في بنية سطح IGBT الحالية، يُمكن القول إن نوعي المستوي والخندقي متماثلان. عند مواجهة العديد من القراء لهذين المصطلحين لأول مرة، قد يظنون خطأً أن تيار IGBT المستوي يتدفق أفقيًا، بينما يتدفق تيار IGBT ذو البوابة الخندقية عموديًا. في الواقع، هذا سوء فهم. بغض النظر عمّا إذا كان IGBT من النوع المستوي أو الخندقي، يتدفق التيار عموديًا. علاوة على ذلك، في جميع أجهزة إلكترونيات الطاقة المألوفة لدينا، مثل IGBTs وMOSFETs والثايرستورات وثنائيات الطاقة، يتم ضبط التيار ليتدفق عموديًا لتلبية متطلبات تحمل الجهد. في IGBTs، يتدفق تيار الثقب من قطب المجمع الخلفي إلى قطب الباعث الأمامي؛ ويتدفق تيار الإلكترون من الباعث، ويمر عبر قناة الانعكاس السطحي، ثم إلى المجمع الخلفي، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1. اتجاه تدفق التيار في IGBT

نعلم جميعًا أنه مقارنةً بترانزستورات IGBT المستوية، فإن ترانزستورات IGBT ذات بوابة الخندق قادرة على تقليل انخفاض جهد التشغيل بشكل ملحوظ دون زيادة خسائر الإيقاف. فكيف تحقق بوابة الخندق ذلك؟ تتميز بثلاث خصائص: إزالة تأثير JFET، وزيادة كثافة القناة، وزيادة تركيز الموجة الحاملة قرب السطح.

القضاء على تأثير JFET

يكمن الاختلاف الرئيسي بين هيكل بوابة الخندق وهيكل البوابة المستوية في اتجاه القناة المقلوبة في منطقة باعث النوع P عند تشغيل IGBT. في هيكل بوابة الخندق، تكون القناة المقلوبة رأسية وليست أفقية.

الشكل 2. مخطط تخطيطي للقناة المقلوبة في IGBTs المستوية وبوابة الخندق.

في ترانزستورات IGBT ذات البوابة المستوية، أثناء التوصيل الأمامي، تكون الوصلة P-N المتكونة بين بئر P ومنطقة الانجراف n في حالة انحياز عكسي طفيف. يؤدي هذا إلى تكوين منطقة شحنة فراغية بعرض معين، تشغل مساحة معينة. ونتيجة لذلك، لا يتدفق التيار إلا عبر مساحة ضيقة نسبيًا، مما يزيد من المعاوقة على طول مسار التيار.

الشكل 3. تأثير JFET في IGBT البوابة المستوية.

لذلك، في ترانزستورات IGBT ذات البوابة المستوية، توجد مقاومة القناة Rchannel، ومقاومة JFET RJFET، ومقاومة منطقة الانجراف Rn- في اتجاه تدفق الإلكترونات. من ناحية أخرى، في ترانزستورات IGBT ذات البوابة الخندقية، يُلغي هيكل الخندق الرأسي منطقة JFET، مما يُؤدي إلى انخفاض الممانعة الكلية على طول مسار التيار.

الشكل 4. مقارنة معاوقة حالة التشغيل بين ترانزستورات IGBT ذات البوابة المستوية والبوابة الخندقية.

يزداد تركيز الموجة الحاملة القريبة من السطح.

