IGBT/MOSFET: основные концепции и пути развития

№ 1’2014
PDF версия
Постоянные улучшения свойств силовых кристаллов, поиск новых решений и совершенствование существующих технологических процессов приводят к непрерывным эволюционным изменениям характеристик силовых ключей. Революционные инновации связаны, в первую очередь, с внедрением новых широкозонных материалов и тонких пленок, применение которых позволяет не только повысить экономическую эффективность производственных процессов, но и создавать силовые ключи с принципиально новыми свойствами.
Триада компромиссных требований к силовому ключу

Рис. 1. Триада компромиссных требований

Характеристики «идеального» ключа, к которым стремятся производители кристаллов, подразумевают удовлетворение трем основным требованиям, показанным в виде «триады компромиссов» на рис. 1. Чтобы электронный релейный элемент мог считаться «почти идеальным», он, в первую очередь, должен иметь близкие к нулевым потери проводимости, которые определяются сопротивлением открытого канала Rdson для MOSFET или напряжением насыщения VCEsat для IGBT. В то же время транзистор должен выдерживать высокое обратное напряжение VCE в заблокированном состоянии и генерировать минимальные потери выключения Eoff.

Соотношение характеристик VCEsat, VCE и Eoff определяет свойства IGBT как биполярного силового ключа. Для униполярной MOSFET-структуры в качестве основного критерия используется соотношение Rdson и обратного напряжения VDSS. Естественным третьим параметром, от которого зависит надежность и безопасность работы транзистора во всех режимах, является область безопасной работы ОБР (Safe Operating Area, SOA). Эта характеристика должна обеспечиваться в трех основных режимах, соответственно она имеет три составляющие: ОБР в состоянии проводимости (Forward Biased SOA, FBSOA), в выключенном состоянии (Reverse Biased SOA, RBSOA) и при коротком замыкании (Short Circuit SOA, SCSOA).

 

Часть 1. IGBT

С момента появления первых поколений биполярных транзисторов с изолированным затвором было разработано несколько версий этих ключей в рамках базовой структуры. Развитие технологий IGBT идет по различным направлениям, основной целью является оптимизация характеристик кристаллов для конкретных условий применения. Стремление к снижению цены и повышению плотности тока, а также постепенное приближение к физическим пределам определило три основных пути совершенствования IGBT:

  • применение ячеек с тонкими структурами;
  • снижение толщины и площади кристаллов;
  • повышение рабочей температуры.

Независимо от концепции силовой ключ должен обеспечивать наилучший баланс между основными параметрами (пример на рис. 2):

  • напряжением насыщения VCE(SAT) и энергией потерь выключения;
  • напряжением насыщения VCE(SAT) и стойкостью к короткому замыканию (область безопасной работы SCSOA).
силовой ключ

Рис. 2. Зависимость:
а) напряжения насыщения VCE(SAT) IGBT 12 класса от шага ячейки при Tj = +125 °С;
б) плотности тока коллектора JC(SAT) IGBT 12 класса от шага ячейки при Tj = +125 °С

Решение первой задачи привело к разработке структур SPT+ (ABB), Trench 4 (Infineon), CSTBT (Mitsubishi), отличающихся высокой концентрацией свободных носителей заряда в зоне n эмиттера. Негативным следствием этого является повышение скорости спада тока коллектора при выключении, приводящее к росту уровня коммутационных перенапряжений и электромагнитных помех.

Преодоление второго конфликта достигается за счет уменьшения толщины кристаллов и внедрения слаболегированных FS (Field Stop) слоев, обеспечивающих резкий спад напряженности поля. Отметим, что толщина чипов имеет ключевую связь с их свойствами. Кроме всего прочего, она определяет влияние MOS-канала на процесс модуляции проводимости. На рис. 2 на примере 1200-В Trench IGBT показано, как напряжение насыщения VCE(sat) или плотность тока коллектора JC(sat) зависит от шага ячейки (расстояние между ближайшими центрами ячеек структуры затвора) при температуре чипа Tj = +125 °С.

