IGBT/MOSFET: основные концепции и пути развития

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 R_dson для MOSFET или напряжением насыщения V_CEsat для IGBT. В то же время транзистор должен выдерживать высокое обратное напряжение V_CE в заблокированном состоянии и генерировать минимальные потери выключения E_off.

Соотношение характеристик V_CEsat, V_CE и E_off определяет свойства IGBT как биполярного силового ключа. Для униполярной MOSFET-структуры в качестве основного критерия используется соотношение R_dson и обратного напряжения V_DSS. 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 V_CE(SAT) и энергией потерь выключения;
• напряжением насыщения V_CE(SAT) и стойкостью к короткому замыканию (область безопасной работы SCSOA).

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 V_CE(sat) или плотность тока коллектора J_C(sat) зависит от шага ячейки (расстояние между ближайшими центрами ячеек структуры затвора) при температуре чипа T_j = +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).

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].

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 g_Е = 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 w_B дрейфовой n^—-зоны у SPT может быть существенно снижена по сравнению с NPT IGBT, что позволяет уменьшить и прямое падение напряжения, пропорциональное w_B. 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.

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.

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 R_th(j-c) или R_th(j-s). Таким образом, улучшение электрических характеристик требует и соответствующего расширения диапазона рабочих температур: у кристаллов 4 поколения предельное значение T_jmax 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.

Рис. 7. Базовая структура, распределение носителей заряда во включенном состоянии и соотношение между напряжением насыщения V_CE(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 R_th(j-c) диода и транзистора;
• меньшие пульсации температуры кристалла.

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 E_off диодов без ухудшения блокирующей способности и динамических характеристик IGBT. Еще одним способом уменьшения E_off 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 V_CEsat и E_off. Однако ток обратного восстановления I_rr 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.

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 V_CBO коллекторно-базового диода. Управление по затвору MOSFET при этом осуществляется достаточно низким напряжением, что снижает требования к драйверу.

Продолжение статьи.