ในโครงสร้างพื้นผิวของ IGBT ในปัจจุบัน สามารถกล่าวได้ว่า IGBT แบบระนาบและแบบร่องมีความสัมพันธ์กันอย่างเท่าเทียมกัน เมื่อผู้อ่านหลายคนพบคำสองคำนี้เป็นครั้งแรก พวกเขาอาจเข้าใจผิดว่ากระแสของ IGBT แบบระนาบไหลในแนวนอน ในขณะที่กระแสของ IGBT แบบร่องไหลในแนวตั้ง อันที่จริงแล้ว นี่เป็นความเข้าใจผิด ไม่ว่าจะเป็น IGBT แบบระนาบหรือแบบร่อง กระแสจะไหลในแนวตั้ง นอกจากนี้ สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังทุกชนิดที่เราคุ้นเคย เช่น IGBT, MOSFET, ไทริสเตอร์ และไดโอดกำลัง กระแสจะถูกทำให้ไหลในแนวตั้งเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการทนแรงดันไฟฟ้า สำหรับ IGBT กระแสโฮลจะไหลจากอิเล็กโทรดตัวสะสมด้านหลังไปยังอิเล็กโทรดตัวปล่อยด้านหน้า กระแสอิเล็กตรอนจะไหลจากตัวปล่อย ผ่านช่องอินเวอร์สของพื้นผิว และไหลไปยังตัวสะสมด้านหลัง ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ทิศทางการไหลของกระแสใน IGBT

เราทุกคนทราบกันดีว่าเมื่อเทียบกับ IGBT แบบระนาบแล้ว IGBT แบบร่องลึกสามารถลดแรงดันตกคร่อมขณะเปิดเครื่องได้อย่างมีนัยสำคัญโดยไม่เพิ่มการสูญเสียจากการปิดเครื่อง แล้วร่องลึกทำได้อย่างไร? มันมี "เคล็ดลับ" สามประการ ได้แก่ การกำจัดปรากฏการณ์ JFET, เพิ่มความหนาแน่นของช่องสัญญาณ และ เพิ่มความเข้มข้นของพาหะใกล้ผิวดิน

การกำจัดผลกระทบ JFET

ความแตกต่างหลักระหว่างโครงสร้างเกตร่องลึกและโครงสร้างเกตระนาบอยู่ที่ทิศทางของช่องกลับด้านในบริเวณอิมิตเตอร์ชนิด P เมื่อเปิด IGBT ในโครงสร้างเกตร่องลึก ช่องกลับด้านจะอยู่ในแนวตั้งแทนที่จะเป็นแนวนอน

รูปที่ 2 แผนผังของช่องกลับใน IGBT แบบระนาบและแบบเกตร่อง

ใน IGBT แบบ Planar Gate ระหว่างการนำไฟฟ้าไปข้างหน้า รอยต่อ PN ที่เกิดขึ้นระหว่าง P-well และบริเวณ n-drift จะอยู่ในสถานะไบอัสย้อนกลับเล็กน้อย ส่งผลให้เกิดบริเวณประจุไฟฟ้าที่มีความกว้างและกินพื้นที่บางส่วน ส่งผลให้กระแสไหลผ่านได้เฉพาะในช่องว่างที่ค่อนข้างแคบเท่านั้น ส่งผลให้อิมพีแดนซ์ตามเส้นทางของกระแสเพิ่มขึ้น

รูปที่ 3 ผลของ JFET ใน IGBT แบบเกตระนาบ

ดังนั้น ใน IGBT แบบเกตระนาบ ในทิศทางการไหลของอิเล็กตรอน จะมีความต้านทานของช่องสัญญาณ Rchannel, ความต้านทานของ JFET RJFET และความต้านทานของบริเวณดริฟต์ Rn- ในทางกลับกัน ใน IGBT แบบเกตร่องลึก โครงสร้างร่องลึกแนวตั้งจะกำจัดบริเวณ JFET ออกไป ส่งผลให้อิมพีแดนซ์โดยรวมลดลงตามเส้นทางของกระแสไฟฟ้า

รูปที่ 4 การเปรียบเทียบค่าอิมพีแดนซ์สถานะเปิดระหว่าง IGBT แบบระนาบและแบบเกตร่องลึก

