Біполярний транзистор з ізольованим електродом затвора

1. Біполярний транзистор з ізольованим затвором (IGBT), що містить щонайменше один кристал (1) біполярного транзистора з ізольованим затвором з безліччю паралельно з’єднаних окремих чарунок (2) біполярного транзистора з ізольованим затвором, а кожний кристал містить перший (3) і другий основні виводи і щонайменше один вивід (4) затвора, який електрично з’єднаний з C2 2 UA 1 3 75025 4 ні сполученими паралельно шарами полікремнію. через шари полікремнію електродів затвора, безВ біполярних транзисторах з ізольованим запосередньо спрямовується до окремих чарунок твором відповідно до рівня техніки сигнал затвора біполярного транзистора з ізольованим затвором в кристалі біполярного транзистора з ізольованим без застосування елементарних смужкових затвозатвором та мінімальною поверхнею 0,2см2 спочарів. Відповідно до першого варіанта виконання тку розподіляється по периферії кристала за досигнал затвора можна підводити до кристала біпопомогою живильників затвора. Вузькі смужки лярного транзистора з ізольованим затвором че(елементарні затвори) потім проводять сигнал рез розташований в куті вивід затвора (подушку усередину кристала (виразно показано в ЕР затвора) або відповідно до другого варіанта вико0755076 А2). Як живильники затвора, так й елеменання - через центральний вивід затвора. нтарні затвори складаються з алюмінієвої металіТаким чином винахід діаметрально протилежзації. Можна також розподіляти сигнал по поверхні ний домінуючій думці, що, починаючи з певної векристала, виходячи із розташованої в одному куті личини кристала, гомогенне вмикання досягається або у центрі подушки затвора, через елементарні тільки при застосуванні елементарних затворів. На затвори (див. Фіг.1). Звичайно застосовуване конспротивагу цьому винахідники вперше встановили, трукційне правило говорить, що відстань х між що максимальна щільність потужності, що розсіюелементарними затворами повинна відповідати ється, є завжди гомогенною, якщо усе ще гомогеннаступній умові: ним є розподіл плазми. Біполярний компонент поводиться, зокрема у момент часу, коли МОН-струм в ньому не є вже достатнім для підтримання зовx R c нішнього струму, принципово інакше, ніж уніполяде R означає опір шару полікремнію, який прорний елемент, наприклад, МОН-транзистор. Після водить сигнал з елементарного затвора на фізичцього моменту часу відбувається перехід від біпоний затвор, с означає ємність шару метал-оксидлярного струму до чисто діркового струму, який напівпровідник (МОН) на одиницю поверхні затвосупроводжується розсмоктуванням неосновних ра і - характерний час перемикання біполярного носіїв головного переходу. Як тільки цей процес транзистора з ізольованим затвором, який визназакінчується, повний струм забезпечується діркачається як = Rgate x Сtot, де Rgate означає опір зами і створюється зона просторового заряду. Проте твора, а Ctot - загальну ємність шару МОН кристарозподіл плазми у поперечному напрямку усе ще ла. Типовими є величини с = 30нФ/см2, R = 30 Ом і достатньо гомогенний. Тому швидко гомогенізується також дуже негомогенний розподіл струму. У = 200нc. Це призводить до значення відстані x момент максимальної потужності розсіювання ро0,47см. Якщо виконано цю умову, то незалежно зподіл струму майже гомогенний. Тому не скоровід додаткового опору затвора розподіл напруги в чується діапазон надійної роботи і ледь змінюєтьзатворі у будь-який момент часу є плоским і тим ся енергія перемикання. В результаті можна самим щільність струму є гомогенною. виготовляти біполярні транзистори з ізольованим Однак елементарні затвори потребують склазатвором без елементарних затворів, навіть якщо дної і дорогої металізації припоєм, якщо необхідне перевищується величина мінімальної поверхні паяння з боку катода, і ставлять високі вимоги до 0,2см2, яка вважається необхідною для МОНпасивації. Вади пасивації призводять до коротких транзисторів без елементарних затворів. замикань між затвором і емітером, які проявляНа Фіг.2а і 2b показано приклад виконання ються у вигляді дострокових