Tranzystory IGBT kontra MOSFET

Tranzystory IGBT są zbudowane w sposób bardzo zbliżony do MOSFET-ów. Tranzystor IGBT z kanałem typu n można opisać jako tranzystor MOSFET, również z kanałem typu n, ale umieszczony na podłożu typu p (rysunek 1). Niektóre tranzystory IGBT mają dodatkową warstwę n+, o której będzie mowa w dalszej części artykułu.

Rys. 1. Struktura tranzystora PT-IGBT

Ponieważ struktura tranzystorów IGBT w dużym stopniu przypomina budowę MOSFET-ów, stąd też zasada pracy obu elementów jest zbliżona. Gdy dodatnie napięcie jest doprowadzone do bramki, w obszar typu p napływają elektrony, które rekombinują z dziurami dominującymi w tym obszarze. Jeżeli napięcie bramka-emiter przekroczy wartość graniczną, w warstwie p przybywa wolnych elektronów. Tworzą one kanał przewodzący, umożliwiający przepływ prądu między emiterem i kolektorem. W wyniku przepływu prądu między obszarami n+ i p+ dziury zostają wstrzyknięte z warstwy p+ kolektora do obszaru dryfu.

Opisywana zasada działania prowadzi do prostego schematu zastępczego tranzystora IGBT (rysunek 2), który obejmuje diodę połączoną szeregowo z drenem tranzystora MOSFET. Z rysunku 2 wynika, że w czasie załączenia tranzystora IGBT napięcie na tym elemencie jest większe od napięcia tranzystora MOSFET o spadek napięcia na diodzie. Mimo to, w porównaniu do tradycyjnych tranzystorów mocy MOSFET o analogicznych rozmiarach i podobnym zakresie napięć, tranzystory IGBT mają znacząco niższe napięcie w stanie załączenia. Wynika to z innego charakteru prądu płynącego w MOSFET-ach i tranzystorach IGBT. W pierwszym przypadku prąd płynący w tranzystorze ma charakter unipolarny, ponieważ jest wynikiem przepływu wyłącznie nośników większościowych – elektronów.

W tranzystorach IGBT prąd ma charakter bipolarny i jest związany z przepływem zarówno elektronów, jak i dziur. Wstrzykiwanie nośników dziurowych z obszaru p+ do n– znacząco zmniejsza efektywną rezystancję w obszarze dryfu. Zwiększenie przewodności powoduje zmniejszenie wartości napięcia kolektor-emiter w stanie przewodzenia, co jest główną zaletą tranzystorów IGBT w porównaniu do tradycyjnych MOSFET-ów. Niższe napięcia na tranzystorze IGBT w stanie załączenia uzyskano kosztem ograniczenia szybkości przełączania, a szczególnie wyłączania.

Szybkie wyłączanie jest charakterystyczne dla tranzystorów MOSFET. W przypadku tych elementów przepływ strumienia elektronów można zatrzymać bez zwłoki, obniżając napięcie bramka-emiter poniżej wartości granicznej. W przypadku tranzystorów IGBT problemem jest natomiast brak możliwości odprowadzenia mniejszościowych nośników dziurowych z obszaru dryfu. Sposobem na przyspieszenie procesu usuwania zgromadzonego ładunku jest doprowadzenie napięcia o odwrotnej polaryzacji, co po wyłączeniu tranzystora jest niewykonalne.

Drugą możliwością jest samoistna rekombinacja nośników. Z tym jednak jest związane wydłużenie czasu wyłączania tranzystora i większa energia tracona w tranzystorze przy jego wyłączaniu. Dodatkowym efektem ubocznym z tym związanym jest tzw. ogon prądowy, który można obserwować w przebiegu prądu kolektora. Opisywane zjawisko od zawsze było postrzegane, jako główna wada tranzystorów IGBT.

PT-IGBT

Istnieje jednak możliwość wpływania na szybkość rekombinacji nośników. W tym celu w strukturze tranzystora jest wprowadzany obszar n+. Zadaniem warstwy n+ jest ograniczanie liczby nośników dziurowych wstrzykiwanych do obszaru dryfu. Czas życia nośników mniejszościowych jest w warstwie n+ znacznie krótszy niż w obszarze dryfu. W związku z tym warstwa n+ absorbuje część dziur w czasie wyłączania tranzystora. Tranzystory IGBT z dodatkową warstwą n+, zwaną buforem, są określane jako PT-IGBT (Punch Through IGBT).

