In de huidige IGBT-oppervlaktestructuur kunnen planaire en sleuftypes als gelijkvormig worden beschouwd. Wanneer veel lezers deze twee termen voor het eerst tegenkomen, denken ze misschien ten onrechte dat de stroom van de planaire IGBT horizontaal loopt, terwijl de stroom van de sleuf-gate IGBT verticaal loopt. In werkelijkheid is dit een misverstand. Ongeacht of het een planaire of sleuf-type IGBT betreft, loopt de stroom verticaal. Bovendien wordt bij alle vermogenselektronica die we kennen, zoals IGBT's, MOSFET's, thyristors en vermogensdiodes, de stroom verticaal gemaakt om te voldoen aan de spanningsbestendigheidseisen. Bij IGBT's loopt de gatstroom van de achterste collectorelektrode naar de voorste emitterelektrode; de ​​elektronenstroom loopt van de emitter, door het oppervlakte-inversiekanaal en naar de achterste collector, zoals weergegeven in Figuur 1.

Figuur 1. Stroomrichting in IGBT

We weten allemaal dat trench-gate IGBT's, vergeleken met planaire IGBT's, de spanningsval in ingeschakelde toestand aanzienlijk kunnen verminderen zonder de uitschakelverliezen te verhogen. Hoe bereikt de trench-gate dit? Hij gebruikt drie trucjes: eliminatie van het JFET-effect, verhoogde kanaaldichtheid en verhoogde concentratie ladingsdragers nabij het oppervlak.

Eliminatie van het JFET-effect

Het belangrijkste verschil tussen de trenchgate-structuur en de planaire gate-structuur ligt in de oriëntatie van het omgekeerde kanaal in het P-type emittergebied wanneer de IGBT is ingeschakeld. In de trenchgate-structuur is het omgekeerde kanaal verticaal in plaats van horizontaal.

Figuur 2. Schematisch diagram van het omgekeerde kanaal in planaire en trench-gate IGBT's.

In planaire gate-IGBT's bevindt de PN-overgang tussen de P-well en het n-driftgebied zich tijdens voorwaartse geleiding in een lichte omgekeerde voorspanning. Dit resulteert in de vorming van een ruimteladingsgebied met een bepaalde breedte, dat een bepaalde hoeveelheid ruimte inneemt. Hierdoor kan de stroom slechts door een relatief smalle ruimte stromen, waardoor de impedantie langs het stroompad toeneemt.

Figuur 3. JFET-effect in planaire poort-IGBT.

Daarom is er in planaire gate-IGBT's, in de richting van de elektronenstroom, sprake van kanaalweerstand Rchannel, JFET-weerstand RJFET en driftgebiedweerstand Rn-. In trench-gate-IGBT's daarentegen elimineert de verticale trenchstructuur het JFET-gebied, wat resulteert in een lagere totale impedantie langs het stroompad.

Figuur 4. Vergelijking van de aan-toestandimpedantie tussen planaire en trench-gate IGBT's.

De concentratie van dragers aan het oppervlak neemt toe.

Bij planaire gate-IGBT's neemt de ladingsdragerconcentratie geleidelijk af van de collector naar de emitter. Het ontwerpdoel van nieuwe generatie IGBT's is het handhaven van een uniforme verdeling van de ladingsdragerconcentratie tussen de collector en de emitter, bij voorkeur met een geleidelijke toename. Dit kan de geleidingsverliezen verder verminderen zonder de staartstroom en turn-off-verliezen te beïnvloeden. De onderstaande afbeelding toont de verdeling van de ladingsdragerconcentratie in het driftgebied van drie verschillende IGBT-structuren. We zien dat de ladingsdragerconcentratie in trench-gate-IGBT's nabij het emittergebied veel hoger is dan die in planaire gate-IGBT's. Daarom kunnen in trench-gate-IGBT's een geschikte sleufbreedte en -afstand de ladingsdragerconcentratie in de laag dicht bij het oppervlak van het N-gebied verhogen, waardoor de driftgebiedweerstand Rn- wordt verlaagd.

Figuur 5. Verdeling van de dragerconcentratie in een IGBT.

Toename van de kanaaldichtheid

Vergeleken met planar-gate IGBT's elimineert de verticale structuur van trench-IGBT's de ruimte die nodig is voor het maken van geleidende kanalen op het siliciumoppervlak, wat compactere celontwerpen mogelijk maakt. Dit betekent dat er meer IGBT-cellen in hetzelfde chipoppervlak kunnen worden gefabriceerd, wat resulteert in bredere geleidende kanalen en een lagere kanaalweerstand.

Ondanks de snelle opkomst van trench-IGBT's hebben planar-gate IGBT's nog steeds hun plaats. De pioniers blijven niet achter, want trench-IGBT's hebben nog verschillende uitdagingen te overwinnen.

De technologie voor het uitgraven van gladde sleufwanden is complex. De sleufbreedte van een typische trench-gate IGBT is slechts 1-2 μm en de diepte moet 4-5 μm of zelfs dieper zijn. De sleuven worden met behulp van zuurcorrosie in het siliciumoppervlak geëtst, waardoor nauwkeurige controle over de sleufbreedte en -diepte extreem moeilijk is. Bovendien moeten de sleufwanden zo glad en foutloos mogelijk zijn, aangezien oneffen oppervlakken de doorslagspanning kunnen beïnvloeden en de opbrengst kunnen verlagen. De hoeken aan de onderkant van de sleuf moeten ook zeer glad zijn; anders concentreert het elektrische veld zich op dit punt en wordt de spanningsbestendigheid ernstig aangetast. Het is dus duidelijk dat trench-IGBT-technologie veel complexer is dan planar-gate IGBT-technologie.

Een breder geleidend kanaal verhoogt de stroomsterkte tijdens IGBT-kortsluiting. Zoals eerder vermeld, vermindert de hoge kanaaldichtheid van trench-IGBT's de kanaalweerstand, maar een van de bijbehorende nadelen is een toename van de kortsluitstroom. In het ergste geval kan de kortsluitstroom zo groot zijn dat de IGBT in zeer korte tijd beschadigd raakt. Om de IGBT bestand te maken tegen kortsluitingen tot 10 microseconden (onder gespecificeerde testomstandigheden), moeten de kanaalbreedte en aangrenzende cellen zeer zorgvuldig worden ontworpen, bijvoorbeeld door de afstand tussen de cellen te vergroten om het aantal effectieve cellen per enkel kristal te verminderen. Een andere methode is om niet alle poorten op een gemeenschappelijke poort aan te sluiten, maar om de poorten van sommige cellen kort te sluiten met hun emitter. Deze techniek wordt insert-merged-cell-technologie genoemd. Door deze methode te gebruiken, kan de kanaaldichtheid worden verminderd, waardoor de kortsluitstroom wordt verminderd en de kortsluitcapaciteit van het apparaat wordt verbeterd.