Tranzistorul bipolar cu poarta izolata IGBT.docx

Tranzistorul bipolar cu poartaizolata IGBT             IGBT –uleste un dispozitiv semiconductor ce are o structurămulticelulară, fiecarecelulăfiindrealizatădintr-un tranzistor MOS cecomandă un tranzistor bipolar de putere. În Fig. 1.56, se prezintă o secţiunetransversalăpentru o celulă a IGBT-ului cu canal N(a), schema electrică (b), schema electricăsimplificată (c) şisimboluri (d). IGBT apare, la prima vedere, ca fiind identic cu un tranzistor MOSFET în varianta DMOS. Noutatea pe care o introduce IGBT-ul o reprezintă utilizarea canalului de inversiune care se formează la interfaţa zonei P cu oxidul, în urma aplicării unei tensiuni pozitive pe poartă. În Fig. 1.56.b, se observă existenţa unui tranzistor T2-(NPN), care se formează datorită dispunerii straturilor, şi a unui tranzistor T1-(PNP), care apare datorită sucesiunii celor 3 zone de la colectorul C către emitorul E. Tranzistoarele compuse T1, T2  formează un tiristor parazit, şi care  în caz de conducţie determină funcţionarea anormală a IGBT-ului. Pentru înlăturarea acestui neajuns, în fiecare celulă elementară P+N-PN+ se formează, în emitorul N+, un şunt central   prin intermediul căruia baza P este conectată direct la metalizarea emitorului printr-o rezistenţă Rb. Din cele menţionate anterior putem trage concluzia că IGBT-ul este comandat la fel ca un MOSFET având toate avantajele acestuia, dar, datorită interdependenţei celor două tranzistoare T1 şi T2, funcţionarea sa este mai complicată. Pentru tensiuni vGEVGEP. Rezistenţa, în starea de conducţie a IGBT-ului, este mult mai mică decât a unui DMOS ce are aceeaşi suprafaţă de cristal şi aceeaşi tensiune de blocare. Scăderea rezistenţei este determinată de efectul de modulaţie al conductibilităţii zonei N-, efect datorat injecţiei purtătorilor minoritari din substratul P+ în substratul N- . Consecinţa imediată a acestui deziderat, o prezintă funcţionarea IGBT-ului la  densităţi de curent mult mai ridicate (de exemplu,  dacă densitatea de curent pentru un IGBT poate depăşi 200A/cm2 , pentru un MOSFET  cu aceleaşi dimensiuni aceasta nu depăşeşte 10A/cm2). Avantajele tranzistorului bipolar cu poartaizolata IGBT sunt o imbinare dintre avantajele tranzistoarelo rbipolare si MOSFET. Astfel tranzistorul bipolar in raport cu cel MOSFET are urmatoarele avantaje: ·         capacitate mai mare in current si tensiune; ·         cadere mica de tensiune in conductie ,VCEON ; Tranzistorul MOSFET este avantajos din urmatoarele motive: ·         timpimici de comutatie; ·         comanda de putere mica, in tensiune; ·         inexistentasaturatieisi a celei de a douastrapungeri; O imbinareaavantajelorcelordouatipuri de tiristoare s-a regasitintr-un noudispozitiv semiconductor de puterenumit transistor bipolar cu poartaizolata – IGBT. 1.1 Structura .Polarizare Straturiletranzistorului IGBT sunt : ·            stratulcolectorului de tip p+ inaltdopat, 1019/cm3; ·         stratul de tip n-  ,slab dopat ,1014 ∕  cm3 ; ·         corpul p, mediudopat, 1017 ∕ cm3; ·         stratulemitorului n2+, inaltdopat, 1019 /cm3; La uneletranzistoare se maigasestesistratul tampon n+1,inaltdopat 1019/cm3. O structuraverticalaprintr-un IGBT cu canal n esteprezentata in fig.1.1, iar in fig.1.2 simbolizareaacestuia. Structura IGBT Simbolul IGBT Daca tranzistorul nu are stratul tampon se numeste IGBT simetric, si daca are aceststrat se numeste asimetric. Emitorultranzistorului se conecteaza la stratul n2+ prinintermediuluimetalizarii din aluminiu.Metalizareaportii G este separate de corpul p prinstratul de oxid de siliciu. Polarizareadirectaconsta in aplicareaportii + pecolectorul C al tranzistorului.PolarizareainversaestedoarpejonctiuneaJ2 ,bariera de potential extinzandu-se in toatagrosimeastratului n-, IGBT putandsustinetensiunea de pana la 1500…2500 V. Pentrutranzistorulasimetricsuntpolarizate invers jonctiunile J1 si J3.In cazultranzistoruluisimetricjonctiunea J1 esteformata din straturile n-p+,bariera de potential fiind de acelasiordin de marimeca la polarizareadirecta. Tranzistorulsimetricpoatefunctionaalimentat in c.c., cat sic.a.,intimpcetranzistorulasimetricpoatefunctionaalimentatnumai cu tensiune continua. Se realizeazafoarterar IGBT-uri cu canal de tip p, structurafiindasemanatoare, iartipulstratuluiinversat. 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 simplificataeste prezentata in fig.1.4.         