वर्तमान आईजीबीटी सतह संरचना में, प्लानर और ट्रेंच प्रकार को समान रूप से मेल खाने वाला कहा जा सकता है। जब कई पाठक पहली बार इन दो शब्दों का सामना करते हैं, तो वे गलती से सोच सकते हैं कि प्लानर आईजीबीटी का प्रवाह क्षैतिज रूप से बहता है, जबकि ट्रेंच-गेट आईजीबीटी का प्रवाह लंबवत होता है। वास्तव में, यह एक गलतफहमी है। चाहे वह प्लानर या ट्रेंच प्रकार का आईजीबीटी हो, करंट लंबवत रूप से बहता है। इसके अलावा, सभी पावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए, जिनसे हम परिचित हैं, जैसे कि आईजीबीटी, एमओएसएफईटी, थाइरिस्टर और पावर डायोड, वोल्टेज की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, करंट को लंबवत रूप से प्रवाहित किया जाता है। आईजीबीटी के लिए, होल करंट बैक कलेक्टर इलेक्ट्रोड से फ्रंट एमिटर इलेक्ट्रोड तक प्रवाहित होता है

चित्र 1. आईजीबीटी में धारा प्रवाह दिशा

हम सभी जानते हैं कि प्लेनर IGBT की तुलना में, ट्रेंच-गेट IGBT, टर्न-ऑफ लॉस बढ़ाए बिना ऑन-स्टेट वोल्टेज ड्रॉप को काफ़ी कम कर सकते हैं। तो, ट्रेंच गेट यह कैसे हासिल करता है? इसके तीन "ट्रिक्स" हैं: JFET प्रभाव का उन्मूलन, चैनल घनत्व में वृद्धि, और निकट-सतह वाहक सांद्रता में वृद्धि।

जेएफईटी प्रभाव का उन्मूलन

ट्रेंच गेट संरचना और समतलीय गेट संरचना के बीच मुख्य अंतर आईजीबीटी चालू होने पर पी-प्रकार उत्सर्जक क्षेत्र में उल्टे चैनल के अभिविन्यास में निहित है। ट्रेंच गेट संरचना में, उल्टे चैनल क्षैतिज के बजाय ऊर्ध्वाधर होते हैं।

चित्र 2. प्लानर और ट्रेंच-गेट आईजीबीटी में उल्टे चैनल का योजनाबद्ध आरेख।

प्लैनर गेट IGBT में, अग्र चालन के दौरान, P-वेल और n-ड्रिफ्ट क्षेत्र के बीच बना PN जंक्शन थोड़ी पश्च-बायस अवस्था में होता है। इसके परिणामस्वरूप एक निश्चित चौड़ाई वाला एक स्पेस चार्ज क्षेत्र बनता है, जो एक निश्चित स्थान घेरता है। परिणामस्वरूप, धारा केवल अपेक्षाकृत संकरी जगह से ही प्रवाहित हो पाती है, जिससे धारा पथ पर प्रतिबाधा बढ़ जाती है।

चित्र 3. प्लानर गेट आईजीबीटी में जेएफईटी प्रभाव।

इसलिए, प्लैनर गेट IGBT में, इलेक्ट्रॉन प्रवाह की दिशा में, चैनल प्रतिरोध Rchannel, JFET प्रतिरोध RJFET, और बहाव क्षेत्र प्रतिरोध Rn- होता है। दूसरी ओर, ट्रेंच-गेट IGBT में, ऊर्ध्वाधर ट्रेंच संरचना JFET क्षेत्र को हटा देती है, जिसके परिणामस्वरूप धारा पथ पर समग्र प्रतिबाधा कम हो जाती है।

चित्र 4. प्लानर और ट्रेंच-गेट आईजीबीटी के बीच ऑन-स्टेट प्रतिबाधा की तुलना।

निकट-सतह वाहक सांद्रता बढ़ जाती है।

प्लानर गेट आईजीबीटी के लिए, वाहक सांद्रता कलेक्टर से एमिटर तक धीरे-धीरे कम हो जाती है। नई पीढ़ी के आईजीबीटी का डिज़ाइन लक्ष्य कलेक्टर और एमिटर के बीच वाहक सांद्रता का एक समान वितरण बनाए रखना है, अधिमानतः क्रमिक वृद्धि के साथ। यह पूंछ धारा और टर्न-ऑफ नुकसान को प्रभावित किए बिना चालन नुकसान को कम कर सकता है। नीचे दिया गया आंकड़ा आईजीबीटी की तीन अलग-अलग संरचनाओं के बहाव क्षेत्र में वाहक सांद्रता वितरण को दर्शाता है। हम देख सकते हैं कि उत्सर्जक क्षेत्र के पास, ट्रेंच-गेट आईजीबीटी में वाहक सांद्रता प्लानर गेट आईजीबीटी की तुलना में बहुत अधिक है। इसलिए, ट्रेंच-गेट आईजीबीटी में, उचित खाई की चौड़ाई और रिक्ति एन- क्षेत्र की निकट-सतह परत में वाहक सांद्रता को बढ़ा सकती है

