15.2: Internos IGBT

El IGBT es un dispositivo multicapa. El corte mostrado en la Figura\(\PageIndex{1}\) utiliza un canal N, aunque el canal P es posible. Este dispositivo tiene muchas características en común con el E-MOSFET de potencia discutido en el Capítulo 12.

Figura\(\PageIndex{1}\): Vista en corte de IGBT.

Para comenzar, anotar el etiquetado de los tres terminales: puerta, emisor y colector. La puerta está aislada tal como lo está en los MOSFET. Cuando se aplica un potencial puerta-emisor positivo, se desarrollará una capa de inversión de tipo N en la región del cuerpo P, permitiendo que la corriente fluya. La región N media se divide en dos secciones, la región principal de deriva N- y la capa tampón N+ (los signos +/− indican dopaje pesado y ligero, respectivamente). El dispositivo que se muestra es la variedad punch through (PT). El no punzonado pasante (NPT) omite la capa amortiguadora. Las diferencias funcionales entre los dos son que dividir el material N para incluir la capa amortiguadora mejora la velocidad y disminuye el voltaje en estado encendido. En consecuencia, la versión PT presenta menores pérdidas de conmutación y conducción.

Las tres capas superiores de la Figura\(\PageIndex{1}\) forman un E-MOSFET mientras que la sección inferior (cuerpo P, N deriva/buffer y sustrato P) forman un transistor PNP. Así, podemos hacer un modelo simplificado del IGBT utilizando estos otros dispositivos, como se muestra en la Figura 12.2.2.

Figura\(\PageIndex{2}\): Modelo simple de un IGBT (izquierda) comparado con un par Sziklai (derecha).

Este modelo simplificado recuerda a la versión NPN del par Sziklai examinada en el Capítulo 9. El dispositivo de entrada ha sido reemplazado por un E-MOSFET. Por lo tanto, esperamos la corriente de compuerta muy pequeña y los requisitos de accionamiento relativamente simples del EMOSFET con el manejo de energía de un BJT.

Como era de esperar, las curvas del dispositivo operativo también recuerdan a estos dos componentes. Un conjunto de curvas de colector se presenta en la Figura\(\PageIndex{3}\) usando valores representativos para voltaje y corriente.

Figura\(\PageIndex{3}\): Familia de curvas colectoras IGBT.

Este conjunto de curvas aparece como un cruce entre la familia de curvas colectoras vista en el Capítulo 4 y la familia de curvas de drenaje vista en el Capítulo 10, con una ligera torsión: todo el conjunto de curvas se desplaza positivamente del origen en aproximadamente un voltio. Al igual que con cualquier E-MOSFET, la corriente del canal no comienza a fluir hasta que se alcanza el voltaje umbral de puerta, aquí referido como\(V_{GE(th)}\). Los valores crecientes de\(V_{GE}\) causa aumentaron la conducción y el flujo de corriente. Por último, tenga en cuenta que las curvas no comienzan a “aplanar” hasta que\(V_{CE}\) haya alcanzado varios voltios, a diferencia del voltaje de saturación de un solo BJT que podría ser solo décimas de voltio.

La curva característica de corriente-voltaje directa refleja la porción E-MOSFET del modelo. Esto se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).

Figura\(\PageIndex{4}\): Curva característica IGBT y variación con la temperatura.

Se trazan dos trazas para dos temperaturas diferentes. Las curvas son esencialmente las mismas que la curva característica del E-MOSFET, como se ve en el capítulo introductorio del MOSFET, Figura 12.4.3 (aquí se ha expandido el eje actual, haciendo que las trazas parezcan más pronunciadas, para mostrar más claramente la variación con la temperatura). La conducción comienza en el voltaje umbral\(V_{GE(th)}\), y luego se eleva rápidamente, siguiendo una trayectoria de ley cuadrada. Una vez que se alcanza un nivel de corriente suficiente, la curva se puede aproximar como una línea recta.

De particular interés aquí es cómo varía la curva con la temperatura. A medida que aumenta la temperatura (traza roja), la pendiente disminuye. Recordando que la pendiente de la curva característica corriente-voltaje es la transconductancia del dispositivo, esto significa que la transconductancia disminuye con la temperatura. En otras palabras, el IGBT exhibe un coeficiente de temperatura negativo de transconductancia, al igual que los E-MOSFET de potencia, y por lo tanto también están menos inclinados a sufrir de acaparamiento de corriente y problemas de fuga térmica que los BJT.

Desafortunadamente, no hay un solo símbolo esquemático estandarizado para el IGBT. Dos versiones se muestran en la Figura\(\PageIndex{5}\).

Figura\(\PageIndex{5}\): Símbolos esquemáticos IGBT.

Ambos símbolos intentan reflejar el carácter dual E-MOSFET/BJT del dispositivo. El símbolo de la izquierda parece tener un uso más amplio actualmente, aunque también hay una tercera variación basada en él donde la conexión de puerta se dibuja hacia el centro en lugar de más cerca del emisor.