Глубокий анализ: структура и принцип работы IGBT (изолированный затворный биполярный транзистор)

01

Структура IGBT

 

Рисунок 1 показывает структуру изолированного биполярного транзистора с усилением N-канала. Область N+ называется областью источника, а электрод, прикрепленный к ней, называется электродом источника. Область N+ называется областью стока. Управляющая область устройства - это область затвора, а электрод, прикрепленный к ней, называется электродом затвора. Канал формируется близко к границе области затвора. P-тип область (включая области P+ и P-) между стоком и источником (где формируется канал) называется областью подканала. Область P+ с другой стороны области стока называется инжектором стока, который является уникальной функциональной областью IGBT. Вместе с областью стока и областью подканала она образует биполярный транзистор PNP, действующий как эмиттер для инжекции дырок в сток, модулируя проводимость для снижения напряжения включенного состояния устройства. Электрод, прикрепленный к инжектору стока, называется электродом стока.

 

 

Функция переключения IGBT достигается путем применения положительного напряжения на затворе для формирования канала, обеспечивая базовый ток для PNP транзистора, позволяя IGBT проводить. Напротив, применение отрицательного напряжения на затворе устраняет канал, вызывая обратный базовый ток, отключая IGBT. Метод управления IGBT по своей сути такой же, как и у MOSFET, требуя только управления входным N-канальным MOSFET, тем самым демонстрируя характеристики высокого входного импеданса. Как только канал MOSFET сформирован, дырки (миноритарные носители) инжектируются из P+ базы в N-слой, модулируя проводимость N-слоя, снижая его сопротивление, позволяя IGBT поддерживать низкое напряжение включенного состояния даже при высоких напряжениях.

 

02

Рабочие характеристики IGBT

 

1. Статические характеристики

 

Статические характеристики IGBT в основном включают в себя вольт-амперные характеристики, характеристики передачи и характеристики переключения.

 

Вольт-амперные характеристики IGBT относятся к кривой зависимости между током стока и напряжением затвор-источник Ugs, когда Ugs используется как переменная. Выходной ток стока контролируется напряжением затвор-источник Ugs; чем выше Ugs, тем больше Id. Это похоже на выходные характеристики GTR и также может быть разделено на три части: область насыщения 1, область усиления 2 и характеристики пробоя 3. В состоянии отсечки IGBT прямое напряжение несет соединение J2, а обратное напряжение несет соединение J1. Если нет области N+ буфера, прямые и обратные блокирующие напряжения могут находиться на одном уровне. После добавления области N+ буфера обратное блокирующее напряжение может достигать только нескольких десятков вольт, тем самым ограничивая определенные диапазоны применения IGBT.

 

Характеристики передачи IGBT относятся к кривой зависимости между выходным током стока Id и напряжением затвор-источник Ugs. Это то же самое, что и характеристики передачи MOSFET; когда напряжение затвор-источник меньше напряжения включения Ugs(th), IGBT находится в выключенном состоянии. В большинстве диапазонов тока стока после включения IGBT Id линейно связано с Ugs. Максимальное напряжение затвор-источник ограничено максимальным током стока, и его оптимальное значение обычно составляет около 15 В.

 

Характеристики переключения IGBT относятся к зависимости между током стока и напряжением сток-источник. Когда IGBT находится в включенном состоянии, из-за того, что его PNP транзистор является транзистором с широкой базой, его значение B очень низкое. Хотя эквивалентная схема является структурой Дарлингтона, ток, протекающий через MOSFET, становится основной частью общего тока IGBT.

 

В это время,напряжение включенного состояния Uds(on) можно выразить как:

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

 

где Uj1 - это прямое напряжение соединения JI, со значением от 0,7 до 1 В;

Udr - это падение напряжения через расширенное сопротивление Rdr;

Roh - это сопротивление канала.

 

Ток включенного состояния Ids можно выразить как:

Ids = (1 + Bpnp)Imos

 

где Imos - это ток, протекающий через MOSFET.

 

Из-за существования эффекта модуляции проводимости области N+ падение напряжения включенного состояния IGBT невелико. Падение напряжения включенного состояния IGBT, рассчитанного на 1000 В, составляет 2-3 В. Когда IGBT находится в выключенном состоянии, существует только небольшая утечка тока.

 

2. Динамические характеристики

 

В процессе включения IGBT он в основном работает как MOSFET, только увеличивая время задержки, когда напряжение сток-источник Uds уменьшается на позднем этапе, переходя от области усиления к насыщению. td(on) - это время задержки включения, а tri - это время нарастания тока. В практических приложениях время включения тока стока ton часто указывается как сумма td(on) и tri. Время уменьшения напряжения сток-источник состоит из tfe1 и tfe2.