виходів з ладу і які кристала 1 біполярного транзистора з ізольованим можна виявити лише за допомогою дорогих визатвором відповідно до винаходу. Показано перпробувань на термічне старіння. Аналогічні проший головний вивід 3, який оточений ізоляцією 7 блеми виникають при притискному контактуванні. та рамкою 8 затвора. Рамка 8 затвора сполучена з У статті [Івамуро та ін. "Експериментальна девиводом 4 затвора, від якого, наприклад, гнучкий монстрація МОН-тиристора з подвійним затвометалевий провідник може вести до відповідного ром", Proceedings of the 7th International виводу на корпусі. На противагу цьому відповідно Symposium on Power Semiconductor Devices and до рівня техніки передбачені, як показано на Фіг.1а IC's (ISPSD), Йокогама, 23-25 травня 1995p., Nr. і 1b, елементарні затвори 6, які розподіляють сигSYMP, 7, 23 травня 1995p., cтop.18-23, XP нал затвора, виходячи від виводу 4 затвора, по 000594234 Institute of Electrical and Electronics поверхні затвора. Engineers], розкрито МОН-тиристор з подвійним Переваги винаходу полягають зокрема у тому, затвором, у якому скомбінований біполярний транщо: зистор з ізольованим затвором та тиристор. Загаза рахунок відсутності елементарних затворів льний напівпровідниковий елемент має площу забезпечується просте і дешеве виконання мета0,25см2, причому має перемикальну здатність лізації припоєм; 100А/см2. більш проста технологія забезпечує більшу В основу винаходу покладено завдання ствонадійність при притискному контактуванні кристарення біполярного транзистора з ізольованим зала. твором, який можна виготовляти простим спосоНижче наводиться докладний опис винаходу з бом і який, незважаючи на це, перемикає посиланнями на креслення, на яких зображено: гомогенно. Це завдання вирішене за допомогою Фіг.1а - кристал біполярного транзистора з ізоознак незалежних пунктів формули винаходу. льованим затвором відповідно до рівня техніки на Головною ідеєю винаходу є те, що струм завигляді зверху; твора у кристалі біполярного транзистора з ізоФіг.1b - частина кристала біполярного транзильованим затвором, виходячи з виводу затвора 5 75025 6 стора з ізольованим затвором відповідно до Фіг.1а ходу. Як тільки цей процес закінчується, увесь в ізометричній проекції; потік забезпечується дірками і створюється зона Фіг.2а - кристал біполярного транзистора з ізопросторового заряду. Однак розподіл плазми у льованим затвором відповідно до першого прикпоперечному напрямку усе ще достатньо гомогенладу виконання винаходу на вигляді зверху; ний. Тому у цей момент часу швидко гомогенізуФіг.2b - частина кристала біполярного транзиється дуже негомогенний розподіл струму. У мостора з ізольованим затвором відповідно до Фіг.2а мент часу максимальної потужності розсіювання в ізометричній проекції; розподіл струму майже гомогенний. Тому не змеФіг.3 - кристал біполярного транзистора з ізоншується діапазон надійної роботи і майже не змільованим затвором відповідно до другого прикланюється енергія відключення. Таким чином, можна ду виконання винаходу на вигляді зверху; виготовляти біполярні транзистори з ізольованим Фіг.4 - розріз кристала біполярного транзистозатвором, які не потребують елементарних затвора з ізольованим затвором відповідно до винахорів. ду; На Фіг.2а і 2b показано кристал 1 біполярного Фіг.5 - шар полікремнію на вигляді зверху. транзистора з ізольованим затвором без елеменПозиції, що використовуються на фігурах, натарних затворів згідно з винаходом на вигляді звеведені в переліку позицій. рху, відповідно в ізометричній проекції, який місУ попередніх дослідах був виготовлений повітить перший видимий головний вивід 3 та інший, льний кристал на 2,5кВ з мінімальною поверхнею не зображений другий головний вивід, а також 0,2см2 без елементарних затворів і виміряні його вивід 4 затвора, який у показаному на Фіг.2а і 2b властивості. Вони були усередині поля допусків варіанті виконання розташований на краю, зокретакими, що не відрізняються від версії з елементама у куті кристала 1 біполярного транзистора з рними затворами. Однак були побоювання, що ізольованим