Биполярный транзистор с изолированным затвором ( IGBT ) — это трехконтактный силовой полупроводниковый прибор, в первую очередь формирующий электронный переключатель. Он был разработан для объединения высокой эффективности с быстрым переключением. Он состоит из четырех чередующихся слоев (NPNP) [1] [2] [3] [4] [5] , которые управляются структурой затвора металл-оксид-полупроводник (МОП) .
Хотя структура IGBT топологически похожа на тиристор с затвором «МОП» ( MOS-gate thyristor ), действие тиристора полностью подавлено, и разрешено только действие транзистора во всем диапазоне работы устройства. Он используется в импульсных источниках питания в мощных приложениях: частотно-регулируемых приводах (VFD) для управления двигателями в электромобилях , поездах, холодильниках с регулируемой скоростью и кондиционерах, а также в балластах ламп, дуговых сварочных аппаратах, фотоэлектрических и гибридных инверторах, системах бесперебойного питания (ИБП) и индукционных печах .
Поскольку он предназначен для быстрого включения и выключения, IGBT может синтезировать сложные формы волн с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот , поэтому он также используется в коммутационных усилителях в звуковых системах и промышленных системах управления . В коммутационных приложениях современные устройства имеют частоту повторения импульсов, входящую в ультразвуковой диапазон частот, что по крайней мере в десять раз выше звуковых частот, обрабатываемых устройством при использовании в качестве аналогового аудиоусилителя. По состоянию на 2010 год [обновлять]IGBT был вторым наиболее широко используемым силовым транзистором после силового MOSFET . [ необходима цитата ]
Ячейка IGBT сконструирована аналогично n-канальному вертикальному MOSFET , за исключением того, что сток n+ заменен слоем коллектора p+, таким образом образуя вертикальный PNP- транзистор с биполярным переходом . Эта дополнительная область p+ создает каскадное соединение PNP-транзистора с биполярным переходом и поверхностным n-канальным MOSFET . Вся структура состоит из четырехслойного NPNP. [1] [2] [3] [4] [5]
-Gate_oxide_transistor_by_Frosch_and_Derrick.png/1280px-1957(Figure_7)-Gate_oxide_transistor_by_Frosch_and_Derrick.png){kind=spacer}
Биполярный точечный транзистор был изобретен в декабре 1947 года [9] в Bell Telephone Laboratories Джоном Бардином и Уолтером Браттейном под руководством Уильяма Шокли . Версия с переходом, известная как биполярный переходный транзистор (BJT), была изобретена Шокли в 1948 году. [10] Позже похожий тиристор был предложен Уильямом Шокли в 1950 году и разработан в 1956 году инженерами-энергетиками General Electric (GE). Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) также был изобретен в Bell Labs. [8] [11] [12] В 1957 году Фрош и Дерик опубликовали свою работу по созданию первых транзисторов на основе диоксида кремния, включая транзистор NPNP, такой же структуры, как и IGBT. [13] Основной режим работы IGBT, в котором pnp-транзистор управляется MOSFET, был впервые предложен К. Ямагами и Ё. Акагири из Mitsubishi Electric в японском патенте S47-21739, который был подан в 1968 году. [14]
В 1978 году Дж. Д. Пламмер и Б. Шарф запатентовали NPNP-транзисторное устройство, объединяющее возможности МОП и биполярных транзисторов для управления питанием и переключения. [15] [16] Развитие IGBT характеризовалось попытками полностью подавить работу тиристора или защелкивание в четырехслойном устройстве, поскольку защелкивание вызывало фатальный отказ устройства. Таким образом, IGBT были созданы, когда было достигнуто полное подавление защелкивания паразитного тиристора. Позже Ганс В. Бекке и Карл Ф. Уитли разработали похожее устройство, заявляя о не-защелкивании. Они запатентовали устройство в 1980 году, назвав его «мощным МОП-транзистором с анодной областью», для которого «никакого действия тиристора не происходит ни при каких условиях работы устройства». [17] [18]
А. Накагава и др. изобрели концепцию конструкции устройства не-защелкивающихся IGBT в 1984 году. [19] [20] Изобретение характеризуется конструкцией устройства, устанавливающей ток насыщения устройства ниже тока защелкивания, который запускает паразитный тиристор. Это изобретение впервые реализовало полное подавление паразитного действия тиристора, поскольку максимальный ток коллектора был ограничен током насыщения и никогда не превышал ток защелкивания.
