Na estrutura de superfície atual do IGBT, pode-se dizer que os tipos planar e trincheira são uniformemente combinados. Quando muitos leitores se deparam com esses dois termos pela primeira vez, podem erroneamente pensar que a corrente do IGBT planar flui horizontalmente, enquanto a corrente do IGBT trincheira-porta flui verticalmente. Na verdade, isso é um mal-entendido. Independentemente de ser um IGBT planar ou do tipo trincheira, a corrente flui verticalmente. Além disso, para todos os dispositivos eletrônicos de potência com os quais estamos familiarizados, como IGBTs, MOSFETs, tiristores e diodos de potência, a fim de atender aos requisitos de resistência à tensão, a corrente é feita para fluir verticalmente. Para IGBTs, a corrente de lacuna flui do eletrodo coletor traseiro para o eletrodo emissor frontal; a corrente de elétrons flui do emissor, passa pelo canal de inversão de superfície e flui para o coletor traseiro, como mostrado na Figura 1.

Figura 1. Direção do fluxo de corrente no IGBT

Todos sabemos que, em comparação com IGBTs planares, os IGBTs de porta de trincheira podem reduzir significativamente a queda de tensão no estado ligado sem aumentar as perdas no desligamento. Então, como a porta de trincheira consegue isso? Ela tem três "truques": eliminação do efeito JFET, aumento da densidade do canal e aumento da concentração de portadores próximos à superfície.

Eliminação do Efeito JFET

A principal diferença entre a estrutura de comporta de trincheira e a estrutura de comporta planar reside na orientação do canal invertido na região do emissor tipo P quando o IGBT é ligado. Na estrutura de comporta de trincheira, o canal invertido é vertical em vez de horizontal.

Figura 2. Diagrama esquemático do canal invertido em IGBTs planares e trench-gate.

Em IGBTs de porta planar, durante a condução direta, a junção PN formada entre o poço P e a região de deriva n está em um leve estado de polarização reversa. Isso resulta na formação de uma região de carga espacial com uma certa largura, que ocupa uma certa quantidade de espaço. Como resultado, a corrente só consegue fluir através de um espaço relativamente estreito, aumentando a impedância ao longo do caminho da corrente.

Figura 3. Efeito JFET em IGBT de porta planar.

Portanto, em IGBTs de porta plana, na direção do fluxo de elétrons, há a resistência de canal Rchannel, a resistência de JFET RJFET e a resistência da região de deriva Rn-. Por outro lado, em IGBTs de porta trincheira, a estrutura de trincheira vertical elimina a região de JFET, resultando em uma impedância geral menor ao longo do caminho da corrente.

Figura 4. Comparação da impedância no estado entre IGBTs planares e de porta de trincheira.

A concentração de portadores próximos à superfície aumenta.

Para IGBTs de porta planar, a concentração de portadores diminui gradualmente do coletor para o emissor. O objetivo do projeto de IGBTs de nova geração é manter uma distribuição uniforme da concentração de portadores entre o coletor e o emissor, de preferência com um aumento gradual. Isso pode reduzir ainda mais as perdas de condução sem afetar as perdas de corrente de cauda e de desligamento. A figura abaixo mostra a distribuição da concentração de portadores na região de deriva de três estruturas diferentes de IGBTs. Podemos ver que, próximo à região do emissor, a concentração de portadores em IGBTs de porta de trincheira é muito maior do que em IGBTs de porta planar. Portanto, em IGBTs de porta de trincheira, a largura e o espaçamento apropriados da trincheira podem aumentar a concentração de portadores na camada próxima à superfície da região N-, reduzindo assim a resistência Rn- da região de deriva.

Figura 5. Distribuição da concentração de portadores em um IGBT.

Aumento na densidade do canal

Em comparação com os IGBTs de porta plana, a estrutura vertical dos IGBTs de trincheira elimina a área necessária para a criação de canais condutores na superfície do silício, o que permite designs de células mais compactos. Isso significa que mais células IGBT podem ser fabricadas na mesma área do chip, resultando em canais condutores mais amplos e menor resistência do canal.

Apesar da rápida ascensão dos IGBTs de trincheira, os IGBTs de porta planar ainda têm seu lugar. Os pioneiros não estão ficando para trás, pois os IGBTs de trincheira ainda têm vários desafios a superar.

A tecnologia para escavar paredes de valas lisas é complexa. A largura da vala de um IGBT de vala-gate típico é de apenas 1-2 μm, e a profundidade deve atingir 4-5 μm, ou até mais. As valas são gravadas na superfície de silício por corrosão ácida, e o controle preciso da largura e profundidade da vala é extremamente difícil. Além disso, as paredes da vala devem ser o mais lisas e livres de defeitos possível, uma vez que superfícies irregulares podem impactar a tensão de ruptura e reduzir o rendimento. Os cantos na base da vala também devem ser muito lisos; caso contrário, o campo elétrico se concentrará neste ponto e afetará seriamente a resistência da tensão. Portanto, é evidente que a tecnologia IGBT de vala-gate é muito mais complexa do que a tecnologia IGBT de vala-gate planar.

Um canal condutor mais largo aumentará a corrente durante o curto-circuito do IGBT. Como mencionado anteriormente, a alta densidade de canais dos IGBTs de trincheira reduz a resistência do canal, mas uma de suas desvantagens é o aumento da corrente de curto-circuito. No pior caso, a corrente de curto-circuito pode ser tão grande que danifica o IGBT em um período de tempo muito curto. Para tornar o IGBT capaz de suportar curtos-circuitos de até 10 microssegundos (sob condições de teste especificadas), a largura do canal e as células adjacentes precisam ser projetadas com muito cuidado, por exemplo, aumentando a distância entre as células para reduzir o número de células efetivas por cristal único. Outro método não é conectar todas as portas a uma porta comum, mas sim curto-circuitar as portas de algumas células com seu emissor. Essa técnica é chamada de tecnologia de inserção e fusão de células. Usando esse método, a densidade do canal pode ser reduzida, reduzindo assim a corrente de curto-circuito e aumentando a capacidade de curto-circuito do dispositivo.