इंसुलेटेड गेट बाईपोलर ट्रांजिस्टर: Difference between revisions

विद्युत रोधित गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर
	1200 A के रेटेड वर्तमान और 330 वी (V) के अधिकतम वोल्टेज के साथ जीबीटी मॉड्यूल (आईजीबीटी और फ्रीव्हीलिंग डायोड)
Working principle	Semiconductor
आविष्कार किया	1959
Electronic symbol
	; IGBT schematic symbol

Latest revision as of 10:18, 28 August 2023

विद्युत रोधित गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर (इंसुलेटेड-गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर, IGBT) एक तीन-टर्मिनल पावर अर्धचालक उपकरण है जो मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉनिक स्विच के रूप में उपयोग किया जाता है, जो कि उच्च कार्यक्षमता और तेज़ स्विचिंग को संयोजित करने के लिए विकसित किया गया था। इसमें चार वैकल्पिक परतें (P-N-P-N) होती हैं जो धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक (MOS) गेट संरचना द्वारा नियंत्रित होती हैं।

यद्यपि IGBT की संरचना एलईडी (LEDs) रूप से "MOS" गेट (MOS-गेट थाइरिस्टर) एक थाइरिस्टर के समान है, थाइरिस्टर क्रिया पूरी तरह से दबा दी जाती है, और पूरे उपकरण संचालन सीमा में केवल ट्रांजिस्टर कार्रवाई की अनुमति है। इसका उपयोग उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में बिजली की आपूर्ति को स्विच करने में किया जाता है: चर-आवृत्ति ड्राइव (वेरिएबल -फ्रीक्वेंसी ड्राइव्स) (वीएफडी/VFDs), इलेक्ट्रिक कार, ट्रेनें, चर-गति रेफ्रिजरेटर, लैंप रोले, आर्क-वेल्डिंग मशीन और एयर कंडीशनर है।

चूंकि इसे तेजी से चालू और बंद करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, IGBT जटिल तरंगों को पल्स-चौड़ाई मॉड्यूलेशन और कम-पास फिल्टर के साथ संश्लेषित कर सकता है, इसलिए इसका उपयोग ध्वनि प्रणालियों और औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियों में प्रवर्धकों को स्विच करने में भी किया जाता है। स्विचिंग अनुप्रयोग में आधुनिक उपकरणों में पराध्वनिक सीमा आवृत्तियों में स्पन्द आवृति दरों को अच्छी तरह से पेश किया जाता है, जो एनालॉग श्रव्य प्रवर्धक के रूप में उपयोग किए जाने पर उपकरण द्वारा संभाले गए श्रव्य आवृत्तियों की तुलना में कम से कम दस गुना अधिक होते हैं। 2010 तक, MOSFET के बाद IGBT दूसरा सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला पावर प्रतिरोधान्तरित्र है।

IGBT तुलना तालिका^[1]
उपकरण विशेषता	पावर बाइपोलर	पावर MOSFET	IGBT
वोल्टेज आकड़ा	उच्च <1kV	उच्च <1kV	बहुत अधिक >1kV
धारा मूल्यांकन	उच्च <500A	कम <200A	उच्च >500A
इनपुट ड्राइव	वर्तमान अनुपात h_FE ~ 20–200	वोल्टेज V_GS ~ 3–10 V	वोल्टेज V_GE ~ 4–8 V
इनपुट प्रतिबाधा	कम	उच्च	उच्च
आउटपुट प्रतिबाधा	कम	मध्यम	कम
स्विचिंग गति	धीमा (µs)	तेज(ns)	मध्यम
लागत	Low	मध्यम	उच्च

उपकरण संरचना

MOSFET और द्विध्रुवी उपकरण के आंतरिक कनेक्शन को दिखाने वाले एक विशिष्ट IGBT का क्रॉस-सेक्शन

IGBT सेल का निर्माण n-चैनल ऊर्ध्वाधर-कंस्ट्रक्शन पावर मॉसफेट (MOSFET) के समान किया जाता है, सिवाय n+ ड्रेन को p+ कलेक्टर लेयर से बदल दिया जाता है, इस प्रकार एक ऊर्ध्वाधर PNP बाइपोलर जंक्शन प्रतिरोधान्तरित्र बनता है। यह अतिरिक्त p+ क्षेत्र सतह n-चैनल MOSFET के साथ PNP द्विध्रुवी जंक्शन प्रतिरोधान्तरित्र का झरना कनेक्शन बनाता है।

