Výrobní proces IGBT tranzistoru

Článek pojednává o IGBT tranzistoru, jeho výrobním procesu a oblastech použití.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) tranzistor – bipolární tranzistor s izolovanou hradlou (anglicky „insulated gate bipolar transistor“), je součástka, která je řízena, podobně jako polní tranzistor, napětím a tok proudu přes napájecí svorky kolektoru a emitoru je způsoben, stejně jako u bipolárního tranzistoru, pohybem nosičů náboje obou typů. Jedná se o plně řízenou polovodičovou součástku, založenou na třívrstvé struktuře. Zapíná a vypíná se přivedením a odebráním kladného napětí mezi hradlem a zdrojem [1].

Obr. 1. Bipolární tranzistor

IGBT tranzistor je řízen napětím jako tranzistor s efektem pole, v zapnutém stavu má určité saturační napětí obvodu kolektor-emitor; relativně pomalé vypínání („proudový ocas“, jako rudiment zděděný z bipolárních tranzistorů). Více podrobností o vnitřní struktuře IGBT tranzistorů je uvedeno v encyklopedii součástek na tranzistorech s efektem pole [3].

Technologicky se IGBT tranzistor získává z MOSFET tranzistoru přidáním dalšího bipolárního tranzistoru struktury PNP. Ekvivalentní sklon IGBT výrazně převyšuje sklon MOSFETu a jeho hodnotu lze řídit ve fázi výroby IGBT. Další výhodou IGBT je výrazné snížení (ve srovnání s MOSFETem) sériového odporu výkonového obvodu v otevřeném stavu. Díky tomu se snižují tepelné ztráty na otevřeném tranzistoru [2].

IGBT se nazývá PT (punch-through) nebo asymetrický, pokud je mezi substrátem P+ a driftovou oblastí N- vrstva N+. Jinak se nazývá NPT (non-punch-through) nebo asymetrický IGBT. Vrstva N+ zvyšuje rychlost vypnutí tranzistoru snížením vstřikování minoritních nosičů náboje a zvýšením rychlosti rekombinace při přepínání tranzistoru. Kromě toho se pravděpodobnost blokování (latch-up) snižuje také snížením proudového zesílení PNP tranzistoru. Hlavním problémem je, že se zvyšuje úbytek napětí na tranzistoru v zapnutém stavu. Tloušťku driftové oblasti N- lze však snížit aplikací dopředného předpětí. V důsledku toho se sníží úbytek napětí na tranzistoru v zapnutém stavu. Proto mají PT IGBT lepší vlastnosti než NPT IGBT, pokud jde o rychlost přepínání a úbytek napětí v dopředném směru. V současné době se většina komerčních IGBT vyrábí s využitím technologie PT IGBT. Blokovací schopnosti IGBT v dopředném a zpětném směru jsou přibližně stejné, protože jsou určeny tloušťkou a měrným odporem téže driftové vrstvy N-. Zpětné napětí pro tranzistor PT-IGBT, který obsahuje vyrovnávací vrstvu N+ mezi substrátem P+ a driftovou oblastí N-, je sníženo na desítky voltů v důsledku přítomnosti vysoce dopovaných oblastí na obou stranách zóny J1.

Řada IGBT vyrobených bez vrstvy N+ se nazývá NPT (non-punch through) IGBT, zatímco ty s touto vrstvou se nazývají PT (punch-through) IGBT. Při správné volbě úrovně dopování a tloušťky vrstvy může její přítomnost výrazně zvýšit výkon tranzistorů. Navzdory fyzické podobnosti je provoz IGBT více podobný výkonu bipolárního tranzistoru než výkonovému MOSFETu. To je dáno skutečností, že vrstva substrátu P+ (injekční vrstva) je zodpovědná za injektování minoritních nosičů náboje do oblasti driftu N-, což vede k modulaci specifického odporu.

Výsledky studií ukázaly, že IGBT nemají sekundární průraznou sekci, což je typické pro konvenční bipolární tranzistory. IGBT mají nižší rychlost odezvy než MOSFETy, ale vyšší rychlost odezvy než bipolární tranzistory, takže se používají při frekvencích okolo 100 kHz. Omezení rychlosti spínání IGBT je dáno konečnou životností minoritních nosičů náboje v bázi PNP tranzistoru. Náboj nahromaděný v bázi PNP tranzistoru způsobuje charakteristický proudový “ocas” při sepnutí IGBT. Důvodem je, že jakmile se MOSFET v IGBT tranzistoru sepne, začíná rekombinace minoritních nosičů náboje v napájecím obvodu, která předchází vzniku “ocasu”. Tento “ocas” je příčinou velkých tepelných ztrát a vyžaduje zavedení tzv. “mrtvého času” do řídicích obvodů můstkových a polomůstkových invertorů. Vzhledem k tomu, že báze PNP tranzistoru je zvenčí nepřístupná, lze opatření ke snížení “ocasu” přijmout pouze ve fázi výroby tranzistoru [2].

