Un transistor bipolar de puerta aislada ( IGBT ) es un dispositivo semiconductor de potencia de tres terminales que forma principalmente un interruptor electrónico. Fue desarrollado para combinar alta eficiencia con conmutación rápida. Consta de cuatro capas alternas ( P–N–P–N ) que están controladas por una estructura de compuerta semiconductora de óxido metálico (MOS) .
Aunque la estructura del IGBT es topológicamente similar a la de un tiristor con puerta "MOS" ( MOS-gate tiristor ), la acción del tiristor está completamente suprimida y solo se permite la acción del transistor en todo el rango de operación del dispositivo. Se utiliza en fuentes de alimentación conmutadas en aplicaciones de alta potencia: variadores de frecuencia (VFD) para control de motores en automóviles eléctricos , trenes, refrigeradores de velocidad variable y aires acondicionados, así como balastos de lámparas, máquinas de soldadura por arco, sistemas ininterrumpibles. sistemas de suministro de energía (UPS) y estufas de inducción .
Dado que está diseñado para encenderse y apagarse rápidamente, el IGBT puede sintetizar formas de onda complejas con modulación de ancho de pulso y filtros de paso bajo , por lo que también se utiliza en amplificadores de conmutación en sistemas de sonido y sistemas de control industrial . En aplicaciones de conmutación, los dispositivos modernos presentan tasas de repetición de pulsos dentro del rango de frecuencias ultrasónicas, que son al menos diez veces más altas que las frecuencias de audio manejadas por el dispositivo cuando se usa como amplificador de audio analógico. A partir de 2010 [actualizar], el IGBT era el segundo transistor de potencia más utilizado, después del MOSFET de potencia . [ cita necesaria ]
Una celda IGBT se construye de manera similar a un MOSFET de potencia de construcción vertical de canal n , excepto que el drenaje n+ se reemplaza con una capa colectora p+, formando así un transistor de unión bipolar PNP vertical . Esta región p+ adicional crea una conexión en cascada de un transistor de unión bipolar PNP con el MOSFET de canal n de superficie .
El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. [3] El modo básico de operación IGBT, donde un transistor pnp es impulsado por un MOSFET, fue propuesto por primera vez por K. Yamagami e Y. Akagiri de Mitsubishi Electric en la patente japonesa S47-21739, que se presentó en 1968. [4]
Tras la comercialización de los MOSFET de potencia en la década de 1970, B. Jayant Baliga presentó una divulgación de patente en General Electric (GE) en 1977 que describía un dispositivo semiconductor de potencia con el modo de funcionamiento IGBT, incluida la activación MOS de tiristores , un VMOS de cuatro capas. (MOSFET de ranura en V) y el uso de estructuras controladas por MOS para controlar un dispositivo semiconductor de cuatro capas. Comenzó a fabricar el dispositivo IGBT con la ayuda de Margaret Lazeri en GE en 1978 y completó con éxito el proyecto en 1979. [5] Los resultados de los experimentos se informaron en 1979. [6] [7] La estructura del dispositivo se denominó un "dispositivo MOSFET de ranura en V con la región de drenaje reemplazada por una región de ánodo tipo p" en este artículo y posteriormente como "el rectificador de puerta aislada" (IGR), [8] el transistor de puerta aislada (IGT), [ 9] el transistor de efecto de campo modulado por conductividad (COMFET) [10] y el "MOSFET de modo bipolar". [11]
BW Scharf y JD Plummer informaron sobre un dispositivo triac controlado por MOS con su dispositivo lateral de cuatro capas (SCR). [12] Plummer presentó una solicitud de patente para este modo de operación en el dispositivo de cuatro capas (SCR) en 1978. La USP No. 4199774 se emitió en 1980 y B1 Re33209 se volvió a emitir en 1996. [13] El modo de operación IGBT en el dispositivo de cuatro capas (SCR) cambiaba a operación con tiristor si la corriente del colector excedía la corriente de enclavamiento. , que se conoce como "corriente de mantenimiento" en la conocida teoría del tiristor. [ cita necesaria ]
El desarrollo de IGBT se caracterizó por los esfuerzos para suprimir completamente la operación del tiristor o el enganche en el dispositivo de cuatro capas porque el enganche causaba la falla fatal del dispositivo. Por lo tanto, los IGBT se establecieron cuando se logró la supresión completa del enganche del tiristor parásito como se describe a continuación.