Fig.1.4 Schema 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 p-n-p, comanda n dintrarea rapida in conductie a acestuia.Blocarea tranzistorului p-n-p se face prin blocareaconductiei MOSFET-ului.Infelulacesta 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 p-n-p asigura o cadere de tensiuneVceon comparabila cu cea a tranzistoarelor bipolare.Se evita de asemeneafenomenul 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: ·         saasigure la current maxim tensiuneaVceon minima, punctual de functionare plasandu-se pecurba de separate intrezonelea ctivasi ohmica. ·         Punctul de functionaresa se gaseasca in in teriorulariei de functionare sigura ,SOA, de forma asemnatoare cu cea de MOSFET. TensiuneaVceon ,carecaracterizeaza IGBT –ul are valori intre 0,9….,2,2 V.Alegereasicalcululregimuluiternicurmeazaaceeasimetodologie de la tranzistorul MOSFET. Рис. 1.10 а) выходная характеристика IGBT (n-канальных обогащенных) b) переходная характеристика IС = f (VGE) Caracteristica de transfer şi regimul dinamic la comutaţie sunt identice cu cele ale unui MOSFET. 1.6.2.  Fenomenul de zăvorâre Dacă tensiuneavGE>VGEP, stratul N-, este bombardată de electroni emişi de emitor şi goluri emise de colector,  şi în consecinţă, rezistivitatea acestei zone scade foarte mult. Traiectoriile ac estorgoluri, sunt direcţionate în mare parte spre metalizareaemitorului, dar, o parte din ele ajung în zona stratului de inversiune. Aceste goluri dau naştere unui curent, iar cele ce străbat zona de inversiune vor favorizacirculaţia curent  prin rezistenţa Rb. Dacă curentul de colector IC  depăşeşte o anumită valoare ICM, atunci curentul de goluri ce străbate rezistenţaRb,  devine important şi facilitează intrarea în conducţie a tranzistorului T2, implicit şi a ansamblului T1-T2, care formează un tiristor parazit. În acest caz, apare o "zăvorâre", în sensul că IGBT-ul intră într-o stare de conducţie în care tensiunea vGE devine inoperabilă, blocarea IGBT-ului realizându-se prin comutaţie forţată a curentului, ca la unui tiristor convenţional. Dacă dispozitivul rămâne mult timp în această stare el se distruge prin effect termic. Pentru eliminarea acestui neajuns existămai multe posibilităţi, amintind printer acestea următoarele : 1) modificarea rezistenţei Rb (micşorare) prin modificarea geometriei stratului, realizatăprin: −          dopajul puternic al  zonei P+; −          alungirea şi îngustarea zona P ; −          micşorarea distanţelor dintre celule. 2)   mărirea curentului ICM, fapt ce se poate realize prin crearea  unor căi preferenţiale pentru curentul de goluri, sau chiar eliminarea unei regiuni N+ din emitor . INVERTOR Рис. 11. Резонансный LCL-T-конвертер În primul rînd, ce înseană MOSFET? Cuvîntul este format din două prescurtări, MOS şi FET. MOS vine de la Metal Oxid Semiconductor, iar FET, de la Field Effect Transistor, adică tranzistor cu efect de cîmp.                     Fig.5. Caracteristici de ieşire pentru tranzistorul MOSFET 2N3797. Simboluri S – source/sursă G – gate / poartă D – drain / drenă Parametrii specifici de catalog ai tranzistorului MOS Vds, max(V) este tensiunea maximă care poate fi aplicată între drenă şi sursă. Am zis mai sus că între drenă şi sursă apar două diode dintre una este polarizată invers, mai exact, cea dintre substrat şi drenă. Ca orice diodă, şi aceasta are o tensiune de străpungere. Vgs, max (V) este tensiunea maximă care poate fi aplicată între poartă şi sursă. Oxidul de poartă este foarte subţire, de ordinul zecilor de nanometri, şi se poate străpunge la o tensiune mică. În general Vgs, max este de +/-20V. Rds, on este rezistenţa canalului cînd tranzistorul este deschis. Acest parametru este important la funcţionarea în comutaţie, unde acest parametru determină pierderile datorate conducţiei. Valorile tipice se întind de la sute de ohmi, la tranzistoarele de semnal, pînă la miliohmi, la tranzistoarele de sute de amperi. Vt este tensiunea de prag, respectiv tensiunea între poartă şi sursă de la care începe să treacă un curent între drenă şi sursă. gm (mA/V)este trasconductanţa, adică raportul între variaţia curentului de drenă şi variaţia corespunzătoare a tensiunii de poartă. Tranzistoarele MOS din circuitele integrate digitale au transconductanţe de microamperi pe volt, tranzistoarele de putere ating uşor valori de zeci de amperi pe volt. Cin este capacitatea de intrare. Aş fi vrut să mai povestesc cîte ceva despre scheme tipice, dar mi-e că devine un articol prea lung şi plictisitor. Pentru mai multe detalii, şi întrebări vorbim în secţiunea de comentarii de mai jos. (Imaginea reprezentativă a articolului este un tranzistor integrat într-o memorie NMOS Tesla MHB2114, fabricată în anii 1980. )                      Comutator cu tranzistor MOS. Amplificator cu MOSFET 25W