Bipolartransistor mit isoliertem Gate - Insulated-gate bipolar transistor

Bipolartransistor mit isoliertem Gate
IGBT 3300V 1200A Mitsubishi.jpg
IGBT-Modul (IGBTs und Freilaufdioden) mit einem Nennstrom von 1200 A und einer maximalen Spannung von 3300 V
Arbeitsprinzip Halbleiter
Erfunden 1959
Elektronisches Symbol
IGBT-Symbol.gif
IGBT-Schaltplansymbol

Ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate ( IGBT ) ist ein Leistungshalbleiterbauelement mit drei Anschlüssen , das hauptsächlich als elektronischer Schalter verwendet wird und bei seiner Entwicklung hohe Effizienz und schnelles Schalten kombiniert. Es besteht aus vier alternierenden Schichten (P–N–P–N), die von einer Metall-Oxid-Halbleiter- (MOS) -Gate- Struktur gesteuert werden .

Obwohl die Struktur des IGBT topologisch der eines Thyristors mit einem "MOS"-Gate ( MOS-Gate-Thyristor ) entspricht, wird die Thyristorwirkung vollständig unterdrückt und nur die Transistorwirkung ist im gesamten Betriebsbereich des Bauelements zugelassen. Es wird in Schaltnetzteilen in Hochleistungsanwendungen eingesetzt: Frequenzumrichter (VFDs), Elektroautos , Züge, Kühlschränke mit variabler Geschwindigkeit, Lampenvorschaltgeräte, Lichtbogenschweißmaschinen und Klimaanlagen.

Da er für schnelles Ein- und Ausschalten ausgelegt ist, kann der IGBT komplexe Wellenformen mit Pulsweitenmodulation und Tiefpassfiltern synthetisieren , sodass er auch in Schaltverstärkern in Soundsystemen und industriellen Steuerungssystemen verwendet wird . In Schaltanwendungen bieten moderne Geräte Pulswiederholraten bis weit in den Ultraschallbereich, die mindestens zehnmal höher sind als die Audiofrequenzen, die das Gerät beim Einsatz als analoger Audioverstärker verarbeitet. Ab 2010 ist der IGBT nach dem Leistungs-MOSFET der am zweithäufigsten verwendete Leistungstransistor .

IGBT-Vergleichstabelle
Geräteeigenschaften Leistung bipolar Leistungs-MOSFET IGBT
Spannungswert Hoch <1 kV Hoch <1 kV Sehr hoch >1 kV
Aktuelle Bewertung Hoch <500 A Hoch >500 A Hoch >500 A
Eingangsantrieb Stromverhältnis
h FE ~ 20–200
Spannung
V GS ~ 3–10 V
Spannung
V GE ~ 4–8 V
Eingangsimpedanz Niedrig Hoch Hoch
Ausgangsimpedanz Niedrig Mittel Niedrig
Schaltgeschwindigkeit Langsam (µs) Schnell (ns) Mittel
Kosten Niedrig Mittel Hoch

Gerätestruktur

Querschnitt eines typischen IGBT, der die interne Verbindung von MOSFET und Bipolargerät zeigt

Eine IGBT-Zelle ist ähnlich wie ein n-Kanal- Leistungs-MOSFET mit vertikaler Konstruktion aufgebaut , außer dass der n+-Drain durch eine p+-Kollektorschicht ersetzt wird, wodurch ein vertikaler PNP- Bipolartransistor gebildet wird . Dieser zusätzliche p+-Bereich erzeugt eine Kaskadenverbindung eines PNP-Bipolartransistors mit dem Oberflächen-n-Kanal- MOSFET .

Geschichte

Statische Charakteristik eines IGBT

Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) wurde 1959 von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs erfunden . Der grundlegende IGBT-Betriebsmodus, bei dem ein pnp-Transistor von einem MOSFET angesteuert wird, wurde erstmals von K. Yamagami und Y. Akagiri von Mitsubishi Electric im japanischen Patent S47-21739, das 1968 eingereicht wurde.

