Nell'attuale struttura superficiale degli IGBT, si può dire che i tipi planare e trench siano equamente abbinati. Quando molti lettori incontrano per la prima volta questi due termini, potrebbero erroneamente pensare che la corrente dell'IGBT planare scorra orizzontalmente, mentre la corrente dell'IGBT trench-gate scorra verticalmente. In realtà, questo è un equivoco. Indipendentemente dal fatto che si tratti di un IGBT di tipo planare o trench, la corrente scorre verticalmente. Inoltre, per tutti i dispositivi elettronici di potenza a noi familiari, come IGBT, MOSFET, tiristori e diodi di potenza, al fine di soddisfare i requisiti di tenuta in tensione, la corrente viene fatta fluire verticalmente. Per gli IGBT, la corrente di lacuna scorre dall'elettrodo di collettore posteriore all'elettrodo di emettitore anteriore; la corrente di elettroni scorre dall'emettitore, passa attraverso il canale di inversione superficiale e fluisce verso il collettore posteriore, come mostrato in Figura 1.

Figura 1. Direzione del flusso di corrente nell'IGBT

Sappiamo tutti che, rispetto agli IGBT planari, gli IGBT trench-gate possono ridurre significativamente la caduta di tensione in stato on senza aumentare le perdite in spegnimento. Come fa il trench-gate a raggiungere questo obiettivo? Ha tre "trucchi": eliminazione dell'effetto JFET, aumento della densità di canale e aumento della concentrazione di portatori in prossimità della superficie.

Eliminazione dell'effetto JFET

La principale differenza tra la struttura a trench gate e quella a gate planare risiede nell'orientamento del canale invertito nella regione dell'emettitore di tipo P quando l'IGBT è acceso. Nella struttura a trench gate, il canale invertito è verticale anziché orizzontale.

Figura 2. Diagramma schematico del canale invertito negli IGBT planari e trench-gate.

Negli IGBT a gate planare, durante la conduzione diretta, la giunzione PN formata tra la zona P-well e la regione di deriva n-drift si trova in un leggero stato di polarizzazione inversa. Ciò determina la formazione di una regione di carica spaziale di una certa larghezza, che occupa una certa quantità di spazio. Di conseguenza, la corrente può fluire solo attraverso uno spazio relativamente stretto, aumentando l'impedenza lungo il percorso della corrente.

Figura 3. Effetto JFET nell'IGBT a gate planare.

Pertanto, negli IGBT a gate planare, nella direzione del flusso di elettroni, si ha la resistenza di canale Rchannel, la resistenza del JFET RJFET e la resistenza della regione di deriva Rn-. D'altra parte, negli IGBT a gate trench, la struttura a trench verticale elimina la regione del JFET, con conseguente riduzione dell'impedenza complessiva lungo il percorso della corrente.

Figura 4. Confronto dell'impedenza in stato attivo tra IGBT planari e trench-gate.

La concentrazione dei portatori in prossimità della superficie aumenta.

Per gli IGBT a gate planare, la concentrazione dei portatori diminuisce gradualmente dal collettore all'emettitore. L'obiettivo progettuale degli IGBT di nuova generazione è mantenere una distribuzione uniforme della concentrazione dei portatori tra collettore ed emettitore, preferibilmente con un aumento graduale. Ciò può ridurre ulteriormente le perdite di conduzione senza influire sulla corrente di coda e sulle perdite di spegnimento. La figura seguente mostra la distribuzione della concentrazione dei portatori nella regione di deriva di tre diverse strutture di IGBT. Possiamo osservare che, in prossimità della regione di emettitore, la concentrazione dei portatori negli IGBT a gate trench è molto più elevata rispetto a quella negli IGBT a gate planare. Pertanto, negli IGBT a gate trench, un'adeguata larghezza e spaziatura delle trincee può aumentare la concentrazione dei portatori nello strato prossimo alla superficie della regione N-, riducendo così la resistenza della regione di deriva Rn-.

Figura 5. Distribuzione della concentrazione dei portatori in un IGBT.

Aumento della densità dei canali

Rispetto agli IGBT a gate planare, la struttura verticale degli IGBT a trench elimina l'area necessaria per realizzare canali conduttivi sulla superficie del silicio, consentendo design delle celle più compatti. Ciò significa che è possibile fabbricare più celle IGBT nella stessa area del chip, con conseguenti canali conduttivi più ampi e una minore resistenza di canale.

Nonostante la rapida ascesa degli IGBT trench, gli IGBT planari mantengono ancora il loro ruolo. I pionieri non sono rimasti indietro, perché gli IGBT trench devono ancora superare diverse sfide.

La tecnologia per scavare pareti di trincea lisce è complessa. La larghezza della trincea di un tipico IGBT con gate a trench è di soli 1-2 μm e la profondità deve raggiungere i 4-5 μm, o anche di più. Le trincee vengono incise sulla superficie del silicio mediante corrosione acida, e il controllo preciso della larghezza e della profondità della trincea è estremamente difficile. Inoltre, le pareti della trincea devono essere il più possibile lisce e prive di difetti, poiché superfici irregolari possono influire sulla tensione di rottura e ridurre la resa. Anche gli angoli sul fondo della trincea devono essere molto lisci; altrimenti, il campo elettrico si concentrerà in questo punto, compromettendo seriamente la resistenza alla tensione. È quindi evidente che la tecnologia IGBT con gate a trench è molto più complessa rispetto alla tecnologia IGBT con gate planare.

Un canale conduttivo più ampio aumenterà la corrente durante il cortocircuito dell'IGBT. Come accennato in precedenza, l'elevata densità di canale degli IGBT trench riduce la resistenza di canale, ma uno dei suoi svantaggi corrispondenti è l'aumento della corrente di cortocircuito. Nel caso peggiore, la corrente di cortocircuito può essere così elevata da danneggiare l'IGBT in un lasso di tempo molto breve. Per rendere l'IGBT in grado di resistere a cortocircuiti fino a 10 microsecondi (in condizioni di test specifiche), la larghezza del canale e le celle adiacenti devono essere progettate con molta attenzione, ad esempio aumentando la distanza tra le celle per ridurre il numero di celle efficaci per monocristallo. Un altro metodo consiste nel non collegare tutte le porte a una porta comune, ma nel cortocircuitare le porte di alcune celle con il loro emettitore. Questa tecnica è chiamata tecnologia insert-merged-cell. Utilizzando questo metodo, la densità di canale può essere ridotta, riducendo così la corrente di cortocircuito e migliorando la capacità di cortocircuito del dispositivo.