IGBT құрылғысының құрылымы

Жұмыс түрі: Іс-тәжірибеден есеп беру
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 15 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министірлігі
Академик Е.А. Бөкетов атындағы Қарағанды университеті
Физика-техникалық факультеті
Радиофизика және электроника кафедрасы

ЕСЕП БЕРУ
Өндірістік практикасы бойынша
Тақырыбы: IGBT транзисторлар

Орындаған:
Тексерген:

Қарағанды-2022
Мазмұны

Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...3
IGBT құрылғысының құрылымы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..4
IGBT тарихы ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6
2.1 IGBT-дің практикалық құрылғылар ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..7
2.2 IGBT- дің патент мәселелері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..8
IGBT қолданбалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...9
IGBT артықшылықтары ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .10
Қуатты MOS-пен салыстыру ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11
IGBT үлгілері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..12
IGBT істен шығу механизмдері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...12
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...13
Пайдаланылған әдебиеттер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .14

Кіріспе

Оқшауланған қақпалы биполярлы транзистор (IGBT) үш полюсті күшті жартылай өткізгіш құрылғы болып табылады, ол негізінен электронды қосқыш ретінде пайдаланылады, ол әзірленген кезде жоғары тиімділік пен жылдам коммутацияны біріктіре бастады. Ол төрт ауыспалы қабаттан (P-N-P-N) тұрады, олар металл-оксидті-жартылай өткізгіш (MOS) қақпасының құрылымымен қозғалады.
IGBT құрылымы топологиялық жағынан MOS қақпасының тиристорымен (MOS Gate Thyristor) бірдей болғанымен, тиристордың әрекеті толығымен басылады және құрылғының барлық жұмыс диапазонында тек транзисторлық әрекетке рұқсат етіледі. Ол ауыспалы жиілікті жетектер (VFD), электр көліктері, пойыздар, айнымалы жылдамдықты тоңазытқыштар, шам балласттары, доғалық дәнекерлеу машиналары және кондиционерлер сияқты жоғары қуатты қолданбаларда қуат көздерін ауыстыруда қолданылады.
IGBT жылдам қосу және өшіру үшін жасалғандықтан, ол импульстік ені модуляциясы және төмен жиілікті сүзгілері бар күрделі сигналдарды синтездей алады, сондықтан ол аудио жүйелерде және өнеркәсіптік басқару жүйелерінде күшейткіштерді ауыстыруда да қолданылады. Коммутация қолданбаларында заманауи құрылғыларда аналогтық дыбыс күшейткіші ретінде пайдаланылған кезде құрылғы өңдейтін дыбыс жиіліктерінен кемінде он есе көп болатын ультрадыбыстық импульс жиіліктеріне ие. 2010 жылғы жағдай бойынша IGBT қуатты MOSFET-тен кейін ең көп қолданылатын екінші күштік транзистор болып табылады.
Оқшауланған қақпалы биполярлы транзистор қуат электроникада қолданылатын жартылай өткізгіш компонент болып табылады, себебі ол биполярлы транзистордың артықшылықтарын (жақсы өткізу қабілеттілігі, жоғары кері кернеу, сенімділік) және FET артықшылықтарын (қуатты басқарудың дерлік жоқ) біріктіреді.
Төрт түрлі қосқыш белгішелерімен ұсынылған төрт түрлі негізгі IGBT түрі бар. Допингке байланысты n- және p-каналы IGBT негізгі материалдан жасалуы мүмкін. Олардың әрқайсысы гомингтік және өзін-өзі блоктайтын түрлерге бөлінеді. Бұл сипатты өндіріс процесінің бөлігі ретінде таңдауға болады. Өзін-өзі өткізетін IGBT құрылғыларындағы қосқыш белгішелері, сондай-ақ сарқылу түрі деп аталады, коллектор (C) және эмитент (E) терминалдары арасында сызылған тұтас сызық бар. Бұл сызық байыту түрі деп те аталатын өздігінен құлыптау түрлері үшін үзілген түрде көрсетілген. Қақпа қосқышы (G) барлық түрлер үшін басқару қосқышы ретінде қызмет етеді.
IGBT әзірлеушілерінің бірі General Electric Б. Джаянт Балига болды.