Hans W. Becke y Carl F. Wheatley desarrollaron un dispositivo similar, para el que presentaron una solicitud de patente en 1980, y al que denominaron "MOSFET de potencia con región de ánodo". [14] [15] La patente afirmaba que "no se produce ninguna acción del tiristor bajo ninguna condición de funcionamiento del dispositivo". El dispositivo tenía una estructura general similar al dispositivo IGBT anterior de Baliga reportado en 1979, así como un título similar. [5]
A. Nakagawa et al. inventó el concepto de diseño de dispositivo de IGBT sin enclavamiento en 1984. [16] La invención [17] se caracteriza por el diseño del dispositivo que establece la corriente de saturación del dispositivo por debajo de la corriente de enclavamiento, lo que activa el tiristor parásito. Esta invención logró la supresión completa de la acción parásita del tiristor, por primera vez, porque la corriente máxima del colector estaba limitada por la corriente de saturación y nunca excedía la corriente de enganche.
En la etapa inicial de desarrollo del IGBT, todos los investigadores intentaron aumentar la corriente de enganche para suprimir el enganche del tiristor parásito. Sin embargo, todos estos esfuerzos fracasaron porque los IGBT podían conducir una corriente enormemente grande. La supresión exitosa del enganche fue posible limitando la corriente máxima del colector, que el IGBT podría conducir, por debajo de la corriente de enganche controlando/reduciendo la corriente de saturación del MOSFET inherente. Este era el concepto de IGBT sin enganche. El “dispositivo de Becke” fue posible gracias al IGBT sin enclavamiento.
El IGBT se caracteriza por su capacidad de manejar simultáneamente un alto voltaje y una gran corriente. El producto del voltaje y la densidad de corriente que puede manejar el IGBT alcanzó más de 5 × 105 W/cm 2 , [18] [19] que superó con creces el valor, 2 × 105 W/cm 2 , de dispositivos de potencia existentes, como transistores bipolares y MOSFET de potencia. Esto es consecuencia de la gran zona de operación segura del IGBT. El IGBT es el dispositivo de potencia más resistente y potente desarrollado hasta ahora, y ofrece facilidad de uso y, por lo tanto, desplaza a los transistores bipolares e incluso a los GTO . Esta excelente característica del IGBT surgió repentinamente cuando se estableció el IGBT sin enclavamiento en 1984 resolviendo el problema del llamado "enganche", que es la principal causa de destrucción o falla del dispositivo. Antes de eso, los dispositivos desarrollados eran muy débiles y fáciles de destruir debido al "bloqueo".
B. Jayant Baliga et al. informaron por primera vez sobre dispositivos prácticos capaces de operar en un rango de corriente extendido. en 1982. [8] Baliga informó sobre la primera demostración experimental de un dispositivo IGBT vertical discreto práctico en la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos (IEDM) de IEEE ese año. [20] [8] General Electric comercializó el dispositivo IGBT de Baliga el mismo año. [5] Baliga fue incluido en el Salón de la Fama Nacional de Inventores por la invención del IGBT. [21]
Un artículo similar también fue presentado por JP Russel et al. a IEEE Electron Device Letter en 1982. [10] Inicialmente, la comunidad de electrónica de potencia consideró que las aplicaciones del dispositivo estaban severamente restringidas por su lenta velocidad de conmutación y el bloqueo de la estructura de tiristores parásitos inherentes al dispositivo. Sin embargo, fue demostrado por Baliga y también por AM Goodman et al. en 1983 que la velocidad de conmutación podía ajustarse en un amplio rango mediante el uso de irradiación de electrones . [9] [22] Esto fue seguido por una demostración del funcionamiento del dispositivo a temperaturas elevadas por parte de Baliga en 1985. [23] Esfuerzos exitosos para suprimir el enganche del tiristor parásito y el escalado de la tensión nominal de los dispositivos en GE permitió la introducción de dispositivos comerciales en 1983, [24] que podrían utilizarse para una amplia variedad de aplicaciones. Las características eléctricas del dispositivo de GE, IGT D94FQ/FR4, fueron reportadas en detalle por Marvin W. Smith en las actas del PCI de abril de 1984. [25] Marvin W. Smith mostró en la Fig.12 de las actas que se apaga por encima de 10 Los amperios para una resistencia de puerta de 5 kOhm y más de 5 amperios para una resistencia de puerta de 1 kOhm estaban limitados por el cambio del área de operación segura, aunque IGT D94FQ/FR4 pudo conducir 40 amperios de corriente de colector. Marvin W. Smith también afirmó que el área de operación segura de conmutación estaba limitada por el enganche del tiristor parásito.
