Краткий обзор основных IGBT-технологий

Информация, изложенная в статье, в первую очередь может оказаться полезной при выборе IGBT для нового проекта, так как те некоторые сведения, которые требуется знать о разных типах IGBT, не упоминаются в технических описаниях. Кроме того, во многих справочных руководствах отсутствует информация о технологиях изготовления IGBT. Понимание различий между этими техпроцессами позволяет найти современную замену устройствам IGBT, которые используются в уже существующих приложениях.

Сравнение IGBT с MOSFET

По сравнению с MOSFET процессы обработки поверхности IGBT имеют много схожего, но основные различия в динамических характеристиках этих устройств обусловлены разными структурами нижней поверхности полупроводниковых пластин. Хорошо известные n-канальные MOSFET, работающие в режиме обогащения, делятся на планарные и выполненные по технологии Trench. Поперечное сечение этих устройств и направление тока представлены на рис. 1. Электрическое поле, созданное приложенным между затвором и истоком положительным напряжением значительной величины, вынуждает большое количество носителей дрейфовать от имплантированной n-зоны к имплантированной p-зоне.

В MOSFET планарного типа бóльшая часть пути тока приходится на боковой дрейф, а меньшая — на отрезок между поворотом на 90° и стоком (рис. 1). Чем длиннее общий путь, включая небольшой отрезок канала, где проводимость модулируется металлическим затвором, тем больше сопротивление R_DS(ON) на единицу площади (при том же напряжении V_DSS и шаге между ячейками).

Рис. 1. Направление токов, протекающих через MOSFET двух типов

В Trench MOSFET канал дрейфующих к стоку носителей полностью вертикален, а проводимость модулируется в намного большей степени за счет большей площади металлического затвора, расположенного по сторонам канала. В результате сопротивление R_DS(ON) у транзисторов этого типа меньше по сравнению с планарными устройствами. В обоих случаях электроны дрейфуют от истока по n— и p-каналам в подложку n-типа, обеспечивая так называемое открытое состояние транзистора.

Как известно, в n-канальном MOSFET, работающем в режиме обогащения, имеется внутренняя n-p-n-структура. Работа этого устройства редко вызывает проблемы благодаря тому, что его переход «база–эмиттер» практически закорочен металлизированным покрытием электрода истока. Если напряжение между стоком и истоком устройства достаточно быстро увеличивается при протекании заряда в биполярный транзистор от обратной емкости C_RSS, он может включиться, а затвор — потерять способность к управлению. И хотя защелкивания не происходит, поскольку прекращается управление только биполярным транзистором, последствия могут быть катастрофичными. Большинство приложений нечувствительно к этому режиму работы из-за паразитных элементов, которые ограничивают скорость нарастания фронта V_DS.

IGBT работает схожим образом, но за счет слоя p⁺ на нижней поверхности полупровод­никовой пластины. Кристаллы IGBT, выполненные по технологии PT (punch-through), имеют достаточно большую толщину — порядка 200 мкм у 600-В устройств. Главным образом это обусловлено очень толстым эпитаксиальным слоем p⁺ (около 100 мкм), нанесенным на заднюю поверхность подложки n-типа. Эти устройства также имеют буферный слой n⁺, который нанесен непосредственно поверх слоя p⁺. Именно благодаря этому слою n⁺ возник термин punch-through («смыкание р-n-перехода»). С этой точки зрения, это устройство очень напоминает по строению планарный MOSFET.

Для объяснения работы механизма punch-through следует принять два допущения. Вывод коллектора IGBT фактически представляет собой эмиттер внутреннего биполярного р-n-р-транзистора. Следует учитывать динамические характеристики этого устройства.

В случае сильно легированных n— и р-каналов перехода «база–эмиттер» обеспечивается более высокий коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером и меньшее напряжение V_CE(SAT), чем при использовании слаболегированной зоны n⁺. Чем указанный коэффициент усиления выше, тем ниже V_CEO относительно V_CBO биполярного транзистора. (Опытные инженеры могут по этому случаю вспомнить, как в свое время выбирали биполярные транзисторы с небольшим коэффициентом усиления по току для импульсных источников питания, а затем пропорциональный управляющий сигнал для базы, чтобы вывести транзисторы из насыщения).