Tradičně se IGBT tranzistory používají tam, kde je nutné pracovat s vysokými proudy a napětími. Pokrok v technologii IGBT směřuje jak ke zvyšování provozních napětí a proudů, tak ke zvyšování účinnosti přeměny snížením ztrát výkonu na krystalu, a to jak ve statickém, tak i dynamickém režimu.

Bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (IGBT) je tříelektrodové výkonové polovodičové zařízení, které kombinuje dva tranzistory v jedné polovodičové struktuře: bipolární (BJT) (tvořící výkonový kanál) a tranzistor s efektem pole (MOSFET), tvořící řídicí kanál. . Řídicí elektroda se nazývá hradlo, jako tranzistor s efektem pole, a další dvě elektrody se nazývají emitor a kolektor, jako bipolární.

Protože IGBT je kombinací MOSFETu a konvenčního bipolárního tranzistorového tranzistoru, má výhody jak tranzistorů, tak MOSFETů. MOSFET má výhodu vysoké spínací rychlosti s vysokou impedancí a BJT má naopak výhodu vysokého zesílení a nízkého saturačního napětí a obě tyto výhody jsou přítomny v IGBT tranzistoru. IGBT je v podstatě napěťově řízený polovodič, který poskytuje velké proudy kolektor-emitor s téměř nulovým hradlovým proudem.

Používá se především jako výkonný elektronický spínač ve spínaných zdrojích, měničích a řídicích systémech elektrických pohonů. Vyrábí se jak jednotlivá IGBT zařízení, tak na nich založené výkonové sestavy (moduly).

IGBT ekvivalentní obvod a symbol

Obrázek níže ukazuje ekvivalentní obvod bipolárního tranzistoru s izolovaným hradlem. Stejná struktura obvodu je použita u Darlingtonova tranzistoru, kde jsou dva tranzistory zapojeny úplně stejným způsobem.

Jak můžeme vidět na obrázku, IGBT kombinuje dvě zařízení: N-kanálový MOSFET a PNP tranzistor. N-kanálový MOSFET řídí tranzistor PNP. Standardní vývod BJT zahrnuje kolektor, emitor, základnu, zatímco standardní vývod MOSFET zahrnuje hradlo, odtok a zdroj. Ale v případě IGBT tranzistorových vývodů je to hradlo, které pochází z N-kanálového MOSFETu a kolektor a emitor pocházejí z PNP tranzistoru.

V PNP tranzistoru tvoří kolektor a emitor vodivostní cestu, a když je IGBT zapnutý, protéká jím proud. Tato cesta je řízena N-kanálovým MOSFETem.

V případě bipolárního tranzistoru vypočítáme zesílení, označované jako Beta (β), vydělením výstupního proudu proudem vstupním.

β = Výstupní proud / Vstupní proud

Ale jak víme, MOSFET není zařízení ovládané proudem; Toto je napěťově řízené zařízení, přes bránu MOSFETu neprochází žádný vstupní proud. Stejný vzorec, který se používá pro výpočet zesílení bipolárních tranzistorů, tedy není použitelný pro technologii MOSFET. Brána MOSFETu je izolována od proudové cesty. Napětí hradla MOSFET změnilo vedení výstupního proudu. Zisk je tedy poměr změn výstupního napětí ke změnám vstupního napětí. To platí pro IGBT. Zisk IGBT je poměr změny výstupního proudu ke změně napětí vstupní brány.

Vzhledem k velkým proudům je velký proud bipolárního tranzistoru řízen hradlovým napětím MOSFETu.

Výše uvedený obrázek ukazuje symbol IGBT tranzistoru ve schématech zapojení. Jak vidíme, jeho označení zahrnuje kolektor-emitorovou část tranzistoru a hradlovou část MOSFETu. Tyto tři svorky jsou zobrazeny jako brána, kolektor a emitor.

Ve vodivém nebo zapnutém režimu proud teče z kolektoru do emitoru. Totéž se děje s bipolárním tranzistorem. Ale v případě IGBT je místo základny Brána. Rozdíl mezi napětím hradlo-emitor se nazývá Vge a rozdíl napětí mezi kolektorem a emitorem se nazývá Vce.

Proud emitoru (Ie) je téměř stejný jako proud kolektoru (Ic), Ie = Ic. Protože kolektorový a emitorový proud jsou relativně stejné, Vce je velmi malý.