इतिहास

एक IGBT की स्थैतिक विशेषता

मेटल-ऑक्साइड- अर्धचालक फील्ड-इफेक्ट प्रतिरोधान्तरित्रमॉसफेट (MOSFET) का आविष्कार मोहम्मद एम. अटाला और डॉन कांग ने 1959 में बेल लैब्स में किया था। [2] ऑपरेशन का मूल IGBT मोड, जहां एक पंप प्रतिरोधान्तरित्र मॉसफेट (MOSFET) द्वारा संचालित होता है, को पहली बार जापानी पेटेंट S47-21739 में मित्सुबिशी इलेक्ट्रिक के के यामागामी और Y अकागिरी द्वारा प्रस्तावित किया गया था, जिसे 1968 में दायर किया गया था।^[2]

1970 के दशक में बिजली मॉसफेट (MOSFETs) के व्यावसायीकरण के बाद, बी जयंत बालिगा ने 1977 में जनरल इलेक्ट्रिक (GE) में एक पेटेंट प्रकटीकरण प्रस्तुत किया, जिसमें IGBT मोड के संचालन के साथ एक पावर अर्धचालक उपकरण का वर्णन किया गया था, जिसमें थाइरिस्टर के MOS गेटिंग, चार-परत VMOS (V-ग्रूव MOSFET) संरचना, और चार-परत अर्धचालक उपकरण को नियंत्रित करने के लिए MOS-गेटेड संरचनाओं का उपयोग शामिल थे। उन्होंने 1978 में GE में मार्गरेट लाज़ेरी की सहायता से IGBT उपकरण का निर्माण शुरू किया और 1979 में इस परियोजना को सफलतापूर्वक पूरा किया था।^[3] प्रयोगों के परिणाम 1979 में बताए गए थे।^[4]^[5] इस पेपर में उपकरण संरचना को "V-ग्रूव मॉसफेट (MOSFET) उपकरण के रूप में संदर्भित किया गया था जिसमें ड्रेन क्षेत्र को p-टाइप एनोड क्षेत्र और बाद में "इंसुलेटेड-गेट रेक्टिफायर" (आईजीआर) के रूप में, ^[6] the conductivity-modulated field-effect transistor (COMFET)^[7] and "bipolar-mode MOSFET".^[8]

1978 में बी. डब्ल्यू.शारफ और जे. डी प्लमर ने अपने लेटरल चार-परत उपकरण (SCR) के साथ एक MOS-नियंत्रित ट्राइक उपकरण की सूचना दी थी।^[9] प्लमर ने 1978 में चार-परत उपकरण (SCR) में ऑपरेशन के इस मोड के लिए एक पेटेंट आवेदन दायर किया। USP नंबर 4199774 1980 में जारी किया गया था, और B1 Re33209 1996 में फिर से जारी किया गया था।^[10] चार-परत उपकरण (SCR) में ऑपरेशन का IGBT मोड थाइरिस्टर ऑपरेशन में बदल जाता है यदि संग्राहक धारा, धारा सीमा करंट (कुर्र्रेंट रेंज) से अधिक हो जाता है, जिसे थाइरिस्टर के प्रसिद्ध सिद्धांत में "होल्डिंग करंट" के रूप में जाना जाता है।

IGBT के विकास को थाइरिस्टर ऑपरेशन या चार-परत उपकरण में धारा सीमा को पूरी तरह से दबाने के प्रयासों की विशेषता थी क्योंकि धारा सीमा के कारण घातक उपकरण विफलता हुई थी। इस प्रकार, IGBTs की स्थापना तब की गई थी जब परजीवी थाइरिस्टर (पैरासिटिक थाइरिस्टर) के धारा सीमा का पूर्ण दमन प्राप्त किया गया था जैसा कि निम्नलिखित में वर्णित है।

हंस डब्ल्यू. बेके और कार्ल एफ. व्हीटली ने एक समान उपकरण विकसित किया, जिसके लिए उन्होंने 1980 में पेटेंट आवेदन दायर किया, और जिसे उन्होंने "एनोड क्षेत्र के साथ पावर मॉसफेट (MOSFET) " के रूप में संदर्भित किया था।^[11]^[12] पेटेंट ने दावा किया कि "किसी भी उपकरण के संचालन की स्थिति के तहत कोई थाइरिस्टर कार्रवाई नहीं होती है"। उपकरण में 1979 में रिपोर्ट किए गए बालिगा के पहले IGBT उपकरण के साथ-साथ एक समान शीर्षक के समान संरचना थी।^[3]

