Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode

Schaltzeichen eines IGBT

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

Aufbau und Funktionsweise

Schematischer Aufbau eines PT-n-Kanal-IGBTs

Ersatzschaltung eines IGBT

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

Der IGBT ist ein Vierschicht-Halbleiterbauelement, 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 Schwellenspannung (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, dabei entsteht ein Elektronen-Lochplasma, das für die eigentliche Leitung sorgt. Dieses Plasma muss bei jedem Umschaltvorgang auf- bzw. abgebaut werden, wodurch die Treiberstufe deutlich aufwändiger wird als bei normalen FETs, zudem entstehen dabei auch höhere Verlustleistungen. Beim Abbau dieses Plasmas kann es auch dazu kommen das der IGBT erneut kurzzeitig durchschaltet.

Wie in der Abbildung zu sehen ist, birgt die Vierschicht-Halbleiteranordnung 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.

Eigenschaften

IGBT-Modul (IGBTs und Freilaufdioden) mit einem Nennstrom von 1200 A und einer maximalen Spannung von 3300 V

• Über die Emitter-Kollektor Strecke eines IGBTs fällt immer eine feste Spannung ab (typ. 2,3 V). Dies macht sie für niedrige Spannungen uninteressant.
• Die Durchlassverluste bei hohen Strömen sind um einiges kleiner gegenüber vergleichbaren Feldeffekttransistoren bei hohen Spannungen.
• IGBTs haben einen kleinen Durchlasswiderstand.
• 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-Through-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. Meist ist bereits im IGBT, wie auch bei Leistungs-MOSFETs, eine Freilaufdiode zwischen Kollektor und Emitter eingebaut, die in Rückwärtsrichtung leitet. Bei Bedarf kann diese interne Diode durch externe Schaltdioden mit kürzeren Schaltzeiten ergänzt werden.

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)

Anwendungen

Geöffnetes IGBT-Modul mit vier IGBTs (halber Vierquadrantensteller) zu je 400 A und 600 V

IGBTs werden unter anderem im Hochleistungsbereich eingesetzt, da sie über eine hohe Vorwärts-Sperrspannung (derzeit bis 6,6 kV) verfügen und hohe Ströme (bis etwa 3 kA) schalten können. In der Antriebstechnik (z. B. im Lokomotivbau) ersetzen sie in Pulswechselrichtern für Drehstrommaschinen inzwischen weitgehend die vorher gebräuchlichen Schaltungen mit GTO-Thyristoren.

Einsatzgebiete sind u. a.:

• Schaltnetzteile
• Frequenzumrichter in der Antriebstechnik oder in Induktionsöfen
• Gleichstromsteller
• USV-Anlagen
• Dimmer
• Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
• Wechselrichter
• Halbleiter-Relais

Literatur

• Vinod Kumar Khanna: IGBT - Theory and Design. 1 Auflage. Wiley & Sons, 2003, ISBN 0-471-23845-7. 
• Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule. 1. Auflage. ISLE Verlag, 1998, ISBN 978-3-9326-3324-9 (PDF-Version).