ความเข้มข้นของตัวพาใกล้พื้นผิวเพิ่มขึ้น

สำหรับ IGBT แบบเกตระนาบ ความเข้มข้นของพาหะจะค่อยๆ ลดลงจากตัวรวบรวมไปยังตัวปล่อย เป้าหมายการออกแบบของ IGBT รุ่นใหม่คือการรักษาการกระจายตัวของความเข้มข้นของพาหะให้สม่ำเสมอระหว่างตัวรวบรวมและตัวปล่อย โดยควรเพิ่มขึ้นทีละน้อย ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าได้โดยไม่ส่งผลกระทบต่อกระแสหางและการสูญเสียการปิดวงจร ภาพด้านล่างแสดงการกระจายตัวของความเข้มข้นของพาหะในบริเวณดริฟต์ของ IGBT สามโครงสร้างที่แตกต่างกัน เราจะเห็นได้ว่าบริเวณใกล้กับตัวปล่อย ความเข้มข้นของพาหะใน IGBT แบบเกตร่องลึกจะสูงกว่าใน IGBT แบบเกตระนาบมาก ดังนั้น ใน IGBT แบบเกตร่องลึก ความกว้างและระยะห่างของร่องลึกที่เหมาะสมสามารถเพิ่มความเข้มข้นของพาหะในชั้นใกล้ผิวของบริเวณ N- ซึ่งจะช่วยลดความต้านทาน Rn- ในบริเวณดริฟต์

รูปที่ 5 การกระจายความเข้มข้นของตัวพาใน IGBT

เพิ่มความหนาแน่นของช่อง

เมื่อเปรียบเทียบกับ IGBT แบบ Planar-gate แล้ว โครงสร้างแนวตั้งของ IGBT แบบ Trench-IGBT จะช่วยลดพื้นที่ที่จำเป็นสำหรับการสร้างช่องนำไฟฟ้าบนพื้นผิวซิลิกอน ซึ่งช่วยให้การออกแบบเซลล์มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ซึ่งหมายความว่าสามารถผลิตเซลล์ IGBT ได้มากขึ้นในพื้นที่ชิปเดียวกัน ส่งผลให้ช่องนำไฟฟ้ากว้างขึ้นและความต้านทานของช่องสัญญาณลดลง

แม้ว่า IGBT แบบ Trench-IGBT จะได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่ IGBT แบบ Planar-gate ก็ยังคงได้รับความนิยมอยู่ ผู้ที่บุกเบิกไม่ได้ถูกทิ้งไว้ข้างหลัง เพราะ IGBT แบบ Trench-IGBT ยังคงต้องเผชิญกับความท้าทายหลายประการ

เทคโนโลยีการขุดผนังร่องลึกแบบเรียบนั้นทำได้ยาก ความกว้างของร่องลึกของ IGBT แบบร่องลึกทั่วไปอยู่ที่เพียง 1-2 ไมโครเมตร และความลึกต้องอยู่ที่ 4-5 ไมโครเมตร หรือลึกกว่านั้น ร่องลึกจะถูกกัดกร่อนลงบนพื้นผิวซิลิกอนด้วยการกัดกร่อนด้วยกรด ทำให้การควบคุมความกว้างและความลึกของร่องลึกทำได้ยากยิ่ง นอกจากนี้ ผนังร่องลึกต้องเรียบและปราศจากตำหนิมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เนื่องจากพื้นผิวที่ไม่เรียบอาจส่งผลกระทบต่อแรงดันพังทลายและลดผลผลิต มุมด้านล่างของร่องลึกต้องเรียบมากเช่นกัน มิฉะนั้นสนามไฟฟ้าจะรวมตัวที่จุดนี้และส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อความทนทานของแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นจึงเห็นได้ชัดว่าเทคโนโลยี IGBT แบบร่องลึกนั้นยากกว่าเทคโนโลยี IGBT แบบร่องลึกมาก

ช่องสัญญาณนำไฟฟ้าที่กว้างขึ้นจะเพิ่มกระแสในระหว่างการลัดวงจรของ IGBT ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ความหนาแน่นของช่องสัญญาณที่สูงของ Trench-IGBT จะลดความต้านทานของช่องสัญญาณ แต่หนึ่งในข้อเสียที่เกี่ยวข้องคือกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่เพิ่มขึ้น ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด กระแสไฟฟ้าลัดวงจรอาจสูงมากจนทำให้ IGBT เสียหายได้ภายในระยะเวลาอันสั้น เพื่อให้ IGBT สามารถทนต่อไฟฟ้าลัดวงจรได้นานถึง 10 ไมโครวินาที (ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบที่กำหนด) จำเป็นต้องออกแบบความกว้างของช่องสัญญาณและเซลล์ที่อยู่ติดกันอย่างระมัดระวัง เช่น การเพิ่มระยะห่างระหว่างเซลล์เพื่อลดจำนวนเซลล์ที่มีประสิทธิภาพต่อผลึกเดี่ยว อีกวิธีหนึ่งคือไม่ใช่การเชื่อมต่อเกตทั้งหมดเข้ากับเกตร่วม แต่ให้ลัดวงจรเกตของเซลล์บางเซลล์ด้วยตัวปล่อยไฟฟ้า เทคนิคนี้เรียกว่าเทคโนโลยี Insert-Merge-Cell ด้วยวิธีนี้ ความหนาแน่นของช่องสัญญาณจะลดลง ซึ่งจะช่วยลดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรและเพิ่มความสามารถในการลัดวงจรของอุปกรณ์