Особенности реального мощного ПТИЗ

Рассмотренная выше (рис. 4.6, а) структура ПТИЗ относится к планарной (поверхностной) структуре типа SIPMOS (планарная структура затвора), изготовленной с помощью метода фотолитографии [6]. Идентичная структура, представленная на рис. 4.8, а, применяется для изготовления маломощных ПТИЗ и характеризуется, как показано выше, возможностью образования индуцированного горизонтального канала, связывающим исток и сток.

а) б)

Рис. 4.8. Структуры планарного ПТИЗ и мощного ПТИЗ с вертикальным каналом

ПТИЗ большой мощности способен пропускать (коммутировать) сверхбольшие тока (сотни ампер). Для этого предусматривается особая технология, в процессе которой в структуре ПТИЗ создается встроенный вертикальный n -канал (рис. 4.8, б) с большой площадью поперечного сечения, а также создается возможность индуцирования короткого горизонтального n -канала длиной d.

У этих ПТИЗ истоки И, сформированные на так называемых n ⁺-²карманах² (для устранения выпрямления на контакте металл- полупроводник используется сильно легированная область n ⁺), находятся в верхней части структуры, а контакт стока С, сформированный по той же причине на невыпрямляющей структуре n ⁺, локализован в нижней части. Металлический затвор З, формируется внутри ²толстого² слоя пленки SiO ₂, так что, как обычно, затвор гальванически не связан со слоем полупроводника. Изменяя ²+² потенциал затвора, можно индуцировать дополнительный горизонтальный канал n -типа (длиной d в слаболегированной области p ^--типа), позволяющий электронам проходить от n ⁺-истока к встроенному вертикальному каналу n ^--типа и далее к нижнему контакту стока.

Обратим внимание, что подобный мощный транзистор при нулевом напряжении на затворе (в нормальном состоянии) закрыт, т.к. единый n -канал между стоком и истоком отсутствует, и для его образования необходимо подать на затвор положительный потенциал (движение электронов через структуру показано на рис. 4.8, б). Большая площадь вертикального канала позволяет пропускать через данную структуру значительные токи (десятки ампер и выше).

Анализируя структуру (рис. 4.8, б), можно заметить, что при изготовлении мощных полевых транзисторов с изолированным затвором, имеющих вертикальный канал, образуется два параллельных ²виртуальных² (²паразитных²) биполярных n⁺-p⁺-n^- -транзистора (выделены пунктиром), которые не участвуют в механизме переноса зарядов от истока к стоку (рис. 4.8, б). Поскольку ²паразитные² транзисторы включены параллельно, ниже речь будет идти об одном n-p-n -транзисторе.

Оценим, почему паразитные транзисторы не участвуют в переносе зарядов?

Отметим, что при заданном положительном потенциале стока поток электронов, двигающихся от истока И к стоку С, создает ток, направленный от стока к истоку. При этом потенциал точки 1, отмеченной в вертикальном канале на рис. 4.8, б, ниже (более отрицательный), чем потенциал точки 2, находящейся в области базы виртуального биполярного транзистора. Отождествляя отмеченную структуру n⁺-p⁺-n^- с воображаемым виртуальным транзистором, легко понять, что при потенциале р -базы, более отрицательном, чем его коллектор (точка 3), каждый из этих транзисторов закрыт. Именно поэтому ток между их эмиттерами и коллекторами не протекает, и эти биполярные транзисторы выступают как структуры, не принимающие участие в формировании тока между истоком и стоком.

Схема замещения, соответствующая структуре мощного ПТИЗ, приведена на рис. 4.9, а. Элементами схемы являются: VT ₁ – собственно, ПТИЗ с индуцируемым каналом n -типа, VT ₂ - паразитный биполярный n-p-n -транзистор, R ₁ – последовательное сопротивление вертикального канала полевого транзистора VT ₁, R ₂ - сопротивление, шунтирующее переход ²база-эмиттер² виртуального биполярного транзистора (между контактом истока И точкой 1). Благодаря сопротивлению R ₂ биполярный транзистор VT ₂ заперт отрицательным потенциалом на его базе, и, как отмечено выше, не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT ₁.

