IGBT

IGBT(아이지비티) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터를 게이트부에 짜 넣은 접합형 트랜지스터이다.

개요

IGBT는 1980년도 초에 개발되었으며, 빠른 스위칭 속도와 전력 손실이 작은 모스펫(MOSFET, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)와 낮은 온 상태 전류에서도 전도 손실과 큰 항복 전압을 가져 높은 전류 구동이 가능한 양극성 접합 트랜지스터(BJT)를 결합시킨 전력 소자이다. 즉, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터와 양극성 접합 트랜지스터의 장점을 모두 가진 트랜지스터이다. 전압 제어 전력용 반도체이기 때문에, 고속, 고효율의 전력 시스템에서 요구되는 300V 이상의 전압 영역에서 널리 사용되고 있으며, 양극성 접합 트랜지스터보다 빠르지만 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터보다 스위칭 속도는 떨어진다. 게이트와 이미터 간에 입력 임피던스가 매우 높아서 양극성 접합 트랜지스터보다 구동하기 쉬우며, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터보다 훨씬 큰 전류를 흘릴 수 있다. 이 때문에 주로 철도 차량이나 하이브리드 자동차의 대전력 인버터의 주 변환 소자로 쓰인다.

특징

IGBT는 파워 반도체 디바이스의 트랜지스터 분야로 분류된다. 파워 반도체 디바이스에서 IGBT 이외에 대표되는 것으로, 모스펫, 바이폴라 등이 있으며, 주로 반도체 스위치 용도로 사용된다. 각각 대응 가능한 스위칭 속도에 따라, 중속에서는 바이폴라, 고주파 영역에서는 모스펫이 적합하다. IGBT는 입력부가 모스펫 구조, 출력부가 바이폴라 구조인 복합 디바이스로, 전자와 전공의 2종류 캐리어를 사용하느 바이폴라 소자이면서, 낮은 포화 전압과, 비교적 빠른 스위칭 특성을 양립시킨 트랜지스터이다. 비교적 빠른 스위칭 특성이라고 해도, 파워 모스펫에 비해서는 열등하다.

구조

N채널 모스펫의 드레인 측에 P 콜렉터를 추가한 구조이다. P 콜렉터로부터의 정공의 주입에 의해, N 베이스층의 도전율 변조가 일어나 저항이 저하한다. 스위칭 시간과 온전압의 트리거오프 또한 소자설계의 개량과 패턴의 미세화 등 개선이 진전되어 600V 소자에서 온전압이 초기소자의 1/2 정도까지 저감되었다. IGBT 는 MOS와 같이 LSI 미세 가공기술을 사용하기 위해 칩 크기가 15㎟정도로 제한하고 있다. 더욱이 IGBT 는 병렬동작이 용이하므로 복수개의 칩을 병렬접속하여 일체화된 모듈형으로 대용량화가 대응 가능하다. 모듈화에 있어서 단순히 복수의 IGBT 칩을 병렬접속한 것이 아니라 다이오드 및 각종 보호회로를 포함한 IPM(Intelligent Power Module)화되고 있으며 실장설계에 있어서도 표류인덕턴스나 열저항을 저감하기 위한 새로운 기술이 속속 개발되고 있다. 때문에, 모스펫과 비교하면 고전압용에 적합하다. 한편, 주입한 캐리어의 소멸에 시간이 걸리기 때문에 턴오프 시간이 길어진다.

펀치스루형

펀치스루형은 1980년대부터 제조되고 있다. 오프시에 공핍층이 콜렉터측에 접촉하고 있는 것이며, 에피텍셜 웨이퍼를 사용해 콜렉터측으로부터 캐리어를 고농도로 주입하여 라이프타임 컨트롤을 실시하는 설계이다.

• 에피텍셜 웨이퍼를 사용하기 때문에 가격이 비싸다.
• 라이프타임 컨트롤 때문에, 고온에서 스위칭 손실이 증가한다.
• 고온으로 On 전압이 저하하여, 병렬 사용시에 특정 소자에 전류가 집중되어 파손 원인이 되기도 한다.
• 최근에는 웨이퍼의 두께를 얇게 하여 콜렉터측의 주입을 억제하는 것을 통해 상기의 결점을 극복한 것이 개발되어 있다.