चित्र 5. आईजीबीटी में वाहक सांद्रता वितरण।

चैनल घनत्व में वृद्धि

प्लेनर-गेट आईजीबीटी की तुलना में, ट्रेंच-आईजीबीटी की ऊर्ध्वाधर संरचना सिलिकॉन सतह पर प्रवाहकीय चैनल बनाने के लिए आवश्यक क्षेत्र को समाप्त कर देती है, जिससे अधिक सघन सेल डिज़ाइन संभव हो पाते हैं। इसका अर्थ है कि एक ही चिप क्षेत्र में अधिक आईजीबीटी सेल बनाए जा सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप व्यापक प्रवाहकीय चैनल और कम चैनल प्रतिरोध प्राप्त होता है।

ट्रेंच-आईजीबीटी के तेज़ी से बढ़ते चलन के बावजूद, प्लेनर-गेट आईजीबीटी का अभी भी अपना स्थान है। अग्रणी तकनीकें पीछे नहीं छूट रही हैं क्योंकि ट्रेंच-आईजीबीटी के सामने अभी भी कई चुनौतियाँ हैं जिनसे पार पाना बाकी है।

चिकनी खाई की दीवारों की खुदाई की तकनीक कठिन है। एक सामान्य ट्रेंच-गेट आईजीबीटी की खाई की चौड़ाई केवल 1-2 माइक्रोमीटर होती है, और गहराई 4-5 माइक्रोमीटर या उससे भी अधिक होनी चाहिए। खाइयों को अम्लीय संक्षारण का उपयोग करके सिलिकॉन सतह में खोदा जाता है, और खाई की चौड़ाई और गहराई का सटीक नियंत्रण बेहद मुश्किल है। इसके अतिरिक्त, खाई की दीवारें यथासंभव चिकनी और दोषरहित होनी चाहिए, क्योंकि असमान सतहें ब्रेकडाउन वोल्टेज को प्रभावित कर सकती हैं और उत्पादन क्षमता को कम कर सकती हैं। खाई के तल पर कोने भी बहुत चिकने होने चाहिए; अन्यथा, विद्युत क्षेत्र इस बिंदु पर केंद्रित हो जाएगा और वोल्टेज सहनशीलता को गंभीर रूप से प्रभावित करेगा। इस प्रकार यह स्पष्ट है कि ट्रेंच-आईजीबीटी तकनीक, प्लेनर-गेट आईजीबीटी तकनीक की तुलना में कहीं अधिक कठिन है।

एक चौड़ा चालक चैनल IGBT शॉर्ट-सर्किटिंग के दौरान धारा को बढ़ा देगा। जैसा कि पहले बताया गया है, ट्रेंच-IGBT का उच्च चैनल घनत्व चैनल प्रतिरोध को कम करता है, लेकिन इसकी एक खामी शॉर्ट-सर्किट धारा में वृद्धि है। सबसे खराब स्थिति में, शॉर्ट-सर्किट धारा इतनी अधिक हो सकती है कि यह बहुत कम समय में IGBT को नुकसान पहुँचा सकती है। IGBT को 10 माइक्रोसेकंड तक के शॉर्ट सर्किट (निर्दिष्ट परीक्षण स्थितियों के तहत) को झेलने में सक्षम बनाने के लिए, चैनल की चौड़ाई और आसन्न सेलों को बहुत सावधानी से डिज़ाइन करने की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, प्रति एकल क्रिस्टल प्रभावी सेलों की संख्या कम करने के लिए सेलों के बीच की दूरी बढ़ाकर। एक अन्य विधि सभी गेटों को एक सामान्य गेट से जोड़ने के बजाय, कुछ सेलों के गेटों को उनके एमिटर से शॉर्ट करना है। इस तकनीक को इन्सर्ट-मर्ज्ड-सेल तकनीक कहा जाता है। इस विधि का उपयोग करके, चैनल घनत्व को कम किया जा सकता है, जिससे शॉर्ट-सर्किट धारा कम होती है और उपकरण की शॉर्ट-सर्किट क्षमता बढ़ती है।