Der IRC540 gehört zu einer Gruppe spezieller MOSFETs, die International Rectifier unter der Bezeichnung HEXSense im Programm hatte. Die obigen Schaltbilder stammen aus der International Rectifier Application Note 959B. HEXSense-MOSFETs bieten einen besonderen Pfad, der eine Strommessung erleichtert. Üblich ist das linke Symbol. Dort ist die Funktionsweise aber weniger klar ersichtlich. Besser verständlich ist das rechte Symbol. Man sieht, dass es sich um zwei parallel geschaltete MOSFETs handelt. Das Schaltzeichen des linken MOSFET ist etwas irreführend. Er besitzt exakt die gleichen Strukturen wie der rechte MOSFET, befindet sich sogar innerhalb dessen Strukturen. Der linke MOSFET ist allerdings deutlich kleiner und leitet entsprechend nur einen kleinen Anteil des Gesamtstroms über den Pin Current Sense. Der kleine Strom lässt sich sehr viel einfacher messen als der große Laststrom. Das Verhältnis der Flächen definiert das Verhältnis der Stromaufteilung, wodurch man den Gesamtstrom bestimmen kann.
Der zweite zusätzliche Pin stellt eine Kelvin-Anbindung des Sourcepotentials dar. Bei Leistungstransistoren nutzt man einen solchen Kontakt üblicherweise, um eine möglichst ideale Ansteuerung realisieren zu können. Ansteigende Lastströme erzeugen an den Induktivitäten der Bonddrähte und den Pins des Gehäuses Spannungsabfälle. Diese Spannungsabfälle reduzieren anfänglich die wirksame Gate-Source-Spannung direkt am Silizium, was die Schaltgeschwindigkeit reduziert. Nutzt man zur Gateansteuerung den Kelvinkontakt, so ist diese unabhängig vom Laststrom. Bei den HEXSense-MOSFETs kann man den Kelvinkontakt ebenfalls zur effektiveren Gateansteuerung nutzen. Er wird allerdings auch benötigt, um eine möglichst genaue Strommessung umsetzen zu können. Der kleinere MOSFET soll möglichst mit den gleichen Strompfaden und Widerständen arbeiten wie der MOSFET, der den Großteil des Laststroms trägt.
Die HEXSense-MOSFETs basierten auf dem HEXFET-Prozess der dritten Generation, der nach der International Rectifier Application Note 959B im Jahr 1986 eingeführt wurde. In dieser Application Note sind die verschiedenen Varianten der HEXSense-MOSFETs aufgeführt. Die vorletzte Zahl der Bezeichnung zeigt, welche Die-Größe zur Anwendung kam. Für die HEXSense-MOSFETs hat man die Größen HEX-2 bis HEX-5 eingesetzt. Für die einfachen MOSFETs waren zusätzlich die kleineren Varianten HEX-1 und HEX-Z in Verwendung.
Der IRC540 nutzt demnach die Größe HEX-4 und besitzt eine Sperrspannung von 100V. Bei Raumtemperatur kann der IRC540 einen Drainstrom von 28A dauerhaft leiten. Kurzzeitig sind 110A zulässig. Das Verhältnis zwischen Last-Strom und Sense-Strom beträgt typischerweise 2680:1. Die Toleranz beträgt ungefähr +/-4%. Dazu kommt ein Temperaturdrift von ungefähr +/-1%. Als typischer Widerstand werden 77mΩ angegeben. Das Gehäuse erlaubt es eine Verlustleistung von bis zu 150W abzuführen.
Die hier zu sehenden IRC540 stammen von Pollin. Es handelte sich ursprünglich um drei Bausteine. Die optische Erscheinung lässt Zweifel aufkommen, dass es sich um Originalteile handelt. Die Beschriftung ist exakt gleich. Rechts ist die Schrift allerdings leicht nach links verschoben. Noch auffälliger sind die eingeprägten Zeichen. Trotz der gleichen Beschriftung ist links ein verdrehtes M abgebildet, rechts sind es dagegen die Zeichen B4.
Die Pins der MOSFETs sind bei genauerer Betrachtung auffällig krumm. Es scheint sich aber noch um die ursprünglichen Pins zu handeln. Bei gebrauchten Bauteilen werden teilweise direkt unter dem Gehäuse neue Pins angebracht.
Mit dem Wissen, dass es sich um eine Fälschung handelt, erkennt man auf der Oberfläche die Riefen, die beim Abschleifen des Gehäuses entstanden sind. Sie sind allerdings nicht übermäßig auffällig. Die Einbuchtung mit dem Buchstaben M ist dagegen auffälliger. Im oberen Bereich ist die Vertiefung flacher als im unteren Bereich. Hier erkennt man auch welche Struktur die Oberfläche ursprünglich hatte.
Seitlich wird noch deutlicher, dass es sich um Fälschungen handelt. Abgesehen davon, dass eine Ecke des Gehäuses abgebrochen ist, kann man an der oberen Seite die auslaufende Lackschicht erkennen, die auf das abgeschliffene Gehäuse aufgetragen wurde.
Die Unterseite des Gehäuses ist auffallend schmutzig.