затвором. На противагу Фіг.1а і 1b, які швидкий кристал без елементарних затворів буде відповідають рівню техніки, не передбачені елевідключати при екстремально негомогенних розментарні затвори 6, а сигнал затвора, виходячи з поділах струму і тому матиме високі втрати перевиводу 4 затвора, розподіляється через рамку 8 микання, повільні перехідні процеси та незначний затвора по периферії. Як показано на Фіг.2b, рамка діапазон надійної роботи. Однак аналітичні обчис8 затвора також знаходиться у безпосередньому лення, цифрове моделювання процесу перемисполученні з електродом 5 затвора. Вона перевакання, а також тестування перемикання швидких жно має опір менше 5 омів. біполярних транзисторів з ізольованим затвором Таким чином, перший головний вивід 3 утвобез елементарних затворів засвідчили несподіварений поверхнею, яка у випадку виконання відпоний результат. Було встановлено, що час пошивідно до Фіг.2а і 2b оточує виконану підвищеною рення сигналу, порівнянний з часом перемикання зону поверхні рамки 8 затвора. Якщо є декілька виводів 4 затвора, то по суті підвищена поверхня , необов'язково призводить до негомогенного першого головного виводу має відповідне число розподілу струму при відключенні. Досліди також виїмок. показали, що вмикання не є критичним для відкМіж першим головним виводом, що має більлючення. шу поверхню (показаний у вигляді металізації), У випадку, коли керування затвором здійснюякий утворений зокрема катодом біполярного трається з периферії кристала і обрано: нзистора з ізольованим затвором, і виводом 4 затвора та рамкою 8 затвора передбачена ізоляція x R c 7. Згідно з винаходом вивід 4 затвора, відповідно то при відключенні спочатку виникає перерозрамка 8 затвора сполучені з шарами полікремнію поділ струму. Зовнішні частини кристала починаелектродів 5 затвора біполярного транзистора з ють відключати, навантаження підтримує загальізольованим затвором безпосередньо, тобто без ний струм незмінним і комутує струм в центр проміжного вмикання елементарних затворів. Шар кристала. До цього моменту часу анодна напруга 5 полікремнію біполярного транзистора з ізольоще по суті дорівнює нулю. ваним затвором сполучений безпосередньо з виУ цей момент часу МОН-струм вже недостатводом 4 затвора. Решта шарів 5 полікремнію ній для підтримання зовнішнього струму. У чисто окремих чарунок 2 біполярного транзистора з ізоМОН-транзисторі тепер розпочинається збільшенльованим затвором сполучені паралельно в комня напруги. Збільшення напруги через ємність запоненті. Один варіант виконання розташування твор-анод вносить у затвор заряд так, що розподіл шарів 5 полікремнію показано на Фіг.5. У цьому напруги по затвору залишається постійним і струм випадку він покриває по великій поверхні кристал і більше не зменшується. Як тільки досягається має виїмки 5'. На Фіг.4 показана також ізоляція 7, повна напруга навантаження, механізм регулюяка передбачена між виводом 4 затвора і першим вання руйнується, напруга затвора спадає і комголовним виводом 3, відповідно, передбачене для понент відключає. неї заглиблення. Суть винаходу полягає у тому, що було встаПриродно, що вивід 4 затвора може бути розновлене і з перевагою використане те, що біполяташований центрально на кристалі 1 біполярного рний компонент з вище зазначеного моменту потранзистора з ізольованим затвором. Цей варіант водиться принципово по-іншому. З цього моменту виконання показаний на Фіг.3. У цьому випадку часу відбувається перехід від біполярного струму вивід 4 затвора також оточений ізоляцією 7, яка до чисто діркового струму, що супроводжується відокремлює його від головного виводу. розсіюванням неосновних носіїв головного переПерелік позицій 7 75025 1 Кристал біполярного транзистора з ізольованим затвором 2 Окрема чарунка біполярного транзистора з ізольованим затвором 3 Перший головний вивід 4 Вивід затвора (подушка затвора) 8 5 Електрод затвора 5' Виїмка 6 Елементарний затвор 7 Ізоляція 8 Рамка затвора 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 75025 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601