6.4. Гибридные силовые транзисторы

К гибридным полупроводниковым приборам относятся биполярные транзисторы с изолированным затвором. Они сочетают особенности биполярных и полевых транзисторов. Как биполярные транзисторы IGBT транзисторы используют эффект инжекции носителей заряда. Так как полевые транзисторы со структурой МДП рассматриваемые приборы используют полевой эффект управления выходным током.

История развития IGBT-транзисторов насчитывает несколько поколений:

• 1 поколение IGBT (с 1985 г.): предельные коммутируемые напряжения 1000 В и токи 200 А в модульном и 25 А в дискретном исполнении; прямое падение напряжения в открытом состоянии 3,0-3,5 В, частоты коммутации до 5 кГц (время включения/выключения около 1 мкс).

• 2 поколение (с 1991 г.): коммутируемые напряжения до 1600 В, токи до 500 А в модульном и 50 А в дискретном исполнении; прямое падение напряжения 2,5-3,0 В, частота коммутации до 20 кГц (время включения/ выключения около 0,5 мкс).

• 3 поколение (с 1994 г.): коммутируемое напряжение до 3500 В, токи 1200 А в модульном исполнении. Для приборов с напряжением до 1800 В и токов до 600 А прямое падение напряжения составляет 1,5-2,2 В, частоты коммутации до 50 кГц (времена около 200 нc).

а)

б)

Рис. 6.16. Составляющие емкости VМДП – транзисторов (а); эквивалентная схема структуры транзистора МДП-транзистора с учетом емкостей (б)

• 4 поколение (с 1998 г.): коммутируемое напряжение до 4500 В, токи до 1800 А в модульном исполнении; прямое падение напряжения 1,0-1,5 В, частота коммутации до 50 кГц (времена около 200 нc).

• 5 поколение (c 2000 г.) ориентированно на достижения рекордных значений основных параметров, в частности по току, по напряжению по быстродействию.

IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем {MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor), и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рисунке 6.17.

Рис. 6.17. Структура IGBT

Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора Э (эмиттер) и К (коллектор), а в цепь управления - выводом З (затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (С), базы и истока (И) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

Устройства IGBT выполненного на основе МДПТ с индуцированным каналом n-типа имеют структурный вид в соответствии с рисунком 6.18, где также приведена эквивалентная электрическая схема.

а) б)

Рис. 6.18. Биполярный транзистор с изолированным затвором:

а) структура, б) эквивалентная схема

В отличие от МДПТ, изготовленного методом двойной диффузии, в IGBT приборе используется дополнительный слой полупроводника p-типа, играющего функцию коллектора. Прибор имеет вертикальную структуру, а верхний электрод называется эмиттером. Индуцированный канал образуется между

n-областями, при подаче напряжения положительной полярности между затвором и эмиттером.

Как видно из устройства эквивалентной схемы, прибор содержит три транзисторные структуры: VT1-полевой транзистор с изолированным каналом

n-типа, VT2-биполярный транзистор со структурой n-p-n и VT3-биполярный транзистор со структурой p-n-p. Нижний n-слой является базовой областью

p-n-p транзистора и обладает модулированным сопротивлением r_М, которое зависит от протекающего через него тока.

В типовом режиме работы транзистор VT2 является паразитным и не должен оказывать влияния (находится в закрытом состоянии). Основную роль выполняют транзисторы VT1 и VT3. Эмиттерный переход транзистора VT3 предназначен для инжекции дырок. Инжекция существенно уменьшает сопротивление нижнего n-слоя. В результате, напряжение Uкэ IGBT транзистора в открытом состоянии значительно меньше, чем напряжение Uси соответствующих мощных МДП - транзисторов. Преимущество IGBT при коммутации высоких напряжений (единицы - десятки киловольт), так как высоковольтные ПТ имеют большее сопротивление выходных цепей в открытом состоянии (R_K0). Инжекция дырок приводит к возникновению объёмного заряда в нижнем слое n-типа, что объясняет меньшее быстродействие IGBT приборов по сравнению с ПТ.

Следует отметить, что транзисторы VT2 и VT3 образуют тиристорную структуру. В аварийном режиме может проявиться тиристорный эффект, при котором IGBT становится неуправляемым и при отсутствии внешних элементов, ограничивающих ток, может выйти из строя. Современные IGBT имеют встроенные элементы защиты от тиристорного эффекта.

Выходные и передаточные характеристики IGBT приведены на рисунке. Выходная характеристика - это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при заданном напряжении затвор-эмиттер U_ЗЭ. Передаточная характеристика отражает зависимость тока коллектора I_K от напряжения затвор-эмиттер U_ЗЭ.