 

Требования к триггеру и отключению IGBT требуют применения положительных и отрицательных напряжений между его затвором и базой. Напряжение на затворе может быть сгенерировано различными управляющими схемами. При выборе этих управляющих схем необходимо учитывать следующие параметры: требования к смещению для отключения устройства, требования к заряду затвора, требования к надежности и условия питания. Поскольку импеданс затвор-эмиттер IGBT велик, для триггера можно использовать технологию управления MOSFET. Однако, поскольку входная емкость IGBT больше, чем у MOSFET, смещение отключения IGBT должно быть выше, чем то, что обеспечивается многими управляющими схемами MOSFET.

 

Скорость переключения IGBT ниже, чем у MOSFET, но значительно выше, чем у GTR. IGBT не требует отрицательного напряжения на затворе для уменьшения времени отключения, но время отключения увеличивается с увеличением параллельного сопротивления между затвором и эмиттером. Напряжение включения IGBT составляет около 3-4 В, что сопоставимо с напряжением MOSFET. Падение напряжения насыщения, когда IGBT включен, ниже, чем у MOSFET, и близко к падению напряжения GTR, и падение напряжения насыщения уменьшается с увеличением напряжения на затворе.

 

На данный момент коммерчески доступные устройства IGBT с высоким напряжением и высоким током еще не появились, и их напряжение и токовые характеристики остаются довольно ограниченными, далеко не соответствуя требованиям развития технологий силовой электроники, особенно во многих приложениях с высоким напряжением, где требуется, чтобы номинальное напряжение устройств превышало 10 кВ. В настоящее время высоковольтные приложения могут быть реализованы только с помощью технологий, таких как последовательное соединение IGBT с высоким напряжением. Некоторые зарубежные производители, такие как швейцарская компания ABB, разработали устройства IGBT на 8 кВ, используя принцип мягкого включения, в то время как немецкая компания EUPEC произвела высокомощные устройства IGBT на 6500 В/600 А, которые были практически применены. Японская компания Toshiba также начала работать в этой области. Тем временем крупные производители полупроводников продолжают разрабатывать IGBT с высокой устойчивостью к напряжению, высоким током, высокой скоростью, низким падением напряжения насыщения, высокой надежностью и низкой стоимостью, в основном используя процессы ниже 1 мкм, достигая некоторых новых достижений.

 

03

Рабочий принцип IGBT

 

N-канальный IGBT работает, применяя пороговое напряжение VTH выше (положительного) напряжения между затвором и эмиттером, формируя инверсионный слой (канал) на p-слое непосредственно под затворным электродом, который начинает инжектировать электроны из n-слоя под электродом эмиттера. Эти электроны являются носителями меньшинства в p+n-p транзисторе, протекая от коллектора p+ слоя подложки в дыры, модулируя проводимость (биполярная работа), тем самым уменьшая напряжение насыщения между коллектором и эмиттером. На стороне электрода эмиттера формируется n+pn-паразитный транзистор. Если n+pn-паразитный транзистор работает, он трансформируется в p+n-pn+ тиристор. Ток продолжает течь, пока выходная сторона не перестанет подавать ток. Управление больше невозможно через выходной сигнал. Это состояние обычно называется состоянием latch-up.

 

Чтобы подавить работу n+pn-паразитного транзистора, IGBT использует стратегию минимизации коэффициента усиления тока α p+n-p транзистора как решение для latch-up. В частности, коэффициент усиления тока α p+n-p проектируется ниже 0.5. Ток latch-up IL IGBT более чем в три раза превышает номинальный ток (DC). Принцип работы IGBT по своей сути такой же, как и у силового MOSFET, с состоянием включения/выключения, определяемым напряжением затвор-эмиттер uGE.

 

(1) Включено

 

Структура кремниевой пластины IGBT очень похожа на структуру силового MOSFET, с основным отличием в том, что IGBT добавляет P+ подложку и N+ буферный слой (NPT - технология IGBT без пробоя - не добавляет эту часть), где один MOSFET управляет двумя биполярными устройствами. Применение подложки создает соединение J1 между P+ и N+ областями устройства. Когда положительное смещение затвора вызывает инверсию в области P базы под затвором, формируется N-канал, и происходит поток электронов, генерируя ток полностью так же, как и в силовом MOSFET. Если напряжение, создаваемое этим потоком электронов, находится в диапазоне 0.7V, то J1 будет находиться под прямым смещением, инжектируя некоторые дыры в N-область и регулируя удельное сопротивление между анодом и катодом, что снижает общие потери во время проводимости мощности и инициирует второй поток заряда. Конечный результат заключается в том, что на полупроводниковом уровне временно появляются две разные топологии тока: один поток электронов (ток MOSFET); ток дырок (биполярный). Когда uGE больше, чем напряжение включения UGE(th), в MOSFET формируется канал, обеспечивая базовый ток для транзистора, и IGBT включается.

