En la estructura superficial actual de los IGBT, se puede decir que los de tipo planar y trinchera están perfectamente emparejados. Al conocer estos dos términos por primera vez, muchos lectores pueden pensar erróneamente que la corriente del IGBT planar fluye horizontalmente, mientras que la del IGBT de trinchera fluye verticalmente. De hecho, esto es un malentendido. Independientemente de si se trata de un IGBT planar o de trinchera, la corriente fluye verticalmente. Además, en todos los dispositivos electrónicos de potencia conocidos, como IGBT, MOSFET, tiristores y diodos de potencia, para cumplir con los requisitos de resistencia a la tensión, la corriente se hace fluir verticalmente. En los IGBT, la corriente de hueco fluye desde el electrodo del colector posterior al electrodo del emisor frontal; la corriente de electrones fluye desde el emisor, atraviesa el canal de inversión superficial y fluye hacia el colector posterior, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Dirección del flujo de corriente en IGBT

Todos sabemos que, en comparación con los IGBT planares, los IGBT de compuerta de trinchera pueden reducir significativamente la caída de tensión en estado activado sin aumentar las pérdidas por apagado. Entonces, ¿cómo lo consigue la compuerta de trinchera? Tiene tres trucos: eliminación del efecto JFET, mayor densidad de canal y mayor concentración de portadores cerca de la superficie.

Eliminación del efecto JFET

La principal diferencia entre la estructura de compuerta de trinchera y la estructura de compuerta planar radica en la orientación del canal invertido en la región del emisor tipo P cuando el IGBT está activado. En la estructura de compuerta de trinchera, el canal invertido es vertical en lugar de horizontal.

Figura 2. Diagrama esquemático del canal invertido en IGBTs planares y de compuerta de trinchera.

En los IGBT de puerta planar, durante la conducción directa, la unión PN formada entre el pozo P y la región de deriva n presenta una ligera polarización inversa. Esto da lugar a la formación de una región de carga espacial con un ancho determinado, que ocupa un espacio determinado. Como resultado, la corriente solo puede circular por un espacio relativamente estrecho, lo que aumenta la impedancia a lo largo de su trayectoria.

Figura 3. Efecto JFET en IGBT de puerta planar.

Por lo tanto, en los IGBT de compuerta planar, en la dirección del flujo de electrones, existe la resistencia de canal Rchannel, la resistencia del JFET RJFET y la resistencia de la región de deriva Rn-. Por otro lado, en los IGBT de compuerta de trinchera, la estructura de trinchera vertical elimina la región del JFET, lo que resulta en una menor impedancia total a lo largo de la trayectoria de la corriente.

Figura 4. Comparación de la impedancia en estado activo entre IGBT planares y de puerta de trinchera.

La concentración de portadores cerca de la superficie aumenta.

En los IGBT de compuerta planar, la concentración de portadores disminuye gradualmente del colector al emisor. El objetivo de diseño de los IGBT de nueva generación es mantener una distribución uniforme de la concentración de portadores entre el colector y el emisor, preferiblemente con un aumento gradual. Esto puede reducir aún más las pérdidas por conducción sin afectar la corriente de cola ni las pérdidas por apagado. La figura a continuación muestra la distribución de la concentración de portadores en la región de deriva de tres estructuras diferentes de IGBT. Podemos observar que cerca de la región del emisor, la concentración de portadores en los IGBT de compuerta de trinchera es mucho mayor que en los IGBT de compuerta planar. Por lo tanto, en los IGBT de compuerta de trinchera, un ancho y espaciado de trinchera adecuados pueden aumentar la concentración de portadores en la capa cercana a la superficie de la región N-, reduciendo así la resistencia de la región de deriva Rn-.

Figura 5. Distribución de concentración de portadores en un IGBT.

Aumento de la densidad de canales.

En comparación con los IGBT de puerta planar, la estructura vertical de los IGBT de trinchera elimina el área necesaria para crear canales conductores en la superficie de silicio, lo que permite diseños de celdas más compactos. Esto significa que se pueden fabricar más celdas IGBT en la misma área del chip, lo que resulta en canales conductores más anchos y una menor resistencia de canal.

A pesar del rápido auge de los IGBT de trinchera, los IGBT de puerta planar aún mantienen su lugar. Los pioneros no se quedan atrás, ya que los IGBT de trinchera aún enfrentan varios desafíos que superar.

La tecnología para excavar paredes de zanja lisas es compleja. El ancho de zanja de un IGBT de compuerta de zanja típico es de tan solo 1-2 μm, y la profundidad debe alcanzar los 4-5 μm, o incluso más. Las zanjas se graban en la superficie de silicio mediante corrosión ácida, y el control preciso del ancho y la profundidad de la zanja es extremadamente difícil. Además, las paredes de la zanja deben ser lo más lisas y libres de defectos posible, ya que las superficies irregulares pueden afectar la tensión de ruptura y reducir el rendimiento. Las esquinas del fondo de la zanja también deben ser muy lisas; de lo contrario, el campo eléctrico se concentrará en este punto y afectará gravemente la resistencia a la tensión. Por lo tanto, es evidente que la tecnología IGBT de zanja es mucho más compleja que la tecnología IGBT de compuerta planar.

Un canal conductor más ancho aumentará la corriente durante el cortocircuito del IGBT. Como se mencionó anteriormente, la alta densidad de canales de los IGBT de trinchera reduce la resistencia del canal, pero una de sus desventajas es el aumento de la corriente de cortocircuito. En el peor de los casos, la corriente de cortocircuito puede ser tan grande que daña el IGBT en muy poco tiempo. Para que el IGBT pueda soportar cortocircuitos de hasta 10 microsegundos (en condiciones de prueba específicas), el ancho del canal y las celdas adyacentes deben diseñarse con mucho cuidado, por ejemplo, aumentando la distancia entre celdas para reducir el número de celdas efectivas por monocristal. Otro método consiste en no conectar todas las puertas a una puerta común, sino en cortocircuitar las puertas de algunas celdas con su emisor. Esta técnica se denomina tecnología de celdas de inserción-fusión. Mediante este método, se puede reducir la densidad de canales, lo que reduce la corriente de cortocircuito y mejora la capacidad de cortocircuito del dispositivo.