/32 14/22 4,2/9,6 2.6/5,3 A
p 125 78/125 78/125 78/125 78/125 w
Ron 0,03/0,04 0.06/0.1 0,12/0,4 0,5/2 ■ 2/5 Q
t o N 140 80/110 70/100 70/130 70/150 ns
580- 170/500 170/450 160/440 170/400 ns
'rhế cấm khoảng 2V. Độ ổn định nhiệt rất cao cho phép ghép song song nhiều mạch cơ sở mà không gây nên rắc rối nào. SIPMOS có ưu điểm là:
- Chuyển mạch công suất lớn và nhanh.
- Đặc trưng tuyến tính.
- Tần sô' hoạt động cao.
- Chịu được thế lófn.
- Cắt được các dòng mạnh.
- Thời gian chuyển mạch ngắn.
SIPMOS được ứng dụng rộng rãi trong:
- Chuyển đổi dòng xoay chiều, nguồn nuôi có cắt quãng.
- Tạo sóng và khoá.
- Tự động hoá điện tử.
- Chuyển mạch cho các tải cảm ứng.
- Các bộ khuếch đại âm tần trong H i - Fi.
176
Máy phát siêu âm.
- Viễn thông, tin học.
- Các mạch ghép nối máy tính CMOS, NMOS.
Điện tử công nghiệp và dân dụng.
Silíc đa tinh thể n+
Cửa
o Cực dẫn
Kim loại
Hinh 11.16. Cấu tạo và sự thực hiện tra n z tio SIPMOS.