На рис. 3 [2] представлена эволюция размеров кристаллов и величины прямого падения напряжения для различных поколений IGBT Infineon (12 класс, номинальный ток 75 А).

Эволюция размеров кристалла и величины прямого напряжения кристаллов IGBT Infineon

Рис. 3. Эволюция размеров кристалла и величины прямого напряжения кристаллов IGBT Infineon (1200 В, 75 А)

В условиях, когда параметры силовых ключей приближаются к своим физическим пределам, повышение нагрузочной способности и снижение стоимости системы при оптимальных условиях охлаждения достигается путем расширения температурного диапазона. Например, для IGBT Trench 4 допустимая рабочая температура кристаллов повышена с +150 до +175 °С, у следующей генерации она может быть доведена до +200 °С. Естественно, что антипараллельные диоды и интерфейсные материалы модулей выбираются с учетом этих режимов эксплуатации.

Столь существенное ужесточение условий применения должно обеспечиваться без ущерба для надежности, что требует кардинального пересмотра конструкции силовых модулей и детального анализа свойств используемых материалов. На рис. 4 [4] показаны основные особенности различных IGBT-структур, их подробное описание приведено в [3].

Основные концепции IGBT: структура, базовые свойства, характеристики напряженности поля в заблокированном состоянии

Рис. 4. Основные концепции IGBT: структура, базовые свойства, характеристики напряженности поля в заблокированном состоянии

Концепция РТ

В первых транзисторах, созданных по технологии РТ (Punch Through), которая продолжает совершенствоваться до настоящего времени, в качестве базы использовалась p+-подложка, а зоны n+ и n создавались путем эпитаксиального выращивания. Современные РТ IGBT имеют канавочную структуру затвора (Trench-Gate), как показано на рис. 4. В состоянии прямой блокировки зона пространственного заряда включает в себя всю область n. Чтобы эпитаксиальный слой имел минимально возможную толщину даже при высоких обратных напряжениях, напряженность электрического поля в конце дрейфовой n-зоны снижается путем внедрения высоколегированной n+-буферной области.

Ключи РТ IGBT отличаются высокой эффективностью эмиссии дырок в p+-слое, перемещающихся в n-дрейфовую область, что обусловлено малой толщиной и высокой степенью легирования подложки. Ток управления PNP-транзистора должен быть снижен соответствующей настройкой коэффициента переноса базы (n-дрейфовая зона, n+-буферная зона), что достигается за счет уменьшения срока жизни носителей заряда в n+-слое. Для этого увеличивается количество так называемых центров рекомбинации путем золотого легирования или облучения пучком электронов. При этом дырочный ток составляет примерно 40–45% от общего значения.

Концепция NРТ

Основой для производства NРТ (Non Punch Through) транзисторов, выпускаемых всеми основными производителями силовой элементной базы, является тонкая, слаболегированная n-пластина. Область p+-коллектора создается путем обратной имплантации. В NРТ IGBT дрейфовая n-область настолько широка, что электрическое поле в ней полностью спадает в состоянии прямой блокировки вплоть до предельно допустимого напряжения и, в отличие от РТ, не может выйти за пределы этой зоны.

NРТ-структура имеет очень тонкий р+-слой коллектора на границе области эмиттера, что обусловливает низкую эффективность эмиттера PNP субтранзистора (коэффициент инжекции gЕ = 0,5). Ее оказывается недостаточно для снижения коэффициента переноса базы за счет уменьшения времени жизни носителей. При этом дырочный ток составляет 20–25% от общего значения.

В отличие от РТ IGBT напряжение насыщения NРТ-ключей имеет положительный температурный коэффициент, что обеспечивает симметрию статических токов между ячейками в кристалле, а также между параллельно соединенными кристаллами и силовыми модулями. Время переключения в режиме жесткой коммутации NPT-транзисторов несколько ниже, чем у РТ, и оно в меньшей степени зависит от температуры. Они более надежны в режимах перегрузки благодаря лучшим характеристикам «самоограничения».