IGBT құрылғысының құрылымы
IGBT ұяшығы тік конструкциясы бар n-арналы қуат MOSFET-ке ұқсас құрастырылған, тек n+-дренажды p+-коллекторлық қабат алмастырады, осылайша тік PNP биполярлы қосылыс транзисторын құрайды. Бұл қосымша p+ аймағы PNP биполярлы транзисторының MOSFET N-арна бетіне каскадты қосылымын жасайды.
IGBT - бұл MOSFET тік жоғары өнімділігінің эволюциясы. 1 суретте көрсетілгендей n-арна IGBT арқылы тік қима көрсетілген.
IGBT - төрт қабатты қақпасы басқарылатын жартылай өткізгіш құрылғы. Ол негізінен біркелкі жоғары нүктелі p-субстратқа (n-арна IGBT) ие, оның артқы жағында арнайы дайындалған p-n өткелі бар. Субстрат материалына төмен дозалы n-эпитаксия қабаты жағылады, содан кейін диффузия арқылы p-катодты ванналар (кейде жоғары дозада) және жоғары дозаланған n-аралдар енгізіледі. Бұл n-арна IGBT үшін n+pnp+ құрылымын жасайды. P-каналы IGBT сәйкесінше p+npn+ құрылымына ие.

1-сурет. MOSFET пен биполярлы құрылғының ішкі қосылымын көрсететін әдеттегі IGBT көлденең қимасы

p-n өткелі және қақпа IGBT жұмысына жауап береді. Дарлингтон тізбегі n-арналы FET және pnp транзисторынан жасалған.
Коллекторға (эмиттерге қатысты) оң әлеует қолданылады, сондықтан артқы қосылыс кері блоктау режимінде емес, алдыңғы режимде болады. Тікелей операцияны екі аймаққа бөлуге болады: блоктау және өту.
FET шекті кернеуіне (қақпа эмитентінің кернеуі, UGE) жеткенше, IGBT блоктау режимінде болады. Кернеу артқан сайын UGE IGBT өту аймағына кіреді. Кәдімгі MIS өрістік транзисторлардағы сияқты, p-катодты панельдегі қақпаның астында өткізгіш n-арна қалыптасады. Бұл электрондардың эмитенттен эпитаксиалды қабатқа ауысуын қамтамасыз етеді. p-n кері өткелі берілу бағытында ауысқандықтан, p+-субстрат эпитаксиалды қабатқа саңылауларды енгізіп, нақты өткізгіштікті қамтамасыз ететін электронды-тесік плазмасын жасайды (2-сурет).

2-сурет. IGBT арнасының PT-n схемалық құрылысы

Бұл плазманы әрбір қосқышта қосу немесе алып тастау керек, бұл MOSFET қуатымен салыстырғанда жоғары коммутациялық шығындарға әкеледі. Бұл плазманың деградациясы IGBT-нің қысқа уақытқа қайта ауысуына да себеп болуы мүмкін.
3-суретте көрініп тұрғандай, төрт қабатты жартылай өткізгіштер жинағы pnp транзисторынан және паразиттік npn транзисторынан түзілген паразиттік тиристордың қауіптілігін көрсетеді.

3-сурет. IGBT ауыстыру схемасы

Осылайша, CMOS схемалары сияқты, IGBT-лер ысырма эффектісі деп аталатын нәрсені сезінуі мүмкін, яғни тиристор өртенеді және ол қақпа арқылы басқаруға болмайтын ток өткізеді.
IGBT тарихы