IGBT, выполненные по технологии PT, преодолевают эти асимптотические пределы. Как только IGBT начинает выключаться, напряжение V_CBO p-n-p-транзистора блокирует напряжение. Следует заметить, что переход «коллектор–база» p-n-p-транзистора находится рядом с верхней поверхностью этого устройства. Между p-n-p-коллектором верхней части IGBT (эмиттером устройства) и переходом «база–эмиттер» с рекомбинирующими носителями начинает появляться высокое напряжение. Оно приводит к возникновению электрического поля, которое убывает по мере удаления от верхней части устройства к внутреннему граничному слою n^–/n⁺. Если поле достаточно велико у этого граничного слоя, переход «коллектор–база» распространяется в буферный слой n⁺. В результате переход «база–эмиттер» внутреннего p-n-p-транзистора очень быстро закрывается, «хвост» тока становится короче по сравнению с «хвостом» в устройствах типа NPT (non-punch-through), у которых этот буферный слой отсутствует.

IGBT, выполненные по технологии PT, например транзисторы 4-го поколения от компании International Rectifier (IR), имеют отрицательный температурный коэффициент. Это значит, что напряжение V_CE уменьшается с увеличением температуры, что затрудняет возможность параллельного соединения устройств и вынуждает тщательно подбирать соответствующее значение V_CE. Расчетное время короткого замыкания, как правило, невелико и не устанавливается. Это обусловлено относительно высоким коэффициентом усиления по току биполярного транзистора и неспособностью точно управлять крутизной n-канального MOSFET, чтобы ограничить максимальный ток и, как следствие, максимальную рассеиваемую мощность.

NPT-устройства

В отличие от PT IGBT, NPT-транзисторы, например 4-го поколения от компании IR, имеют легированную зону p⁺ на нижней стороне подложки n-типа. Поскольку эта зона сравнительно небольшой толщины, обработка подложки обходится дешевле. Буферный слой n⁺ отсутствует. Несмотря на внешнее сходство, разница между этими двумя структурами устройств значительная. Состояния включения и выключения реализуются схожим образом, но в NPT-транзисторах отсутствует эффект смыкания, что позволяет сократить время накопления заряда и побуждает рекомбинировать носители в переходе «база–эмиттер» собственной p-n-p-структуры. В результате «хвост» коллекторного тока при выключении NPT-транзисторов немного длиннее, чем у PT-устройств, а остальные характеристики идентичны.

Из-за меньшего коэффициента усиления по току в собственной p-n-p-структуре напряжение V_CE(SAT) PT-транзисторов несколько выше, чем у NPT, благодаря чему легче управлять максимальным током p-n-p-транзистора с меньшим коэффициентом усиления с помощью собственного n-канального MOSFET. Это значит, что длительность короткого замыкания NPT-устройства хорошо определяется и контролируется. Значение этого параметра у NPT IGBT находится в диапазоне до 10 мкс.

Наконец, характеристики n-канального MOSFET превалируют над NPT IGBT. Это значит, что напряжение V_CE(SAT)увеличивается с ростом температуры, позволяя соединять эти устройства параллельно друг другу.

Field-Stop IGBT

Рассмотрим совершенно новое устройство из семейства IGBT — очень эффективные IGBT семейства Field Stop. Сама по себе эта технология позволяет уменьшить напряжение насыщения за счет намного меньшей толщины подложки. В этом случае относительно тонкий слой n^– обедняется при закрытии перехода «коллектор–база» и смыкается с тонким хорошо управляемым слоем n⁺, в котором рост электрического поля прекращается. Транзисторы, выполненные по технологии Field-Stop, имеют очень малую толщину по сравнению с устройствами NPT и PT. Благодаря использованию слоя n⁺, прекращающего дальнейшее распространение электрического поля, Field-Stop IGBT можно отнести к семейству PT-устройств. Однако транзисторы Field-Stop намного лучше управляются, чем их предшественники PT.

IGBT, появившиеся на базе технологии MOSFET, относятся к Trench-устройствам, как, например, транзисторы IR 7-го поколения. Как уже упоминалось, технология Trench позволяет с помощью затворного напряжения той же величины модулировать намного большую область дрейфа, увеличивая коэффициент усиления n-канального MOSFET, уменьшая расстояние до стока и величину сопротивления в открытом состоянии. Траектория прохождения тока в этом случае представляет собой вертикальную прямую линию, идущую от коллектора к эмиттеру. Меньшее значение R_DS(ON) MOSFET наряду с более высоким коэффициентом усиления биполярного транзистора за счет тонкого буферного слоя n⁺обеспечивает меньшее напряжение V_CE(SAT). На рис. 2 сравниваются разные IGBT-структуры.