На ранней стадии разработки IGBT все исследователи пытались увеличить сам ток защелкивания, чтобы подавить защелкивание паразитного тиристора. Однако все эти усилия потерпели неудачу, поскольку IGBT мог проводить чрезвычайно большой ток. Успешное подавление защелкивания стало возможным благодаря ограничению максимального тока коллектора, который мог проводить IGBT, ниже тока защелкивания путем управления/уменьшения тока насыщения собственного MOSFET. Это была концепция не-защелкивающегося IGBT. «Устройство Бекке» стало возможным благодаря не-защелкивающемуся IGBT.
IGBT характеризуется своей способностью одновременно обрабатывать высокое напряжение и большой ток. Произведение напряжения и плотности тока, которое может обрабатывать IGBT, достигло более 5 × 105 Вт/см 2 , [21] [22] что намного превышает значение 2 × 105 Вт/см 2 существующих силовых устройств, таких как биполярные транзисторы и мощные МОП-транзисторы. Это является следствием большой безопасной рабочей области IGBT. IGBT является самым прочным и самым мощным силовым устройством, когда-либо разработанным, обеспечивающим простоту использования и, таким образом, вытесняющим биполярные транзисторы и даже запираемые тиристоры (GTO). Эта превосходная особенность IGBT внезапно проявилась, когда в 1984 году был создан не-защелкивающийся IGBT, решив проблему так называемого «защелкивания», которое является основной причиной разрушения устройства или отказа устройства. До этого разработанные устройства были очень слабыми и легко разрушались «защелкиванием».
Практические устройства, способные работать в расширенном диапазоне тока, были впервые представлены Б. Джаянтом Балигой и др. в 1982 году. [23] Первая экспериментальная демонстрация практического дискретного вертикального устройства IGBT была представлена Балигой на Международном собрании по электронным приборам IEEE (IEDM) в том же году. [24] [23] General Electric коммерциализировала устройство IGBT Балиги в том же году. [25] Балига был включен в Национальный зал славы изобретателей за изобретение IGBT. [26]
Аналогичная статья была также представлена JP Russel et al. в IEEE Electron Device Letter в 1982 году. [27] Первоначально сообщество силовой электроники считало, что применение этого устройства будет строго ограничено его медленной скоростью переключения и защелкиванием паразитной тиристорной структуры, присущей устройству. Однако в 1983 году Балига, а также А. М. Гудман и др. продемонстрировали, что скорость переключения может регулироваться в широком диапазоне с помощью электронного облучения . [28] [29] За этим последовала демонстрация работы устройства при повышенных температурах Балигой в 1985 году. [30] Успешные усилия по подавлению защелкивания паразитного тиристора и масштабированию номинального напряжения устройств в GE позволили внедрить коммерческие устройства в 1983 году, [31] которые могли использоваться для самых разных приложений. Электрические характеристики устройства GE, IGT D94FQ/FR4, были подробно изложены Марвином В. Смитом в протоколах PCI в апреле 1984 года. [32] Смит показал на рис. 12 протокола, что выключение свыше 10 ампер для сопротивления затвора 5 кОм и свыше 5 ампер для сопротивления затвора 1 кОм было ограничено областью безопасной работы переключения, хотя IGT D94FQ/FR4 был способен проводить 40 ампер тока коллектора. Смит также заявил, что область безопасной работы переключения была ограничена защелкиванием паразитного тиристора.