Металл-оксидті-жартылай өткізгіш өрістік транзисторды (MOSFET) 1959 жылы Bell Labs зертханасында Мохаммед М.Аталла және Давон Кан ойлап тапты. PNP транзисторы MOSFET арқылы басқарылатын IGBT жұмысының негізгі режимін алғаш рет 1968 жылы берілген S47-21739 жапон патентінде Mitsubishi Electric компаниясынан К.Ямагами мен Ю.Акагири ұсынған.
1970 жылдары қуатты MOSFET коммерцияланғаннан кейін, Б. Джаянт Балига 1977 жылы General Electric (GE) компаниясына тиристорлық қақпаны, төрт қабатты VMOS (V-тәрізді MOSFET) қоса алғанда, IGBT жұмыс режимі бар қуатты жартылай өткізгіш құрылғыны сипаттайтын патенттік мәлімдемені ұсынды. - транзистор) және төртқабатты жартылай өткізгішті құрылғыны жүргізу үшін MOS қақпалы құрылымдарды пайдалану. Ол 1978 жылы GE компаниясынан Маргарет Лазеридің көмегімен IGBT құрылғысын құрастыра бастады және 1979 жылы жобаны сәтті аяқтады. Тәжірибелердің нәтижелері 1979 жылы жарияланды. Бұл мақалада құрылғы құрылымы p-типті анод аймағына ауыстырылған су төгетін аймағы бар V-слотты MOSFET құрылғысы деп аталды және кейінірек Оқшауланған қақпа түзеткіші (IGR), оқшауланған қақпа транзисторы (IGT), өткізгіштігі бар FET деп аталды. модуляция (COMFET) және Биполярлы режиммен MOSFET.
MOS басқарылатын триак құрылғысын 1978 жылы B. V. Scharf және D. D. Plummer өздерінің Side Quad Layer (SCR) құрылғысында сипаттаған. Пламмер 1978 жылы төрт қабатты құрылғыда (SCR) осы жұмыс режиміне патент алуға өтініш берді. USP №4199774 1980 жылы шығарылды және B1 Re33209 1996 жылы қайта шығарылды. Төрт қабатты құрылғыдағы (SCR) IGBT жұмыс режимі, егер коллектор тогы белгілі тиристорлық теорияда ұстап тұру тогы деп аталатын қосу тоғынан асып кетсе, тиристорлық жұмысқа ауысады.
IGBT дамуы тиристордың немесе төрт қабатты құрылғыдағы ысырманың жұмысын толығымен басу әрекеттерімен сипатталды, өйткені ысырма құрылғының өлімге әкелетін істен шығуына әкелді. Осылайша, төменде сипатталғандай паразиттік тиристорлық блоктаудың толық басылуына қол жеткізілген кезде IGBT орнатылды.
Ханс В. Бекке және Карл Ф. Уитли 1980 жылы патент алуға өтініш берген және оны анодтық аймақ қуаты MOSFET деп атаған ұқсас құрылғыны әзірледі. Патентте тиристордың әрекеті құрылғының кез келген жұмыс жағдайында болмайды делінген. Құрылғының 1979 жылы енгізілген бұрынғы Baliga IGBT құрылғысына ұқсас жалпы құрылымы, сондай-ақ ұқсас атауы болды.
А.Накагава және т.б. 1984 жылы бекітпесіз IGBT құрылғысының концепциясын ойлап тапты. Өнертабыс құрылғының қанығу тогын паразиттік тиристорды басқаратын қосу тоғының астында орнататын құрылғы дизайнымен сипатталады. Бұл өнертабыс бірінші рет тиристордың паразиттік әрекетінің толық басылуын жүзеге асырды, өйткені максималды коллекторлық ток қанығу тогымен шектелді және ешқашан қосу тоғынан аспады. Бекітпейтін IGBT құрылғысының концепциясын ойлап тапқаннан кейін IGBT тез дамып, ысырмасыз IGBT дизайны іс жүзінде стандартқа айналды, ал бекітпейтін IGBT патенті нақты құрылғылар үшін негізгі IGBT патентіне айналды.
IGBT дамуының бастапқы кезеңдерінде барлық зерттеушілер паразиттік тиристордың қысқа тұйықталуын басу үшін ақаулық токтың өзін арттыруға тырысты. Дегенмен, бұл әрекеттердің барлығы сәтсіз аяқталды, өйткені IGBT өте жоғары ток өткізе алады. Ақаулықты сәтті жою IGBT кіріктірілген MOSFET қанықтыру тогын реттеуазайту арқылы ақаулық токтан төмен өткізе алатын максималды коллекторлық токты шектеу арқылы мүмкін болады. Бұл бекітілмейтін IGBT тұжырымдамасы болды. Бекітпейтін IGBT арқылы Бекке құрылғысы мүмкін болды.
IGBT бір уақытта жоғары кернеу мен жоғары токқа төтеп беру қабілетімен сипатталады. IGBT өңдей алатын кернеу мен ток тығыздығының өнімі 5 x 105 Втсм2-ге жетті, бұл биполярлы транзисторлар және қуат MOSFET сияқты қолданыстағы қуат құрылғыларының 2 x 105 Втсм2 мәнінен әлдеқайда асып түсті. Бұл IGBT үлкен қауіпсіз жұмыс аймағының салдары. IGBT - бұрыннан жасалған ең күшті және ең қуатты қуат құрылғысы, ол пайдаланушыларға құрылғыны оңай пайдалануға және BJT және тіпті GTOS ауыстыруға мүмкіндік береді. IGBT-тің бұл тамаша қасиеті құрылғының бұзылуының немесе істен шығуының негізгі себебі болып табылатын құлақ деп аталатын мәселені шешіп, 1984 жылы ысырмасыз IGBT құрылған кезде кенеттен пайда болды. құрылғылар. Бұған дейін әзірленген құрылғылар өте әлсіз болды және жарылып кету салдарынан оңай жойылды.

