W obecnej strukturze powierzchni tranzystorów IGBT, typy planarne i rowkowe można uznać za równorzędne. Wielu czytelników, spotykając się z tymi dwoma terminami po raz pierwszy, może błędnie sądzić, że prąd w planarnym tranzystorze IGBT płynie poziomo, podczas gdy prąd w tranzystorze IGBT z bramką rowkową płynie pionowo. W rzeczywistości jest to nieporozumienie. Niezależnie od tego, czy jest to tranzystor IGBT planarny, czy rowkowy, prąd płynie pionowo. Co więcej, we wszystkich znanych nam urządzeniach elektronicznych mocy, takich jak tranzystory IGBT, tranzystory MOSFET, tyrystory i diody mocy, aby spełnić wymagania dotyczące wytrzymałości napięciowej, prąd płynie pionowo. W tranzystorach IGBT prąd dziur płynie od tylnej elektrody kolektora do przedniej elektrody emitera; prąd elektronów płynie od emitera, przechodzi przez powierzchniowy kanał inwersyjny i płynie do tylnego kolektora, jak pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Kierunek przepływu prądu w tranzystorze IGBT

Wszyscy wiemy, że w porównaniu z planarnymi tranzystorami IGBT, tranzystory IGBT z bramką typu trench-gate mogą znacząco zmniejszyć spadek napięcia w stanie włączenia bez zwiększania strat wyłączania. Jak więc bramka typu trench-gate to osiąga? Ma trzy „sztuczki”: eliminację efektu JFET, zwiększoną gęstość kanałów i zwiększoną koncentrację nośników przy powierzchni.

Eliminacja efektu JFET

Główna różnica między strukturą bramki rowkowej a strukturą bramki planarnej polega na orientacji odwróconego kanału w obszarze emitera typu P po włączeniu tranzystora IGBT. W strukturze bramki rowkowej odwrócony kanał jest pionowy, a nie poziomy.

Rysunek 2. Schematyczny diagram kanału odwróconego w tranzystorach IGBT płaskich i z bramką rowkową.

W tranzystorach IGBT z bramką planarną, podczas przewodzenia w kierunku przewodzenia, złącze PN utworzone między studnią P a obszarem dryfu n znajduje się w stanie lekkiego zaporowego napięcia polaryzacji. Powoduje to powstanie obszaru ładunku przestrzennego o określonej szerokości, który zajmuje określoną ilość miejsca. W rezultacie prąd może płynąć tylko przez stosunkowo wąską przestrzeń, zwiększając impedancję wzdłuż ścieżki prądowej.

Rysunek 3. Efekt JFET w tranzystorze IGBT z bramką planarną.

Zatem w tranzystorach IGBT z bramką planarną, w kierunku przepływu elektronów, występuje rezystancja kanału Rchannel, rezystancja tranzystora JFET RJFET oraz rezystancja obszaru dryfu Rn-. Z drugiej strony, w tranzystorach IGBT z bramką rowkową, pionowa struktura rowka eliminuje obszar JFET, co skutkuje niższą całkowitą impedancją wzdłuż ścieżki prądu.

Rysunek 4. Porównanie impedancji w stanie włączenia pomiędzy tranzystorami IGBT planarnymi i tranzystorami IGBT z bramką rowkową.

Wzrasta stężenie nośnika przypowierzchniowego.

W przypadku tranzystorów IGBT z bramką planarną, koncentracja nośników stopniowo maleje od kolektora do emitera. Celem projektowania tranzystorów IGBT nowej generacji jest utrzymanie równomiernego rozkładu koncentracji nośników między kolektorem a emiterem, najlepiej ze stopniowym wzrostem. Pozwala to na dalsze zmniejszenie strat przewodzenia bez wpływu na prąd ogonowy i straty wyłączania. Poniższy rysunek przedstawia rozkład koncentracji nośników w obszarze dryfu trzech różnych struktur tranzystorów IGBT. Widać, że w pobliżu obszaru emitera koncentracja nośników w tranzystorach IGBT z bramką rowkową jest znacznie wyższa niż w tranzystorach IGBT z bramką planarną. Dlatego w tranzystorach IGBT z bramką rowkową odpowiednia szerokość i odstępy między rowkami mogą zwiększyć koncentrację nośników w warstwie przypowierzchniowej obszaru N, zmniejszając w ten sposób rezystancję obszaru dryfu Rn-.

Rysunek 5. Rozkład koncentracji nośników w IGBT.

Zwiększenie gęstości kanałów

W porównaniu z tranzystorami IGBT z bramką planarną, pionowa struktura tranzystorów IGBT typu trench eliminuje obszar wymagany do utworzenia kanałów przewodzących na powierzchni krzemu, co pozwala na projektowanie bardziej kompaktowych ogniw. Oznacza to, że na tej samej powierzchni układu scalonego można wytworzyć więcej ogniw IGBT, co przekłada się na szersze kanały przewodzące i niższą rezystancję kanału.

Pomimo szybkiego rozwoju tranzystorów IGBT typu trench-IGBT, tranzystory IGBT z bramką planarną wciąż mają swoje miejsce. Pionierskie rozwiązania nie pozostają w tyle, ponieważ tranzystory IGBT typu trench-IGBT wciąż stoją przed wieloma wyzwaniami.

Technologia kopania gładkich ścian wykopu jest trudna. Szerokość wykopu typowego tranzystora IGBT z bramką wykopową wynosi zaledwie 1-2 μm, a jego głębokość musi sięgać 4-5 μm, a nawet więcej. Wykopy są wytrawiane w powierzchni krzemu za pomocą korozji kwasowej, a precyzyjna kontrola szerokości i głębokości wykopu jest niezwykle trudna. Ponadto ściany wykopu muszą być jak najbardziej gładkie i pozbawione defektów, ponieważ nierówne powierzchnie mogą wpływać na napięcie przebicia i zmniejszać wydajność. Narożniki na dnie wykopu również muszą być bardzo gładkie; w przeciwnym razie pole elektryczne będzie się koncentrować w tym miejscu i poważnie wpływać na wytrzymałość napięciową. Jest zatem oczywiste, że technologia tranzystorów IGBT z bramką wykopową jest znacznie trudniejsza niż technologia tranzystorów IGBT z bramką planarną.

Szerszy kanał przewodzący zwiększy prąd podczas zwarcia tranzystora IGBT. Jak wspomniano wcześniej, wysoka gęstość kanałów w tranzystorach typu trench-IGBT zmniejsza rezystancję kanału, ale jedną z odpowiadających temu wad jest wzrost prądu zwarciowego. W najgorszym przypadku prąd zwarciowy może być tak duży, że uszkodzi tranzystor IGBT w bardzo krótkim czasie. Aby tranzystor IGBT mógł wytrzymać zwarcia trwające do 10 mikrosekund (w określonych warunkach testowych), szerokość kanału i sąsiednie ogniwa muszą być bardzo starannie zaprojektowane, na przykład poprzez zwiększenie odległości między ogniwami w celu zmniejszenia liczby efektywnych ogniw na monokryształ. Inną metodą jest nie łączenie wszystkich bramek do wspólnej bramki, lecz zwarcie bramek niektórych ogniw z ich emiterem. Technika ta nazywana jest technologią insert-merged-cell. Dzięki tej metodzie można zmniejszyć gęstość kanałów, a tym samym zmniejszyć prąd zwarciowy i zwiększyć zdolność urządzenia do zwarcia.