Силовые полупроводниковые приборы (СПП) существенно продвинули развитие новых технологий электротехники и электроники. Если в области диодов, тиристоров и фототиристоров отечественные приборы находятся на сопоставимом уровне с зарубежными, то наиболее перспективные разработки приборов IGBT для силовых преобразователей отечественного производства соответствуют 2-му поколению, в то время как зарубежные производители освоили поколение 7+. Это отставание обусловлено малой емкостью отечественного рынка, сложностью технологий, да и общим заветом 1990-х гг.: «проще и дешевле купить за рубежом». ВЭИ внесло несомненный вклад в разработку отечественных приборов СПП, а также их применения для электропередачи и электроприводов, но из-за структурных преобразований остались незавершенными многие направления и разработки.
Цель статьи состоит в систематизации известных конструкторско-технологических решений применительно к приборам IGBT. Библиография [1–3] освещает применение преобразователей на основе приборов IGBT, [4–6] связана с применением их в контроллерах и средствах автоматики. Литература [7–10] исследует особенности работы IGBT и диодов, а в [11–15] освещаются вопросы оптимизации конструкций IGBT. В Приложении дается расшифровка терминов применительно к компонентам СПП.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT) является полностью управляемым полупроводниковым ключом, структура и схема замещения которого приведена на рис. 1. На рис. 1 принимаются обозначения: CATHODE – катод (эмиттер), GATE – управляющий электрод (затвор – база), ANODE – анод (коллектор), N! drift – дрейфовый слой, P Well – р+-область носителей, Source – источник. Двойственность обозначений обусловлена гибридной структурой IGBT, которая представляет комбинацию MOSFET-транзистора и биполярного транзистора. Структура IGBT подобна структуре вертикального МОП-транзистора (DMOS-transistor), отличаясь тем, что вместо стокового приконтактного n-слоя сформирован эмиттерный слой р-типа проводимости. Накапливаемые в дрейфовом слое избыточные электроны снижают электрическое сопротивление слоя. Ток управления в базу транзистора доставляется через канал МОП-структуры. В результате в проводящем состоянии реализуется гибрид биполярного и МОП-транзистора, приведенный справа на рис. 1, причем силовой ток проводит биполярный транзистор, а управление реализуется как в МОП-транзисторе. В запертом состоянии за счет разрыва в цепи базы работа прибора соответствует работе биполярного р-n-р транзистора.