Полное подавление паразитного действия тиристора и результирующая работа IGBT без защелкивания для всего рабочего диапазона устройства были достигнуты А. Накагавой и др. в 1984 году. [19] Концепция конструкции без защелкивания была подана на патенты США. [33] Для проверки отсутствия защелкивания прототипы IGBT на 1200 В были напрямую подключены без какой-либо нагрузки к источнику постоянного напряжения 600 В и включены на 25 микросекунд. Все 600 В были сброшены на устройство, и протекал большой ток короткого замыкания. Устройства успешно выдержали это суровое условие. Это была первая демонстрация так называемой «способности выдерживать короткое замыкание» в IGBT. Работа IGBT без защелкивания была обеспечена впервые для всего рабочего диапазона устройства. [22] В этом смысле не-защелкивающийся IGBT, предложенный Гансом В. Беке и Карлом Ф. Уитли, был реализован А. Накагавой и др. в 1984 году. Изделия не-защелкивающихся IGBT были впервые коммерциализированы компанией Toshiba в 1985 году. Это было настоящее рождение современных IGBT.
После того, как в IGBT была достигнута способность не защелкиваться, было обнаружено, что IGBT демонстрируют очень прочную и очень большую область безопасной работы . Было показано, что произведение рабочей плотности тока и напряжения коллектора превышает теоретический предел биполярных транзисторов, 2 × 105 Вт/см 2 и достигла 5 × 105 Вт/см 2 . [21] [22]
Изоляционный материал обычно изготавливается из твердых полимеров, которые имеют проблемы с деградацией. Существуют разработки, которые используют ионный гель для улучшения производства и снижения требуемого напряжения. [34]
Первое поколение IGBT 1980-х и начала 1990-х годов было склонно к отказам из-за таких эффектов, как защелкивание (при котором устройство не выключается, пока течет ток) и вторичный пробой (при котором локализованная горячая точка в устройстве переходит в тепловой разгон и сжигает устройство при высоких токах). Устройства второго поколения были значительно улучшены. Текущие IGBT третьего поколения еще лучше, со скоростью, соперничающей с мощными MOSFET , и превосходной прочностью и устойчивостью к перегрузкам. [21] Чрезвычайно высокие импульсные номиналы устройств второго и третьего поколений также делают их полезными для генерации больших импульсов мощности в таких областях, как физика частиц и плазмы , где они начинают вытеснять старые устройства, такие как тиратроны и управляемые искровые разрядники . Высокие импульсные номиналы и низкие цены на рынке излишков также делают их привлекательными для любителей высокого напряжения для управления большими объемами мощности для управления такими устройствами, как твердотельные катушки Тесла и койлганы .
В 1978 году Дж. Д. Пламмер и Б. Шарф запатентовали транзисторное устройство NPNP, сочетающее возможности МОП и биполярных транзисторов для управления питанием и переключения. [15] [16] Устройство, предложенное Пламмером, здесь именуется «устройством Пламмера».
С другой стороны, Ганс В. Бекке предложил в 1980 году другое устройство, в котором действие тиристора устраняется при любых условиях работы устройства, хотя базовая структура устройства та же, что и предложенная Дж. Д. Пламмером. Устройство, разработанное Гансом В. Бекке, упоминается здесь как «устройство Бекке» и описано в патенте США 4364073. [35] Разница между «устройством Пламмера» и «устройством Бекке» заключается в том, что «устройство Пламмера» имеет режим действия тиристора в своем рабочем диапазоне, но «устройство Бекке» никогда не имеет режима действия тиристора во всем своем рабочем диапазоне. Это критический момент, поскольку действие тиристора такое же, как и так называемый «защелка». Защелка является основной причиной фатального отказа устройства. Таким образом, теоретически «устройство Пламмера» никогда не реализует прочное или сильное силовое устройство, которое имеет большую безопасную рабочую зону. Большая безопасная рабочая зона может быть достигнута только после того, как защелкивание будет полностью подавлено и устранено во всем рабочем диапазоне устройства. [ необходима ссылка ] Однако патент Беке (патент США 4364073) не раскрывает никаких мер по реализации реальных устройств.