Im Anschluss an die Kommerzialisierung von Leistungs - MOSFETs in den 1970er Jahren, B. Jayant Baliga reichte eine Patentoffenbarung bei General Electric (GE) im Jahr 1977 beschreibt eine Leistungshalbleiteranordnung mit dem IGBT - Betriebsmodus, einschließlich der MOS Gating von Thyristoren eine vierschichtige VMOS (V-Groove-MOSFET)-Struktur und die Verwendung von MOS-Gate-Strukturen zum Steuern einer Vierschicht-Halbleitervorrichtung. Er begann 1978 mit Hilfe von Margaret Lazeri bei GE mit der Herstellung des IGBT-Bauelements und schloss das Projekt 1979 erfolgreich ab. Die Ergebnisse der Experimente wurden 1979 veröffentlicht Drain-Bereich durch einen p-Typ-Anodenbereich ersetzt" in diesem Papier und anschließend als "der Gleichrichter mit isoliertem Gate" (IGR), der Transistor mit isoliertem Gate (IGT), der leitfähigkeitsmodulierte Feldeffekttransistor (COMFET) und " Bipolar-Modus-MOSFET".

Ein MOS-gesteuertes Triac-Gerät wurde 1978 von BW Scharf und JD Plummer mit ihrem Lateral Four-Layer Device (SCR) beschrieben. Plummer reichte 1978 eine Patentanmeldung für diese Betriebsart im Four-Layer-Device (SCR) ein. USP Nr. 4199774 wurde 1980 ausgegeben und B1 Re33209 wurde 1996 neu ausgegeben. Die IGBT-Betriebsart im Vierschichtgerät (SCR) schaltete auf Thyristorbetrieb um, wenn der Kollektorstrom den Latch-up-Strom überschreitet, der als " Haltestrom" in der bekannten Theorie des Thyristors.

Die Entwicklung des IGBT war geprägt von den Bemühungen, den Thyristorbetrieb bzw. das Latch-Up im Vierschichtbauelement vollständig zu unterdrücken, da das Latch-Up den fatalen Geräteausfall verursachte. Die Technologie des IGBT war somit etabliert, als die nachfolgend beschriebene vollständige Unterdrückung des Latch-Ups des parasitären Thyristors erreicht wurde.

Hans W. Becke und Carl F. Wheatley entwickelten ein ähnliches Gerät, für das sie 1980 eine Patentanmeldung einreichten und das sie als "Leistungs-MOSFET mit Anodenbereich" bezeichneten. Das Patent behauptete, dass "keine Thyristorwirkung unter irgendwelchen Betriebsbedingungen der Vorrichtung auftritt". Das Gerät hatte eine insgesamt ähnliche Struktur wie das frühere IGBT-Gerät von Baliga, über das 1979 berichtet wurde, sowie einen ähnlichen Titel.

A. Nakagawaet al. erfand 1984 das Gerätedesignkonzept von nicht-latch-up IGBTs. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gerätedesign den Gerätesättigungsstrom unter den Latch-up-Strom einstellt, der den parasitären Thyristor auslöst. Diese Erfindung realisierte zum ersten Mal eine vollständige Unterdrückung der parasitären Thyristorwirkung, da der maximale Kollektorstrom durch den Sättigungsstrom begrenzt war und den Latch-up-Strom nie überstieg. Nach der Erfindung des Gerätedesignkonzepts von IGBTs ohne Latch-up entwickelten sich IGBTs schnell, und das Design von IGBTs ohne Latch-up wurde zu einem De-facto-Standard und das Patent für IGBTs ohne Latch-up wurde zum grundlegenden IGBT-Patent von tatsächlichen Geräten.

In der frühen Entwicklungsphase des IGBT haben alle Forscher versucht, den Latch-up-Strom selbst zu erhöhen, um das Latch-up des parasitären Thyristors zu unterdrücken. Alle diese Bemühungen scheiterten jedoch, weil IGBT enorm großen Strom leiten konnte. Eine erfolgreiche Unterdrückung des Latch-Ups wurde ermöglicht, indem der maximale Kollektorstrom, den IGBT leiten kann, unter den Latch-Up-Strom begrenzt wurde, indem der Sättigungsstrom des inhärenten MOSFET gesteuert/reduziert wurde. Dies war das Konzept des IGBT ohne Latch-up. Möglich wurde „Beckes Gerät“ durch den nicht-latch-up IGBT.