A. Nakagawa et al. lograron la supresión completa de la acción parásita del tiristor y la operación IGBT sin enclavamiento resultante para todo el rango de operación del dispositivo. en 1984. [16] El concepto de diseño sin cierre se presentó para patentes estadounidenses. [26] Para probar la falta de enganche, los prototipos de IGBT de 1200 V se conectaron directamente sin cargas a través de una fuente de voltaje constante de 600 V y se encendieron durante 25 microsegundos. Los 600 V completos cayeron a través del dispositivo y fluyó una gran corriente de cortocircuito. Los dispositivos resistieron con éxito esta grave condición. Esta fue la primera demostración de la llamada "capacidad de resistencia a cortocircuitos" en los IGBT. Por primera vez se garantizó el funcionamiento del IGBT sin enclavamiento en todo el rango de funcionamiento del dispositivo. [19] En este sentido, el IGBT sin enganche propuesto por Hans W. Becke y Carl F. Wheatley fue realizado por A. Nakagawa et al. en 1984. Toshiba comercializó por primera vez productos IGBT sin enclavamiento en 1985. Este fue el verdadero nacimiento del actual IGBT.
Una vez que se logró la capacidad de no enganche en los IGBT, se descubrió que los IGBT presentaban un área de operación segura muy grande y muy resistente . Se demostró que el producto de la densidad de corriente operativa y el voltaje del colector excedía el límite teórico de los transistores bipolares, 2 × 105 W/cm 2 , y alcanzó 5 × 105 W/ cm2 . [18] [19]
El material aislante suele estar hecho de polímeros sólidos que tienen problemas de degradación. Hay desarrollos que utilizan un gel de iones para mejorar la fabricación y reducir el voltaje requerido. [27]
Los IGBT de primera generación de la década de 1980 y principios de la de 1990 eran propensos a fallar debido a efectos como el enganche (en el que el dispositivo no se apaga mientras fluya corriente) y la avería secundaria (en la que un punto de acceso localizado en el dispositivo entra en funcionamiento). fuga térmica y quema el dispositivo con corrientes elevadas). Los dispositivos de segunda generación mejoraron mucho. Los IGBT actuales de tercera generación son aún mejores, con una velocidad que rivaliza con los MOSFET de potencia y una excelente robustez y tolerancia a las sobrecargas. [18] Los índices de pulso extremadamente altos de los dispositivos de segunda y tercera generación también los hacen útiles para generar grandes pulsos de energía en áreas que incluyen la física de partículas y plasma , donde están comenzando a reemplazar a dispositivos más antiguos como los tiratrones y las descargas de chispas activadas . Los altos índices de pulso y los bajos precios en el mercado excedente también los hacen atractivos para los aficionados al alto voltaje para controlar grandes cantidades de energía para impulsar dispositivos como bobinas y pistolas de bobina Tesla de estado sólido .
El dispositivo propuesto por JD Plummer en 1978 (patente estadounidense Re.33209) tiene la misma estructura que un tiristor con una puerta MOS. Plummer descubrió y propuso que el dispositivo se puede utilizar como un transistor, aunque el dispositivo funciona como un tiristor en un nivel de densidad de corriente más alto. [28] El dispositivo propuesto por JD Plummer se denomina aquí "dispositivo de Plummer". Por otro lado, Hans W. Becke propuso, en 1980, otro dispositivo en el que la acción del tiristor se elimina bajo cualquier condición de funcionamiento del dispositivo, aunque la estructura básica del dispositivo es la misma que la propuesta por JD Plummer. El dispositivo desarrollado por Hans W. Becke se denomina aquí "dispositivo de Becke" y se describe en la patente estadounidense 4364073. La diferencia entre el "dispositivo de Plummer" y el "dispositivo de Becke" es que el "dispositivo de Plummer" tiene el modo de acción del tiristor en su rango de operación y el “dispositivo de Becke” nunca tiene el modo de acción del tiristor en todo su rango de operación. Este es un punto crítico, porque la acción del tiristor es la misma que la del llamado "enganche". El “enganche” es la causa principal de fallas fatales del dispositivo. Por lo tanto, en teoría, el “dispositivo de Plummer” nunca es un dispositivo robusto o potente que tenga una gran área de operación segura. La gran área de operación segura se puede lograr solo después de que se suprima y elimine por completo el "enganche" en todo el rango de operación del dispositivo. [ cita necesaria ] Sin embargo, la patente de Becke (patente estadounidense 4364073) no reveló ninguna medida para realizar dispositivos reales.
