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Ein neuer Technologie-Ansatz für den einfachen SJ-MOSFET

| Autor / Redakteur: Tom Harrington, Scott Carson * / Gerd Kucera

D3 Semi hat ihren Hochvolt-Superjunction-MOSFET weiterentwickelt und bietet u.a. die Konfigurierbarkeit auf Wafer-Ebene für schnelles Prototyping und/oder Behebung von Schaltungsproblemen.

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Bild 1: Herkömmlicher Transistor ohne Trimming-Möglichkeit.
Bild 1: Herkömmlicher Transistor ohne Trimming-Möglichkeit.
(Bild: D3)

Aufgrund der MOSFET-Knappheit in den Jahren 2007 und 2008 erkannten drei Power-Routiniers die Marktbedeutung eines neuen Anbieters, der Qualitätsprodukte schnell zu liefern in der Lage ist. D3 Semiconductor entstand.

Mit insgesamt rund 70 Jahren Branchenerfahrung und ebenso weitreichendem Technologie-Background entwickelten Vince Evelsizer (CEO) und Tom Harrington (CTO) sowie Marty Brown (als erfahrener Entwickler mit einer Vielzahl von Spezialisierungen) einen dreistufigen Business-Plan, der eine Geschäftsentwicklung und Technologie vorantreiben sollte. Unmittelbar nach der planerischen Konzeptionierung begann 2011 die Testphase verschiedener Technologiekonzepte.

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Die technologische Vision war es, den Gate-Treiber zusammen mit anderen analogen Funktionen auf dem Hochspannungs-Superjunction-MOSFET zu integrieren. Klar war: Hinsichtlich des Preis/Leistung-Verhältnisses ist Silizium schwer zu übertreffen. Somit stand die Silizium-SJ-Technologie als logische Wahl für das Erreichen des Ziels fest. Ein einfacher dreistufiger Prozess bei der Produktentwicklung sollte dazu dienen, die gewünschte Integration und Leistung für zukünftige Generationen von SJ-Transistoren zu erreichen.

Die Stufe 1 bestand darin, einen Weltklasse-HVJS zu entwickeln. Das wurde mit der Einführung der +FET-MOSFET-Produktlinie im März 2017 erreicht. Die Leistungsstärke von Hochspannungs-Superjunction-MOSFETs kann mit allen anderen Bausteinen auf dem Markt mithalten. Unsere MOSFET-Produktlinie deckt einen weiten Bereich an Kenndaten und Gehäusetypen ab. Mit laufender Serienproduktion und zwei Ersatzquellen für jeden Teil der Lieferkette erfreuen wir uns bereits reger Nachfrage.

Zusätzliche Konfigurationen sind möglich

Die Stufe 2 unterscheidet uns vom Wettbewerb dahingehend, dass das Konzept die Rückwärtsentwicklung ist. Anders ausgedrückt: Anstatt erst eine Lösung (Produkt) zu erschaffen und dann ein Problem (Kundenbedarf) zu finden, haben wir uns darauf konzentriert, eine zuverlässige Superjunction-Plattform zu entwickeln, die auf Wafer-Ebene gemäß den Entwicklervorgaben konfigurierbar ist.

Wir nutzen dabei unseren Background sowohl in der Analog- als auch der Mixed-Signal-Technologie. Diese haben wir zur Erschaffung unseres Superjunction-MOSFET zusammengeführt. Das Einzigartige dabei ist die Nutzung einer Mixed-Signal-Fabrik. Dies bedeutet, dass das Silizium bereits während des Fertigungsprozesses im Hinblick auf eine spezielle Anwendung optimiert werden kann.

Diese ‚Skalierbarkeit‘ stellt für ein mittelständisches Halbleiterunternehmen ein Novum in der Branche dar. Bestehende Top-Tier-Zulieferer setzen nur führende diskrete Technologien für hochvolumige kommerzielle Märkte ein. Zulieferer der zweiten Ebene sind auf veraltete Fabriken mit begrenzter technologischer Skalierbarkeit angewiesen. Dies führt oftmals zu Problemen der Lieferkette, die wiederum Designkompromisse nach sich ziehen, und dazu, dass kleinere Unternehmen einfach nicht über die Möglichkeit verfügen, eine vergleichbare Art von Flexibilität zu bieten.

D3 Semiconductor hält Patente zur Verbesserung der Konfigurierung von SJ-MOSFETs. Feineinstellungsmöglichkeiten von Slew-Rate, Schwellenspannung, Einschaltwiderstand und Strombelastbarkeit innerhalb eines bestimmten Bereichs liefern Optionen, die man bisher bei SJ-MOSFETs nicht kannte. Dies bietet Entwicklern eine bessere Kontrolle des dynamischen Systemverhaltens als je zuvor. Mit der Konfigurationsmöglichkeit zusätzlicher Variablen lässt sich der MOSFET noch besser an das System anpassen und die benötigte Zeit für die Änderung des Platinen-Layouts oder das Prototyping von Magnetoptionen verkürzen.

Die Vereinfachung des MOSFET-Bausteins

Im herkömmlichen Ansatz ist der MOSFET ein einfacher Schalter mit gegebenem Verhalten, definierter Leistungsfähigkeit und Auswirkung. Der Rest der Schaltung wird anschließend so ausgelegt, dass der MOSFET in seinem sicheren Betriebsbereich bleibt. Darüber hinaus wird die externe Beschaltung derart abgestimmt, dass sich das vom MOSFET während des normalen Betriebs erzeugte Rauschen verringert. Von außerhalb betrachtet erscheint dieser Ansatz vernünftig, jedoch erhöht die zusätzliche Beschaltung Komplexität, Kosten und Systemgewicht.

Innerhalb der Schaltung ist der MOSFET oft sein eigener Feind. Er erzeugt im Normalbetrieb hochfrequentes Rauschen während seiner Ein/Aus- und Aus/Ein-Übergänge. Während des Ein/Aus-Übergangs kann dieses Rauschen durch parasitäre physikalische Eigenschaften der Schaltungskomponenten und des Platinen-Layouts verstärkt werden. Wird das verstärkte Rauschen auf das Gate bzw. auf die Gate-Treiber-Schaltung rückgekoppelt, kann die Gate-Spannung so weit ansteigen, dass der MOSFET wieder in den On-Zustand kommt, was zu Verlusten führt.

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