Der IGBT zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, gleichzeitig eine hohe Spannung und einen großen Strom zu verarbeiten. Das Produkt aus Spannung und Stromdichte, das der IGBT verarbeiten kann, erreichte mehr als 5 × 10 5 W/cm 2 , was den Wert von 2 × 10 5 W/cm 2 von bestehenden Leistungsbauelementen wie Bipolartransistoren und weit übertraf Leistungs-MOSFETs. Dies ist eine Folge des großen sicheren Betriebsbereichs des IGBT. Der IGBT ist das robusteste und stärkste Leistungsgerät, das jemals entwickelt wurde, und bietet Benutzern somit eine einfache Verwendung des Geräts und ersetzte Bipolartransistoren und sogar GTOs . Diese hervorragende Eigenschaft des IGBT war plötzlich aufgetaucht, als 1984 der Nicht-Latch-up-IGBT eingeführt wurde, indem das Problem des sogenannten „Latch-up“ gelöst wurde, das die Hauptursache für Gerätezerstörung oder Geräteausfall ist. Davor waren die entwickelten Geräte sehr schwach und durch „Latch-up“ leicht zu zerstören.

Praktische Geräte

Praktische Geräte, die über einen erweiterten Strombereich arbeiten können, wurden zuerst von B. Jayant Baliga et al. 1982. Die erste experimentelle Demonstration eines praktischen diskreten vertikalen IGBT-Bauelements wurde von Baliga auf dem IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) in diesem Jahr berichtet. Im selben Jahr vermarktete General Electric das IGBT-Gerät von Baliga. Baliga wurde für die Erfindung des IGBT in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen .

Ein ähnliches Papier wurde auch von JP Russel et al. auf IEEE Electron Device Letter im Jahr 1982. Die Anwendungen für das Gerät wurden von der Leistungselektronik- Gemeinde zunächst als stark eingeschränkt durch seine langsame Schaltgeschwindigkeit und das Einrasten der parasitären Thyristorstruktur, die dem Gerät innewohnt, angesehen. Es wurde jedoch von Baliga und auch von AM Goodman et al. 1983, dass die Schaltgeschwindigkeit durch Elektronenbestrahlung in einem weiten Bereich eingestellt werden kann . Es folgte 1985 eine Demonstration des Betriebs des Geräts bei erhöhten Temperaturen durch Baliga. Erfolgreiche Bemühungen, das Latch-up des parasitären Thyristors zu unterdrücken und die Nennspannung der Geräte bei GE zu skalieren, ermöglichten die Einführung kommerzieller Geräte im Jahr 1983 , die für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden können. Die elektrischen Eigenschaften von GEs Gerät, IGT D94FQ/FR4, wurden von Marvin W. Smith im PCI-Verfahren vom April 1984 ausführlich berichtet Widerstand von 5kOhm und über 5 Ampere für Gate-Widerstände von 1kOhm wurde durch Umschalten des sicheren Betriebsbereichs begrenzt, obwohl der IGT D94FQ/FR4 in der Lage war, einen Kollektorstrom von 40 Ampere zu leiten. Marvin W. Smith gab auch an, dass der sichere Schaltbereich durch das Latch-up des parasitären Thyristors begrenzt war.

Eine vollständige Unterdrückung der parasitären Thyristorwirkung und des daraus resultierenden IGBT-Betriebs ohne Latch-up für den gesamten Betriebsbereich der Vorrichtung wurde von A. Nakagawa et al. 1984. Das Designkonzept ohne Latch-up wurde zum US-Patent angemeldet. Um das Fehlen von Latch-up zu testen, wurden die 1200-V-IGBT-Prototypen ohne Last direkt an eine 600-V-Konstantspannungsquelle angeschlossen und für 25 Mikrosekunden eingeschaltet. Die gesamten 600 V fielen über das Gerät ab und ein großer Kurzschlussstrom floss. Die Geräte hielten dieser schweren Bedingung erfolgreich stand. Dies war die erste Demonstration der sogenannten "Kurzschlussfestigkeit" in IGBTs. Der IGBT-Betrieb ohne Latch-up wurde erstmals für den gesamten Betriebsbereich der Geräte gewährleistet. In diesem Sinne wurde der von Hans W. Becke und Carl F. Wheatley vorgeschlagene IGBT ohne Latch-up von A. Nakagawa et al. im Jahr 1984. Produkte von IGBTs ohne Latch-up wurden erstmals 1985 von Toshiba kommerzialisiert. Dies war die eigentliche Geburtsstunde des heutigen IGBT.