Усилительные свойства IGBT – транзистора характеризуется крутизной. Крутизна IGBT транзисторов может достигать десятков Ампер на Вольт. IGBT транзисторы, как и другие мощные МДП транзисторы обладают повышенной тепловой устойчивостью. IGBT транзисторы обладают также таким достоинством как устойчивость к кратковременному короткому замыканию нагрузки.

В биполярных транзисторах с изолированным затвором оказывается возможным значительное снижение сопротивления в открытом состоянии, несвойственное МДП-транзисторам. Схематически структуру ячейки IGB, можно представить комбинацией двух главных составляющих: управляющего МДП-транзистора и биполярного p-n-p-транзистора (рисунок 6.19), соединение которых очень напоминает внутреннюю структуру побистора и каскадного BIMOS-ключа. При этом прямое напряжение на открытом ключе складывается из двух компонентов: напряжения на прямо смещенном эмиттерном переходе p-n-p-транзистора (так называемая диодная составляющая) и падения на сопротивлении проводящего канала и модулируемой n-области (называемая омическая составляющая).

Рис. 6.19. Биполярный p-n-p-транзистор и n-канальный

МДП-транзистор в структуре IGBT

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. Поскольку омическая составляющая расположена в базовой цепи p-n-p-транзистора, величину модуляции, можно рассматривать как уменьшенное в (β_N+1) раз сопротивление эпитаксиального

n-слоя, где β_N — коэффициент передачи базового тока биполярного транзистора. Данное представление прямого напряжения определяет его зависимость, которая складывается из двух противоположных составляющих: отрицательного температурного коэффициента у компоненты и положительного у омической. Как правило, в области рабочих токов, на которые проектируется структура IGBT, результирующий температурный коэффициент является положительным, сохраняя в данном приборе преимущества полевого транзистора. Очевидно, что уменьшения прямых падений напряжения на открытом IGBT можно достигать двумя путями: уменьшением омического сопротивления эпитаксиальных слоев и увеличением коэффициента передачи тока S_М для р-n-p-транзистора. Первый путь имеет ограничения, связанные с геометрическими размерами n-области, определяющими предельно допустимые напряжения на закрытом ключе. Значительное увеличение B_N ограничено реальными пределами, связанными с так называемым триггерным эффектом, присущим структуре IGBT. Дело в том, что паразитный

n-р-n-транзистор, который всегда сопровождает структуру мощного МДП-ключа, образует с р-п-р-транзистором тиристорную схему соединения, в которой, при определенных условиях, может быть реализован регенеративный механизм включения, называемый триггерным эффектом (рисунок 6.20).

Рис. 6.20. Триггерная схема в структуре IGBT

И хотя этот эффект и нашел в дальнейшем положительное применение при разработке полевых тиристоров, для IGBT он крайне нежелателен и, как правило, заканчивается катастрофическим отказом.

Подавление этого эффекта достигается ограничением усилительных свойств р-n-р-транзистора (т.е. ограничением β_N в разумных пределах) и уменьшением продольного сопротивления р-области структуры, частично зашунтированной на истоковый n⁺-слой МДП-транзистора. Общее усилительное свойство рассматриваемой структуры IGBT может быть охарактеризовано коэффициентом прямой проводимости, называемым также силовой крутизной S. Данный параметр определяется произведением усилительных свойств МДП и биполярной структуры и является относительно высоким, по сравнению с рассмотренными биполярными и МДП-ключами (рисунок 6.21).

Рис. 6.21. Зависимость коэффициента усиления различных транзисторов от силового тока

В области изменения рабочих токов наблюдается непрерывный рост крутизны, что в целом положительно сказывается на динамических и проводящих характеристиках структуры. Однако в режиме токовых перегрузок высокая крутизна является причиной высоких плотностей тока, достигающих порядка 10...20 А/мм² для дискретных приборов, что снижает время допустимых перегрузок и требует более быстродействующих методов.

Переключательные свойства структуры определяются внутренними па­разитными емкостями, состоящими из междуэлектродных емкостей

МДП-транзистора, дополнительных емкостей р-n-р-транзистора: барьерной емкости коллектор-эмиттер и диффузионной емкости прямосмещенного эмиттерного перехода [31], указанных на рисунке 6.22, б.

Рис. 6.22. Структура IGBT (а) и ее эквивалентная схема (б)

Главной отличительной 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 к дальнейшему уменьшению накопленного заряда только на основе рекомбинационных эффектов. Это, в свою очередь, определяет наличие дополнительной фазы в выключаемом токе транзистора, называемой хвостовой частью коллекторного тока (tail current), ухудшающей частотные свойства структуры.