Выходные вольтамперные характеристики анализируемого ПТИЗ, идентичны приведенным ранее (рис. 4.6, б) и имеют вид, представленный на рис. 4.9, б.

Рис. 4.9. Характеристики ПТИЗ (а, б) и БТИЗ (в, г) с вертикальным каналом

4.3.2. Строение IGBT

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) являются самыми перспективными силовыми приборами и предназначены для работы в так называемых ² токовых ключах ², пропускающих значительных токов (несколько тысяч ампер).

Учитывая специфическую структуру БТИЗ, контакты прибора и прилегающие к ним области называются: эмиттер Э, затвор З, коллектор К.

На рис. 4.10 приведена структура IGBT c планарным затвором, характерным для ПТИЗ, а также показаны пути движения носителей заряда как через элементы ПТИЗ, так и через специально встроенный биполярный транзистор.

Рис. 4.10. Структура элементарной ячейки IGBT с планарным затвором

Транзисторы БТИЗ (IGBT) имеют структуру (ячейку), аналогичную мощному ПТИЗ с коротким горизонтальным индуцируемым n -каналом и вертикальным n -каналом (рис. 4.8, б), но дополненную еще одной областью p ⁺ (в области коллектора), а, значит, еще одним p-n -переходом (рис. 4.10). Благодаря дополнительному p ⁺-слою в структуре образуется ²новый² p⁺-n^--p⁺ -транзистор VТ ₂ (рис. 4.10) с очень большой площадью p-n -переходов, который способен пропускать (переключать, коммутировать) значительные токи. Схема замещения БТИЗ и вольтамперная характеристика структуры представлены на рис. 4.9, в, г.

Подадим на планарный затвор З (рис. 4.10), заключенный в слое диэлектрика SiO ₂, положительное напряжение U _зи, большее, чем U _зи.пор.

Тогда, во-первых, в структуре в p ^-- слое индуцируется короткий горизонтальный канал n -типа, и поток электронов (отмечен кружком 1) двигается от эмиттера к положительному коллектору через встроенный вертикальный канал n ^--типа.

Во-вторых, в данном случае более отрицательный потенциал точки 1 (рис. 4.10), фактически приложен к n -базе биполярного транзистора, так что последний – открыт. Поэтому, с одной стороны, поток дырок (отмечен кружком 2) двигается в структуре биполярного p ⁺- n ^-- p ⁺-транзистора от положительного коллектора к отрицательному эмиттеру; с другой стороны, параллельно потоку 2 двигается поток дырок 3 в структуре биполярного p ⁺- n ^-- p ^-- p ⁺-транзистора.

Другими словами, при подаче положительного потенциала на затвор, в объеме структуры индуцируется проводящий n -канал длиной d в р^- -области. За счет индуцированного n -канала открывается ПТИЗ с вертикальным n -каналом. Вследствие протекания тока по вертикальному каналу n -типа каждая точка его объема, например, область А, приобретает более отрицательный потенциал, чем потенциал области коллектора. Это идентично подаче отрицательного потенциала на n -базу БТ, и поэтому обеспечивается открытие биполярного p-n-p -транзистора.

Между внешними контактами (коллектором и эмиттером) ячейки IGBT начинает протекать ток. При этом ток стока (коллектора) ячейки IGBT оказывается усиленным (по сравнению с идентичным отдельным транзистором ПТИЗ) в несколько раз за счет того, что при включенном биполярном транзисторе через n ^--область Б идут дополнительные встречные потоки носителей заряда (электронов и дырок).

Управление БТИЗ с целью его включения (открытия) или выключения (закрытия) осуществляется изменением напряжения U _зэ на затворе незначительной величиной 5…6 В.

