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¿Qué es IGBT? – Principio de construcción y funcionamiento

<p>Este artículo explica IGBT, su símbolo, construcción y principio de funcionamiento con diagramas de estructura y circuito relevantes.

¿Qué es IGBT?

IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) es un interruptor de alimentación de tres terminales que tiene una alta impedancia de entrada como PMOSFET y baja pérdida de potencia en estado activo como en BJT (transistor de unión bipolar). Por lo tanto, IGBT es una forma combinada de las mejores cualidades de BJT y PMOSFET. Este es el interruptor de alimentación más popular entre los ingenieros de electrónica de potencia y encuentra una gran variedad de aplicaciones.

IGBT es un dispositivo de tres terminales. Los tres terminales son Puerta (G), Emisor (E) y Colector (C). El símbolo del circuito de IGBT se muestra a continuación.

símbolo de IGBT demostrado

IGBT también se conoce como transistor de puerta aislada con óxido metálico (MOSIGT), transistor de efecto de campo modulado por conductividad (COMFET) o FET modulado por ganancia (GEMFET). Inicialmente se llamó transistor de puerta aislada (IGT).

Construcción de IGBT:

Un IGBT se construye sobre un sustrato de capa p+. En el sustrato p+, una capa n- de alta resistividad es epitaxialmente crecido. Como en otros dispositivos semiconductores, el grosor de la capa n determina la capacidad de bloqueo de voltaje de IGBT. En el otro lado del sustrato p+, se deposita una capa de metal para formar el terminal Colector (C). Ahora, las regiones p se difunden en la capa n desarrollada epitaxialmente. Además, las regiones n+ se difunden en la región p. En la figura siguiente se muestra una estructura de construcción básica de IGBT.

La construcción de IGBT se explica en detalle.

Ahora, una capa aislante de dióxido de silicio (SiO2) crece en la superficie. Esta capa aislante está grabada para incrustar terminales de puerta y emisor metálicos.

El sustrato p+ también se denomina capa inyectora porque inyecta agujeros en la capa n-. La capa n se denomina región de deriva. La siguiente capa p se llama el cuerpo de IGBT. La capa n entre la región p+ y p sirve para acomodar la capa de agotamiento de la unión pn, es decir, J2.

Circuito equivalente:

El circuito equivalente aproximado de IGBT se compone de MOSFET y transistor p+np (Q1). Para tener en cuenta la resistencia que ofrece la región de deriva n, se ha incorporado la resistencia Rd en el circuito. Esto se muestra a continuación.

Modelo de circuito equivalente aproximado de IGBT

Se puede llegar a este circuito equivalente mediante un examen cuidadoso de la estructura básica de IGBT. La estructura básica se muestra a continuación.

estructura básica del transistor bipolar de puerta aislada

De la figura anterior, está claro que a medida que nos movemos verticalmente desde el colector hasta el emisor, nos encontramos con capas p+, n-, p. Esto significa que se puede pensar en IGBT como la combinación de MOSFET y transistor p+n–p (Q1). Esta es la base para el circuito equivalente aproximado.

Ahora, observe cuidadosamente la estructura básica de IGBT que se muestra arriba. Notarás que existe otro camino del colector al emisor; este camino es colector, p+, n–, p (canal n), n+ y emisor. Hay, por tanto, otro transistor Q2 como n–pn+ en la estructura de IGBT. Por lo tanto, necesitamos incorporar este transistor Q2 en el circuito equivalente aproximado para obtener el circuito equivalente exacto.

El circuito equivalente exacto de IGBT se muestra a continuación.

Modelo de circuito equivalente exacto de IGBT

Rby en este circuito es la resistencia que ofrece la región p al flujo de corriente del hueco.

Principio de funcionamiento de IGBT:

El principio de funcionamiento de IGBT se basa en la polarización de los terminales Gate to Emitter y Collector to Emitter. Cuando el colector se hace positivo con respecto al emisor, el IGBT se polariza hacia adelante. Sin tensión entre la puerta y el emisor, dos uniones entre la región n y la región p, es decir, la unión J2, tienen polarización inversa. Por lo tanto, no fluye corriente del colector al emisor. Puede consultar la figura 1 para una mejor comprensión.

Cuando la puerta se vuelve positiva con respecto al emisor por algún voltaje VG (este voltaje debe ser mayor que el voltaje de umbral VGET de IGBT), se forma un canal n en la parte superior de la región p, justo debajo de la puerta. Este canal n se llama capa de inversión. Este canal n cortocircuita la región n- con la región emisora ​​n+. Los electrones del emisor n+ comienzan a fluir a la región de deriva n- a través del canal n.

Como el IGBT está polarizado directamente con el colector positivo y el emisor negativo, la región del colector p+ inyecta huecos en la región de deriva n-. Por lo tanto, la región de deriva n está inundada con electrones de la región del cuerpo p y huecos de la región del colector p+. Con esto, la densidad del portador de inyección en la región de deriva n aumenta considerablemente y, posteriormente, mejora la conductividad de la región n. Por lo tanto, IGBT se enciende y comienza a conducir IC de corriente directa.

El IC o IE actual se compone de dos componentes actuales:

  • Corriente de hueco Ih debido a la inyección de huecos desde el colector p+, el transistor p+n–p Q1, la resistencia de la región del cuerpo p Rby y el emisor.
  • Corriente electrónica Ie debida a los electrones inyectados que fluyen desde el colector, la capa de inyección p+, la región de deriva n-, la resistencia de canal n Rch, n+ y el emisor.

Por lo tanto, el colector, o corriente de carga

IC = corriente del emisor

= IE

= Ih + ie

La corriente principal de la corriente del colector es la corriente electrónica, es decir, la ruta de corriente principal para el colector o la carga, la corriente es a través de p+, n-, resistencia a la deriva Rd y resistencia de canal n Rch. Esto se muestra en el circuito equivalente exacto.

Las caídas de voltaje en un IGBT durante su condición ON consisten en una caída de voltaje en el canal n, una caída de voltaje en la región n de deriva, una caída de voltaje en la unión p+n polarizada directa J1. La caída de tensión en la unión J1 es muy pequeña, del orden de 0,7 a 1V. La caída de voltaje en estado ON de IGBT es muy pequeña y, por lo tanto, las pérdidas en estado ON también son bajas.

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