در ساختار سطحی IGBT جریان، می‌توان گفت که انواع مسطح و شیاردار به طور مساوی با هم مطابقت دارند. وقتی بسیاری از خوانندگان برای اولین بار با این دو اصطلاح مواجه می‌شوند، ممکن است به اشتباه فکر کنند که جریان IGBT مسطح به صورت افقی جریان می‌یابد، در حالی که جریان IGBT شیاردار به صورت عمودی جریان می‌یابد. در واقع، این یک سوء تفاهم است. صرف نظر از اینکه IGBT از نوع مسطح یا شیاردار باشد، جریان به صورت عمودی جریان می‌یابد. علاوه بر این، برای تمام دستگاه‌های الکترونیک قدرتی که با آنها آشنا هستیم، مانند IGBTها، MOSFETها، تریستورها و دیودهای قدرت، به منظور برآورده کردن الزامات مقاومت ولتاژ، جریان به صورت عمودی جریان می‌یابد. برای IGBTها، جریان حفره از الکترود کلکتور پشتی به الکترود امیتر جلویی جریان می‌یابد. جریان الکترون از امیتر جریان می‌یابد، از کانال وارونگی سطح عبور می‌کند و به کلکتور پشتی جریان می‌یابد، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل ۱. جهت جریان در IGBT

همه ما می‌دانیم که در مقایسه با IGBT های مسطح، IGBT های ترانشه-گیت می‌توانند افت ولتاژ حالت روشن را بدون افزایش تلفات خاموش شدن به طور قابل توجهی کاهش دهند. بنابراین، گیت ترانشه چگونه به این هدف دست می‌یابد؟ این گیت سه "ترفند" دارد: حذف اثر JFET، افزایش چگالی کانال و افزایش غلظت حامل نزدیک به سطح.

حذف اثر JFET

تفاوت اصلی بین ساختار گیت ترنچ و ساختار گیت مسطح در جهت گیری کانال معکوس در ناحیه امیتر نوع P هنگام روشن شدن IGBT نهفته است. در ساختار گیت ترنچ، کانال معکوس به جای افقی، عمودی است.

شکل ۲. نمودار شماتیک کانال معکوس در IGBT های مسطح و ترانشه-گیت.

در IGBT های با گیت مسطح، در طول هدایت مستقیم، پیوند PN تشکیل شده بین چاه P و ناحیه n-drift در حالت بایاس معکوس جزئی قرار دارد. این امر منجر به تشکیل یک ناحیه بار فضایی با عرض مشخص می‌شود که مقدار مشخصی از فضا را اشغال می‌کند. در نتیجه، جریان فقط می‌تواند از یک فضای نسبتاً باریک عبور کند و امپدانس را در طول مسیر جریان افزایش دهد.

شکل ۳. اثر JFET در IGBT با گیت مسطح.

بنابراین، در IGBT های با گیت مسطح، در جهت جریان الکترون، مقاومت کانال Rchannel، مقاومت JFET RJFET و مقاومت ناحیه رانش Rn- وجود دارد. از سوی دیگر، در IGBT های با گیت شیاردار، ساختار شیار عمودی ناحیه JFET را حذف می‌کند و در نتیجه امپدانس کلی کمتری در طول مسیر جریان ایجاد می‌شود.

شکل ۴. مقایسه امپدانس حالت روشن بین IGBT های صفحه‌ای و IGBT های با گیت شیاری.

غلظت حامل نزدیک به سطح افزایش می یابد.

