TecNoticias, tu portal de información

Si bien los semiconductores de banda ancha como SiC y GaN se están volviendo cada vez más populares en aplicaciones de alto voltaje como centros de datos y vehículos eléctricos, los FET de silicio están lejos de ser olvidados.

Eficiencia frente a frecuencia de conmutación en silicio, SiC y GaN. Imagen utilizada cortesía de Maerz et al. y ResearchGate

Dado que los FET de silicio se utilizan aún más ampliamente, los diseñadores también exigen mayores eficiencias a voltajes más altos de esta tecnología. Para abordar este desafío, ROHM Semiconductor anunció recientemente sus MOSFET de canal P de quinta generación para brindar un rendimiento mejorado a las aplicaciones de conmutación de alto nivel.

Diseño NMOS frente a PMOS

La distinción entre MOSFET de canal N (NMOS) y canal P (PMOS) es relevante para el anuncio de ROHM porque la compañía se esfuerza por traer algunas de las fortalezas del MOSFET de canal N a esta nueva familia de MOSFET de canal P.

Diseños de silicio NMOS y PMOS en tecnología CMOS. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Duke.

Los dispositivos NMOS y PMOS operan según el mismo principio, pero pueden pensarse, en cierto modo, como inversos entre sí. Desde una perspectiva de diseño de silicio, un NMOS consta de dos pozos n + dopados negativamente (para el drenaje y la fuente) y un sustrato tipo p dopado positivamente. Un PMOS, por otro lado, tiene dos pocillos de tipo p + dopados positivamente y un sustrato de tipo n dopado negativamente.
Los dispositivos NMOS presentan mejores eficiencias cuando se utilizan en el lado alto de un voltaje de puerta, a un voltaje de entrada más alto de lo necesario. Sin embargo, esto puede generar una configuración de circuito compleja. Alternativamente, los dispositivos PMOS pueden producir configuraciones de circuito simplificadas al tiempo que reducen la carga de diseño porque pueden ser impulsados ​​con un voltaje de puerta menor que el voltaje de entrada.

Diseño diferente, operación diferente
Esta diferencia en el diseño conduce a una diferencia en el funcionamiento.
Para inducir un canal en un NMOS, los diseñadores deben aplicar un voltaje muy positivo en la puerta en relación con la fuente para crear una capa de inversión en el canal, permitiendo el flujo de electrones negativos entre el drenaje y la fuente. El PMOS requiere lo contrario, requiriendo un voltaje de bajo nivel en la puerta en relación con la fuente y permitiendo el flujo de agujeros positivos a través del canal.
Este fenómeno incluye muchas más complejidades de las que se pueden resumir en una breve explicación. En la figura siguiente se muestra una vista más completa de las regiones operativas completas y los requisitos de polarización.

Regiones operativas NMOS vs. PMOS, puntos de polarización y ecuaciones actuales. Imagen utilizada por cortesía del profesor Chang Chip Hong

Además de tener que operar con diferentes puntos de polarización, los dispositivos NMOS y PMOS tienen diferentes tipos de portadores (huecos frente a electrones). Los electrones tienen una movilidad significativamente mayor que los agujeros (dos o tres veces más alta), lo que significa que los dispositivos NMOS tienden a ser más eficientes energéticamente con tiempos de conmutación más rápidos y valores de RDS (encendido) más bajos.

1 y 0 débiles
¿Por qué incluso usar un dispositivo PMOS si son más lentos y menos eficientes? A veces son la única opción; Los dispositivos NMOS no siempre se pueden utilizar de forma eficaz en determinadas aplicaciones.

Los dispositivos NMOS pasan un "1 débil" cuando se manejan con VDD. Cálculos realizados por VLSI y MSEE

Debido a los requisitos del punto de polarización discutidos anteriormente, los dispositivos NMOS no son adecuados para ser utilizados como dispositivos pull-up. Para que un NMOS esté encendido, VGS debe ser mayor que Vt. Si el drenaje está conectado a VDD (una configuración pull-up) y está siendo impulsado con un voltaje equivalente a VDD, su fuente solo puede alcanzar VGS-VT. Esto se llama pasar un "1 débil", ya que no se puede pasar todo el voltaje a través del dispositivo.
De la misma manera, los dispositivos PMOS pasan "0 débiles" y no son adecuados para redes desplegables.

Circuito complicado
Por lo tanto, para usar un dispositivo NMOS con éxito en una aplicación de pull-up, los diseñadores deben conducir la puerta a un nivel de voltaje más alto que el voltaje de entrada. El problema aquí, por supuesto, es que esto requiere un circuito adicional complicado que incluye convertidores CC-CC para generar los voltajes adicionales. De lo contrario, se deben aceptar las ineficiencias relativas de PMOS.

La nueva generación de PMOS de ROHM

Si bien NMOS siempre contará con una operación de mayor eficiencia que PMOS, eso no quiere decir que PMOS no se pueda mejorar. Esta parece ser la intención de ROHM con sus dispositivos PMOS de quinta generación.
Según ROHM, la nueva generación viene con dispositivos de -40 V y -60 V, logrando un 62% y un 52% menos de RDS (encendido) en comparación con los productos convencionales. Estos valores pueden ser tan bajos como 5.2 miliohms y tan altos como 78 miliohms.

Circuitos de aplicación para dispositivos PMOS de generación 5 de ROHM. Imagen utilizada por cortesía de ROHM Semiconductor

ROHM afirma que estas mejoras son el resultado de la integración de optimizaciones en la estructura del dispositivo y al mismo tiempo "adoptar un nuevo diseño que mitiga la concentración del campo eléctrico en la esquina de la zanja de la puerta donde el campo eléctrico está más concentrado". De esta manera, la compañía ha podido mejorar la confiabilidad al tiempo que minimiza la resistencia.

Nivelación de la administración de energía y los interruptores industriales

Con dispositivos PMOS más eficientes, los diseñadores enfrentan menos compensaciones entre los dispositivos NMOS y PMOS en sus aplicaciones. ROHM prevé que la nueva familia sea útil para los diseñadores que trabajan con motores de ventiladores e interruptores de administración de energía en interruptores industriales en equipos industriales o de consumo a gran escala. Esto puede extenderse a la robótica, los sistemas de CA y la automatización de fábricas.