Warstwa bufora nie jest obszarem spotykanym standardowo w każdym tranzystorze IGBT. Wynika to stąd, że obszar n+ nie jest konieczny do poprawnego działania tranzystorów IGBT. Zadaniem tej warstwy jest przede wszystkim poprawienie właściwości tranzystora, w tym zmniejszenie strat przewodzenia oraz przede wszystkim udział w skracaniu czasu wyłączania tranzystora. Tranzystory pozbawione tej warstwy są określane jako NPTIGBT (Non Punch Through IGBT). Inne stosowane nazwy to IGBT symetryczne w przypadku elementów wykonanych w technologii NPT i niesymetryczne w przypadku PT-IGBT.

PT kontra NPT

Na rysunku 3 przedstawiono porównanie charakterystyk elementów wykonanych w technologii PT i NPT. Linia przerywana odpowiada tranzystorom NPT-IGBT. Natomiast linia ciągła reprezentuje charakterystykę elementów PT-IGBT. Technologia produkcji wykorzystana w przypadku tych elementów pozwala zredukować energię wyłączania o 30–50% bez znaczącego wzrostu napięcia kolektor-emiter.

Przy danej szybkości przełączania tranzystory NPT mają większe napięcie kolektor-emiter w stanie przewodzenia w porównaniu do tranzystorów PT-IGBT. Ten niekorzystny efekt jest dodatkowo wzmacniany wraz ze wzrostem temperatury. Wynika to z dodatniego współczynnika temperaturowego, który charakteryzuje tranzystory NPT-IGBT. W przypadku tranzystorów PT-IGBT współczynnik temperaturowy jest ujemny, co oznacza, że napięcie na tranzystorze w stanie przewodzenia maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Inne sposoby

Rys. 2. Schemat zastępczy tranzystora IGBT

Oprócz dodatkowej warstwy w strukturze tranzystora efekt ogona prądowego próbuje się ograniczać także w inny sposób. Już na etapie produkcji stosuje się metody, których celem jest przyspieszenie rekombinacji nośników mniejszościowych. Proces rekombinacji polega na przejściu elektronów z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego. Jest to rekombinacja bezpośrednia. Oprócz tego istnieje możliwość rekombinacji związanej np. z występowaniem defektów w sieci krystalicznej. W związku z tym celowo wprowadza się zaburzenia oraz stosuje obróbkę np. cieplną. Celem tych zabiegów jest zakłócenie równowagi półprzewodnika, co przyspiesza rekombinację.

Innym przykładem jest proces wprowadzania dodatkowych elektronów poprzez krótkotrwałe naświetlenie danego obszaru półprzewodnika. Redukuje to czas życia nośników mniejszościowych, ponieważ dziury wstrzykiwane do tego obszaru zaczynają szybciej rekombinować.

Wpływanie na czas życia nośników ma też negatywne skutki, ponieważ zwiększa napięcie na przewodzącym tranzystorze oraz nieznacznie zwiększa prąd upływu w wysokich temperaturach.

IGBT kontra MOSFET

Użytecznym sposobem na porównanie różnych elementów jest przedstawienie na wspólnym wykresie częstotliwości pracy i prądu. Charakterystyka tego rodzaju jest często stosowana w specyfikacjach elementów. Mimo że odnosi się do konkretnych warunków pracy (obciążenie, temperatura itp.), dostarcza informacji o tym, jak dany element będzie pracował w rzeczywistej aplikacji i jest traktowana jako wskaźnik jakości elementu. W tym przypadku pozwoli przeprowadzić porównanie tranzystorów IGBT i MOSFET.

W przemyśle od pewnego czasu można zaobserwować tendencję do zastępowania MOSFET-ów tranzystorami IGBT. Porównanie technologii tranzystorów MOSFET i IGBT przeprowadzone w dalszej części tekstu wyjaśni przyczyny takiego stanu rzeczy.

