6.8 Биполярные транзисторы с изолированными затворами
6.8.1 Общие сведения о бтиз
Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) – по-английски «insulated gate bipolar transistor» или сокращённо IGBT – это компонент, управление которым, как полевым транзистором, осуществляют напряжением, а протекание тока по силовым выводам коллектора и эмиттера обусловлено, как у биполярного транзистора, движением носителей зарядов обоих типов. В едином технологическом цикле в полупроводнике организуют структуры мощного биполярного p-n-p транзистора, которым управляет МОП-транзистор малой мощности, имеющий n-канал. Выводы БТИЗ носят названия затвора, коллектора и эмиттера.
Достоинства: возможность коммутации токов в тысячи ампер и допустимость прикладывания постоянного напряжения коллектор-эмиттер в несколько киловольт к запертому транзистору. Если напряжение коллектор-эмиттер запертого БТИЗ превышает приблизительно 600В, то падающее на выводах коллектор-эмиттер открытого БТИЗ напряжение насыщения обычно меньше по сравнению с полевыми транзисторами той же ценовой группы.
Недостатки: даже наименее инерционные БТИЗ предназначены для функционирования на много более низкой частоте, нежели полевые транзисторы, причём чем выше частота, тем ниже максимально допустимая амплитуда тока коллектора транзистора. При этом БТИЗ по частотным свойствам подразделяют на группы. При изготовлении БТИЗ помимо необходимого биполярного p-n-p транзистора возникает ещё и паразитный биполярный n-p-n транзистор, и они совместно образуют структуру тиристора. Это отражено на эквивалентной схеме БТИЗ, изображённой на рисунке 55, где компонент VT2 – это паразитный транзистор.
Рисунок 55 – Структура транзистора IGBT
При высокой скорости переключения компонента или при протекании по выводам коллектор-эмиттер короткого импульса тока большой амплитуды и прочего структура тиристора в БТИЗ может самопроизвольно перейти в открытое состояние. При этом БТИЗ теряет управляемость, и транзистор, как и устройство, в котором он работал, могут выйти из строя.
6.8.2 Конструкция и принцип действия бтиз
Простейшая структура БТИЗ планарного исполнения отражена на рисунке 56.
Из рисунка видно, что на металлическом основании, к которому присоединён вывод коллектора, расположена подложка p+, а на ней находятся два n-слоя. Эти слои понижают коэффициент усиления p-n-p структуры мощного биполярного транзистора. Ближайший к подложке n+-слой необходим для снижения вероятности самопроизвольного отпирания тиристорной структуры.
Рисунок 56 – Структура транзистора IGBT
Более удалённый от подложки n–-слой претворяют в жизнь эпитаксиальным наращиванием или другими способами. Подложка p+ играет роль эмиттера биполярного p-n-p транзистора, область n–-слоя – его базы, а область p-типа, к которой подключают вывод эмиттера БТИЗ, – его коллектора. Над n–-слоем расположена p-область, которая выполняет функцию канала управляющего МОП-транзистора, затвор которого выполнен из поликристаллического кремния и изолирован от полупроводника эмиттерной области слоем оксида SiO2. В этой канальной p-области размещены n+-зоны, которые выступают в качестве стока МОП-транзистора, а его истоком служит n–-область. Затвор структуры МОП-транзистора соединён с выводом затвора БТИЗ.