BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT

(insulated gate bipolar transistor)

Ako poznajete MOSFET, poznajete i IGBT. Jedina je razlika u tome što je na n+-sloj dodan p+-sloj, sada se n+-sloj naziva razdvojni sloj.

kanalno područje

driftno područje, razdvojni sloj, injektirajući sloj

Odmah se uočava da IGBT ima beznačajna zaporna svojstva, jer je probojni napon n+-p+ prijelaza ne veći od 50 V. p+-područje injektira šupljine u n–-područje i time smanjuje pad napona u stanju vođenja.

Ovo je simbol n-kanalnog IGBT-a. Strjelica je na strani odvoda, usmjerena je prema kanalnom području. Ukazuje da je u stanju vođenja p+-područje injektirajuće područje, tj. da injektira šupljine prema kanalu. Zato je IGBT poznat i pod nazivom COMFET (conductivity-modulated field effect transistor).

On pokazuje da se tokom struje upravlja poljem, a da u toku struje sudjeluju i elektroni i šupljine.

Ostali nazivi za IGBT su:

– IGT (insulated gate transistor),

– bipolarni MOS tranzistor,

– GEMFET (od General Electric).

IGBT ujedinjuje dobra svojstva bipolarnog tranzistora i MOSFET-a.

Meni se više dopada ovaj simbol:

Još o strukturi

– Struktura ima parazitni tiristor. Ovaj tiristor ne smije uklopiti, u protivnom IGBT bi izgubio isklopna svojstva. Kratki spoj kanalnog područja i uvodnog n+-područja spriječava uklapanje parazitnog tiristora.

– Razdvojni n+-sloj nije bitan za rad IGBT-a. Neki IGBT-ovi ga nemaju (NPT-IGBT, non-punch-through (panč) IGBT; simetrični IGBT), a neki imaju (PT-IGBT, punch-through IGBT; asimetrični IGBT). No, razdvojni n+-sloj omogućuje uže n–-područje (smanjuje pad napona u stanju vođenja) time što onemogućuje širenje zone prostornog naboja prema n+-području.

V-I karakteristike (izlazne karakteristike)

Ako nema razdvojnog sloja n+-sloja, probojni napon u blokirnom smjeru u načelu je jednak probojnom naponu u zapornom smjeru.

ID-VGS karakteristika (prijenosna karakteristika)

Prijenosna karakteristika jednaka je onoj u MOSFET-a. Kod većih struja je linearna. Ako je napon VGS manji od napona praga, IGBT je u stanju blokiranja. Maksimalni dopušteni VGS obično ograničuje maksimalna dopuštena struja ID.

Stanje blokiranja (VGS < VGS(th))

Blokirni napon preuzima p-n– prijelaz. Kod PT-IGBT-a n– područje je oko dva puta uže nego kod NPT-IGBT-a.

Stanje vođenja (VGS > VGS(th))

p+-područje injektira šupljine. U driftnom n–-području šupljine se kreću i driftom i difuzijom. Kroz kanal (inverzioni sloj) teče struja elektrona.

Osnovni diskretni model IGBT-a

Ovaj model prikazuje IGBT kao Darlingtonov spoj pn–p+ tranzistora i MOSFET-a. Bipolarni tranzistor je glavni tranzistor, a MOSFET upravljački.

n–p

p+

VJ1

U poređenju s konvencionalnim Darlingtonom, upravljački MOSFET vodi veći dio struje. On time spriječava uklapanje parazitnog tiristora.

Pad napona u stanju vođenja, na temelju nadomjesne sheme, iznosi:

kanaldrift1(on) RIVVV DJDS

Pad napona na p+n+ prijelazu J1 iznosi 0,7 – 1,0 V. Pad napona u n–-području Vdrift odgovara padu napona u središnjem području učinske diode, i približno je konstantan. Mnogo je manji nego kod MOSFET-a. Razlog je povećanje vodljivosti driftnog područja. Pad napona u kanalu usporediv je s padom napona u kanalu MOSFET-a.

Spriječavanje uklapanja parazitnog tranzistora

Lateralni tok šupljina propusno polarizira pn+ prijelaz (J3) i izaziva uklapanje parazitnog tiristora. Lateralni tok šupljina u kanalnom p-području je izrazit, jer šupljine privlači negativni naboj u kanalu. Najveća propusna polarizacija pn+ prijelaza je na mjestu gdje inverzioni sloj dotiče n+-područje.

Ls mora biti što je moguće manji. Osim toga, kanalno područje treba jako dopirati (postaje p+-područje) i proširiti (dublja difuzija). Sve ove mjere smanjuju otpor sloja ispod n+-područja. No, dio kanalnog područja u kojem nastaje kanal mora ostati slabije dopiran.

Parazitni tranzistor n–pn+ uklapa, poteče struja baze p+n–p, oba parazitna tranzistora uklope, stvori se pozitivna povratna veza i parazitni tiristor sastavljen od ova dva komplementarna parazitna tranzistora uklopi.

Prema tome postoji kritična struja MOSFET-a kod koje MOSFET gubi svojstvo upravljivosti.

Opisani proces uklapanja parazitnog tiristora je statički proces. Dešava se kada statička struja prekorači kritičnu vrijednost. Spomenimo samo to da je u dinamičkim uvjetima (kada IGBT isklapa) kritična vrijednost struje manja.

Prema tome, rješenje je:

Uklapanje IGBT-a, u većem dijelu vremena uklapanja, određuje MOSFET-ni dio IGBT-a. Zato je nadomjesni krug IGBT-a jednak nadomjesnom krugu MOSFET-a.

Prema tome, tijekom uklapanja, valni oblici IGBT-a kvalitativno se podudaraju s valnim oblicima MOSFET-a.

Sklopne karakteristike

Model za analizu uklapanja i isklapanja MOSFET-a u silaznom pretvaraču

Uklapanje

Opadanje napona vDS odvija se u dva intervala tfv1 i tfv2. Tijekom prvog intervala MOSFET-ni dio IGBT-a prolazi kroz aktivno područje, kapacitet Cgd = Cgd1. Tijekom drugog intervala MOSFET-ni dio IGBT-a prolazi kroz otporno područje, kapacitet Cgd = Cgd2 > Cgd1.

Tijekom drugog intervala treba uzeti u obzir i prolazak p+n–p tranzistora u područje zasićenja. On usporuje opadanje blokirnog napona. Interval tfv2 završava kada ovaj tranzistor dođe u područje zasićenja.

Isklapanje

Vrijeme kašnjenja isklapanja td(off) i vrijeme porasta blokirnog napona trv određuje MOSFET-ni dio IGBT-a.

Pad struje tijekom tfi1 određuje MOSFET-ni dio IGBT-a. Rep struje iD tijekom tfi2 potječe od uskladištenog naboja (šupljina) u n–-području (driftno područje). Jedan dio uskladištenog naboja se rekombinira, a drugi dio otječe repom struje iD. Duže vrijeme života nosilaca naboja (povoljno zbog pada napona) povećava rep struje (nepovoljno zbog gubitaka).