Trong cấu trúc bề mặt IGBT hiện tại, loại phẳng và loại rãnh có thể được coi là tương xứng. Khi nhiều độc giả lần đầu tiên gặp hai thuật ngữ này, họ có thể lầm tưởng rằng dòng điện của IGBT phẳng chạy theo chiều ngang, trong khi dòng điện của IGBT loại rãnh-cổng chạy theo chiều dọc. Trên thực tế, đây là một sự hiểu lầm. Bất kể là IGBT loại phẳng hay loại rãnh, dòng điện đều chạy theo chiều dọc. Hơn nữa, đối với tất cả các thiết bị điện tử công suất mà chúng ta quen thuộc, chẳng hạn như IGBT, MOSFET, thyristor và điốt công suất, để đáp ứng các yêu cầu chịu điện áp, dòng điện được tạo ra để chạy theo chiều dọc. Đối với IGBT, dòng điện lỗ trống chạy từ điện cực thu sau đến điện cực phát trước; dòng điện electron chạy từ bộ phát, đi qua kênh đảo ngược bề mặt và chạy đến bộ thu sau, như thể hiện trong Hình 1.

Hình 1. Hướng dòng điện chạy qua IGBT

Chúng ta đều biết rằng so với IGBT phẳng, IGBT cổng rãnh có thể giảm đáng kể sụt áp trạng thái bật mà không làm tăng tổn thất ngắt. Vậy, cổng rãnh đạt được điều này bằng cách nào? Nó có ba "mẹo": loại bỏ hiệu ứng JFET, tăng mật độ kênh dẫn và tăng nồng độ hạt tải điện gần bề mặt.

Loại bỏ hiệu ứng JFET

Sự khác biệt chính giữa cấu trúc cổng rãnh và cấu trúc cổng phẳng nằm ở hướng của kênh đảo ngược trong vùng phát xạ loại P khi bật IGBT. Trong cấu trúc cổng rãnh, kênh đảo ngược nằm theo chiều thẳng đứng thay vì theo chiều ngang.

Hình 2. Sơ đồ kênh đảo ngược trong IGBT phẳng và IGBT cổng rãnh.

Trong IGBT cổng phẳng, trong quá trình dẫn điện thuận, tiếp giáp PN hình thành giữa giếng P và vùng trôi n ở trạng thái phân cực ngược nhẹ. Điều này dẫn đến sự hình thành một vùng điện tích không gian có chiều rộng nhất định, chiếm một khoảng không gian nhất định. Kết quả là, dòng điện chỉ có thể chạy qua một không gian tương đối hẹp, làm tăng trở kháng dọc theo đường đi của dòng điện.

Hình 3. Hiệu ứng JFET trong IGBT cổng phẳng.

Do đó, trong IGBT cổng phẳng, theo hướng dòng điện tử, có điện trở kênh Rchannel, điện trở JFET RJFET và điện trở vùng trôi Rn-. Mặt khác, trong IGBT cổng rãnh, cấu trúc rãnh thẳng đứng loại bỏ vùng JFET, dẫn đến trở kháng tổng thể thấp hơn dọc theo đường dẫn dòng điện.

Hình 4. So sánh trở kháng trạng thái bật giữa IGBT phẳng và IGBT cổng rãnh.

Nồng độ chất mang gần bề mặt tăng lên.

Đối với IGBT cổng phẳng, nồng độ hạt tải điện giảm dần từ cực thu đến cực phát. Mục tiêu thiết kế của IGBT thế hệ mới là duy trì sự phân bố đồng đều nồng độ hạt tải điện giữa cực thu và cực phát, tốt nhất là tăng dần. Điều này có thể làm giảm thêm tổn thất dẫn mà không ảnh hưởng đến tổn thất dòng điện đuôi và tổn thất ngắt. Hình dưới đây cho thấy sự phân bố nồng độ hạt tải điện trong vùng trôi của ba cấu trúc IGBT khác nhau. Ta có thể thấy rằng gần vùng phát, nồng độ hạt tải điện trong IGBT cổng rãnh cao hơn nhiều so với IGBT cổng phẳng. Do đó, trong IGBT cổng rãnh, chiều rộng và khoảng cách rãnh thích hợp có thể làm tăng nồng độ hạt tải điện trong lớp gần bề mặt của vùng N-, do đó làm giảm điện trở vùng trôi Rn-.

Hình 5. Phân bố nồng độ chất mang trong IGBT.

Tăng mật độ kênh

So với IGBT cổng phẳng, cấu trúc thẳng đứng của IGBT rãnh loại bỏ diện tích cần thiết để tạo các kênh dẫn điện trên bề mặt silicon, cho phép thiết kế cell nhỏ gọn hơn. Điều này có nghĩa là có thể chế tạo nhiều cell IGBT hơn trên cùng một diện tích chip, tạo ra các kênh dẫn điện rộng hơn và điện trở kênh thấp hơn.

Mặc dù IGBT rãnh đang phát triển nhanh chóng, IGBT cổng phẳng vẫn giữ được vị thế của mình. Những người tiên phong không hề bị bỏ lại phía sau vì IGBT rãnh vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua.

Công nghệ đào tường rãnh trơn rất khó. Chiều rộng rãnh của một IGBT cổng rãnh thông thường chỉ từ 1-2 μm, và độ sâu phải đạt 4-5 μm, hoặc thậm chí sâu hơn. Các rãnh được khắc vào bề mặt silicon bằng phương pháp ăn mòn axit, và việc kiểm soát chính xác chiều rộng và độ sâu của rãnh là cực kỳ khó khăn. Ngoài ra, tường rãnh phải càng nhẵn và không có khuyết tật càng tốt, vì bề mặt không bằng phẳng có thể ảnh hưởng đến điện áp đánh thủng và làm giảm năng suất. Các góc ở đáy rãnh cũng phải rất nhẵn; nếu không, điện trường sẽ tập trung tại điểm này và ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền điện áp. Do đó, rõ ràng là công nghệ IGBT cổng rãnh khó hơn nhiều so với công nghệ IGBT cổng phẳng.

Kênh dẫn điện rộng hơn sẽ làm tăng dòng điện trong quá trình đoản mạch IGBT. Như đã đề cập trước đó, mật độ kênh cao của IGBT rãnh làm giảm điện trở kênh, nhưng một trong những nhược điểm tương ứng của nó là làm tăng dòng điện đoản mạch. Trong trường hợp xấu nhất, dòng điện đoản mạch có thể lớn đến mức làm hỏng IGBT trong một khoảng thời gian rất ngắn. Để IGBT có khả năng chịu được đoản mạch lên đến 10 micro giây (trong các điều kiện thử nghiệm được chỉ định), chiều rộng kênh và các ô liền kề cần được thiết kế rất cẩn thận, ví dụ, bằng cách tăng khoảng cách giữa các ô để giảm số lượng ô hiệu dụng trên mỗi tinh thể đơn. Một phương pháp khác là không kết nối tất cả các cổng vào một cổng chung mà là nối tắt các cổng của một số ô bằng bộ phát của chúng. Kỹ thuật này được gọi là công nghệ ô chèn-hợp nhất. Bằng cách sử dụng phương pháp này, mật độ kênh có thể được giảm, do đó làm giảm dòng điện đoản mạch và tăng cường khả năng đoản mạch của thiết bị.