Porównywane tranzystory

Na rysunku 4 przedstawiono wykres częstotliwości roboczych i prądu kolektora trzech elementów: dwóch tranzystorów MOSFET i tranzystora PT-IGBT. Jako przykład wykorzystano elementy firmy Advanced Power Technology: MOSFET-y APT6038BLL (U_GS=600V, I_D=17A) i APT6010B2LL (U_GS=600V, I_D=54A) oraz tranzystor IGBT APT30GP60B (U_GE=600V, I_C=49A). Tranzystor IGBT i jeden z MOSFET-ów (APT6038BLL) charakteryzują się podobnymi rozmiarami, natomiast APT6010B2LL jest tranzystorem w przybliżeniu trzykrotnie większym. Różnica w rozmiarach pomiędzy omawianymi tranzystorami znajduje również odzwierciedlenie w ich cenie. Element o najmniejszych rozmiarach, który spełnia wymogi danej aplikacji, jest generalnie rozwiązaniem tańszym.

Przykłady i wnioski

Rys. 3. Energia tracona w czasie wyłączania tranzystorów NPT-IGBT i PT-IGBT

Załóżmy, że przy częstotliwości przełączania 200kHz wymagany jest prąd o natężeniu 8A. Z rysunku 4 można odczytać, że najlepszym rozwiązaniem w takim wypadku jest wykorzystanie tranzystora APT6038BLL. Z jego charakterystyki wynika, że może on pracować ze znacznie większymi częstotliwościami przełączania niż pozostałe dwa elementy.

Załóżmy teraz, że wymagana częstotliwość przełączania pozostaje bez zmian, natomiast wymagany jest prąd rzędu 20A. Z rysunku 4 można odczytać, że zarówno APT30GP60B, jak i APT6010B2LL spełniają te wymogi, natomiast MOSFET APT6038BLL nie mógłby zostać zastosowany. Decydując się na wybór jednego z dwóch tranzystorów spełniających przedstawione wymogi, należy wziąć pod uwagę to, że koszt elementu IGBT stanowi około 1/3 ceny MOSFET-a ze względu na różnicę w rozmiarach obu tranzystorów. W aplikacjach z prądem powyżej 37A również tranzystor IGBT będzie lepszym wyborem niż MOSFET przy analogicznej wartości częstotliwości.

Przeczy to opinii, według której MOSFET-y w większości sytuacji sprawdzają się lepiej niż tranzystory IGBT. Jednocześnie nieprawdziwe staje się stwierdzenie, że spełnienie wymagań aplikacji ze względu na konieczność wykorzystania MOSFET-ów musi oznaczać większy koszt. W wielu sytuacjach można zastosować tańsze tranzystory IGBT.

Użyteczna charakterystyka

Rys. 4. Katalogowe charakterystyki tranzystorów MOSFET APT6038BLL i APT6010B2LL oraz tranzystora IGBT APT30GP60B

Przebieg na rysunku 4 wymaga jeszcze kilku dodatkowych uwag. Według danych katalogowych prąd drenu MOSFET-a APT6038BLL wynosi ID=17A. Jednak w aplikacji wymagającej pracy z częstotliwością przełączania 200kHz tranzystor ten może pracować przy prądzie drenu tylko nieco powyżej 10A. W innych warunkach pracy tranzystor mógłby oczywiście pracować zgodnie z parametrami podawanymi w katalogu. Mimo to, przykład ten dowodzi użyteczności charakterystyki z rysunku 4.

Informacje katalogowe podają wartość dopuszczalnego prądu kolektora w czasie pracy ciągłej (przy określonej temperaturze, w tym wypadku 25°C), czyli nie obejmują strat mocy związanych z przełączaniem elementu.

Podsumowanie

Z przeprowadzonego porównania można wyciągnąć kilka wniosków. W przypadku wysokich częstotliwości przełączania i stosunkowo niewielkich wartości prądu najlepszym rozwiązaniem jest zazwyczaj wykorzystanie MOSFET-ów lub tranzystorów PT-IGBT. Zaletą drugiej z wymienionych technologii jest mniejszy rozmiar tranzystora.

W wypadku większych prądów zdecydowanie lepszym wyborem będzie zastosowanie tranzystorów IGBT. Biorąc pod uwagę najczęściej wykorzystywane zakresy częstotliwości przełączania i prądów, w większości rozwiązań można wykorzystywać tranzystory mocy obu typów. Mimo to, tranzystory IGBT stanowią zazwyczaj najtańsze rozwiązanie. Jest to jedną z przyczyn pojawiającej się ostatnio tendencji do zastępowania nimi tranzystorów MOSFET.

Monika Jaworowska