موجودہ IGBT سطح کے ڈھانچے میں، پلانر اور خندق کی اقسام کو یکساں طور پر مماثل کہا جا سکتا ہے۔ جب بہت سے قارئین کو پہلی بار ان دو اصطلاحات کا سامنا ہوتا ہے، تو وہ غلطی سے سوچتے ہیں کہ پلانر IGBT کا کرنٹ افقی طور پر بہتا ہے، جبکہ خندق گیٹ IGBT کا کرنٹ عمودی طور پر بہتا ہے۔ درحقیقت یہ ایک غلط فہمی ہے۔ اس سے قطع نظر کہ یہ پلانر یا خندق قسم کا IGBT ہے، کرنٹ عمودی طور پر بہتا ہے۔ مزید برآں، تمام پاور الیکٹرانک آلات کے لیے جن سے ہم واقف ہیں، جیسے کہ IGBTs، MOSFETs، thyristors، اور power diodes، وولٹیج کو برداشت کرنے کی ضروریات کو پورا کرنے کے لیے، کرنٹ کو عمودی طور پر بہنے کے لیے بنایا جاتا ہے۔ IGBTs کے لیے، ہول کرنٹ پچھلے کلیکٹر الیکٹروڈ سے فرنٹ ایمیٹر الیکٹروڈ کی طرف بہتا ہے۔ الیکٹران کرنٹ ایمیٹر سے بہتا ہے، سطح الٹنے والے چینل سے گزرتا ہے، اور بیک کلیکٹر کی طرف بہتا ہے، جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے۔

شکل 1. IGBT میں موجودہ بہاؤ کی سمت

ہم سب جانتے ہیں کہ پلانر IGBTs کے مقابلے میں، trench-gate IGBTs ٹرن آف نقصانات میں اضافہ کیے بغیر آن سٹیٹ وولٹیج ڈراپ کو نمایاں طور پر کم کر سکتے ہیں۔ تو، خندق گیٹ یہ کیسے حاصل کرتا ہے؟ اس میں تین "ٹرکس" ہیں: JFET اثر کا خاتمہ، چینل کی کثافت میں اضافہ، اور سطح کے قریب کیریئر کی حراستی میں اضافہ۔

JFET اثر کا خاتمہ

خندق گیٹ کے ڈھانچے اور پلانر گیٹ کے ڈھانچے کے درمیان بنیادی فرق جب IGBT آن ہوتا ہے تو P-type emitter خطے میں الٹے چینل کی سمت بندی میں ہے۔ خندق گیٹ کی ساخت میں، الٹا چینل افقی کے بجائے عمودی ہے۔

پیکر 2. پلانر اور ٹرینچ گیٹ IGBTs میں الٹی چینل کا اسکیمیٹک خاکہ۔

پلانر گیٹ IGBTs میں، فارورڈ کنڈکشن کے دوران، P-well اور n-drift خطے کے درمیان بننے والا PN جنکشن قدرے ریورس تعصب کی حالت میں ہوتا ہے۔ اس کے نتیجے میں ایک مخصوص چوڑائی کے ساتھ اسپیس چارج ریجن کی تشکیل ہوتی ہے، جو ایک مخصوص جگہ پر قبضہ کرتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، کرنٹ صرف نسبتاً تنگ جگہ سے گزر سکتا ہے، موجودہ راستے میں رکاوٹ بڑھتا ہے۔

شکل 3. پلانر گیٹ IGBT میں JFET اثر۔

لہذا، پلانر گیٹ IGBTs میں، الیکٹران کے بہاؤ کی سمت میں، چینل ریزسٹنس Rchannel، JFET resistance RJFET، اور ڈرفٹ ریجن ریزسٹنس Rn- ہوتا ہے۔ دوسری طرف، خندق گیٹ IGBTs میں، عمودی خندق کا ڈھانچہ JFET خطے کو ختم کرتا ہے، جس کے نتیجے میں موجودہ راستے میں مجموعی طور پر کم رکاوٹ پیدا ہوتی ہے۔

شکل 4. پلانر اور ٹرینچ گیٹ IGBTs کے درمیان ریاستی رکاوٹ کا موازنہ۔

قریب کی سطح کے کیریئر کی حراستی میں اضافہ ہوتا ہے۔

پلانر گیٹ IGBTs کے لیے، کیریئر کا ارتکاز آہستہ آہستہ کلیکٹر سے ایمیٹر تک کم ہوتا جاتا ہے۔ نئی نسل کے IGBTs کے ڈیزائن کا مقصد کلیکٹر اور ایمیٹر کے درمیان کیریئر کے ارتکاز کی یکساں تقسیم کو برقرار رکھنا ہے، ترجیحاً بتدریج اضافے کے ساتھ۔ یہ ٹیل کرنٹ اور ٹرن آف نقصانات کو متاثر کیے بغیر ترسیل کے نقصانات کو مزید کم کر سکتا ہے۔ نیچے دی گئی تصویر IGBTs کے تین مختلف ڈھانچے کے بڑھے ہوئے خطے میں کیریئر کے ارتکاز کی تقسیم کو ظاہر کرتی ہے۔ ہم دیکھ سکتے ہیں کہ ایمیٹر ریجن کے قریب، ٹرینچ گیٹ IGBTs میں کیریئر کا ارتکاز پلانر گیٹ IGBTs سے کہیں زیادہ ہے۔ لہذا، خندق گیٹ IGBTs میں، مناسب خندق کی چوڑائی اور وقفہ کاری N-علاقے کی سطح کے قریب کی تہہ میں کیریئر کے ارتکاز کو بڑھا سکتی ہے، اس طرح بڑھے ہوئے خطے کی مزاحمت Rn- کو کم کر سکتی ہے۔