Im Gehäuse findet sich ein Die mit einer Kantenlänge von 4,6mm x 3,3mm.
Wie üblich bei einem MOSFET stellt die große Metallfläche das Sourcepotential dar. Das Gatepotential wird links kontaktiert und über einen umlaufenden Rahmen und zwei Stichleitungen in die Fläche des Transistors verteilt. In der Mitte des Dies befindet sich der Sourcekontakt zur Strommessung. Rechts daneben erlaubt der Kelvinkontakt eine unbelastete Kontaktierung des Sourcepotentials. Die International Rectifier Application Note 959B hebt hervor, dass es für eine gut Strommessung wichtig ist den Kelvinkontakt nahe dem Abgriff für die Strommessung zu platzieren.
Hier wird deutlich, dass es sich um Fälschungen handelt. Die International Rectifier Application Note 964D zeigt, wie die verschiedenen HEXFET-Generationen aufgebaut sind. Sowohl die Abmessungen als auch die Strukturen entsprechen denen eines HEXSense-3 MOSFETs mit einer Sperrspannung von 60V. Es handelte sich folglich ursprünglich um einen IRCZ34. Der IRC540, ein HEXSense-4 MOSFET mit einer Spannungsfestigkeit von 100V wäre deutlich anders strukturiert und das Die wäre sowohl in der Breite als auch in der Länge um 1mm länger.
Der IRCZ34 ist typischerweise etwas niederohmiger als der IRC540 (50mΩ / 77mΩ) und erlaubt einen etwas höheren Stromfluss (30A / 28A). Die Spannungsfestigkeit des IRCZ34 ist mit 60V allerdings deutlich niederiger als die 100V des IRC540. In einer auf den IRC540 ausgelegten Anwendung würde die Fälschung entsprechend schnell ausfallen.
Die typischen hexagonale Strukturen der HEXFETs waren bereits in der Übersicht zu erkennen. Das International Rectifier HEXFET Databook zeigt wie die Strukturen im Detail aufgebaut sind.
Wie bei MOSFETs von International Rectifier üblich, sind an der oberen Kante einige Masken abgebildet. Rechts findet sich das Copyright und ein Verweis auf das Jahr 1987.
Durch die Metalllage zeichnen sich die Kontakte der einzelnen MOSFETs ab. Der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt beträgt ungefähr 24µm. Seitlich wird das Gatepotential zugeführt, das die Kontakte umgibt und so den Stromfluss steuert.
Die International Rectifier Application Note 966A enthält eine Detailaufnahme der Strukturen der dritten HEXFET-Generation. Im Vergleich zum vorherigen Design sind die Strukturen etwas kleiner geworden.
Die Strukturen im IRLZ44N sind noch deutlich kleiner. Er basiert wahrscheinlich auf der fünften HEXFET-Generation.
Es fällt auf, dass das Gatepotential nicht einfach nur möglichst niederohmig in die aktive Fläche geleitet wird. Im Gegensatz zur rechten Kante befinden sich an der linken Kante überhaupt keine Verbindungen zur Metalllage mit dem Gatepotential. An den Stellen, an denen die Gateleitung eine Stufe besitzt, hat man das Gatepotential ebenfalls nur an ausgewählten Stellen mit dem aktiven Bereich verbunden. Die Stufen entstanden anscheinend durch das Current Sense Bondpad, unter dem sich keine aktiven Strukturen befinden.
Das Source-Potential ist an der rechten Kante mit dem Rahmen verbunden. Wahrscheinlich erfolgt dort eine gewisse Potentialsteuerung, um den Verlauf des elektrischen Felds zu optimieren.
Der Source-Kontakt zur Strommessung kontaktiert nur 12 Zellen. Auch hier erkennt man, dass die Gateelektroden mit Bedacht kontaktiert wurden. Man hat die Gate-Fläche aufgebrochen und nur teilweise Kontakte zwischen den zwei Bereichen integriert.
Das Datenblatt beschreibt für die zwei Transistoren des IRCZ34 ein Stromverhältnis von 1:1410, wobei alleine die Fertigungstoleranz schon +/-70 beträgt. Dazu kommen die Schwankungen über Drainstrom, Temperatur und Gate-Source-Spannung. Wenn man mit dem Verhältnis 1:1410 rechnet und davon ausgeht, dass die Stromaufteilung exakt der Aufteilung der Einzeltransistoren entspricht, so müsste der Lasttransistor mit 16.920 Transistoren aufgebaut sein. Tatsächlich sind es 18.145 Transistoren, was etwas mehr ist als man erwarten würde. Wahrscheinlich teilt sich der Strom nicht ganz ideal auf und das etwas abweichende Verhältnis kompensiert dies.
An der oberen Kante ist eine Teststruktur abgebildet, die es erlaubt die Ausrichtung der Masken gegeneinander zu überprüfen.
Die International Rectifier Application Note 966A enthält eine einfache Abbildung, die einen Überblick liefert, wie die HEXFET-Transistoren hergestellt wurden. Um möglichst kurze Produktionszeiten darstellen zu können, hat man eine Fertigungslinie aufgebaut, die die MOSFETs linear durchlaufen können, was in der Halbleiterindustrie sonst eher unüblich ist.