Сравнивая выходные характеристики силовых ПТИЗ и БТИЗ можно видеть (рис. 4.9, б, г) их существенное отличие.

Обратное включение ПТИЗ и БТИЗ. При ² обратном² включении ПТИЗ с n -каналом (рис. 4.8, а) на сток подается отрицательный потенциал. В этом режиме p-n -переход ²сток-подложка² является прямо смещенным, и ток транзистора экспоненциально возрастает при увеличении напряжения (рис. 4.9, б, третий квадрант) как и у диодной структуры даже при незначительном значении прямого напряжения.

При ²обратном² включении силового IGBT -транзистора при индуцированном n -каналом (рис. 4.10) на коллектор также подается отрицательный потенциал. Но в этом случае p⁺-n^- -переход вблизи контакта коллектора закрыт; по мере увеличения напряжения U _кэ (рис. 4.9, б, третий квадрант) через обратно смещенный переход протекает незначительный ток, связанный с тепловыми токами.

Именно поэтому структура IGBT -транзистора может выдерживать значительное обратное напряжение до 4500 В.

Прямое включение ПТИЗ и БТИЗ. При так называемом ²прямом² включении силовых ПТИЗ с n -каналом (рис. 4.8, а) на сток подается положительный потенциал. На вольтамперной характеристике имеется выраженные омическая и активная зоны (рис. 4.9, б, первый квадрант).

В области активной зоны силовых ПТИЗ ток стока продолжает возрастать пропорционально напряжению U _си (сток- исток), т.е. транзистор не насыщается, а проявляет себя как активный резистор с определенным большим сопротивлением частично перекрытого канала. Другими словами, в области относительно больших напряжениях U _си ток стока I _c не является постоянным, а продолжает расти по мере увеличения U _си.

В то же время следует отметить, что силовые транзисторы обычно предназначены для работы в ключевом режиме. Этот режим характеризуется тем, что при одних потенциалах транзистор включен (ток стока большой), а при других – выключен (ток стока отсутствует). Подобный режим достигается путем выбора рабочей точки на стоковой характеристике. Как будет показано ниже, активная область ВАХ с током, возрастающим при увеличении напряжения U _си, не должна использоваться, Именно поэтому транзисторы типа ПТИЗ, в отличие от IGBT, не используется в ключевом режиме работы.

При ²прямом² включении у IGBT -транзисторов с индуцированным каналом n -типа на коллектор также подается положительный потенциал. На его стоковой ВАХ имеется выраженная область, при которой наступает насыщение, а после которой в активной зоне ВАХ при возрастании напряжения U _кэ ток I _к изменяется незначительно (рис. 4.9, г). Напряжения U _{кэ нас}, при которых наступает область насыщения (отмечены пунктиром), зависят от напряжения U _зэ. В целом, зона (область) насыщения характеризуется малым значением прямого падения напряжения U _кэ менее 1,5-2 В и токами I _кэ вплоть до 50-200 А. Именно подобные стоковые характеристики прибора позволяют использовать IGBT -транзисторы в качестве токового ключа при сверхбольших токах.

Перспективные и еще более мощные ПТИЗ и БТИЗ, предназначенные для коммутации сверхбольших токов, выполняют путем изготовления многослойных вертикальных структур (рис. 4.11, а, в) с вертикальным затвором в форме так называемого ²паза² по специальной технологии (trench-gate technology).

а) б) в)

Рис. 4.11. Структура ячеек силовых МОП- и IGBT -транзисторов

а) МОП-транзистор с пазовой структурой затвора; б) IGBT -транзистор с планарным затвором и вертикальным каналом;
в) IGBT -транзистор с пазовой структурой затвора и вертикальным каналом

В отличие от структур приведенных ранее, на основе trench- технологии затвор выполняется не в толстом слое диэлектрика, а углублен в объем материала в форме ²паза² (рис. 4.11, а, в).