Nachdem die Nicht-Latch-up-Fähigkeit bei IGBTs erreicht war, stellte sich heraus, dass IGBTs sehr robust und einen sehr großen sicheren Betriebsbereich aufwiesen . Es wurde gezeigt, dass das Produkt aus Betriebsstromdichte und Kollektorspannung die theoretische Grenze von Bipolartransistoren von 2 × 10 5 W/cm 2 überstieg und 5 × 10 5 W/cm 2 erreichte .

Das Isoliermaterial besteht typischerweise aus festen Polymeren, die Probleme mit dem Abbau haben. Es gibt Entwicklungen, die ein Ionengel verwenden , um die Herstellung zu verbessern und die erforderliche Spannung zu reduzieren.

Die IGBTs der ersten Generation der 1980er und frühen 1990er Jahre waren anfällig für Störungen durch Effekte wie Latchup (bei dem das Gerät nicht abschaltet, solange Strom fließt) und Sekundärdurchbruch (bei dem ein lokalisierter Hotspot im Gerät in thermisches Durchgehen und brennt das Gerät bei hohen Strömen durch). Geräte der zweiten Generation wurden stark verbessert. Die aktuellen IGBTs der dritten Generation sind sogar noch besser, da sie mit Leistungs-MOSFETs in der Geschwindigkeit konkurrieren und eine hervorragende Robustheit und Überlastungstoleranz aufweisen. Die extrem hohen Pulsraten von Geräten der zweiten und dritten Generation machen sie auch für die Erzeugung großer Leistungspulse in Bereichen wie der Teilchen- und Plasmaphysik nützlich , wo sie ältere Geräte wie Thyratrons und getriggerte Funkenstrecken ablösen . Hohe Pulszahlen und niedrige Preise auf dem Überschussmarkt machen sie auch für Hochspannungs-Bastler attraktiv, um große Strommengen zu steuern, um Geräte wie Tesla- Solid-State- Spulen und Coilguns zu steuern .

Patentangelegenheiten

Die 1978 von JD Plummer vorgeschlagene Vorrichtung (US-Patent Re.33209) hat die gleiche Struktur wie ein Thyristor mit einem MOS-Gate. Plummer entdeckte und schlug vor, dass die Vorrichtung als Transistor verwendet werden kann, obwohl die Vorrichtung bei höherer Stromdichte als Thyristor arbeitet. JD Plummer berichtete diese Tatsache in seinem Fachbeitrag: "A MOS-Controlled Triac Device" BW Scharf und JD Plummer, 1978 IEEE International Solid-State Circuits Conference, SESSION XVI FAM 16.6. Das von JD Plummer vorgeschlagene Gerät wird hier als „Plummers Gerät“ bezeichnet. Andererseits schlug Hans W. Becke 1980 eine andere Vorrichtung vor, bei der die Thyristorwirkung unter allen Betriebsbedingungen der Vorrichtung eliminiert wird, obwohl die grundlegende Vorrichtungsstruktur dieselbe ist wie die von JD Plummer vorgeschlagene. Das von Hans W. Becke entwickelte Gerät wird hier als „Becke's device“ bezeichnet und ist im US-Patent 4364073 beschrieben Betriebsbereich und „Becke's Gerät“ hat nie die Wirkungsweise des Thyristors in seinem gesamten Betriebsbereich. Dies ist ein kritischer Punkt, da die Thyristorwirkung dem sogenannten „Latch-up“ entspricht. „Latch-up“ ist die Hauptursache für fatale Geräteausfälle. Somit realisiert „Plummers Gerät“ theoretisch nie ein robustes oder starkes Leistungsgerät mit einem großen sicheren Betriebsbereich. Der große sichere Betriebsbereich kann erst erreicht werden, wenn „Latch-up“ im gesamten Betriebsbereich des Geräts vollständig unterdrückt und beseitigt wird. Das Patent von Becke (US-Patent 4364073) offenbart jedoch keine Maßnahmen, um tatsächliche Vorrichtungen zu realisieren.