Концепция SРТ и SPT+

Технология SРТ (Soft Punch Through), разработанная компанией АВВ, представляет собой дальнейшее развитие NPT-концепции. Здесь база также представляет собой тонкую и слаболегированную n-пластину, а p+-область на коллекторе образуется путем обратной имплантации. Дополнительная p+-зона играет роль барьера поля или слоя FS (Field Stop), находящегося над n+-коллектором. Это позволяет снизить толщину дрейфового слоя (в РТ-структуре эту функцию выполняет высоколегированный n+-буферный слой) путем ограничения электрического поля в конце n-дрейфовой зоны напротив области коллектора. Так как задачей данного слоя является не снижение эффективности эмиттера (как это было в случае PT IGBT), а только уменьшение напряженности поля, он менее сильно легирован, чем n+-буфер в РТ-структуре.

При аналогичной величине блокирующего напряжения ширина wB дрейфовой n-зоны у SPT может быть существенно снижена по сравнению с NPT IGBT, что позволяет уменьшить и прямое падение напряжения, пропорциональное wB. Как и в предыдущем случае, SPT IGBT обладают положительным температурным коэффициентом прямого напряжения и высокой стойкостью к перегрузкам. На рис. 5 [5] показаны основные особенности технологии SPT в сравнении с РТ и NPT.

Сравнение структуры SPT с PT и NPT IGBT

Рис. 5. Сравнение структуры SPT с PT и NPT IGBT

Дальнейшее ее развитие — SPT+-структура (рис. 6) [6], в состав которой входит дополнительный n-слой в n-дрейфовой зоне вокруг p-канальных областей. Он создает т. н. «дырочный барьер» и препятствует утечке неосновных носителей в открытом состоянии, что повышает плотность носителей заряда и позволяет уменьшить напряжение насыщения без заметного ухудшения динамических свойств транзистора. В n/n-переходе между дрейфовой зоной и дополнительным слоем присутствует диффузионное напряжение (около 0,17 В), препятствующее утечке дырок и создающее упомянутый выше барьер. Для поддержания нейтрального заряда электроны продолжают поступать из области канала, и концентрация свободных носителей возрастает.

Структура SPT+ IGBT, эффект «дырочного» барьера

Рис. 6. Структура SPT+ IGBT, эффект «дырочного» барьера

Концепция NPT FS Trench gate (с FS-слоем и вертикальным канавочным затвором)

В таких ключах обычная NPT-структура дополнена FS-слоем, а планарный затвор заменен вертикальным канавочным (рис. 4). Как и в предыдущем случае, база представляет собой тонкую, слаболегированную n-пластину, в которой на обратную сторону p+-коллектора имплантирован дополнительный n+-слой, выполняющий FS-функцию. Это позволяет уменьшить толщину дрейфовой зоны (в РТ-структуре данную задачу решает высоко­легированный n+-буферный слой) путем ограничения электрического поля в конце n-дрейфовой зоны напротив области коллектора.

Усовершенствованная структура обладает положительным температурным коэффициентом прямого напряжения и высокой стойкостью к перегрузкам. Хвостовой ток, образующийся при выключении Trench FS NPT, в начальной фазе несколько выше, чем у транзистора без FS-слоя, однако спадает он быстрее.

Конструкция элементов затвора в каждой из ячеек IGBT образует вертикальные каналы в т. н. «р-карманах» структуры транзистора. Поскольку активная площадь кремния при этом увеличивается, то улучшается качество управления полем в поперечном сечении каналов и, соответственно, снижается их сопротивление. В рамках каждого определенного размера чипа можно продолжать уменьшение площади ячеек, поэтому IGBT с вертикальной структурой затвора имеют более высокую плотность тока и рабочее напряжение, меньшие потери проводимости и переключения, а также лучшую стойкость к защелкиванию, чем планарные.

У последнего, четвертого поколения кристаллов (Trench 4) Infineon уменьшен шаг ячеек (т. е. расстояние между центрами элементов затворов ближайших ячеек) по сравнению с IGBT 3, соответственно и сами они стали меньше. Оптимизация структуры ячеек и снижение толщины чипов позволили улучшить статические и динамические характеристики ключей. Однако уменьшение размера кристаллов неизбежно приводит к росту контактного теплового сопротивления Rth(j-c) или Rth(j-s). Таким образом, улучшение электрических характеристик требует и соответствующего расширения диапазона рабочих температур: у кристаллов 4 поколения предельное значение Tjmax увеличено до +175 °С, что на 25 °С выше, чем у IGBT предыдущих генераций.