Рис. 2. Сравнение разных IGBT-технологий: PT, NPT и FS/Trench (порядковые номера поколений транзисторов обозначают соответствующие техпроцессы IR, с помощью которых эти устройства были изготовлены)

Комбинация технологий Trench и Field-Stop при создании, например, 1200-В семейств транзисторов IR 6-го и 7-го поколений обеспечивает меньшее значение R_DS(ON) и толщину устройства, больший коэффициент усиления канала и наличие зоны n⁺Field-Stop, благодаря чему появляется возможность использовать устройство в параллельных конфигурациях при минимальном времени накопления заряда и большей устойчивости к намного более высоким температурам. Из-за тонкого перехода «база–коллектор» в собственном p-n-p-транзисторе при значительном токе может возникнуть нехватка носителей и состояние ненасыщения. Поскольку максимальный ток короткого замыкания ограничен, упрощается механизм противодействия возникновению этих условий.

У всех этих устройств общий механизм отказа. У MOSFET, который мы рассмотрели выше, имеется внутренний n-p-n-транзистор, расположенный параллельно выводам стока и истока. Переход «база–эмиттер» этого n-p-n-транзистора закорочен металлизированным покрытием истока вдоль n— и p-каналов. В IGBT имеется дополнительный p-слой на обратной стороне устройства, благодаря которому тиристор формируется из этого паразитного n-p-n-транзистора (n-p-n-p). В отличие от MOSFET, который может пропустить большой импульс тока коммутации через емкость C_RSS, IGBT в этих условиях полностью защелкивается. Коэффициенты усиления этих переходов тщательно контролируются, но при нарушении установленных режимов IGBT защелкивается.

Чего нет в технических описаниях

При поиске подходящего устройства для конкретного приложения используются руководства по выбору, с помощью которых выясняются требуемые характеристики — напряжение, ток, частота коммутации и другие параметры. В одних случаях эти руководства хорошо справляются со своей задачей, в других имеются досадные ограничения.

Как правило, информация о рассмотренных выше технологиях не предоставляется в технических описаниях, несмотря на то, что эти материалы широко используются на семинарах, производстве и при обсуждении характеристик устройств. Может быть, настало время дополнить технические описания необходимой информацией?

Очевидно, что при выборе списка материалов, например для силового преобразователя или его замены современным устройством, знание о технологии его построения окажет разработчику неоценимую услугу.

Предположим, необходимо создать емкостный регулятор яркости, управляемый несфазированным полным мостом ZVT (Zero Volt Switching — коммутация при нулевом напряжении). При этом следует понять, подойдет ли с этой целью резонансная топология. Ответ на этот вопрос положителен в тех случаях, когда ток нагрузки достаточно велик, чтобы в первичной индуктивности рассеяния накопилась энергия примерно той же величины, что и в емкости C_OSSпротивоположного IGBT в полумостовых схемах. В иных случаях выбирается жесткая коммутация. Таким образом, используются и мягкая, и жесткая коммутация. Однако ни одно руководство по выбору не дает ответа на этот важный вопрос.

При разработке электропривода возникают и другие вопросы, на которые не найти ответа в руководстве по выбору. Нужна ли в схеме защита от короткого замыкания? Как правило, нет, поскольку у привода отсутствуют незащищенные выводы и потому вероятность их замыкания нулевая. В рассматриваемом примере разработчику следует обеспечить малые значения C_OSS (выходная емкость), Q_G (заряд затвора), C_RSS (емкость обратного смещения), E_OFF (энергия выключения) и Q_RR (заряд обратного восстановления диода). Этот набор параметров реализуется с помощью любой технологии — PT, NPT или Field-Stop/Trench — в зависимости от частоты коммутации.

Для выбора оптимального устройства следует обсуждать эти приложения с инженерами по применению и производителями. Следует также выбрать диод, соответствующий конкретной IGBT-технологии. Как правило, предпочтителен выбор диодов с малым значением Q_RR. Высокие значения I_RR, Q_RR и t_RR могут стать причинами большого шума.

Итак, этот краткий обзор IGBT-технологий можно рассматривать как пособие для проектирования не только стандартных, но и новых приложений, в отношении которых наблюдается нехватка важной информации.