IGBT-дің практикалық құрылғылар

Токтардың кең ауқымында жұмыс істеуге қабілетті практикалық құрылғыларды алғаш рет 1982 жылы Б.Жаянт Балига және т.б. Сол жылы Балига IEEE халықаралық электронды құрылғылар конференциясында (IEDM) практикалық дискретті тік IGBT құрылғысының алғашқы эксперименттік демонстрациясын хабарлады. Сол жылы General Electric Baliga IGBT құрылғысын шығарды. Балига IGBT ойлап тапқаны үшін Ұлттық өнертапқыштардың даңқ залына енгізілді.
Осыған ұқсас мақаланы J. P. Russel et al. IEEE Electron Device хатына 1982 ж. Бастапқыда қуат электроникасының қауымдастығы құрылғыны қолдану оның төмен ауысу жылдамдығымен және құрылғының ішкі паразиттік тиристорды блоктауымен айтарлықтай шектелген деп есептеді. Дегенмен, Baliga, сондай-ақ A. M. Goodman және т.б., 1983 жылы коммутация жылдамдығын электронды сәулелену арқылы кең ауқымда басқаруға болатынын көрсетті. Осыдан кейін 1985 жылы Балига жоғары температурада құрылғының жұмысын демонстрациялады. GE-де паразиттік тиристорлық блоктауды және құрылғы кернеуінің рейтингін масштабтауды басу бойынша сәтті әрекеттер 1983 жылы қолданбалардың кең ауқымы үшін пайдалануға болатын коммерциялық құрылғыларды енгізуге мүмкіндік берді. GE құрылғысының, IGT D94FQFR4 электрлік сипаттамаларын Марвин В. Смит 1984 жылғы сәуірде PCI құжаттарында егжей-тегжейлі баяндаған. D94FQFR4 IGT 40 ампер коллекторлық ток өткізе алатын болса да, қауіпсіз жұмыс аймағын ауыстырумен шектелген. Марвин В. Смит сонымен қатар қосқыштың қауіпсіз жұмыс аймағы паразиттік тиристорды блоктау арқылы шектелгенін айтты.
Тиристорлық паразиттік әрекеттің толық басылуы және нәтижесінде құрылғының барлық жұмыс диапазоны үшін блоктаусыз IGBT жұмысы 1984 жылы А.Накагава және т.б. Бекітпейтін дизайн тұжырымдамасы АҚШ патенттеріне берілді. Бекітудің жоқтығын тексеру үшін 1200 В IGBT прототипі 600 В тұрақты ток көзіне ешқандай жүктемесіз тікелей қосылды және 25 микросекундқа қосылды. Құрылғыда бүкіл 600 В өтті және үлкен қысқа тұйықталу тогы ағып жатты. Құрылғылар бұл қиын жағдайға сәтті төтеп берді. Бұл IGBT-де қысқа тұйықталу дәлелі деп аталатын бірінші демонстрация болды. Алғаш рет құрылғының бүкіл жұмыс диапазоны үшін блоктаусыз IGBT жұмысы қамтамасыз етілді. Осы мағынада Ганс В.Бекке және Карл Ф.Уитли ұсынған ысырмасыз IGBT 1984 жылы А.Накагава және т.б. Бекітілмеген IGBT өнімдерін алғаш рет 1985 жылы Toshiba коммерцияландырды. Бұл нағыз IGBT-тің нағыз дүниеге келуі болды.
IGBT-де бекітпеу мүмкіндігіне қол жеткізілгеннен кейін, IGBT-тердің өте күшті және өте үлкен қауіпсіз жұмыс аймағы бар екені анықталды. Жұмыс токының тығыздығы мен коллектор кернеуінің туындысы биполярлы транзисторлардың теориялық шегінен 2x105 Втсм2 асып, 5x105 Втсм2-ге жеткені көрсетілді.
Оқшаулағыш материал әдетте тозуға бейім қатты полимерлерден жасалады. Өндірісті жақсарту және қажетті кернеуді азайту үшін иондық гельді қолданатын әзірлемелер бар.
1980-ші және 1990-шы жылдардың басындағы бірінші буын IGBT құрылғылары ысыру (ток жүріп жатқанда құрылғы өшпейді) және флэш-over (құрылғыдағы локализацияланған ыстық нүкте термиялық күйге өтеді) сияқты әсерлерге байланысты істен шығуға бейім болды. режимінде және құрылғыны жоғары токтарда күйдіреді). Екінші буын құрылғылары айтарлықтай жетілдірілді. Бүгінгі үшінші буындағы IGBT бұдан да жақсырақ: олар жоғары қуатты MOSFET-термен ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.