Dalam struktur permukaan IGBT saat ini, tipe planar dan trench dapat dikatakan seimbang. Ketika banyak pembaca pertama kali menemukan kedua istilah ini, mereka mungkin keliru mengira bahwa arus IGBT planar mengalir secara horizontal, sedangkan arus IGBT trench-gate mengalir secara vertikal. Padahal, ini adalah kesalahpahaman. Terlepas dari apakah itu IGBT tipe planar atau trench, arus mengalir secara vertikal. Selain itu, untuk semua perangkat elektronika daya yang kita kenal, seperti IGBT, MOSFET, thyristor, dan dioda daya, agar memenuhi persyaratan ketahanan tegangan, arus dibuat mengalir secara vertikal. Untuk IGBT, arus lubang mengalir dari elektroda kolektor belakang ke elektroda emitor depan; arus elektron mengalir dari emitor, melewati kanal inversi permukaan, dan mengalir ke kolektor belakang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Arah aliran arus pada IGBT

Kita semua tahu bahwa dibandingkan dengan IGBT planar, IGBT trench-gate dapat secara signifikan mengurangi penurunan tegangan pada kondisi on tanpa meningkatkan rugi-rugi turn-off. Jadi, bagaimana trench gate mencapai hal ini? Ia memiliki tiga "trik": menghilangkan efek JFET, meningkatkan kepadatan kanal, dan meningkatkan konsentrasi pembawa dekat permukaan.

Penghapusan Efek JFET

Perbedaan utama antara struktur gerbang parit dan struktur gerbang planar terletak pada orientasi kanal terbalik di wilayah emitor tipe-P ketika IGBT dihidupkan. Pada struktur gerbang parit, kanal terbalik berbentuk vertikal, bukan horizontal.

Gambar 2. Diagram skema saluran terbalik pada IGBT planar dan gerbang parit.

Pada IGBT gerbang planar, selama konduksi maju, sambungan PN yang terbentuk antara sumur-P dan daerah n-drift berada dalam kondisi bias balik yang sedikit. Hal ini mengakibatkan terbentuknya daerah muatan ruang dengan lebar tertentu, yang menempati ruang tertentu. Akibatnya, arus hanya dapat mengalir melalui ruang yang relatif sempit, sehingga meningkatkan impedansi di sepanjang jalur arus.

Gambar 3. Efek JFET pada gerbang planar IGBT.

Oleh karena itu, pada IGBT gerbang planar, dalam arah aliran elektron, terdapat resistansi kanal R-channel, resistansi JFET R-JFET, dan resistansi daerah drift R-n. Di sisi lain, pada IGBT gerbang parit, struktur parit vertikal menghilangkan daerah JFET, sehingga menghasilkan impedansi keseluruhan yang lebih rendah di sepanjang jalur arus.

Gambar 4. Perbandingan impedansi keadaan aktif antara IGBT planar dan trench-gate.

Konsentrasi pembawa di dekat permukaan meningkat.

Pada IGBT gerbang planar, konsentrasi pembawa menurun secara bertahap dari kolektor ke emitor. Tujuan desain IGBT generasi baru adalah mempertahankan distribusi konsentrasi pembawa yang seragam antara kolektor dan emitor, sebaiknya dengan peningkatan bertahap. Hal ini selanjutnya dapat mengurangi rugi konduksi tanpa memengaruhi rugi arus balik dan rugi mati. Gambar di bawah menunjukkan distribusi konsentrasi pembawa di daerah drift dari tiga struktur IGBT yang berbeda. Kita dapat melihat bahwa di dekat daerah emitor, konsentrasi pembawa di IGBT gerbang parit jauh lebih tinggi daripada di IGBT gerbang planar. Oleh karena itu, pada IGBT gerbang parit, lebar dan jarak parit yang tepat dapat meningkatkan konsentrasi pembawa di lapisan dekat permukaan daerah N-, sehingga mengurangi resistansi daerah drift Rn-.

Gambar 5. Distribusi konsentrasi pembawa dalam IGBT.

Peningkatan kepadatan saluran

Dibandingkan dengan IGBT gerbang planar, struktur vertikal IGBT parit menghilangkan area yang dibutuhkan untuk membuat saluran konduktif pada permukaan silikon, sehingga memungkinkan desain sel yang lebih ringkas. Ini berarti lebih banyak sel IGBT dapat difabrikasi dalam area chip yang sama, menghasilkan saluran konduktif yang lebih lebar dan resistansi saluran yang lebih rendah.

Meskipun IGBT parit sedang berkembang pesat, IGBT gerbang planar masih memiliki tempat tersendiri. Para pelopor tidak mau ketinggalan karena IGBT parit masih menghadapi beberapa tantangan yang harus diatasi.

Teknologi penggalian dinding parit yang halus cukup sulit. Lebar parit IGBT gerbang parit pada umumnya hanya 1-2 μm, dan kedalamannya harus mencapai 4-5 μm, atau bahkan lebih dalam. Parit-parit tersebut diukir pada permukaan silikon menggunakan korosi asam, sehingga kontrol presisi lebar dan kedalaman parit sangat sulit. Selain itu, dinding parit harus sehalus dan sesempurna mungkin, karena permukaan yang tidak rata dapat memengaruhi tegangan tembus dan mengurangi hasil. Sudut-sudut di dasar parit juga harus sangat halus; jika tidak, medan listrik akan terkonsentrasi di titik ini dan sangat memengaruhi ketahanan tegangan. Dengan demikian, jelas bahwa teknologi IGBT gerbang parit jauh lebih sulit daripada teknologi IGBT gerbang planar.

Saluran konduktif yang lebih lebar akan meningkatkan arus selama hubung singkat IGBT. Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, kepadatan saluran yang tinggi pada IGBT tipe trench mengurangi resistansi saluran, tetapi salah satu kekurangannya adalah peningkatan arus hubung singkat. Dalam kasus terburuk, arus hubung singkat bisa sangat besar sehingga dapat merusak IGBT dalam waktu yang sangat singkat. Agar IGBT mampu menahan hubung singkat hingga 10 mikrodetik (dalam kondisi pengujian tertentu), lebar saluran dan sel-sel yang berdekatan perlu dirancang dengan sangat cermat, misalnya, dengan menambah jarak antar sel untuk mengurangi jumlah sel efektif per kristal tunggal. Metode lain adalah dengan tidak menghubungkan semua gerbang ke satu gerbang umum, tetapi menghubung singkat gerbang beberapa sel dengan emitornya. Teknik ini disebut teknologi sisipan-gabung-sel. Dengan menggunakan metode ini, kepadatan saluran dapat dikurangi, sehingga mengurangi arus hubung singkat dan meningkatkan kemampuan hubung singkat perangkat.