1.3.Биполярные транзисторы с изолированным затвором -igbt .
Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) или Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) был получен в развитии МОП технологии. Преследовалась цель, используя все преимущества МОП–транзистора, достичь снижения сопротивления в открытом состоянии. В результате IGBT пробрел структуру, сочетающую в себе управляющий МОП–транзистор и силовой биполярный транзистор.
Структура IGBT в разрезе показана на рис.4. Здесь рис.4а представляет базовую структуру обычного IGBT, а на рис. 4б дана структура IGBT с утопленным каналом полученного по Trench-gate технологии.
На рис.5 показано, каким образом IGBT реализован в объеме полупроводникового кристалла.
В структуре IGBT биполярный транзистор p-n-p типа представлен слоями р (эмиттер), n (база) , р+ - коллектор. МОП-транзистор (низковольтный с индуцированным каналом МОП-транзистор и высоковольтный n-канальный полевой транзистор) образован слоями n (исток), n+ (сток) и изолированным затвором.
Эквивалентная схема IGBT и ее упрощенный вариант приведены на рис.6а и 6б соответственно.
В структуре транзистора с утопленным каналом (Рис.4б) исключено сопротивление между р-базами. Такая структура также позволяет уменьшить размеры в 5-20 раз [1].
В IGBT, в отличии от обычного биполярного транзистора, инжекция носителей в базу осуществляется не p-n переходом, а полевым транзистором. Процесс включения можно разделить на два этапа: при подаче положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n- канал). Движение зарядов из области n в приводит к открытию биполярного транзистора.
Конструкция и особенности функционирования IGBT приводят к следующим важным свойствам:
- База, как конструктивный элемент, через которую осуществляется пролет носителей, как таковой отсутствует;
- Эмиттер имеет площадь сравнимую с площадью коллектора;
- Эмиттер и коллектор могут быть разнесены на большое расстояние, что в совокупности с малым легированием позволяет достичь больших пробивных напряжений;
- Приборы этого типа не могут достичь частотных характеристик как полевых, так и классических биполярных транзисторов (в силу предыдущей позиции).
Исходя из этого IGBT имеют преимущества тем большие, чем больше коммутируемые напряжения и ток.
По быстродействию IGBT уступают МОП-транзисторам, но превосходят биполярные.
На напряжениях 600-1200 в IGBT имеет падение напряжения во влаченном состоянии такое же как и биполярные транзисторы (порядка 1,5-3,5В). Это значительно меньше, чем у МОП транзисторов с теми же номиналами. Но при низких рабочих напряжениях (до 200 В) падение напряжения у МОП- транзисторов меньше.
Область безопасной работы IGBT обеспечивает их надежную работу на частотах 10-20 кГц без дополнительных цепей формирования траектории переключения.
У IGBT как и у MOSFET практически отсутствуют токи управления. Они как и MOSFET имеют хорошие динамические характеристики. Причем потери в них растут пропорционально току, а не квадрату тока, как у MOSFET.
Максимальное напряжение IGBT ограничено только технологическим пробоем.
Также как МОП-транзисторы вытеснили биполярные в ключевых источниках питания с напряжением 500 В, так и IGBT вытеснят их в источниках с более высоким напряжением ( до 3500 В).
Основным недостатком IGBT пока остаются динамические потери, что снижает допустимый ток коллектора на частотах выше 10 кГц.