논 펀치스루형

웨이퍼 가공기술의 진보에 의해 1990년대 중순부터 제조되고 있는 것이다. Off 시에 공지층이 콜렉터측에 접촉하지 않는 것으로, 플로팅 존 웨이퍼를 사용하여 콜렉터측의 캐리어 주입 농도를 낮춰 효율을 높이고 있다.

• 플로팅 존 웨이퍼를 사용하기 때문에 가격이 저렴하고, 결정 결함이 적어 신뢰성이 높다.
• 고온에서 On 전압이 상승하여, 전류 분포가 균일하게 되므로 병렬 사용에 유리하다.
• 2000년대부터, 트렌치 게이트 구조나 콜렉터측에 필드스톱층을 형성한 On 전압이 낮고 스위칭 손실도 적은 것도 제조되고 있다.

강점과 약점

IGBT도 모스펫과 마찬가지로 게이트에 전압을 가함으로써 p 기준층이 반전되고 채널이 형성되어 ON이 된다. 컬렉터 전극 측에 p층에 추가되므로 p층에서도 홀이라 불리는 전하가 발생해 전자와 홀에 의한 전도도 변조가 일어난다. 전도도 변조가 일어나면 겉보기 전하가 증가하는 현상에 의해 n 기준층 저항은 1/10 이하까지 하락한다. IGBT는 컬렉터 측 p층 덕분에 모스펫에 비해 컬렉터-이미터 사이의 내압을 높여도 ON 저항이 증가하지 않는다. 이와 같이 전자와 홀이라는 두 종류의 전하에 의해 전류를 흘리는 IGBT는 바이폴라 디바이스라고 하며, 모스펫과 비교해 내압을 높여도 ON 저항이 낮은 상태로 대용량화할 수 있다. 전자와 홀 두 종류로 전류를 흘리는 IGBT는 턴오프 시 캐리어 소멸에 시간이 걸린다는 단점이 있다. 이러한 특성 때문에 스위칭 속도가 모스펫보다 한 자릿수 정도 느려진다. IGBT에서는 컬렉터-이미터 간 전압 0.7V 부근부터 전류가 급격하게 상승한다. 이 0.7V는 컬렉터 측에 추가된 p층과 n 기준층으로 구성되는 pn 다이오드의 순방향 전압에 상당한다. 모스펫과 비교하면 ON 저항이 낮다.

적용 분야

IGBT의 기본적인 특성은 적용 시스템의 전압에 따른 소자 내압을 기본으로 하여 도통 상태의 소자 전압 강하인 VCE(sat)에 의해 결정되는 정특성, IGBT의 On/Off 스위칭 속도에 의해 결정되는 동특성, 단락회로 견고성 등으로 나뉘어 질 수 있다. 이들 관계는 상호 트레이드 오프 관계를 가지고 있다. 즉, 일반적으로 낮은 VCE(sat)를 갖는 IGBT는 스위칭 오픈 손실이 크고, 높은 VCE(sat)의 IGBT는 스위치 오프 손실이 작은 관계를 가지고 있다. 따라서 IGBT는 적용 시스템의 동작 주파수에 따라 적절히 선택되어야 한다.

• 400V 급 IGBT의 경우 디지털카메라의 스트로브에 적용되는 대전류, 저속의 트랜치 IGBT와 자동차 엔진 점화장치에 사용되는 점화 IGBT등이 있다.
• 600V 급 IGBT의 경우 110V 전원을 사용하는 산업용 및 일반용 모터 구동용 인버터, 공진 인버터, UPS, SMPS 등에 적용되는 단락 회로 정격 IGBT 및 고속 스위칭 IGBT등이 있다.
• 1200V 급 IGBT의 경우 220V 3상 전원을 사용하는 용도에 주로 사용되는데, 산업용 모터 구동 인버터에는 모듈 형의 IGBT, 공ㄷ진 인버터에는 단품 패키지 형태의 IGBT가 주로 사용된다.

같이 보기

• 트랜지스터
• 모스펫
• 바이폴라

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