Mevcut IGBT yüzey yapısında, düzlemsel ve hendek tiplerinin eşit şekilde eşleştiği söylenebilir. Birçok okuyucu bu iki terimle ilk karşılaştığında, düzlemsel IGBT'nin akımının yatay, hendek-kapılı IGBT'nin akımının ise dikey aktığını düşünebilir. Aslında bu bir yanlış anlamadır. Düzlemsel veya hendek tipi IGBT olması fark etmeksizin, akım dikey olarak akar. Dahası, IGBT'ler, MOSFET'ler, tristörler ve güç diyotları gibi aşina olduğumuz tüm güç elektroniği cihazlarında, gerilim dayanım gereksinimlerini karşılamak için akım dikey olarak akar. IGBT'ler için, delik akımı arka kollektör elektrodundan ön emitör elektroduna akar; elektron akımı emitörden akar, yüzey inversiyon kanalından geçer ve Şekil 1'de gösterildiği gibi arka kollektöre akar.

Şekil 1. IGBT'de akım akış yönü

Hepimiz biliyoruz ki, düzlemsel IGBT'lere kıyasla, hendek kapısı IGBT'leri, kapanma kayıplarını artırmadan açık durum voltaj düşüşünü önemli ölçüde azaltabilir. Peki, hendek kapısı bunu nasıl başarıyor? Üç "numarası" var: JFET etkisinin ortadan kaldırılması, kanal yoğunluğunun artırılması ve yüzeye yakın taşıyıcı yoğunluğunun artırılması.

JFET Etkisinin Ortadan Kaldırılması

Hendek kapısı yapısı ile düzlemsel kapı yapısı arasındaki temel fark, IGBT açıldığında P tipi yayıcı bölgesindeki ters kanalın yöneliminde yatmaktadır. Hendek kapısı yapısında, ters kanal yatay yerine dikeydir.

Şekil 2. Düzlemsel ve hendek-kapı IGBT'lerinde ters kanalın şematik diyagramı.

Düzlemsel kapılı IGBT'lerde, ileri iletim sırasında, P-kuyusu ile n-sürüklenme bölgesi arasında oluşan PN bağlantısı hafif bir ters polarizasyon durumundadır. Bu durum, belirli bir genişlikte ve belirli bir alanı kaplayan bir uzay yük bölgesinin oluşmasına neden olur. Sonuç olarak, akım yalnızca nispeten dar bir alandan akabilir ve bu da akım yolu boyunca empedansı artırır.

Şekil 3. Düzlemsel kapı IGBT'sinde JFET etkisi.

Bu nedenle, düzlemsel kapılı IGBT'lerde, elektron akışı yönünde kanal direnci Rchannel, JFET direnci RJFET ve sürüklenme bölgesi direnci Rn- bulunur. Öte yandan, hendek kapılı IGBT'lerde, dikey hendek yapısı JFET bölgesini ortadan kaldırarak akım yolu boyunca daha düşük bir genel empedans sağlar.

Şekil 4. Düzlemsel ve hendek kapılı IGBT'ler arasındaki açık durum empedansının karşılaştırılması.

Yüzeye yakın taşıyıcı konsantrasyonu artar.

Düzlemsel kapılı IGBT'lerde, taşıyıcı konsantrasyonu kollektörden yayıcıya doğru kademeli olarak azalır. Yeni nesil IGBT'lerin tasarım amacı, kollektör ve yayıcı arasında taşıyıcı konsantrasyonunun tercihen kademeli bir artışla düzgün bir dağılımını sağlamaktır. Bu, kuyruk akımı ve kapanma kayıplarını etkilemeden iletim kayıplarını daha da azaltabilir. Aşağıdaki şekil, üç farklı IGBT yapısının sürüklenme bölgesindeki taşıyıcı konsantrasyon dağılımını göstermektedir. Yayıcı bölgesine yakın bir yerde, hendek kapılı IGBT'lerdeki taşıyıcı konsantrasyonunun düzlemsel kapılı IGBT'lerdekinden çok daha yüksek olduğunu görebiliriz. Bu nedenle, hendek kapılı IGBT'lerde uygun hendek genişliği ve aralığı, N- bölgesinin yüzeye yakın katmanındaki taşıyıcı konsantrasyonunu artırabilir ve böylece sürüklenme bölgesi direncini (Rn-) azaltabilir.

Şekil 5. IGBT'deki taşıyıcı konsantrasyon dağılımı.

Kanal yoğunluğunda artış

Düzlemsel kapılı IGBT'lere kıyasla, hendek IGBT'lerin dikey yapısı, silikon yüzeyde iletken kanallar oluşturmak için gereken alanı ortadan kaldırarak daha kompakt hücre tasarımlarına olanak tanır. Bu, aynı çip alanında daha fazla IGBT hücresi üretilebileceği ve bunun sonucunda daha geniş iletken kanallar ve daha düşük kanal direnci elde edilebileceği anlamına gelir.

Hendek IGBT'lerinin hızlı yükselişine rağmen, düzlemsel kapılı IGBT'ler hâlâ yerini koruyor. İlk hamleyi yapanlar geride kalmıyor, çünkü hendek IGBT'lerinin hâlâ üstesinden gelmesi gereken birçok zorluk var.

Pürüzsüz hendek duvarları kazma teknolojisi zordur. Tipik bir hendek kapaklı IGBT'nin hendek genişliği yalnızca 1-2 μm'dir ve derinliği 4-5 μm'ye, hatta daha derine ulaşmalıdır. Hendekler, asit korozyonu kullanılarak silikon yüzeye kazınır ve hendek genişliği ve derinliğinin hassas bir şekilde kontrol edilmesi son derece zordur. Ayrıca, engebeli yüzeyler kırılma gerilimini etkileyebileceğinden ve verimi düşürebileceğinden, hendek duvarları mümkün olduğunca pürüzsüz ve kusursuz olmalıdır. Hendeğin alt kısmındaki köşeler de çok pürüzsüz olmalıdır; aksi takdirde elektrik alanı bu noktada yoğunlaşır ve gerilim dayanımını ciddi şekilde etkiler. Dolayısıyla, hendek kapaklı IGBT teknolojisinin düzlemsel kapaklı IGBT teknolojisinden çok daha zorlu olduğu açıktır.

Daha geniş bir iletken kanal, IGBT kısa devre sırasında akımı artıracaktır. Daha önce de belirtildiği gibi, hendek IGBT'lerinin yüksek kanal yoğunluğu kanal direncini azaltır, ancak buna karşılık gelen dezavantajlarından biri kısa devre akımındaki artıştır. En kötü durumda, kısa devre akımı o kadar büyük olabilir ki IGBT'ye çok kısa sürede zarar verebilir. IGBT'nin 10 mikrosaniyeye kadar kısa devrelere (belirtilen test koşulları altında) dayanabilmesi için, kanal genişliği ve bitişik hücrelerin çok dikkatli bir şekilde tasarlanması gerekir; örneğin, tek kristal başına etkin hücre sayısını azaltmak için hücreler arasındaki mesafe artırılarak. Diğer bir yöntem ise tüm kapıları ortak bir kapıya bağlamak değil, bazı hücrelerin kapılarını emitörleriyle kısa devre yapmaktır. Bu tekniğe insert-merged-cell teknolojisi denir. Bu yöntem kullanılarak kanal yoğunluğu azaltılabilir, böylece kısa devre akımı azaltılabilir ve cihazın kısa devre kabiliyeti artırılabilir.