Insulated Gate Bipolar Transistor

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Ein Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (engl. insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) ist ein Halbleiterbauelement, welches zunehmend in der Leistungselektronik verwendet wird, da es die Vorteile des Bipolartransistors (gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit) und die Vorteile eines Feldeffekttransistors (nahezu leistungslose Ansteuerung) vereinigt. Vorteilhaft ist auch eine gewisse Robustheit gegenüber Kurzschlüssen, da der IGBT den Laststrom begrenzt.

[Bearbeiten] Aufbau und Funktionsweise

Schematischer Aufbau eines PT-n-Kanal-IGBTs

IGBTs sind eine Weiterentwicklung des vertikalen Leistungs-MOSFETs. Die Abbildung zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen n-Kanal-IGBT.

Der IGBT ist ein Vierschichthalbleiterbauelement, 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 Schwellenspanung (Gate-Emitter-Spannung, U_GE) des FETs nicht erreicht ist, befindet sich der IGBT im Sperrbetrieb. Wird die Spannung U_GE 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.

Wie in der Abbildung zu sehen ist, birgt die Vierschichthalbleiteranordnung die Gefahr eines parasitären Thyristors. Ähnlich wie bei CMOS-Schaltungen kann es bei IGBTs daher zum sogenannten Latch-Up-Effekt kommen, d. h., der Thyristor zündet, und es fließt ein Strom, der nicht über das Gate gesteuert werden kann.

[Bearbeiten] Eigenschaften

IGBTs haben wie bipolare Transistoren einen kleinen Durchlasswiderstand.
Die Durchlassverluste sind um einiges kleiner gegenüber vergleichbaren Feldeffekttransistoren.
Beim IGBT handelt es sich wie beim FET um ein spannungsgesteuertes Bauelement.
Im Gegensatz zu Leistungs-MOSFETs können Punch-Through-IGBTs (PT-IGBT) zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit nicht ohne weiteres parallel geschaltet werden. Non-Punch-Trough-IGBTs (NPT-IGBT) hingegen besitzen wie die Leistungs-MOSFETs einen positiven Temperaturkoeffizienten und können parallel geschaltet werden. In den meisten IGBT-Hochleistungsmodulen wird dies auch getan.
Der IGBT ist in Rückwärtsrichtung nur begrenzt sperrfähig, so dass bei Bedarf Freilaufdiodenbeschaltungen mit kurzen Abschaltzeiten eingebaut werden müssen.

Nachteilig sind die gegenüber Leistungs-MOSFET großen Schaltverluste besonders beim Abschalten (Stromschweif). Der Hauptanwendungsbereich liegt bei höheren Spannungen ab einigen 100 V, hohen Leistungen und relativ geringen Arbeitsfrequenzen (max. 200 kHz)

[Bearbeiten] Anwendungen

IGBT werden unter anderem im Hochleistungsbereich eingesetzt, da sie über eine hohe Sperrspannung (derzeit bis 6,6 kV) verfügen und hohe Ströme (bis etwa 3 kA) schalten können. Einsatzgebiete sind u. a.: