Tranzistorul bipolar cu poarta izolata IGBT

Avantajele tranzistorului bipolar cu poarta izolata IGBT sunt o imbinare dintre avantajele tranzistoarelor bipolare si MOSFET. Astfel tranzistorul bipolar in raport cu cel MOSFET are urmatoarele avantaje:

·         capacitate mai mare in curent si tensiune;

·         cadere mica de tensiune in conductie ,V_CEON ;

Tranzistorul MOSFET este avantajos din urmatoarele motive:

·         timpi mici de comutatie;

·         comanda de putere mica, in tensiune;

·         inexistenta saturatiei si a celei de a doua strapungeri;

O imbinare a avantajelor celor doua tipuri de tiristoare s-a regasit intr-un nou dispozitiv semiconductor de putere numit transistor bipolar cu poarta izolata - IGBT.

1.1 Structura .Polarizare

Straturile tranzistorului IGBT sunt :

^·            stratul colectorului de tip p⁺ inalt dopat, 10¹⁹/cm³;

·         stratul de tip n^-  ,slab dopat ,10¹⁴ ∕  cm³ ;

·         corpul p, mediu dopat, 10¹⁷ ∕ cm³;

·         stratul emitorului n₂⁺, inalt dopat, 10¹⁹ /cm³;

La unele tranzistoare se mai gaseste si stratul tampon n⁺₁,inalt dopat 10¹⁹/cm³.

O structura verticala printr-un IGBT cu canal n este prezentata in fig.1.1, iar in fig.1.2 simbolizarea acestuia.

Fig.1.1  Structura                            Fig.1.2 Simbolul IGBT-ului cu canal n

Daca tranzistorul nu are stratul tampon se numeste IGBT simetric, si daca are acest strat se numeste asimetric.

Emitorul tranzistorului se conecteaza la stratul n₂⁺ prin intermediului metalizarii din aluminiu.Metalizarea portii G este separate de corpul p prin stratul de oxid de siliciu.

Polarizarea directa consta in aplicarea portii + pe colectorul C al tranzistorului.Polarizarea inversa este doar pe jonctiunea J₂ ,bariera de potential extinzandu-se in toata grosimea stratului n^-, IGBT putand sustine tensiunea de pana la 1500.2500 V.

Pentru tranzistorul asimetric sunt polarizate invers jonctiunile J₁ si J₃.In cazul tranzistorului simetric jonctiunea J₁ este formata din straturile n^-p⁺,bariera de potential fiind de acelasi ordin de marime ca la polarizarea directa.

Tranzistorul simetric poate functiona alimentat in c.c., cat si c.a.,in timp ce tranzistorul asimetric poate functiona alimentat numai cu tensiune continua.

Se realizeaza foarte rar IGBT-uri cu canal de tip p, structura fiind asemanatoare, iar tipul stratului inversat.

1.2  FUNCTIONARE.CARACTERISTICA STATICA

Producatorii de IGBT-uri furnizeaza mai multe tipuri de scheme echivalente functionale , care permit descrierea functionarii acestui transistor.

Starea de functionare a unui IGBT se realizeaza daca este polarizat ca in fig.1.3.

           O astfel de schema echivalenta simplificata este este prezentata in fig.1.4. Fig. 1.3. Schema functionare

        Fig.1.4Schema echivalenta simplificata

Tranzistorul MOSFET materializeaza partea de comanda a IGBT ,care este similara cu cea a tranzistorului MOSFET in sensul ca in corpul p se creaza ,prin camp electric , canalul de tip n. Prin acest canal electronii injectati din sursa ,polarizata negativ, se regasesc in dren ,iar prin stratul n^- in baza tranzistorului pnp, comandand intrarea rapida in conductie a acestuia.Blocarea tranzistorului pnp se face prin blocarea conductiei MOSFET-ului.In felul acesta se realizeaza comanda in tensiune ,deci de putere mica si timpi de comutatie mici.

Pe de alta parte prezenta intre colector si emitor a tranzistorului pnp asigura o cadere de tensiune V_ceon comparabila cu cea a tranzistoarelor bipolare.Se evita de asemenea fenomenul saturatiei, comanda pe poarta fiind in camp electric.

Stabilirea punctului de functionare se face in acelasi mod ca la tranzistorul MOSFET in sensul indeplinirii conditiilor:

·         sa asigure la current maxim tensiunea V_ceon minima, punctual de functionare plasandu-se pe curba de separatie intre zonele activa si ohmica.

·         Punctul de functionare sa se gaseasca in in teriorul ariei de functionare sigura ,SOA, de forma asemnatoare cu cea de MOSFET.

Tensiunea V_ceon ,care caracterizeaza IGBT -ul are valori intre 0,9..,2,2 V.Alegerea si calculul regimului ternic urmeaza aceeasi metodologie de la tranzistorul MOSFET.

1.3 AUTOAMORSAREA

Structura IGBT-ului este practic de tipul pnpn identica cu cea a unui tiristor obisnuit.Din acest motiv IGBT-ul este suspect de aparitia fenomenului de autoamorsare ,dupa modelul de la tiristorul obisnuit.

In mod normal curentul de colector se inchide in stratul de colector p⁺ si stratul de emitor n⁺,tranversand corpul p.

Acest curent este desenat cu linie continua in fig. 1.5.

             

                                                      Fig.1.6.Schema  echivalenta

                                   

                                                                               Fig.1.5 Autoamorsarea

Pentru a evita efectele nedorite ce apar la MOSFET,metalizarea emitorului acopera partial si corpul tranzistorului.

Astfel poate sa apara asa numitul current lateral,i_L ,direct intre emitor si collector ,fara tranversarea stratului n₂⁺.Se pune astfel in evidenta un alt transistor T₂, de tipul npn, format din straturile n^- pn₂⁺, care completeaza schema echivalenta simplificata.

Acest tranzistor are intre baza si emitor rezistorul R_c care corespunde rezistentei corpului p.

Inchiderea curentului lateral, i_L, prin corp produce caderea de tensiune u_L cu polaritatea plus pe baza, proportionala cu acest curent.Cand curentul de colector este relativ mare si curentul lateral i_L capata valori apreciabile.

Tensiunea u_L din baza tranzistorului T₂ devine suficient de mare incat tranzistoarele T₁ si T₂ ,a caror schema este identica cu cea de la tiristorul obisnuit , sa intre in procesul de autoamorsare.

Efectele autoamorsarii conduc la :

·         intrarea in saturatie a celor doua tranzistoare T₁ si T₂ insotite de o crestere accentuata a curentului de collector si distrugerea IGBT-ului;

·         inposibilitatea blocarii conductiei prin comanda pe poarta ,aceasta fiind dezactivata prin aparitia autoamorsarii;

·         blocarea conductiei se poate face numai prin anularea curentului de colector prin aceleasi mijloace cala tiristorul obisnuit.

Evitarea acestui fenomen se realizeaza in doua moduri.Trebuie mentionat curentul de collector i_c ≤ I_CM unde I_CM este curentul maxim de colector admis de IGBT pentru care nu apare fenomenul autoamorsarii.Varianta a doua consta in modificarea constructiva .

      

       Evitarea autoamorsarii consta in micsorarea tensiunii u_L prin reducerea rezistentei corpului R_C ,in zona de inchidere a curentului lateral.In acest sens corpul se realizeaza din doua regiuni, p cu doparea de 10¹⁷  / cm³ si p⁺ cu dopare 10¹⁹ / cm³.Regiunea p⁺, avand evident o conductivitate mai mare va conduce la o tensiune u_L redusa si se va evita intrarea in conductie a tranzistorului T₂ si aparitia fenomenului de autoamorsare.

Pericolul aparitiei acestui fenomen este sporit in procesul de blocare a conductiei ,cand ca urmare a curentului relative mare si a tensiunii colector -emitor in crestere, tensiunea u_L scapa de sub control si IGBT-ul ramane in conductie, desi comanda pe poarta este activate pentru iesirea din conductie.