IGBT

Ein IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) ist ein Halbleiterbauelement, das zunehmend in der Leistungselektronik verwendet wird, da es Vorteile des Bipolartransistors (gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit) und Vorteile eines Feldeffekttransistors (nahezu leistungslose Ansteuerung) vereinigt. Vorteilhaft ist auch eine gewisse Robustheit gegenüber Kurzschlüssen, da der IGBT den Laststrom begrenzt.

Funktionsweise

Der IGBT ist ein Vierschicht-Halbleiterbauelement, das mittels eines Gates gesteuert wird. Er besitzt ein meist homogenes hochdotiertes p-Substrat (n-Kanal-IGBT) mit einem speziell ausgebildeten p-n-Übergang auf der Rückseite. Auf dem Trägermaterial wird eine schwachdotierte n-Epitaxieschicht aufgebracht und anschließend die p-Kathodenwannen (manchmal hochdotiert) und hochdotierte n-Inseln durch Diffusion eingebracht. So entsteht eine n+pnp+-Struktur für einen n-Kanal-IGBT. P-Kanal-IGBT besitzen entsprechend eine p+npn+-Struktur.

Für die Funktion des IGBTs sind der p-n-Übergang und das Gate verantwortlich. Es entsteht eine Darlington-Schaltung aus einem n-Kanal-FET und einem pnp-Transistor.

An den Kollektor wird (bezogen auf den Emitter) ein positives Potential angelegt, so dass der rückseitige Übergang sich im Vorwärtsbetrieb und nicht im inversen Sperrbetrieb befindet. Der Vorwärtsbetrieb lässt sich in zwei Bereiche aufteilen: in einen Sperr- und in einen Durchlassbereich. Solange die Schwellenspannung (Gate-Emitter-Spannung, UGE) des FETs nicht erreicht ist, befindet sich der IGBT im Sperrbetrieb. Wird die Spannung UGE erhöht, gelangt der IGBT in den Durchlassbereich. Es bildet sich wie bei normalen MIS-Feldeffektransistoren unterhalb des Gates in der p-Kathodenwanne ein leitender n-Kanal aus. Dieser ermöglicht den Elektronentransport vom Emitter in die Epitaxieschicht. Da der rückseitige p-n-Übergang in Durchlassrichtung geschaltet ist, werden aus dem p+-Substrat Löcher in die Epitaxieschicht injiziert, dabei entsteht ein Elektronen-Lochplasma, das für die eigentliche Leitung sorgt. Dieses Plasma muss bei jedem Umschaltvorgang auf- bzw. abgebaut werden, wodurch höhere Schaltverluste als bei Leistungs-MOSFET entstehen. Beim Abbau dieses Plasmas kann es auch dazu kommen, das der IGBT erneut kurzzeitig durchschaltet.

NPT (Non-Punch-Through)

Bei einem NPT-IGBT wird ein dünner, schwachdotierter n-Wafer verwendet und die kollektorseitige p+ Zone wird durch Rückseitenimplantation erzeugt.

Schwachdotierte Zone länger, V_CE(sat) und damit auch Durchlaßverluste höher
I_C(k) ca 6x I_C(nenn)
p+ am Kollektor weniger hochdotiert
Kniestrom kleiner (5..10% I_C), kaum temperaturabhängig
wenige Rekombinationszentren in der Driftzone
schnelleres Schalten, geringere Schaltverluste, Probleme mit dV/dt
Temperaturkoeffizient positiv, Parallelschalten problemlos
voll rückwärtssperrend, da symmetrische p+n-p+-Schichtfolge
Störabstand höher, Abschalten mit 0V möglich, V_GE = 0...15V
P_V(ges) für f>10kHz größer

PT (Punch-Through)

Bei einem PT-IGBT wird die n+ und die n- Schicht üblicherweise mittels Epitaxie auf ein p+ Substrat aufgebaut.

Schwachdotierte Zone kürzer, V_CE(sat) geringer, niedrigere Durchlaßverluste
I_C(k) ca 10x I_C(nenn)
p+ am Kollektor sehr hochdotiert
Kniestrom groß (30..50% I_C), stark temperaturabhängig
viele Rekombinationszentren in der Driftzone
längere Schaltzeiten, größere Schaltverluste, weniger Probleme mit dV/dt
Temperaturkoeffizient teilweise negativ, Parallelschalten nur nach Auswahl einer Spannungsklasse
wenig rückwärtssperrend (einige 10V), wegen unsymmetrischem Aufbau
benötigt negative Abschaltspannung V_GE = -15...15V
P_V(ges) für f<10 kHz geringer,