Bipolar Transistör (IGBT) Temelleri

Bu uygulama notu, IGBT'lerin temel özelliklerini ve çalışma performansını açıklamaktadır. IXYS IGBT'lerin arkasındaki cihaz teknolojisi hakkında okuyucuya kapsamlı bir arka plan sağlamayı amaçlamaktadır. IGBT Temelleri Yalıtkan Kapılı Bipolar Transistör (IGBT), yüksek giriş empedansına sahip ve büyük bipolar akım taşıma kapasitesine sahip bir az taşıyıcı cihazdır. Birçok tasarımcı, IGBT'yi MOS giriş özelliklerine ve bipolar çıkış özelliklerine sahip bir gerilim kontrollü bipolar cihaz olarak görür. Hem Güç MOSFET hem de BJT'nin avantajlarından faydalanmak için IGBT tanıtılmıştır. Bu, Güç MOSFET ve BJT cihazlarının monolitik formda fonksiyonel bir entegrasyonudur. İdeal cihaz özelliklerini elde etmek için her ikisinin en iyi özelliklerini birleştirir [2].

IGBT, özellikle yüksek dinamik aralık kontrolü ve düşük gürültü gerektiren Darbe Genişlik Modülasyonlu (PWM) servo ve üç fazlı sürücüler gibi güç elektroniği uygulamaları için uygundur. Kesintisiz Güç Kaynakları (UPS), Anahtarlama Modlu Güç Kaynakları (SMPS) ve yüksek anahtar tekrarlama hızı gerektiren diğer güç devrelerinde de kullanılabilir. IGBT, dinamik performansı ve verimliliği artırırken işitilebilir gürültü seviyesini azaltır. Rezonans modlu dönüştürücü devrelerinde de eşit derecede uygundur. Optimize edilmiş IGBT, düşük iletim kaybı ve düşük anahtarlamalı kayıp için mevcuttur. IGBT'nin Power MOSFET ve BJT'ye göre başlıca avantajları şunlardır:

1. İletim modülasyonu nedeniyle çok düşük açık durum gerilimi düşüşüne sahiptir ve üstün açık durum akım yoğunluğuna sahiptir. Bu nedenle daha küçük yonga boyutu mümkün olur ve maliyet düşebilir.
2. Giriş MOS kapı yapısı nedeniyle düşük sürücü gücü ve basit bir sürücü devresine sahiptir. Yüksek voltajlı ve yüksek akımlı uygulamalarda akım kontrollü cihazlara (tiristör, BJT) göre kolayca kontrol edilebilir.
3. Geniş İşletme Alanı (SOA). Bipolar transistöre kıyasla üstün akım taşıma kapasitesine sahiptir. Ayrıca mükemmel ileri ve ters engelleme yeteneklerine sahiptir. Başlıca dezavantajlar şunlardır:
4. Anahtarlamahızı bir Güç MOSFET'ininkine göre daha zayıftır ve bir BJT'ninkine göre daha üstündür. Azınlık taşıyıcının neden olduğu kolektör akımının kuyruğu, kapanma hızının yavaş olmasına neden olur.
5. Dahili PNPN tiristör yapısı nedeniyle latchup olasılığı vardır. IGBT, blokaj gerilimi kapasitesini ölçeklendirmek için uygundur. Güç MOSFET'in durma gerilimiyle birlikte açık direnci, yüksek işletme gerilimini desteklemek için gereken direncin ve tabakalığın artması nedeniyle keskin bir şekilde artar. Bu nedenle, yüksek akım kapasiteli Güç MOSFET'in geliştirilmesi gerekmektedir.

Yüksek blokaj gerilimi derecesi genellikle IGBT'de kaçınılan bir özelliktir. Bunun aksine, IGBT için, on durum akımı taşıma sırasında enjekte edilen azınlık taşıyıcıların yüksek konsantrasyonu tarafından kayma bölgesi direnci büyük ölçüde azaltılır. Kayma bölgesinden gelen ileri düşük, kalınlığına bağlı hale gelir ve orijinal direncinden bağımsız hale gelir.

Temel Yapı Tipik bir N-kanallı IGBT'nin temel şematik yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. Bu cihaz için birkaç yapıdan biridir. IGBT'nin silikon kesiti, P+ enjeksiyon katmanı dışında dikey bir Güç MOSFET'in neredeyse tamamen aynısıdır. Benzer MOS kapı yapısı ve P kuyuları ile N+ kaynak bölgelerini paylaşır. Üstteki N+ tabakası kaynak veya emittör olarak adlandırılırken, alttaki P+ tabakası drene veya kolektöre karşılık gelir. P-kanallı IGBT'ler de yapılabilir ve bu durumda her katmandaki doping profili tersine çevrilecektir. IGBT, dört katmanlı NPNP yapısını içeren bir parazitik tiristör içerir. Bu tiristörün açılması istenmez.