Несколько производителей IGBT заплатили лицензионный сбор за патент Бека. [17] Toshiba коммерциализировала «незапирающийся IGBT» в 1985 году. Стэнфордский университет в 1991 году настаивал, что устройство Toshiba нарушает патент США RE33209 «устройства Пламмера». Toshiba ответила, что «незапирающиеся IGBT» никогда не запирались во всем рабочем диапазоне устройства и, таким образом, не нарушали патент США RE33209 Пламмера. Стэнфордский университет так и не ответил после ноября 1992 года. Toshiba приобрела лицензию на патент Бека, но никогда не платила лицензионный сбор за «устройство Пламмера». [ необходима цитата ] Другие производители IGBT также платили лицензионный сбор за патент Бека. [ необходима цитата ]
Первый транзистор на основе диоксида кремния был создан Фрошем и Дериком в период с 1955 по 1957 год. Одним из устройств был NPNP-транзистор, имеющий ту же структуру, что и IGBT. [13]
В 1978 году Дж. Д. Пламмер и Б. Шарф запатентовали NPNP-транзисторное устройство, объединяющее возможности МОП и биполярного транзистора для управления питанием и переключения. [15] [16] Позднее Ганс В. Бекке и Карл Ф. Уитли изобрели похожее устройство, на которое они подали заявку на патент в 1980 году и которое они назвали «силовым МОП-транзистором с анодной областью». [35] Этот патент был назван «основным патентом на биполярный транзистор с изолированным затвором». [36] В патенте утверждалось, что «никакого тиристорного действия не происходит ни при каких условиях работы устройства». Это по существу означает, что устройство демонстрирует работу IGBT без защелкивания во всем рабочем диапазоне устройства.
В реальных устройствах IGT, разработанный Балигой, не является IGBT, поскольку его рабочий диапазон ограничен защелкиванием паразитного тиристора. Марвин В. Смит заявил, что «IGT не предназначен для замены биполярных транзисторов или мощных MOSFET» в разделе SUMMARY в трудах PCI в апреле 1984 года. [32] Балига и Смит даже рекомендовали использовать демпферные цепи для предотвращения разрушения IGT в статье EDN, опубликованной 29 сентября 1983 года. [37]
А. Накагава и др. изобрели концепцию конструкции устройства не-защелкивающихся IGBT в 1984 году. [19] Изобретение [20] характеризуется конструкцией устройства, устанавливающей ток насыщения устройства ниже тока защелкивания, который запускает паразитный тиристор. Это изобретение впервые реализовало полное подавление паразитного действия тиристора, поскольку максимальный ток коллектора был ограничен током насыщения и никогда не превышал ток защелкивания.
На ранней стадии разработки IGBT все исследователи пытались увеличить сам ток защелкивания, чтобы подавить защелкивание паразитного тиристора. Однако все эти усилия потерпели неудачу, поскольку IGBT мог проводить чрезвычайно большой ток. Успешное подавление защелкивания стало возможным благодаря ограничению максимального тока коллектора, который мог проводить IGBT, ниже тока защелкивания путем управления/уменьшения тока насыщения собственного MOSFET. Это была концепция не-защелкивающегося IGBT. «Устройство Бекке» стало возможным благодаря не-защелкивающемуся IGBT.
IGBT характеризуется своей способностью одновременно обрабатывать высокое напряжение и большой ток. Произведение напряжения и плотности тока, которое может обрабатывать IGBT, достигло более 5 × 105 Вт/см 2 , [21] [22] что намного превышает значение 2 × 105 Вт/см2 существующих силовых устройств, таких как биполярные транзисторы и силовые МОП-транзисторы. Это является следствием большой безопасной рабочей области IGBT. IGBT является самым прочным и самым мощным силовым устройством из когда-либо разработанных, обеспечивая простоту использования и, таким образом, вытесняя биполярные транзисторы и даже запираемые тиристоры (GTO). Эта превосходная особенность IGBT внезапно проявилась, когда в 1984 году был создан не-защелкивающийся IGBT, решив проблему так называемого «защелкивания», которое является основной причиной разрушения устройства или отказа устройства. До этого разработанные устройства были очень слабыми и их легко было разрушить из-за «защелкивания». Поэтому изобретателем фактических устройств является Акио Накагава.