A pesar de que la patente de Becke describe una estructura similar al dispositivo IGBT anterior de Baliga, [5] varios fabricantes de IGBT pagaron la tarifa de licencia de la patente de Becke. [14] Toshiba comercializó “IGBT sin enclavamiento” en 1985. La Universidad de Stanford insistió en 1991 en que el dispositivo de Toshiba infringía la patente estadounidense RE33209 del “dispositivo de Plummer”. Toshiba respondió que los "IGBT sin enclavamiento" nunca se enclavaban en todo el rango de operación del dispositivo y, por lo tanto, no infringían la patente estadounidense RE33209 de la "patente de Plummer". La Universidad de Stanford nunca respondió después de noviembre de 1992. Toshiba compró la licencia de la “patente de Becke” pero nunca pagó ninguna tarifa por la licencia del “dispositivo de Plummer”. Otros fabricantes de IGBT también pagaron el canon de licencia por la patente de Becke.
A partir de 2010 , el IGBT es el segundo transistor de potencia[actualizar] más utilizado , después del MOSFET de potencia. El IGBT representa el 27% del mercado de transistores de potencia, sólo superado por el MOSFET de potencia (53%), y por delante del amplificador de RF (11%) y el transistor de unión bipolar (9%). [29] El IGBT se utiliza ampliamente en la electrónica de consumo , la tecnología industrial , el sector energético , los dispositivos electrónicos aeroespaciales y el transporte .
El IGBT combina las características simples de control de compuerta de los MOSFET de potencia con la capacidad de alta corriente y voltaje de baja saturación de los transistores bipolares . El IGBT combina un FET de puerta aislada para la entrada de control y un transistor de potencia bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El IGBT se utiliza en aplicaciones de potencia media a alta, como fuentes de alimentación de modo conmutado , control de motores de tracción y calentamiento por inducción . Los módulos IGBT grandes normalmente constan de muchos dispositivos en paralelo y pueden tener capacidades de manejo de corriente muy altas , del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6500 V. Estos IGBT pueden controlar cargas de cientos de kilovatios .
Un IGBT presenta una caída de voltaje directo significativamente menor en comparación con un MOSFET convencional en dispositivos con voltaje de bloqueo más alto, aunque los MOSFETS exhiben un voltaje directo mucho más bajo con densidades de corriente más bajas debido a la ausencia de un diodo Vf en el BJT de salida del IGBT. A medida que aumenta la tensión nominal de bloqueo de los dispositivos MOSFET e IGBT, la profundidad de la región de deriva n debe aumentar y el dopaje debe disminuir, lo que da como resultado una disminución de la relación aproximadamente cuadrada en la conducción directa frente a la capacidad de tensión de bloqueo del dispositivo. Al inyectar portadores minoritarios (huecos) desde la región p+ del colector en la región de deriva n durante la conducción directa, la resistencia de la región de deriva n se reduce considerablemente. Sin embargo, esta reducción resultante en el voltaje directo en estado encendido conlleva varias penalizaciones:
En general, el alto voltaje, la alta corriente y las frecuencias más bajas favorecen al IGBT, mientras que el bajo voltaje, la corriente media y las altas frecuencias de conmutación son dominio del MOSFET.
Los circuitos con IGBT se pueden desarrollar y modelar con varios programas informáticos de simulación de circuitos , como SPICE , Sabre y otros programas. Para simular un circuito IGBT, el dispositivo (y otros dispositivos en el circuito) deben tener un modelo que prediga o simule la respuesta del dispositivo a diversos voltajes y corrientes en sus terminales eléctricos. Para simulaciones más precisas, se puede incluir en la simulación el efecto de la temperatura en varias partes del IGBT. Hay dos métodos comunes de modelado disponibles: modelo basado en la física de dispositivos , circuitos equivalentes o macromodelos. SPICE simula los IGBT utilizando un macromodelo que combina un conjunto de componentes como FET y BJT en una configuración Darlington . [ cita necesaria ] Un modelo alternativo basado en la física es el modelo de Hefner, presentado por Allen Hefner del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . El modelo de Hefner es bastante complejo pero ha mostrado buenos resultados. El modelo de Hefner se describe en un artículo de 1988 y luego se amplió a un modelo termoeléctrico que incluye la respuesta del IGBT al calentamiento interno. Este modelo se ha agregado a una versión del software de simulación Sabre . [30]
Los mecanismos de falla de los IGBT incluyen sobretensión (O) y desgaste (wo) por separado.
Las fallas por desgaste incluyen principalmente inestabilidad de la temperatura de polarización (BTI), inyección de portador caliente (HCI), ruptura dieléctrica dependiente del tiempo (TDDB), electromigración (ECM), fatiga de soldadura, reconstrucción de materiales y corrosión. Las fallas por sobreesfuerzo incluyen principalmente descargas electrostáticas (ESD), enganches, avalanchas, averías secundarias, despegues de cables unidos y quemaduras. [31]
