9.6.4. Биполярный транзистор с изолированным затвором igbt

Биполярный транзистор с изолированным затвором представляет собой симбиоз быстродействующего вертикального ДМОП- транзистора с биполярным (p-n-p типа для n-канального МОП) с малым коэффициентом передачи тока эмиттера. Интегрирование p-n-p транзистора позволило значительно понизить сопротивление дрейфовой области МДП-транзистора за счет модуляции ее сопротивления инжектированными дырками из p-эмиттера. Снижение энергетических потерь в открытом статическом состоянии однако сопровождается увеличением инерционности при выключении. Тем не менее, структура IGBT позволяет заполнить нишу в силовой электронике между мощными биполярными и полевыми транзисторами и тиристорами в преобразовательных устройствах среднего уровня мощности и быстродействия: номинальные токи – (50…200) А; напряжение – (400…1500) В; частота преобразования (10…100) КГц. Широкому применению IGBT в энергетической электронике способствовала также высокая надежность работы ключевых схем на их основе. Специфика работы биполярного транзистора с изолированным затвором, обеспечивающая приблизительно равную концентрацию электронов и дырок в ОПЗ дрейфовой области, позволяет выдерживать удельные мощности рассеяния более 2 МВт/см², что на порядок выше, чем у биполярных транзисторов.

Как и мощные полевые транзисторы, IGBT используют многоэлементную структуру. На рисунке 9.75 представлены поперечное сечение элемента IGBT и его эквивалентные схемы.

а) б) в)

Рисунок 9.75 - Поперечное сечение элемента IGBT (a), схема замещения (б) и эквивалентная схема без учета паразитного n-p-n транзистора (в)

Нетрудно заметить, что структура IGBT соответствует структуре вертикального ДМДП- транзистора (рисунок 9.59) с дополнительным p⁺-слоем, который играет роль эмиттера p-n-p транзистора. Следует отметить, что принятые обозначения внешних электродов соответствуют n⁺-p-n транзистору, роль которого подавляется с помощью конструкции, обеспечивающей сильную шунтировку n⁺-эмиттера и p-базы, которая одновременно выполняет роль коллектора p-n-p транзистора. Поэтому при рассмотрении статических характеристик IGBT будем использовать эквивалентную схему, изображенную на рисунке 9.75,в.

Для предотвращения тиристорного эффекта защелки применяют структуры с полосковой и лестничной топологиями истока (рисунок 9.76). Сплошная металлизация эмиттерного электрода улучшает теплоотвод структуры с плоскости эмиттера.

а) б)

Рисунок 9.76 - Структура IGBT с полосковой (а) и лестничной топологией эмиттера (б)

Лестничная структура обеспечивает более равномерное распределение мощности по площади кристалла благодаря включению балластных эмиттерных сопротивлений, которые ограничивают крутизну элементарного МДП-транзистора и величину протекающего тока за счет отрицательной обратной связи по напряжению затвора, обусловленной падением напряжения на сопротивлении R_БИ (рисунок 9.75,в).

Балластное сопротивление истока R_БИ , названное по аналогии с обозначениями внешних электродов балластным сопротивлением эмиттера, в дополнение к отрицательному температурному коэффициенту крутизны подавляет процесс шнурования тока эмиттера и обеспечивает равномерную по площади кристалла плотность динамического заряда и напряженность электрического поля в плоскости коллекторного p-n^–-перехода p-n-p транзистора и на границе n-n⁺.

Передаточная или проходная характеристика IGBT I_C = f(U_З) аналогична проходной характеристике МДП-транзистора (рисунок 9.77,а), а выходная I_C = f(U_СЕ) выходной характеристике биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером, у которого ток базы формируется током стока I_CИ МДП-транзистора при разных значениях напряжения затвора.

В соответствии с эквивалентной схемой (рисунок 9.75,в) ток коллектора IGBT (ток эмиттера p-n-p транзистора) при U_CE > U_{CE SAT} :

, (9.74)

где В – коэффициент передачи тока базы p-n-p транзистора, который в общем случае зависит от тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер (эффект Эрли).

База p-n-p транзистора соответствует дрейфовой области вертикального МДП-транзистора. Поэтому инжекция дырок из p⁺-коллектора модулирует (уменьшает) сопротивление дрейфовой области стока и уменьшает прямое падение напряжения на открытом IGBT. Так как коллекторный переход p-n-p транзистора не может войти в насыщение (ток базы поддерживается обратным смещением коллекторного перехода, рисунок 9.75,в) начальный участок выходных ВАХ IGBT будет смещен по оси напряжений по сравнению с ВАХ биполярного транзистора на встроенный потенциал p⁺-n эмиттера и падение напряжения на промодулированном сопротивлении дрейфовой области (рисунок 9.77,б).

а) б)

Рисунок 9.77 - Передаточные характеристики (а) и выходные ВАХ (б) IGBT

Основное назначение IGBT – работа в схемах импульсных ключей. Наибольшее распространение получила схема ключа с общим эмиттером IGBT. В этом включении управление состоянием ключа аналогично управлению ключа на МДП-транзисторе с малой величиной управляемой мощности. Благодаря меньшему падению напряжения на открытом ключе IGBT позволяет увеличить на порядок уровень номинальных токов и мощностей при сохранении относительного быстродействия по сравнению с ключами на МДП-транзисторе. Второе положительное отличие IGBT по сравнению с биполярными и МДП-транзисторами заключается в более широкой области безопасной работы (ОБР) и повышенной устойчивости к тепловым и токовым перегрузкам. Эта особенность обеспечивается квазиравномерным распределением напряженности электрического поля в ОПЗ n-базы. В мощных высоковольтных биполярных транзисторах n-p-n-n⁺ типа ОБР ограничивается лавинной инжекцией при оттеснении поля на границу коллектора n-n⁺. При этом плотность тока составляет (300…800) А/см². В IGBT динамический заряд определяется не только электронами (как у n-p-n транзистора), но и дырками, приблизительно такой же концентрации (несколько большей), как и электронов. Поэтому оттеснение поля на границу n-n⁺ в IGBT наблюдается при значительно больших плотностях тока (3…7) кА/см², что способствует безопасной работе прибора при значительно больших токах по сравнению с биполярными и МДП-транзисторами.

Как и мощный МДП-транзистор, IGBT характеризуется семейством предельных характеристик, статических параметров, включая пороговое напряжение U_пор , напряжение насыщения U_CE.SAT, и токов утечки I_CES, I_GES – затвор-эмиттер. К динамическим параметрам относятся проходная крутизна – g_M, входная, выходная и проходная емкости. Импульсные свойства характеризуются временем задержки и нарастанием фронта при включении, а также задержкой и спадом фронта при выключении.