По состоянию на 2010 год [обновлять]IGBT является вторым по распространенности силовым транзистором после силового MOSFET. На долю IGBT приходится 27% рынка силовых транзисторов, уступая только силовому MOSFET (53%) и опережая усилитель ВЧ (11%) и биполярный транзистор (9%). [38] IGBT широко используется в бытовой электронике , промышленных технологиях , энергетическом секторе , аэрокосмических электронных устройствах и транспорте .
IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором силовых МОП-транзисторов с возможностью работы при высоком токе и низком напряжении насыщения биполярных транзисторов . IGBT сочетает в себе полевой транзистор с изолированным затвором для управляющего входа и биполярный силовой транзистор в качестве переключателя в одном устройстве. IGBT используется в приложениях средней и высокой мощности, таких как импульсные источники питания , управление тяговыми двигателями и индукционный нагрев . Большие модули IGBT обычно состоят из множества устройств, соединенных параллельно, и могут иметь очень высокие возможности обработки тока порядка сотен ампер с блокирующим напряжением 6500 В. Эти IGBT могут управлять нагрузками в сотни киловатт .
IGBT имеет значительно меньшее падение прямого напряжения по сравнению с обычным MOSFET в устройствах с более высоким номинальным напряжением блокировки, хотя MOSFETS демонстрируют гораздо меньшее прямое напряжение при более низких плотностях тока из-за отсутствия диода Vf в выходном BJT IGBT. По мере увеличения номинального напряжения блокировки как MOSFET, так и IGBT-устройств глубина области n-дрейфа должна увеличиваться, а легирование должно уменьшаться, что приводит к примерно квадратичному соотношению уменьшения прямой проводимости по сравнению с возможностью блокировки напряжения устройства. За счет инжекции неосновных носителей (дырок) из области коллектора p+ в область n-дрейфа во время прямой проводимости сопротивление области n-дрейфа значительно уменьшается. Однако это результирующее снижение прямого напряжения в открытом состоянии имеет несколько недостатков:
В целом, высокое напряжение, высокий ток и низкие частоты подходят для IGBT, в то время как низкое напряжение, средний ток и высокие частоты переключения являются сферой применения MOSFET.
Схемы с IGBT могут быть разработаны и смоделированы с помощью различных компьютерных программ моделирования схем , таких как SPICE , Saber и других программ. Для моделирования схемы IGBT устройство (и другие устройства в схеме) должны иметь модель, которая предсказывает или имитирует реакцию устройства на различные напряжения и токи на их электрических выводах. Для более точного моделирования влияние температуры на различные части IGBT может быть включено в моделирование. Доступны два распространенных метода моделирования: модель на основе физики устройства , эквивалентные схемы или макромодели. SPICE моделирует IGBT с помощью макромодели, которая объединяет ансамбль компонентов, таких как полевые транзисторы и биполярные транзисторы в конфигурации Дарлингтона . [ требуется ссылка ] Альтернативной моделью на основе физики является модель Хефнера, представленная Алленом Хефнером из Национального института стандартов и технологий . Модель Хефнера довольно сложна, но показала хорошие результаты. Модель Хефнера описана в статье 1988 года и позже была расширена до термоэлектрической модели, которая включает реакцию IGBT на внутренний нагрев. Эта модель была добавлена в версию программного обеспечения для моделирования Saber . [39]
Механизмы отказа IGBT включают в себя отдельно перенапряжение (O) и износ (wo).
К отказам из-за износа в основном относятся нестабильность температуры смещения (BTI), инжекция горячих носителей (HCI), пробой диэлектрика, зависящий от времени (TDDB), электромиграция (ECM), усталость припоя, реконструкция материала, коррозия. К отказам из-за перенапряжения в основном относятся электростатический разряд (ESD), защелкивание, лавина, вторичный пробой, отрыв и выгорание проволочного соединения. [40]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на август 2024 г. ( ссылка )