Чипы 4 поколения выпускаются в нескольких версиях, отличающихся соотношением статических и динамических параметров:

  • IGBT4-T4 — низкое время коммутации (для модулей с номинальным током 10–300 А);
  • IGBT4-Е4 — низкие потери проводимости и переключения (для модулей с номинальным током 150–1000 А);
  • IGBT4-Р4 — плавный характер переключения и низкие потери проводимости (для модулей с номинальным током выше 900 А).

Концепция CSTBT

Комбинация дырочного барьера над дрейфовой зоной и канавочной структуры затвора использована в CSTBT (Carrier Stored Trench Bipolar Transistor) компании Mitsubishi (рис. 7) [7]. У этих ключей, известных ранее как IEGT (Enhanced Gated Transistors), инжекция носителей заряда n-эмиттером увеличена с помощью «дырочного барьера», описанного выше и использованного в SPT+-концепции. Дополнительный n-слой располагается внутри структуры канавочного затвора под р-базовой областью. Под «барьером» аккумулируются носители положительного заряда, что приводит к эффективному излучению электронов из каналов и повышает локальную концентрацию свободных носителей.

Базовая структура, распределение носителей заряда во включенном состоянии и соотношение между напряжением насыщения VCE(sat) и потерями выключения Eoff для Trench IGBT и CSTBT

Рис. 7. Базовая структура, распределение носителей заряда во включенном состоянии и соотношение между напряжением насыщения VCE(sat) и потерями выключения Eoff для Trench IGBT и CSTBT

CSTBT отличается от «обычного» Trench IGBT всего одним слоем, названным Carried Stored n layer (отсюда и название транзистора). Носители n-типа (электроны), инжектированные каналом Trench затвора, быстро распространяются в аккумулирующем их CS-слое. Его сопротивление и, соответственно, скорость распространения носителей могут регулироваться с помощью изменения концентрации носителей. В то же время для дырок, инжектируемых р-коллектором, затрудняется проникновение в область р-базы. Это происходит потому, что высокоэнергетический барьер p-n-перехода, образованный CS-слоем n-типа с высокой концентрацией носителей и р-базой, расположен выше, чем переход, образованный слоем n-подложки с относительно низкой концентрацией носителей. В результате оптимальные условия для нейтрализации заряда создаются непосредственно под областью р-базы. Возникающий при этом так называемый эффект аккумуляции носителей способствует дальнейшему снижению прямого падения напряжения.

Компания Mitsubishi также использовала CSTBT-концепцию и в отношении NPT-структуры, что дает возможность применять менее дорогие тонкие пластины из гомогенного n-кремния вместо эпитаксиальных пленок.

Технология Plugged cells

Вместо стандартной технологии сварки отдельных ячеек можно использовать метод короткого замыкания поликремния в области затвора с металлизацией эмиттера, что позволяет обеспечить дальнейшее улучшение характеристик IGBT. Увеличение объема ячейки и снижение размера р-областей дает возможность увеличить концентрацию носителей заряда в области эмиттера и снизить прямое падение напряжения в гораздо большей степени, чем за счет роста перепада напряжения на канале [8]. Еще одним преимуществом транзисторов с «замкнутыми ячейками» является меньший ток самоограничения в режиме КЗ по сравнению с обычными Trench IGBT.

Концепция RC-IGBT

Над IGBT-кристаллами, способными проводить одинаковый ток в обоих направлениях (в транзисторном и диодном режиме), работает большинство производителей. Подобные ключи получили название RC IGBT (Reverse Conducting IGBT) или IGBT с реверсивной проводимостью.