شکل 5. ایک IGBT میں کیریئر حراستی کی تقسیم۔

چینل کی کثافت میں اضافہ

پلانر گیٹ IGBTs کے مقابلے میں، خندق-IGBTs کی عمودی ساخت سلیکون کی سطح پر کنڈکٹیو چینلز بنانے کے لیے درکار علاقے کو ختم کرتی ہے، جو زیادہ کمپیکٹ سیل ڈیزائن کی اجازت دیتی ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ ایک ہی چپ کے علاقے میں مزید IGBT خلیات گھڑے جاسکتے ہیں، جس کے نتیجے میں وسیع تر کنڈکٹیو چینلز اور کم چینل کی مزاحمت ہوتی ہے۔

خندق-IGBTs کے تیزی سے بڑھنے کے باوجود، planar-gate IGBTs اب بھی اپنا مقام رکھتے ہیں۔ فرسٹ موورز کو پیچھے نہیں چھوڑا جا رہا ہے کیونکہ ٹرینچ-آئی جی بی ٹی کو ابھی بھی کئی چیلنجز پر قابو پانا ہے۔

ہموار خندق کی دیواروں کی کھدائی کی ٹیکنالوجی مشکل ہے۔ ایک عام خندق گیٹ IGBT کی خندق کی چوڑائی صرف 1-2 μm ہے، اور گہرائی 4-5 μm، یا اس سے بھی زیادہ گہری ہونی چاہیے۔ خندقوں کو سلیکون کی سطح میں تیزابی سنکنرن کا استعمال کرتے ہوئے کھینچا جاتا ہے، اور خندق کی چوڑائی اور گہرائی کا درست کنٹرول انتہائی مشکل ہے۔ مزید برآں، خندق کی دیواریں ہر ممکن حد تک ہموار اور عیب سے پاک ہونی چاہئیں، کیونکہ ناہموار سطحیں بریک ڈاؤن وولٹیج کو متاثر کر سکتی ہیں اور پیداوار کو کم کر سکتی ہیں۔ خندق کے نیچے کونے بھی بہت ہموار ہونے چاہئیں۔ بصورت دیگر، برقی میدان اس مقام پر مرکوز ہو جائے گا اور وولٹیج کی برداشت کو سنجیدگی سے متاثر کرے گا۔ اس طرح یہ واضح ہے کہ ٹرینچ-آئی جی بی ٹی ٹیکنالوجی پلانر گیٹ آئی جی بی ٹی ٹیکنالوجی سے کہیں زیادہ مشکل ہے۔

آئی جی بی ٹی شارٹ سرکیٹنگ کے دوران ایک وسیع تر کنڈکٹیو چینل کرنٹ میں اضافہ کرے گا۔ جیسا کہ پہلے ذکر کیا گیا ہے، خندق-IGBTs کی اعلی چینل کی کثافت چینل کی مزاحمت کو کم کرتی ہے، لیکن اس کی اسی خرابیوں میں سے ایک شارٹ سرکٹ کرنٹ میں اضافہ ہے۔ بدترین صورت میں، شارٹ سرکٹ کرنٹ اتنا بڑا ہو سکتا ہے کہ یہ بہت کم وقت میں IGBT کو نقصان پہنچاتا ہے۔ IGBT کو 10 مائیکرو سیکنڈز تک کے شارٹ سرکٹس کو برداشت کرنے کے قابل بنانے کے لیے (مخصوص ٹیسٹ کی شرائط کے تحت)، چینل کی چوڑائی اور ملحقہ سیلز کو بہت احتیاط سے ڈیزائن کرنے کی ضرورت ہے، مثال کے طور پر، سیلز کے درمیان فاصلہ بڑھا کر فی سنگل کرسٹل کے موثر سیلز کی تعداد کو کم کرنا۔ دوسرا طریقہ یہ ہے کہ تمام دروازوں کو ایک عام گیٹ سے جوڑنا نہیں ہے، بلکہ کچھ خلیوں کے دروازوں کو ان کے ایمیٹر سے چھوٹا کرنا ہے۔ اس تکنیک کو insert-merged-cell ٹیکنالوجی کہا جاتا ہے۔ اس طریقہ کو استعمال کرتے ہوئے، چینل کی کثافت کو کم کیا جا سکتا ہے، اس طرح شارٹ سرکٹ کرنٹ کو کم کیا جا سکتا ہے اور ڈیوائس کی شارٹ سرکٹ کی صلاحیت میں اضافہ ہوتا ہے۔