4.3. Биполярный транзистор с изолированным затвором (бтиз-igbt)

Биполярный транзистор с изолированным затвором БТИЗ выполнен как прибор с единой структурой, сочетающий в себе полевой транзистор c изолированным затвором (ПТИЗ) и биполярный n-p-nтранзистор (БТ) [22]. Имеется много способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в которых объединены достоинства полевого транзистора (с так называемым вертикальным каналом) и биполярного транзистора.

4.3.1. Особенности реального мощного птиз

Рассмотренная выше (рис. 4.6, а) структура ПТИЗ относится к планарной (поверхностной) структуре типа SIPMOS (планарная структура затвора), изготовленной с помощью метода фотолитографии [6]. Идентичная структура, представленная на рис. 4.8, а, применяется для изготовления маломощных ПТИЗ и характеризуется, как показано выше, возможностью образования индуцированного горизонтального канала, связывающим исток и сток.

а) б)

Рис. 4.8. Структуры планарного ПТИЗ и мощного ПТИЗ с вертикальным каналом

ПТИЗ большой мощности способен пропускать (коммутировать) сверхбольшие тока (сотни ампер). Для этого предусматривается особая технология, в процессе которой в структуре ПТИЗ создается встроенный вертикальный n-канал (рис. 4.8, б) с большой площадью поперечного сечения, а также создается возможность индуцирования короткого горизонтального n-канала длиной d.

У этих ПТИЗ истоки И, сформированные на так называемых n⁺карманах (для устранения выпрямления на контакте металл- полупроводник используется сильно легированная область n⁺), находятся в верхней части структуры, а контакт стока С, сформированный по той же причине на невыпрямляющей структуре n⁺, локализован в нижней части. Металлический затвор З, формируется внутри толстого слоя пленки SiO₂, так что, как обычно, затвор гальванически не связан со слоем полупроводника. Изменяя + потенциал затвора, можно индуцировать дополнительный горизонтальный канал n-типа (длиной d в слаболегированной области p^-типа), позволяющий электронам проходить от n⁺-истока к встроенному вертикальному каналу n^-типа и далее к нижнему контакту стока.

Обратим внимание, что подобный мощный транзистор при нулевом напряжении на затворе (в нормальном состоянии) закрыт, т.к. единый n-канал между стоком и истоком отсутствует, и для его образования необходимо подать на затвор положительный потенциал (движение электронов через структуру показано на рис. 4.8, б). Большая площадь вертикального канала позволяет пропускать через данную структуру значительные токи (десятки ампер и выше).

Анализируя структуру (рис. 4.8, б), можно заметить, что при изготовлении мощных полевых транзисторов с изолированным затвором, имеющих вертикальный канал, образуется два параллельных виртуальных (паразитных) биполярных n⁺-p⁺-n^транзистора (выделены пунктиром), которые не участвуют в механизме переноса зарядов от истока к стоку (рис. 4.8, б). Поскольку паразитные транзисторы включены параллельно, ниже речь будет идти об одном n-p-n-транзисторе.

Оценим, почему паразитные транзисторы не участвуют в переносе зарядов?

Отметим, что при заданном положительном потенциале стока поток электронов, двигающихся от истока И к стоку С, создает ток, направленный от стока к истоку. При этом потенциал точки 1, отмеченной в вертикальном канале на рис. 4.8, б, ниже (более отрицательный), чем потенциал точки 2, находящейся в области базы виртуального биполярного транзистора. Отождествляя отмеченную структуру n⁺-p⁺-n^ с воображаемым виртуальным транзистором, легко понять, что при потенциале р-базы, более отрицательном, чем его коллектор (точка 3), каждый из этих транзисторов закрыт. Именно поэтому ток между их эмиттерами и коллекторами не протекает, и эти биполярные транзисторы выступают как структуры, не принимающие участие в формировании тока между истоком и стоком.

Схема замещения, соответствующая структуре мощного ПТИЗ, приведена на рис. 4.9, а. Элементами схемы являются: VT₁ – собственно, ПТИЗ с индуцируемым каналом n-типа, VT₂  паразитный биполярный n-p-n-транзистор, R₁ – последовательное сопротивление вертикального канала полевого транзистора VT₁, R₂  сопротивление, шунтирующее переход база-эмиттер виртуального биполярного транзистора (между контактом истока И точкой 1). Благодаря сопротивлению R₂ биполярный транзистор VT₂ заперт отрицательным потенциалом на его базе, и, как отмечено выше, не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT₁.

Выходные вольтамперные характеристики анализируемого ПТИЗ, идентичны приведенным ранее (рис. 4.6, б) и имеют вид, представленный на рис. 4.9, б.

Рис. 4.9. Характеристики ПТИЗ (а, б) и БТИЗ (в, г) с вертикальным каналом