Диоды, используемые в IGBT в качестве антипараллельных (FWD), имеют хорошие динамические свойства и характеристики восстановления. Однако они являются достаточно дорогими элементами, их производство требует существенных затрат. Гибридные диоды обладают следующими преимуществами:

  • более эффективное использование площади модуля;
  • лучшие перегрузочные характеристики;
  • более симметричное распределение токов при параллельном соединении;
  • улучшенное соотношение тепловых сопротивлений Rth(j-c) диода и транзистора;
  • меньшие пульсации температуры кристалла.
Структура кристалла RC IGBT компании АВВ

Рис. 8. Структура кристалла RC IGBT компании АВВ

К недостаткам технологии RC-IGBT можно отнести тот факт, что потери IGBT и диода создаются одним кристаллом, кроме того, здесь требуются значительные технологические усилия для контроля процесса обратного восстановления.

Внедрение диода в состав чипа стандартного PT или NPT IGBT является сложной технологической задачей, требующей значительного изменения структуры коллектора. Такая возможность появилась только в последнее время благодаря развитию тонкопленочных технологий. Первые опытные образцы транзисторов с интегрированным диодом, названные RC-IGBT (Reverse Conducting IGBT), или IGBT с обратной проводимостью, были изготовлены компанией Mitsubishi на основе LPT-структуры.

На рис. 8 [9] показана базовая концепция RC-IGBT компании АВВ, выполненная с использованием SPT-концепции. Реверсивная проводимость обеспечивается интегрированным MOSFET, выполняющим функцию обратного диода. Он образуется внесением n-элементарных слоев в область р+-коллектора. В качестве анода диода используется p-базовая область IGBT.

Инжекция дырок из зоны р+-коллектора должна обеспечиваться и при малых уровнях токов и напряжений. Существуют различные технологические приемы, позволяющие снизить потери выключения, получить плавный характер переключения во всем диапазоне рабочих температур и исключить защелкивание. Для решения этой задачи необходимо задать очень точный профиль легирования областей р-эмиттера и p+/n+-коллектора. В ячейках в данном случае используются не высоко­легированные р+-зоны, а тонкие р-структуры, что позволяет снизить эффективность инжекции.

Локальный контроль носителей р-зарядов посредством имплантации или облучения протонами позволяет снизить потери выключения Eoff диодов без ухудшения блокирующей способности и динамических характеристик IGBT. Еще одним способом уменьшения Eoff является применение так называемых MOS-контролируемых диодов (Bimode Insulated Gate Transistor, BIGT).

На сегодня в производстве находятся RC-IGBT с рабочим напряжением 600–3300 В. Их совершенствование непрерывно продолжается, и главной задачей на этом пути является улучшение характеристик выключения. Сравнение прямых характеристик обычных NPT и RC-IGBT показывает, что при одинаковых условиях работы напряжение насыщения кристаллов с обратной проводимостью выше примерно на 0,4 В в области номинальных токов. Увеличение потерь проводимости является неизбежной платой за усложнение структуры кристалла.

Одним из важнейших критериев, определяющих качественные показатели ключа, является соотношение статических потерь и энергии выключения. Комплексная предварительная оценка показывает, что, несмотря на большие потери проводимости, RC-IGBT выигрывает у NPT-IGBT по соотношению VCEsat и Eoff. Однако ток обратного восстановления Irr внутреннего диода RC-IGBT заметно превышает показатели FWD NPT-IGBT в аналогичных условиях. Причиной этого является высокая неконтролируемая концентрация примесей в области базы.

В 2013 г. компанией ROHM были представлены новейшие SiC MOSFET 12 класса с номинальным током 180 А, в которых функцию FWD выполняет внутренний диод MOSFET. При этом в нем полностью подавлен эффект «биполярной деградации», а энергия обратного восстановления существенно меньше, чем у обычных MOSFET и IGBT аналогичного токового класса. Возможно, что в ближайшем будущем технология карбида кремния (SiC) станет основной при производстве низковольтных ключей с функцией обратной проводимости.