Различный технологический подход в реализации структуры IGBT с уменьшенным временем жизни носителей, снижающим фазу хвостового тока, привел к двум наиболее распространенным на сегодня разновидностям. Первая структура называется эпитаксиальной или РТ-структурой IGBT и характеризуется дополнительным буферным n⁺-слоем расположенным между подложкой и n-областью. Этот слой выращивают методом эпитаксии, что и определило название соответствующей структуры. Наличие дополнительного высоколегиро­ванного n-слоя способствует более быстрым процессам рекомбинации неосновных носителей. Кроме этого, в эпитаксиальной структуре исполь­зуют облучение для уменьшения времени жизни носителей заряда.

Другой разновидностью структуры IGBT является так называемая го­могенная или NPT-структура.

Строго говоря, и подложка в данном случае выбирается в виде пластины с электронным типом проводимости, а не с дырочным, как это уже упоминалось ранее. Однородность исходного материала, т.е. гомогенность, определяет общее название данных структур. Коллекторный р⁺-слой в NPT-приборе создается дополнительно, с обратной стороны исходной подложки, при этом специальных мер доя уменьшения времени жизни не применяется. До недавнего времени IGBT с рабочим напряжением до 1200 В изготавливали с использованием кремния толщиной порядка 220 мкм. Данная толщина выбиралась только из соображения способа обработки пластины и повышения выхода годных кристаллов. Усовершенствованная технология обработки поверхности пластины, предложенная в гомогенных структурах IGBT, позволила уменьшить ее толщину до 175 мкм при обеспечении сохранения уровня пробивных напряжений порядка 1200 В. Более тонкий материал подложки позволяет уменьшить число накопленных носителей в открытом состоянии IGBT и улучшить частотные свойства структуры. Обе упомянутые структуры IGBT имеют свои достоинства и недостатки. При рабочих напряжениях до 600 В эпитаксиальные структуры позволяют получить наименьшие остаточные падения напряжения. Гомогенные структуры чаще используют в высоко­вольтных приборах (1200 В и более). При этом обеспечиваются хорошие ди­намические свойства, например слабая температурная зависимость амплитуды и длительности остаточного тока при выключении.

Главными направлениями в разработках нескольких поколений IGBT являлись способы уменьшения напряжения открытого состояния и повышения рабочей частоты при сохранении стабильности и надежности работы. Для уменьшения потерь в открытом состоянии и снижения остаточных напряжений применяли сжатие структуры IGBT путем сокращения длины ячейки и оптимизации ее внутренней структуры.

Приборы первых поколений имели продольный размер базовой ячейки 5÷8 мкм, который был уменьшен до 3 мкм в IGBT третьего поколения, применяемых в настоящее время. Более совершенные структуры IGBT четвертого поколения изготавливаются на основе уже упоминавшейся «Trench»-технологии. Базовая ячейка данного прибора, имеющая линейные размеры менее 1 мкм, приведена на рисунке 6.23. Подобные IGBT имеют прямые падения напряжения не более 15 В при токах порядка десятков и сотен ампер. Приведенная структура, несмотря на уменьшение геометрических размеров, обладает устойчивостью к триггерному эффекту и сохраняет расширенную область безопасной работы. К ее недостаткам следует отнести несколько увеличенную входную емкость затвор-исток и повышенную сложность тех­нологических операций, приводящих к увеличению стоимости кристалла.

Рис. 6.23. Поперечное сечение структуры IGBT

с вертикальным затвором (Trench)

В обзоре силовых полупроводниковых ключей были упомянуты высоко­вольтные структуры IGBT (HV-IGBT) рассчитанные на рабочие напряжения более 1700 В, базовая ячейка такого транзистора представлена на рисунке 6.24. Ее структура аналогична рассмотренным вариантам, за исключением некоторых деталей. Во-первых, для уменьшения сопротивления коллекторного слоя р-n-р-транзистора его структуру делают составной (состоящей из р⁺-р-слоя). Во-вторых, данные ячейки обязательно содержат охранные слои для предотвращения поверхностного пробоя. В рассматриваемой ячейке это диэлектрическое охранное кольцо в сочетании с расширенной областью металлизации эмиттера, уменьшающее кривизну приповерхностного поля.

Базовые ячейки IGBT не содержат внутреннего антипараллельного диода, свойственного структурам МДП и частично составным биполярным транзисторам. Поскольку наличие быстро восстанавливающегося демпферного диода становится необходимым по условиям применения и защиты ключей, используют специально разработанные и согласованные по характеристикам с IGBT отдельные кристаллы диодов, встроенные в корпус прибора.

Рис. 6.24. Поперечное сечение базовой ячейки высоковольтного IGBT (HV-IGBT)