Şekil 1: Genel bir N-kanallı IGBT'nin şematik görünümü [2]

Bazı IGBT'ler, N+ tampon tabakası olmadan üretilir ve bunlara punch-through olmayan (NPT) IGBT'ler denir, bu tabakayı içerenler ise punch-through (PT) IGBT'ler olarak adlandırılır. Bu tampon tabakasının varlığı, bu tabakanın doping seviyesi ve kalınlığı uygun şekilde seçilirse, cihazın performansını önemli ölçüde artırabilir. Fiziksel benzerliklere rağmen, bir IGBT'nin çalışması, bir güç BJT'sine bir güç MOSFET'ine göre daha yakındır. Bu, azınlık taşıyıcıların N- kayma bölgesine enjekte edilmesinden ve sonuçta oluşan iletkenlik modülasyonundan sorumlu olan P+ drene tabakası (enjeksiyon tabakası) nedeniyledir.

NPT (non-punch through) ve PT (punch-through) olarak adlandırılan, N+ tampon tabakası olmadan üretilen ve bu tabakayı içeren IGBT'ler bulunmaktadır. Bu tampon tabakasının varlığı, bu tabakanın doping seviyesi ve kalınlığı uygun şekilde seçilirse, cihazın performansını önemli ölçüde artırabilir. Fiziksel benzerliklere rağmen, bir IGBT'nin çalışması, bir güç MOSFET'ine göre daha çok güç BJT'sine benzemektedir. Bu durum, P+ drene tabakasının (enjeksiyon tabakası), azınlık taşıyıcıların N- kayma bölgesine enjekte edilmesinden ve sonuçta oluşan iletkenlik modülasyonundan sorumlu olmasından kaynaklanmaktadır.

Temel Yapı DMOS işlemine dayalı tipik bir N-kanallı IGBT'nin temel şeması Şekil 1'de gösterilmiştir. Bu cihaz için birkaç yapıdan biridir. IGBT'nin silikon kesiti, P+ enjeksiyon tabakası hariç olmak üzere dikey bir Güç MOSFET'ininkine neredeyse tamamen benzer. Benzer MOS kapı yapısı ve P kuyuları ile N+ kaynak bölgelerini paylaşır. Üstteki N+ tabakası kaynak veya emittör olarak adlandırılırken, alttaki P+ tabakası drene veya kolektöre karşılık gelir. P-kanallı IGBT'lerin yapılması da mümkündür ve bu durumda her katmandaki doping profili tersine çevrilecektir. IGBT, dört katmanlı NPNP yapısını içeren bir parazitik tiristörden oluşur. Bu tiristörün açılması istenmez. Şekil 1: Tipik bir N-kanallı IGBT'nin basit şematik görünümü

NPT (non-punch through) IGBT olarak adlandırılan, N+ tampon tabakası olmadan üretilen ve bu tabakayı içeren PT (punch-through) IGBT'ler olmak üzere iki tür IGBT bulunmaktadır. Bu tampon tabakasının varlığı, bu tabakanın doping seviyesi ve kalınlığı uygun şekilde seçildiğinde, cihazın performansını önemli ölçüde artırabilir. Fiziksel benzerliklere rağmen, bir IGBT'nin çalışması, bir güç MOSFET'ine göre daha çok bir güç BJT'sine benzemektedir. Bu, azınlık taşıyıcıların N- kayma bölgesine enjekte edilmesinden ve sonuçta oluşan iletkenlik modülasyonundan sorumlu olan P+ drene tabakası (enjeksiyon tabakası) nedeniyledir.

Yapıya dayanarak, bir IGBT'nin basit bir eşdeğer devre modeli çizilebilir. Bu model, MOSFET, JFET, NPN ve PNP transistörlerini içerir. PNP'nin kolektörü NPN'nin bazına ve NPN'nin kolektörü PNP'nin bazına JFET aracılığıyla bağlanır. NPN ve PNP transistörleri, bir regeneratif geri besleme döngüsü oluşturan parazitik bir tiristörü temsil eder. RB direnci, NPN transistörünün baz-emitter bağlantısının kısa devre edilmesini temsil eder ve tiristörün kilitlenmesini önlemek için kullanılır. JFET, herhangi iki bitişik IGBT hücresi arasındaki akım daralmasını temsil eder. Büyük bir gerilimi taşır ve MOSFET'in düşük gerilim tipi olmasını ve dolayısıyla düşük bir RDS(on) değerine sahip olmasını sağlar. Bir IGBT için devre sembolü, Kollektör (C), Kapı (G) ve Emittör (E) olmak üzere üç terminale sahiptir.