Концепция ESBT

Биполярный транзистор с коммутируемым затвором (Emitter Switched Bipolar Transistor, ESBT) (рис. 9) [10] не является IGBT в привычном понимании этого слова. Он представляет собой монолитную каскадную схему, состоящую из NPN- и MOSFET-частей, изначально разработанную для применения в преобразователях, работающих на больших напряжениях и частотах коммутации.

Структура кристалла ESBT и эквивалентная схема

Рис. 9. Структура кристалла ESBT и эквивалентная схема

Каскады, объединяющие низковольтный MOSFET и высоковольтный биполярный транзисторы, начали использоваться в дискретных и гибридных полупроводниковых компонентах в 80-х годах. «Полевая» часть ключа соединена последовательно с цепью эмиттера NPN. Во включенном состоянии оба транзистора полностью контролируются, таким образом, падение на открытом ESBT является суммой прямых напряжений полевой и биполярной частей.

ESBT управляется по затвору MOSFET, при этом база NPN-транзистора постоянно соединена с источником напряжения через резистор. При выключении полевой транзистор открывает эмиттерную цепь NPN и его коллекторный ток начинает течь через базу к источнику управляющего напряжения до тех пор, пока все носители заряда в биполярной структуре не рекомбинируют и ток коллектора не прекратится.

Поскольку при выключении эмиттер «отсоединяется» посредством полевого транзистора, полностью исключается риск вторичного пробоя биполярной структуры. По сравнению с процессом нормальной коммутации базовый ток здесь выходит за лимиты RBSOA и отключение транзистора возможно только в пределах ограниченного значения VCBO коллекторно-базового диода. Управление по затвору MOSFET при этом осуществляется достаточно низким напряжением, что снижает требования к драйверу.

Продолжение статьи.

Литература
  1. Arendt Wintrich, Ulrich Nicolai, Werner Tursky, Tobias Reimann. Application Notes for IGBT and MOSFET modules. SEMIKRON International. 2010.
  2. Bayerer R. Higher Junction temperature in Power Modules – a demand from hybrid cars // PCIM Europe. Conference Proceedings. 2008.
  3. Lutz J. Halbleiter-Leistungsbaulemente: Physik, Eigenschaften, Zuverlassigkeit // Springer Verlag Berlin Heibelberg. 2006.
  4. Rusche W. Die vierte IGBT-generation. Modern IGBT ermoglichen Energieeinsparungen bei industrien Anwendungen. elektroniknet.de.
  5. Dewar S., Linder S. Soft Punch Through (SPT) – Settling new Standards in 1200 V IGBT // PCIM Europe. Conference Proceedings. 2006.
  6. Cammarata M., Kopta A. 1200 V SPT+ IGBT and diode Chip-Set for High DC-link Voltage Application // PCIM Europe. Conference Proceedings. 2009.
  7. IGBT Modules Application Note: The 5th generation IGBT Chip // Mitsubishi. 12/2007.
  8. Takeda T., Kuwahara M., Kamura S. 1200 V trench gate NPT-IGBT (IEGT) with exellent low on-state voltage» // ISPSD. Conference Proceedings. 1998.
  9. Eckel H.-G. Potential of Reverse Conducting IGBT in Voltage Source Inverters // PCIM Europe. Conference Proceedings. 2009.
  10. Buonomo S., Crisafulli V. ESBT technology in Industrial Converters: The Best Way to Cut Your Losses // PCIM Europe. Conference Proceedings. 2008.
  11. Kapels H., Schmitt M., Kirchner U. New 900 V Class for Junktion Devices – A New Horison for SMPS and Renewable Energy Application // PCIM Europe. Conference Proceedings. 2008.
  12. Stengl J.P., Tihanyi J. Leistuns-MOSFET-Praxis // Plaum verlag Munich. 2nd 1992.
  13. Gillberg J. Mixed Signal and Power Integration Packaging Solutions // Bodo’s Power Systems. 10/2009.
  14. Lutz J., Reimann T. Advanced design with MOSFET and IGBT Power Modules // PCIM Europe. Conference Proceedings. 2007.
  15. Siemieniec R., Hirler F., Geissler D. Space-saving edge-termination structures for vertical charge compensation devices // EPE. Conference Proceedings. 2009

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.