Aplikace IGBT tranzistorů

IGBT se používá hlavně v aplikacích souvisejících s napájením. Standardní výkonové bipolární tranzistory mají velmi pomalou odezvu, zatímco MOSFETy jsou vhodné pro rychlé spínací aplikace, ale MOSFET je drahá volba, když je vyžadován vyšší jmenovitý proud. Proto je IGBT vhodný jako náhrada výkonových bipolárních tranzistorů a výkonových MOSFETů.

Kromě toho IGBT poskytuje nižší odpor při zapnutí ve srovnání s bipolárním tranzistorem a díky této vlastnosti je IGBT tepelně účinný ve vysoce výkonných aplikacích.

Bipolární tranzistory s izolovaným hradlem jsou široce používány v moderní elektronice. Vzhledem k jejich nízkému odporu při zapnutí, velmi vysokému jmenovitému proudu, vysoké spínací rychlosti a pohonu s nulovým hradlem se IGBT používají ve vysoce výkonných řídicích systémech motorů, invertorech, spínaných napájecích zdrojích s oblastmi vysokofrekvenční konverze.

Obrázek výše ukazuje použití IGBT tranzistoru pro spínání. RL je odporová zátěž připojená mezi IGBT emitor a zem. Rozdíl napětí na zátěži se označuje jako VRL. Zátěž může být i indukční. A na pravé straně je další schéma. Zátěž je připojena přes kolektor a proudový ochranný odpor je připojen k emitoru. V obou případech poteče proud z kolektoru do emitoru.

V případě bipolárního tranzistoru potřebujeme dodávat konstantní proud přes jeho bázi. Ale v případě IGBT, stejně jako v případě MOSFET, musíme zajistit, aby napětí hradla bylo konstantní a saturace byla udržována konstantní.

V levém případě rozdíl napětí VIN, což je rozdíl potenciálů mezi vstupem (gate) a zemí/VSS, řídí výstupní proud tekoucí z kolektoru do emitoru. Rozdíl napětí mezi VCC a GND je napříč zátěží téměř stejný.

V pravém obvodu závisí proud protékající zátěží na napětí děleném hodnotou RS.

Bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (IGBT) lze zapnout a vypnout aktivací jeho hradla. Pokud přivedeme napětí na bránu pozitivnější, emitor IGBT udrží IGBT ve stavu „ON“ a pokud nastavíme napětí brány na záporné nebo nulové, IGBT zůstane ve stavu „OFF“ stát. To je stejné jako přepínání bipolárního tranzistoru a MOSFETu.

Charakteristika IGBT tranzistoru

Obrázek výše ukazuje proudově napěťové (I-V) charakteristiky bipolárního tranzistoru s izolovaným hradlem jako funkci různého hradlového napětí nebo Vge. Osa X označuje napětí kolektor-emitor nebo Vce a osa Y označuje proud kolektoru. Ve vypnutém stavu je proud protékající kolektorem a napětím hradla nulový. Když změníme Vge nebo hradlové napětí, zařízení přejde do aktivní oblasti. Stabilní a trvalé hradlové napětí zajišťuje nepřetržitý a stabilní proud kolektorem. Zvýšení Vge proporcionálně zvyšuje kolektorový proud: Vge3 > Vge2 > Vge3. BV je průrazné napětí IGBT.

I-V křivka IGBT tranzistoru je téměř totožná s přenosovou křivkou bipolárního tranzistoru, ale ukazuje Vge místo proudu, protože IGBT je napěťově řízené zařízení.

Následující obrázek ukazuje přenosovou charakteristiku IGBT tranzistoru. Je téměř totožná s přenosovou charakteristikou MOSFET. IGBT se zapne poté, co Vge překročí prahovou hodnotu v závislosti na specifikaci IGBT.

Zde je srovnávací tabulka, která nám dá jasnou představu o rozdílu mezi IGBT, výkonovým bipolárním tranzistorem a výkonovým MOSFETem.

Specifikace zařízení	IGBT	Výkonový MOSFET	Výkonový bipolární tranzistor
Stres	Více než 1 kV (velmi vysoké)	Méně než 1 kV (vysoké)	Méně než 1 kV (vysoké)
Ток	Více než 500 A (vysoké)	Méně než 200A (vysoké)	Méně než 500A (vysoké)
Vstupní zařízení	Napětí, Vge, 4-8V	Napětí, Vgs, 3-10V	Aktuální, hfe, 20-200
Vstupní impedance	vysoký	vysoký	chudý
výstupní impedance	chudý	průměrný	chudý
Rychlost přepínání	průměrný	Rychlé (ns)	Pomalé (μs)
Stát	Vysoký	Průměr	Nízká