Obwohl Beckes Patent eine ähnliche Struktur wie Baligas früheres IGBT-Gerät beschreibt, zahlten mehrere IGBT-Hersteller die Lizenzgebühr für Beckes Patent. Toshiba brachte 1985 „Nicht-Latch-up-IGBT“ auf den Markt. Die Stanford University bestand 1991 darauf, dass das Gerät von Toshiba das US-Patent RE33209 von „Plummers Gerät“ verletzte. Toshiba antwortete, dass „Nicht-Latch-up-IGBTs“ im gesamten Betriebsbereich des Geräts nie einrasteten und somit das US-Patent RE33209 des „Plummer-Patents“ nicht verletzten. Die Stanford University hat nach November 1992 nie mehr geantwortet. Toshiba kaufte die Lizenz von „Beckes Patent“, zahlte aber nie eine Lizenzgebühr für „Plummers Gerät“. Auch andere IGBT-Hersteller zahlten die Lizenzgebühr für Beckes Patent.

Anwendungen

Ab 2010 ist der IGBT nach dem Leistungs-MOSFET der am zweithäufigsten verwendete Leistungstransistor . Der IGBT macht 27 % des Marktes für Leistungstransistoren aus, an zweiter Stelle nach dem Leistungs-MOSFET (53 %) und vor dem HF-Verstärker (11 %) und dem Bipolartransistor (9 %). Der IGBT wird häufig in der Unterhaltungselektronik , der Industrietechnik , im Energiesektor , in elektronischen Geräten der Luft- und Raumfahrt und im Transportwesen eingesetzt .

Vorteile

Der IGBT kombiniert die einfachen Gate-Treibereigenschaften von Leistungs-MOSFETs mit der Hochstrom- und Niedersättigungsspannungsfähigkeit von Bipolartransistoren . Der IGBT verbindet ein isolierten-Gate - FET für den Steuereingang und einen Bipolar - Leistungstransistor als Schalter in einem einzigen Gerät. Der IGBT wird in Anwendungen mit mittlerer bis hoher Leistung wie Schaltnetzteilen , Fahrmotorsteuerung und Induktionserwärmung eingesetzt . Große IGBT-Module bestehen typischerweise aus vielen parallel geschalteten Geräten und können eine sehr hohe Strombelastbarkeit in der Größenordnung von Hunderten von Ampere mit Sperrspannungen von 6500 V aufweisen . Diese IGBTs können Lasten von Hunderten von Kilowatt steuern .

Vergleich mit Leistungs-MOSFETs

Ein IGBT weist einen deutlich geringeren Durchlassspannungsabfall im Vergleich zu einem herkömmlichen MOSFET in Geräten mit höherer Sperrspannung auf, obwohl MOSFETs aufgrund des Fehlens einer Diode Vf im Ausgangs-BJT des IGBT eine viel niedrigere Durchlassspannung bei niedrigeren Stromdichten aufweisen. Wenn die Sperrspannung sowohl von MOSFET- als auch von IGBT-Bauelementen zunimmt, muss die Tiefe des n-Drift-Bereichs zunehmen und die Dotierung muss abnehmen, was zu einer ungefähr quadratischen Abnahme der Durchlassleitung gegenüber der Sperrspannungsfähigkeit des Bauelements führt. Durch Injizieren von Minoritätsträgern (Löchern) aus dem Kollektor-p+-Gebiet in das n–-Driftgebiet während der Vorwärtsleitung wird der Widerstand des n–-Driftgebiets beträchtlich verringert. Diese resultierende Verringerung der Durchlassspannung im Durchlasszustand ist jedoch mit mehreren Nachteilen verbunden:

  • Der zusätzliche PN-Übergang blockiert den Rückstromfluss. Dies bedeutet, dass IGBTs im Gegensatz zu einem MOSFET nicht in Sperrrichtung leiten können. In Brückenschaltungen, bei denen ein Rückstrom erforderlich ist, wird eine zusätzliche Diode (eine sogenannte Freilaufdiode ) parallel (eigentlich antiparallel ) zum IGBT geschaltet , um den Strom in die entgegengesetzte Richtung zu leiten. Der Nachteil ist nicht allzu schwerwiegend, da diskrete Dioden bei höheren Spannungen, bei denen die Verwendung von IGBTs dominiert, eine deutlich höhere Leistung aufweisen als die Body-Diode eines MOSFET.
  • Die Sperrspannung der N-Drift-Region zur Kollektor-P+-Diode beträgt normalerweise nur einige zehn Volt. Wenn also die Schaltungsanwendung eine Sperrspannung an den IGBT anlegt, muss eine zusätzliche Reihendiode verwendet werden.
  • Die in die N-Drift-Region injizierten Minoritätsträger brauchen Zeit, um beim Ein- und Ausschalten ein- und auszutreten oder zu rekombinieren. Dies führt zu längeren Schaltzeiten und damit zu höheren Schaltverlusten im Vergleich zu einem Leistungs-MOSFET.
  • Der Durchlassspannungsabfall bei IGBTs verhält sich ganz anders als bei Leistungs-MOSFETs. Der Spannungsabfall des MOSFET kann als Widerstand modelliert werden, wobei der Spannungsabfall proportional zum Strom ist. Im Gegensatz dazu hat der IGBT einen diodenartigen Spannungsabfall (typischerweise in der Größenordnung von 2 V), der nur mit dem Logarithmus des Stroms ansteigt . Darüber hinaus ist der MOSFET-Widerstand bei kleineren Sperrspannungen in der Regel niedriger, sodass die Wahl zwischen IGBTs und Leistungs-MOSFETs sowohl von der Sperrspannung als auch von der Stromstärke einer bestimmten Anwendung abhängt.

Im Allgemeinen begünstigen Hochspannung, Hochstrom und niedrige Schaltfrequenzen den IGBT, während Niederspannung, Mittelstrom und hohe Schaltfrequenzen die Domäne des MOSFET sind.

IGBT-Modelle

Schaltungen mit IGBTs können mit verschiedenen Computerprogrammen zur Schaltungssimulation wie SPICE , Sabre und anderen Programmen entwickelt und modelliert werden. Um eine IGBT-Schaltung zu simulieren, muss das Gerät (und andere Geräte in der Schaltung) über ein Modell verfügen, das die Reaktion des Geräts auf verschiedene Spannungen und Ströme an ihren elektrischen Anschlüssen vorhersagt oder simuliert. Für genauere Simulationen kann die Auswirkung der Temperatur auf verschiedene Teile des IGBT in die Simulation einbezogen werden. Zwei übliche Methoden der Modellierung sind verfügbar: Geräte Physik basierenden Modell, Ersatzschaltungen oder Makromodelle . SPICE simuliert IGBTs mit einem Makromodell, das ein Ensemble von Komponenten wie FETs und BJTs in einer Darlington-Konfiguration kombiniert . Ein alternatives physikbasiertes Modell ist das Hefner-Modell, das von Allen Hefner vom National Institute of Standards and Technology eingeführt wurde . Das Modell von Hefner ist ziemlich komplex und hat sehr gute Ergebnisse gezeigt. Das Modell von Hefner wird in einem Artikel aus dem Jahr 1988 beschrieben und später auf ein thermoelektrisches Modell erweitert, das die Reaktion des IGBT auf innere Erwärmung umfasst. Dieses Modell wurde einer Version der Sabre- Simulationssoftware hinzugefügt .

IGBT-Ausfallmechanismen

Die Ausfallmechanismen von IGBTs umfassen getrennt Überbeanspruchung (O) und Verschleiß (wo).

Zu den Verschleißausfällen zählen hauptsächlich Vorspannungstemperaturinstabilität (BTI), Heißträgerinjektion (HCI), zeitabhängiger dielektrischer Durchbruch (TDDB), Elektromigration (ECM), Lötermüdung, Materialrekonstruktion, Korrosion. Zu den Überlastungsfehlern zählen hauptsächlich elektrostatische Entladung (ESD), Latch-up, Lawinen, sekundärer Durchschlag, Drahtbond-Abheben und Burnout.

IGBT-Module

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links