במבנה פני השטח של IGBT הנוכחי, ניתן לומר שסוגי מישוריים ותעלה תואמים באופן שווה. כאשר קוראים רבים נתקלים לראשונה בשני מונחים אלה, הם עשויים לחשוב בטעות שהזרם של ה-IGBT המישורי זורם אופקית, בעוד שהזרם של ה-IGBT בעל שער התעלה זורם אנכית. למעשה, זוהי אי הבנה. בין אם מדובר ב-IGBT מסוג מישורי או תעלה, הזרם זורם אנכית. יתר על כן, עבור כל התקני האלקטרוניקה להספק שאנו מכירים, כגון IGBTs, MOSFETs, תיריסטורים ודיודות הספק, על מנת לעמוד בדרישות עמידות המתח, הזרם יזרום אנכית. עבור IGBTs, זרם החור זורם מאלקטרודת הקולט האחורי לאלקטרודת הפולט הקדמית; זרם האלקטרונים זורם מהפולט, עובר דרך תעלת ההיפוך פני השטח, וזורם לקולקט האחורי, כפי שמוצג באיור 1.

איור 1. כיוון זרימת הזרם ב-IGBT

כולנו יודעים שבהשוואה ל-IGBTs מישוריים, IGBTs עם שער תעלה יכולים להפחית משמעותית את ירידת המתח במצב פעולה מבלי להגדיל את הפסדי הכיבוי. אז איך שער התעלה משיג זאת? יש לו שלושה "טריקים": ביטול אפקט JFET, הגדלת צפיפות הערוצים והגדלת ריכוז נושאי הגל קרוב לפני השטח.

ביטול אפקט JFET

ההבדל העיקרי בין מבנה שער התעלה למבנה שער מישורי טמון בכיוון הערוץ ההפוך באזור הפולט מסוג P כאשר ה-IGBT מופעל. במבנה שער התעלה, הערוץ ההפוך אנכי במקום אופקי.

איור 2. תרשים סכמטי של הערוץ ההפוך ב-IGBTs מישוריים וב-trench-gate.

ב-IGBTs עם שער מישורי, במהלך הולכה קדימה, צומת ה-PN שנוצרת בין אזור ה-P לבין אזור הסחיפה של ה-n נמצאת במצב הטיה הפוכה קלה. כתוצאה מכך נוצר אזור מטען חלל ברוחב מסוים, התופס כמות מסוימת של שטח. כתוצאה מכך, הזרם יכול לזרום רק דרך שטח צר יחסית, מה שמגדיל את העכבה לאורך נתיב הזרם.

איור 3. אפקט JFET ב-IGBT שער מישורי.

לכן, ב-IGBTs עם שער מישורי, בכיוון זרימת האלקטרונים, יש את התנגדות הערוץ Rchannel, התנגדות JFET RJFET, והתנגדות אזור הסחיפה Rn-. מצד שני, ב-IGBTs עם שער תעלה, מבנה התעלה האנכי מבטל את אזור ה-JFET, וכתוצאה מכך עכבה כוללת נמוכה יותר לאורך נתיב הזרם.

איור 4. השוואה של עכבת מצב פעולה בין IGBTs מישוריים ו-TRENCH-GATE.

ריכוז הנשאים הקרובים לפני השטח עולה.

עבור IGBTs עם שער מישורי, ריכוז הגליל יורד בהדרגה מהקולט לפולט. מטרת התכנון של IGBTs מהדור החדש היא לשמור על פיזור אחיד של ריכוז הגליל בין הקולט לפולט, רצוי עם עלייה הדרגתית. זה יכול להפחית עוד יותר את הפסדי ההולכה מבלי להשפיע על הפסדי זרם הזנב והפסדי הכיבוי. האיור שלהלן מציג את פיזור ריכוז הגליל באזור הסחיפה של שלושה מבנים שונים של IGBTs. אנו יכולים לראות שליד אזור הפולט, ריכוז הגליל ב-IGBTs עם שער תעלה גבוה בהרבה מזה ב-IGBTs עם שער מישורי. לכן, ב-IGBTs עם שער תעלה, רוחב ומרווח תעלה מתאימים יכולים להגדיל את ריכוז הגליל בשכבה הקרובה לפני השטח של אזור N-, ובכך להפחית את התנגדות אזור הסחיפה Rn-.

איור 5. התפלגות ריכוזי נושאי מטען ב-IGBT.

עלייה בצפיפות הערוצים

בהשוואה ל-IGBTs בעלי שער מישורי, המבנה האנכי של IGBTs בעלי תעלה מבטל את השטח הנדרש ליצירת תעלות מוליכות על פני הסיליקון, מה שמאפשר עיצובים קומפקטיים יותר של תאים. משמעות הדבר היא שניתן לייצר יותר תאי IGBT באותו שטח שבב, וכתוצאה מכך תעלות מוליכות רחבות יותר והתנגדות תעלות נמוכה יותר.

למרות העלייה המהירה של רכיבי IGBT בתעשיית התעלה, ל-IGBT בשער מישורי עדיין יש את מקומם. הראשונים לא נותרים מאחור, שכן ל-IGBT בתעשייה עדיין יש מספר אתגרים להתגבר עליהם.

הטכנולוגיה לחפירת קירות חלקים של תעלה היא קשה. רוחב התעלה של IGBT טיפוסי עם שער תעלה הוא רק 1-2 מיקרון, והעומק חייב להגיע ל-4-5 מיקרון, או אפילו עמוק יותר. התעלות חרוטות על פני הסיליקון באמצעות קורוזיה חומצית, ושליטה מדויקת על רוחב ועומק התעלה היא קשה ביותר. בנוסף, קירות התעלה חייבים להיות חלקים וללא פגמים ככל האפשר, מכיוון שמשטחים לא אחידים יכולים להשפיע על מתח הפריצה ולהפחית את התפוקה. הפינות בתחתית התעלה חייבות גם הן להיות חלקות מאוד; אחרת, השדה החשמלי יתרכז בנקודה זו ויפגע קשות בסיבולת המתח. לכן, ברור שטכנולוגיית IGBT עם שער תעלה קשה הרבה יותר מטכנולוגיית IGBT עם שער מישורי.

תעלה מוליכה רחבה יותר תגביר את הזרם במהלך קצר חשמלי של IGBT. כפי שצוין קודם לכן, צפיפות התעלות הגבוהה של IGBTs מפחיתה את התנגדות התעלות, אך אחד החסרונות התואמים לכך הוא עלייה בזרם הקצר. במקרה הגרוע ביותר, זרם הקצר יכול להיות כה גדול עד שהוא פוגע ב-IGBT תוך זמן קצר מאוד. כדי להפוך את ה-IGBT למסוגל לעמוד בקצרים של עד 10 מיקרו-שניות (בתנאי בדיקה מוגדרים), יש לתכנן את רוחב התעלה והתאים הסמוכים בזהירות רבה, למשל, על ידי הגדלת המרחק בין התאים כדי להפחית את מספר התאים האפקטיביים לגביש בודד. שיטה נוספת היא לא לחבר את כל השערים לשער משותף, אלא לקצר את השערים של חלק מהתאים עם הפולט שלהם. טכניקה זו נקראת טכנולוגיית תאים ממוזגים. באמצעות שיטה זו ניתן להפחית את צפיפות התעלות, ובכך להפחית את זרם הקצר ולשפר את יכולת הקצר של המכשיר.