Tranzistorul Bipolar cu Grilă Izolată - IGBT

1.1.1 Aspecte generale

Tranzistoarele bipolare de putere prezintă avantajul saturaţiei profunde, rezultând pierderile mici în conducţie şi dezavantajele unei dinamici mai lente care determină pierderi mari în comutaţie. Spre deosebire de acestea, tranzistorul MOSFET are o rezistenţă de conducţie relativ mare care provoacă pierderi importante în conducţie, însă este mult mai rapid (pierderi mici în comutaţie) şi necesită o putere de comandă neglijabilă datorită grilei MOS.

Sintetizarea pe o aceeaşi pastilă de siliciu a unui dispozitiv compus care să preia avantajele tranzistoarelor bipolare şi ale tranzistoarelor unipolare de tip MOSFET a condus la apariţia tranzistorului bipolar cu grilă izolată (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor).

1.1.2 Structura semiconductoare şi schema echivalentă ale tranzistoarelor IGBT

Structura semiconductoare a tranzistoarelor IGBT este aproape identică cu a tranzistoarelor MOSFET. De exemplu, singurul element care diferenţiază un IGBT cu canal de tip n de un MOSFET având acelaşi tip de canal este stratul suplimentar p+ numit de injecţie care se aşează în partea drenei peste stratul de tip n+, ca în Fig.1.1.1.

Rolul stratului suplimentar p+ este de a funiza purtători majoritari (goluri - sarcini pozitive) ce vor fi injectaţi în regiunea de drift (n-) pentru a-i creşte conductivitatea. Pe de altă parte, în regiunea de drift sosesc electroni (sarcini negative) de la emitor (sursă) pe traseul canalului de conducţie indus prin efect de câmp. Astfel, curentul prin tranzistorul IGBT prezintă un caracter bipolar deoarece apare în urma deplasării simultane a sarcinilor pozitive şi negative care se întâlnesc şi se neutralizează parţial în regiunea de drift.

Fig.1.1.1 Structura semiconductoare a unui tranzistor IGBT planar cu canal de tip n.

Modularea conductivităţii regiunii de drift prin care este scăzută substanţial rezistenţa de conducţie şi caracterul bipolar al curentului, diferenţiază tranzistorul IGBT de tranzistorul MOSFET de putere. La un tranzistor MOSFET căderea de tensiune în regiunea de drift domină pierderile în conducţie şi prin micşorarea rezistenţei acesteia la un IGBT va creşte semnificativ capacitatea de încărcare a tranzistorului.

Privită pe direcţie verticală, structura discului semiconductor al unui tranzistor IGBT este formată din 5 straturi succesive (p+-n+-n--p-n+) obţinute prin difuzie.

Schema echivalentă completă a unui tranzistor IGBT cuprinde un tranzistor de tip MOSFET (TMOS) şi două tranzistoare bipolare (T1,T2 ), ca în Fig.1.1.2 a.

Fig.1.1.2 Schema echivalentă a unui tranzistor IGBT: (a) forma completă; (b) forma simplificată.

Schema echivalentă simplificată a tranzistorului IGBT, aşa cum se prezintă în Fig.1.1.2 b, modelează IGBT-ul cu o structură formată dintr-un tranzistor MOSFET având rol de driver şi un tranzistor bipolar de putere.

Tranzistoarele IGBT de putere sunt închise etanş în capsule de diferite forme şi mărimi, alese în funcţie de caracteristicile tranzistorului, de fabricant, etc. O categorie aparte de capsule aparţin modulelor integrate ce conţin mai multe dispozitive conectate în diferite topologii sau aparţin modulelor inteligente ce includ tranzistoare IGBT împreună cu circuitele de comandă şi protecţie aferente.

1.1.3 Caracteristicile statice ale trazistorului IGBT

Caracteristicile statice tensiune-curent pentru un tranzistor IGBT, uCE = f (ic), având ca parametru tensiunea de bază uBE, sunt prezentate în Fig.1.1.3 a. S-a considerat cazul unui tranzistor IGBT simetric care prezintă capacitatea de blocare inversă. Dacă se utilizează un tranzistor IGBT asimetric, se va considera doar cadranul I al sistemului de axe uCE – iC.

În Fig.1.1.3 b. sunt prezentate caracteristicile ideale şi aria de funcţionare sigură doar în cazul unei polarizări directe, iar în Fig.1.1.3 c, caracteristica de comandă a IGBT.

Fig.1.1.3 (a) Caracteristicile u-i reale pentru un tranzistor IGBT; (b) Caracteristicile u-i idealizate şi aria de funcţionare sigură în cazul polarizării directe (FBSOA); (c) Caracteristica de comandă a IGBT.

Dacă tranzistorul este polarizat invers (uCE<0) curentul de colector este zero atât timp cât tensiunea se menţine sub valoarea de străpungere inversă VBR (Reverse Breakdown Voltage). Atunci când este depăşită această valoare apare fenomenul de străpungere inversă a dispozitivului care poate conduce la distrugerea acestuia. Tensiunea inversă aplicată tranzistoarelor IGBT trebuie să nu depăşească valoarea maximă sugerată de catalog - VRRM (Maximum Repetitiv Reverse Voltage).