В результате анализа структур и свойств транзисторов, можно сделать вывод, что IGBT, как прибор, представляет собой биполярный p-n-p -транзистор, управляемый от сравнительно низковольтного транзистора типа ПТИЗ с индуцированным каналом.

Перечисленные выше достоинства IGBT -транзисторов приводят к важным эксплуатационным результатам при их использовании качестве силовых импульсных приборов - аналоговых ключей, способных пропускать (коммутировать, переключать) большие токи:

- значительно уменьшается сопротивление открытого прибора (менее 0,01 Ом);

- существенно уменьшается остаточное напряжение U _кэ на включенном (открытом) приборе даже при очень больших токах (обычно не более превышает 2-3 В).

IGBT -транзисторы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных транзисторов (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и ПТИЗ-транзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации сигналов). Максимальное напряжение IGBT -транзисторов, включенных в обратном направлении, в целом, ограничено из-за пробоя p-n- переходов, но уже в настоящее время выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4500 В.

Вышеперечисленные обстоятельства делают IGBT -транзисторы наиболее более предпочтительными для их использования как силовых приборов в ключевом режиме работы.

Быстродействие БТИЗ ниже, чем быстродействие полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных: время их включения и выключения не превышает 0,5…1,0 мкс.

Условно-графические изображения транзисторов IGBT различных типов, используемые на схемах, приведены на рис. 4.12 и обложке пособия.

Рис. 4.12. УГО различных модулей IGBT

Подобные транзисторы выполняются в виде отдельных элементов –модулей. IGBT -модуль по внутренней электрической схеме может представлять собой (рис. 4.13): единичный IGBT (а), двойной модуль (half-bridge), где два IGBT (б) соединены последовательно (полумост), прерыватель (chopper), в котором единичный IGBT последовательно соединен с диодом (в, г), однофазный или трехфазный мост и т.п. Во всех случаях, кроме прерывателя, модуль содержит встроенный обратный диод, включенный параллельно каждому IGBT.

а) б) в) г)

Рис. 4.13. Схемы IGBT модулей

IGBT транзисторы считаются самыми перспективными силовыми приборами и занимают доминирующее положение среди приборов для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Их развитие идет по пути:

- повышения диапазона коммутируемых токов и напряжений (единицы килоампер, 5…7 киловольт);

- повышения быстродействия (время переключения менее 100 нс);

- повышения стойкости к перегрузкам и аварийным режимам;

- снижения прямого падения напряжения;

- разработки новых структур со значениями плотности токов, протекающих в тиристорных структурах (см. ниже);

- развития ²интеллектуальных² IGBT транзисторов (с встроенными функциями управления, диагностики и защиты от токов короткого замыкания) и модулей на их основе;

- создания высоконадежных корпусов.

В настоящее время величина напряжения, которое может быть приложено к БТИЗ (коммутируемое напряжение) достигает 4500 В, токи включенного транзистора (в модульном исполнении) - до 1800 А, прямое падение напряжения - в пределах 1-1,5 В, частота коммутации (включения- выключения) - до 50 кГц; время переключения до 200 нс.

Помимо применения в перспективной области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT -транзисторы используются в электротехнике для управления и относительно маломощными электроприводами с широким диапазоном регулирования скоростей вращения, например, электрических машинах бытового назначения, инверторных кондиционерах. Их применяют в качестве электронного ключа для электронного зажигания автомобилей, в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем и т.п.

Транзисторы IGBT выпускаются в виде отдельных модулей в прямоугольных корпусах (см. обложку книги) с односторонним или двусторонним прижимом и охлаждением различных типоразмеров, среди которых можно выделить модули: SEMITRANS, SEMiX, SKiM, MiniSKiiP, SKiiP, SEMITOP и другие. Обозначения IGBT -модулей разнообразны: МПКТИ-1400-18, МПКТИ-1200-25, 2М35, ОМ150F120CMC, OM300L60CMIS, T1400TA18, ST1200FX21, GA200SA60S и т.п.