Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

Монолитная структура, объединившая положительные качества биполярных, и МДП-транзисторов - называется IGBT, т.е. биполярный транзистор с изолированным затвором (рис. 1.15) [2,3,5]. При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает проводящий канал в р-области ячейки и между внешними выводами транзистора - коллектором и эмиттером начинает протекать ток. Поскольку высоколегированный р+-слой коллектора находится под воздействием внешнего положительного напряжения, в глубь низкоомной эпитаксиальной n-области начинается инжекция неосновных носителей, осуществляющих модуляцию проводящего канала. Данное свойство определило название IGBT как структуры с модулируемой проводимостью. При этом оказывается возможным значительное снижение сопротивления при ОТКРЫТОМ СОСТОЯНИИ, не свойственное МДП-транзисторам.

Схемотехнически структуру ячейки IGBT можно представить комбинацией двух главных составляющих управляющего МДП-транзистора и биполярного р-n-р транзистора (рис. 1.16).

Прямое напряжение на открытом ключе складывается из двух компонентов: напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе р-n-р-транзистора и падения на сопротивлении проводящего канала и модулируемой n-области. Таким образом, в отличие от МДП-ключа прямое падение напряжения в рассматриваемой структуре с одной стороны, не может быть меньше, чем пороговое значение диодной составляющей, а с другой стороны, оно пропорционально выходному току, умноженному на значительно меньшее промодулированное омическое сопротивление.

В области рабочих токов, температурный коэффициент является положительным, сохраняя преимущества полевого транзистора.

Рис. 1.15

В режиме токовых перегрузок высокая крутизна является причиной высоких плотностей тока, достигающих 10...20 А/мм², что снижает время допустимых перегрузок и требует более быстродействующих методов защиты.

Переключательные свойства структуры определяются внутренними паразитными емкостями (рис. 1.17). Особенностью IGBT-структуры по сравнению с МДП-транзистором является наличие неосновных носителей накопленных в базовых областях ячейки. Быстрое полевое выключение МДП-составляющей структуры приводит к отсечке базовой n--области и дальнейшему уменьшению накопленного заряда только на основе рекомбинационных эффектов. Это определяет наличие дополнительной фазы в выключаемом токе транзистора называемой хвостовой частью коллекторного тока (tail current), ухудшающей частотные свойства структуры (рис. 1.18).

Рис. 1.16

Для уменьшения потерь в открытом состоянии и снижения остаточных напряжений сокращали длину ячейки структуры IGBT с 5...8 мкм, до 1 мкм. Структуры четвертого поколения изготавливаются на основе «Тrеnсh»-технологии, рис. 1.19.

Прямые падения напряжения не более 1.5 В при токах десятки и сотни ампер. Обладают устойчивостью к триггерному эффекту, и сохраняет расширенную область безопасной работы. К недостаткам следует отнести увеличенную входную емкость затвор-исток.

Рис. 1.17

Рис. 1.18 Рис.1.19