بالنسبة لترانزستورات IGBT ذات البوابة المستوية، يتناقص تركيز الناقل تدريجيًا من المجمع إلى الباعث. يهدف تصميم ترانزستورات IGBT من الجيل الجديد إلى الحفاظ على توزيع موحد لتركيز الناقل بين المجمع والباعث، ويفضل أن يكون ذلك بزيادة تدريجية. هذا يمكن أن يقلل بشكل أكبر من خسائر التوصيل دون التأثير على تيار الذيل وخسائر الإيقاف. يوضح الشكل أدناه توزيع تركيز الناقل في منطقة الانجراف لثلاثة هياكل مختلفة من ترانزستورات IGBT. يمكننا أن نرى أنه بالقرب من منطقة الباعث، يكون تركيز الناقل في ترانزستورات IGBT ذات البوابة الخندقية أعلى بكثير منه في ترانزستورات IGBT ذات البوابة المستوية. لذلك، في ترانزستورات IGBT ذات البوابة الخندقية، يمكن أن يزيد عرض الخندق والتباعد المناسبان من تركيز الناقل في الطبقة القريبة من سطح المنطقة N، مما يقلل من مقاومة منطقة الانجراف Rn-.

الشكل 5. توزيع تركيز الناقل في IGBT.

زيادة في كثافة القناة

مقارنةً بخلايا IGBT ذات البوابة المستوية، يُقلل الهيكل الرأسي لخلايا IGBT الخندقية المساحة اللازمة لتكوين قنوات موصلة على سطح السيليكون، مما يسمح بتصميم خلايا أكثر إحكامًا. هذا يعني إمكانية تصنيع المزيد من خلايا IGBT في نفس مساحة الشريحة، مما ينتج عنه قنوات موصلة أوسع ومقاومة أقل للقناة.

على الرغم من الانتشار السريع لـ IGBTs الخندقية، لا تزال IGBTs ذات البوابة المستوية تحتفظ بمكانتها. ولم يُترك رواد هذا المجال خلفهم، إذ لا تزال تواجه IGBTs الخندقية تحديات عديدة.

إن تقنية حفر جدران الخنادق الملساء صعبة. يبلغ عرض الخندق في قواطع IGBT ذات البوابة الخندقية النموذجية 1-2 ميكرومتر فقط، ويجب أن يصل عمقها إلى 4-5 ميكرومترات أو أكثر. تُحفر الخنادق في سطح السيليكون باستخدام التآكل الحمضي، ويُعد التحكم الدقيق في عرض الخندق وعمقه أمرًا بالغ الصعوبة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون جدران الخندق ناعمة وخالية من العيوب قدر الإمكان، لأن الأسطح غير المستوية قد تؤثر على جهد الانهيار وتقلل من العائد. يجب أن تكون زوايا قاع الخندق ناعمة جدًا أيضًا؛ وإلا سيتركّز المجال الكهربائي عند هذه النقطة ويؤثر بشكل كبير على تحمل الجهد. لذا، من الواضح أن تقنية IGBT ذات البوابة الخندقية أصعب بكثير من تقنية IGBT ذات البوابة المستوية.

سيؤدي توسيع قناة التوصيل إلى زيادة التيار أثناء قصر دائرة IGBT. وكما ذكرنا سابقًا، فإن الكثافة العالية لقناة IGBT الخندقية تقلل من مقاومتها، ولكن من عيوبها زيادة تيار القصر. في أسوأ الأحوال، قد يكون تيار القصر كبيرًا جدًا لدرجة أنه قد يتلف IGBT في وقت قصير جدًا. لجعل IGBT قادرًا على تحمل قصر الدائرة لمدة تصل إلى 10 ميكروثانية (في ظروف اختبار محددة)، يجب تصميم عرض القناة والخلايا المجاورة بعناية فائقة، على سبيل المثال، عن طريق زيادة المسافة بين الخلايا لتقليل عدد الخلايا الفعالة لكل بلورة مفردة. وهناك طريقة أخرى تتمثل في عدم ربط جميع البوابات ببوابة مشتركة، بل عن طريق قصر بوابات بعض الخلايا باستخدام باعثها. تُسمى هذه التقنية تقنية دمج الخلايا. باستخدام هذه الطريقة، يمكن تقليل كثافة القناة، مما يقلل تيار القصر ويعزز قدرة الجهاز على تحمل القصر.