 

(2) Падение напряжения в состоянии включения

 

Эффект модуляции проводимости снижает сопротивление RN, что приводит к меньшему падению напряжения в состоянии включения.

 

(3) Выключение

 

Когда на затвор подается отрицательное смещение или напряжение затвора ниже порогового значения, канал блокируется, и в N-область не инжектируются дыры. В любом случае, если ток MOSFET быстро уменьшается в фазе переключения, коллекторный ток постепенно уменьшается, потому что после начала коммутации в N-слое все еще присутствуют носители меньшинства (меньшинство). Снижение этого остаточного значения тока (хвостового тока) полностью зависит от плотности заряда при выключении, что связано с несколькими факторами, такими как количество легирующих примесей, топология, толщина слоев и температура. Уменьшение носителей меньшинства придает коллекторному току характерную форму хвостового тока, что приводит к следующим проблемам: увеличенное потребление энергии; проблемы перекрестного проводимости, особенно в устройствах с использованием свободноходовых диодов, где проблема более выражена.

 

Учитывая, что хвостовой ток связан с рекомбинацией носителей меньшинства, значение тока хвостового тока должно быть тесно связано с температурой чипа, IC и подвижностью дырок, связанной с VCE. Поэтому целесообразно уменьшить нежелательные эффекты этого действия на ток в проектировании конечного устройства на основе достигнутой температуры, с характеристиками хвостового тока, связанными с VCE, IC и TC.

Когда обратное напряжение подается между затвором и эмиттером или сигнал не подается, канал в MOSFET исчезает, базовый ток транзистора отключается, и IGBT выключается.

 

(4) Обратное блокирование

 

Когда обратное напряжение подается на коллектор, J1 будет контролироваться обратным смещением, и слой истощения будет расширяться в N-область. Если толщина этого слоя чрезмерно уменьшается, эффективная блокирующая способность не может быть достигнута, поэтому этот механизм очень важен. С другой стороны, если размер этой области чрезмерно увеличивается, падение напряжения будет постоянно увеличиваться.

 

(5) Прямое блокирование

 

Когда затвор и эмиттер замыкаются, и положительное напряжение подается на коллекторный вывод, соединение P/NJ3 контролируется обратным напряжением. В это время это все еще слой истощения в области N-дрифта, который несет внешнее приложенное напряжение.

 

(6) Latch-up

 

IGBT имеет паразитный PNPN тиристор между коллектором и эмиттером. При особых условиях это паразитное устройство включается. Это явление увеличивает ток между коллектором и эмиттером, снижая возможность управления эквивалентным MOSFET, и обычно также вызывает проблемы с выходом устройства. Явление включения тиристора называется latch-up IGBT, в частности, причины этого дефекта различны и тесно связаны с состоянием устройства. Обычно статический и динамический latch-up имеют следующие основные различия: статический latch-up происходит, когда тиристор полностью включен. Динамический latch-up происходит только во время выключения. Это особое явление серьезно ограничивает безопасную рабочую область.

 

Чтобы предотвратить вредные явления паразитных NPN и PNP транзисторов, необходимо принять следующие меры: во-первых, предотвратить включение NPN части, изменив компоновку и уровни легирования. Во-вторых, уменьшить общий коэффициент усиления тока NPN и PNP транзисторов.

 

Кроме того, ток latch-up оказывает определенное влияние на коэффициент усиления тока PNP и NPN устройств, поэтому он также тесно связан с температурой соединения; при условиях повышенной температуры соединения и усиления удельное сопротивление области P базы увеличится, что повредит общие характеристики. Поэтому производители устройств должны обращать внимание на поддержание определенного соотношения между максимальным значением коллектора тока и током latch-up, обычно соотношение 1:5.

 

 

 

Предупреждение:Эта статья воспроизведена из интернета, и авторские права принадлежат оригинальному автору. Если есть какие-либо проблемы с авторскими правами на работу, пожалуйста, свяжитесь с нами своевременно для удаления. Спасибо!