برای IGBT های با گیت مسطح، غلظت حامل به تدریج از کلکتور به امیتر کاهش می‌یابد. هدف طراحی IGBT های نسل جدید، حفظ توزیع یکنواخت غلظت حامل بین کلکتور و امیتر، ترجیحاً با افزایش تدریجی است. این امر می‌تواند تلفات هدایت را بدون تأثیر بر جریان دم و تلفات خاموش شدن، بیشتر کاهش دهد. شکل زیر توزیع غلظت حامل را در ناحیه رانش سه ساختار مختلف IGBT نشان می‌دهد. می‌توانیم ببینیم که در نزدیکی ناحیه امیتر، غلظت حامل در IGBT های با گیت ترانشه بسیار بیشتر از IGBT های با گیت مسطح است. بنابراین، در IGBT های با گیت ترانشه، عرض و فاصله مناسب ترانشه می‌تواند غلظت حامل را در لایه نزدیک به سطح ناحیه N- افزایش دهد و در نتیجه مقاومت ناحیه رانش Rn- را کاهش دهد.

شکل ۵. توزیع غلظت حامل در یک IGBT.

افزایش تراکم کانال

در مقایسه با IGBT های با گیت مسطح، ساختار عمودی IGBT های ترانشه ای، مساحت مورد نیاز برای ساخت کانال های رسانا روی سطح سیلیکون را از بین می برد، که امکان طراحی سلول های فشرده تر را فراهم می کند. این بدان معناست که می توان سلول های IGBT بیشتری را در همان سطح تراشه ساخت که منجر به کانال های رسانای پهن تر و مقاومت کانال کمتر می شود.

با وجود رشد سریع IGBT های ترانشه ای، IGBT های گیت مسطح هنوز جایگاه خود را دارند. پیشگامان این عرصه عقب نمانده‌اند، زیرا IGBT های ترانشه ای هنوز چالش‌های متعددی برای غلبه بر آنها دارند.

فناوری حفر دیواره‌های صاف ترانشه دشوار است. عرض ترانشه یک IGBT معمولی با گیت ترانشه تنها ۱-۲ میکرومتر است و عمق آن باید به ۴-۵ میکرومتر یا حتی عمیق‌تر برسد. ترانشه‌ها با استفاده از خوردگی اسیدی روی سطح سیلیکون حک می‌شوند و کنترل دقیق عرض و عمق ترانشه بسیار دشوار است. علاوه بر این، دیواره‌های ترانشه باید تا حد امکان صاف و بدون نقص باشند، زیرا سطوح ناهموار می‌توانند بر ولتاژ شکست تأثیر بگذارند و بازده را کاهش دهند. گوشه‌های پایین ترانشه نیز باید بسیار صاف باشند. در غیر این صورت، میدان الکتریکی در این نقطه متمرکز می‌شود و به طور جدی بر استقامت ولتاژ تأثیر می‌گذارد. بنابراین بدیهی است که فناوری IGBT با گیت ترانشه بسیار دشوارتر از فناوری IGBT با گیت مسطح است.

یک کانال رسانای پهن‌تر، جریان را در طول اتصال کوتاه IGBT افزایش می‌دهد. همانطور که قبلاً ذکر شد، چگالی بالای کانال در IGBTهای ترانشه-IGBT مقاومت کانال را کاهش می‌دهد، اما یکی از معایب مربوط به آن، افزایش جریان اتصال کوتاه است. در بدترین حالت، جریان اتصال کوتاه می‌تواند آنقدر زیاد باشد که در مدت زمان بسیار کوتاهی به IGBT آسیب برساند. برای اینکه IGBT بتواند در برابر اتصال کوتاه تا 10 میکروثانیه (تحت شرایط آزمایش مشخص شده) مقاومت کند، باید عرض کانال و سلول‌های مجاور بسیار با دقت طراحی شوند، به عنوان مثال، با افزایش فاصله بین سلول‌ها برای کاهش تعداد سلول‌های مؤثر در هر کریستال. روش دیگر اتصال همه گیت‌ها به یک گیت مشترک نیست، بلکه اتصال کوتاه گیت‌های برخی از سلول‌ها با امیتر آنهاست. این تکنیک، فناوری سلول ادغام‌شده با درج نامیده می‌شود. با استفاده از این روش، می‌توان چگالی کانال را کاهش داد، در نتیجه جریان اتصال کوتاه را کاهش داده و قابلیت اتصال کوتاه دستگاه را افزایش داد.