ए नाकागावा और अन्य 1984 में नॉन-धारा सीमा IGBT की उपकरण डिजाइन अवधारणा का आविष्कार किया था। ^[13]अविष्कार^[14]की विशेषता उपकरण डिज़ाइन द्वारा है, जो अवरोधित करंट के नीचे उपकरण सैचुरेशन करंट को सेट करता है, जो पराश्रयी थाइरिस्टर को ट्रिगर करता है। इस आविष्कार ने पहली बार परजीवी थाइरिस्टर क्रिया के पूर्ण दमन का एहसास किया, क्योंकि अधिकतम संग्राहक धारा संतृप्ति धारा द्वारा सीमित थी और कभी भी लैच -अप धारा से अधिक नहीं थी। नॉन-लच-अप IGBT की उपकरण डिज़ाइन अवधारणा के आविष्कार के बाद, IGBT तेजी से विकसित हुए, और नॉन -लैच -अप का डिज़ाइन एक वास्तविक मानक बन गया और नॉन-लैच -अप IGBTs का पेटेंट मूल वास्तविक उपकरणों की IGBT पेटेंट बन गया।

IGBT के प्रारंभिक विकास चरण में, सभी शोधकर्ताओं ने परजीवी थाइरिस्टर (पैरासिटिक थाइरिस्टर) के धारा सीमा को दबाने के लिए धारा सीमा करंट को बढ़ाने की कोशिश की। हालाँकि, ये सभी प्रयास विफल रहे क्योंकि IGBT अत्यधिक बड़े प्रवाह का संचालन कर सकता था। धारा सीमा का सफल दमन अधिकतम संग्राहक धारा को सीमित करके संभव बनाया गया था, जिसे IGBT, अंतर्निहित MOSFET की संतृप्ति धारा को नियंत्रित/कम करके धारा सीमा करंट के नीचे संचालित कर सकता था। यह नॉन-लच-अप IGBT की अवधारणा थी। "बेक के उपकरण" को लच-अप IGBT द्वारा संभव बनाया गया था।

IGBT को एक साथ उच्च वोल्टेज और बड़े प्रवाह को संभालने की क्षमता की विशेषता क्षमता है। वोल्टेज का उत्पाद और वर्तमान घनत्व जिसे IGBT संभाल सकता है, 5×10⁵ W/cm²,^[15] से अधिक तक पहुंच गया, जो बाइपोलर ट्रांजिस्टर और पावर MOSFETs जैसे मौजूदा बिजली उपकरणों के मान, 2×10⁵ W/cm² से कहीं अधिक था। IGBT के बड़े सुरक्षित संचालन क्षेत्र का परिणाम है। IGBTअब तक विकसित सबसे मजबूत और सबसे मजबूत बिजली उपकरण है, इस प्रकार, उपयोगकर्ताओं को उपकरण और विस्थापित द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर (बाइपोलर ट्रांसिस्टर्स) और यहां तक कि जीटीओ (GTOs) का आसान उपयोग प्रदान करता है। IGBT की यह उत्कृष्ट विशेषता अचानक तब सामने आई जब 1984 में तथाकथित "लच-अप" की समस्या को हल करके नॉन-लैच -अप IGBT की स्थापना की गई, जो उपकरण के विनाश या उपकरण की विफलता का मुख्य कारण है। इससे पहले, विकसित उपकरण बहुत कमजोर थे और "लैच -अप" के कारण नष्ट होना आसान था।

व्यावहारिक उपकरण

विस्तारित धारा सीमा में काम करने में सक्षम व्यावहारिक उपकरणों को सबसे पहले 1982 में बी जयंत बालिगा और अन्य द्वारा रिपोर्ट किया गया था।^[16] उस वर्ष IEEE इंटरनेशनल इलेक्ट्रॉन उपकरणेस मीटिंग (IEDM) में बालिगा द्वारा एक व्यावहारिक असतत ऊर्ध्वाधर IGBT उपकरण के पहले प्रयोगात्मक प्रदर्शन की सूचना दी गई थी। जनरल इलेक्ट्रिक ने उसी वर्ष बालिगा के IGBT उपकरण का व्यावसायीकरण किया गया था।^[3]IGBT के आविष्कार के लिए बालिगा को नेशनल इन्वेंटर्स हॉल ऑफ फ़ेम में शामिल किया गया था।^[17]

इसी तरह का एक पेपर जेपी रसेल और अन्य द्वारा 1982 में IEEE इलेक्ट्रॉन उपकरण लेटर के लिए भी प्रस्तुत किया गया था।^[7] उपकरण के लिए अनुप्रयोगों को शुरू में पावर इलेक्ट्रॉनिक्स समुदाय द्वारा इसकी धीमी स्विचिंग गति और उपकरण के भीतर निहित परजीवी थाइरिस्टर संरचना के धारा सीमा द्वारा गंभीर रूप से प्रतिबंधित माना जाता था। हालाँकि, यह बालिगा द्वारा और ए.एम. गुडमैन और अन्य द्वारा भी प्रदर्शित किया गया था। 1983 में कि इलेक्ट्रॉन विकिरण का उपयोग करके स्विचिंग गति को एक विस्तृत श्रृंखला में समायोजित किया जा सकता है।^[18] इसके बाद 1985 में बलिगा द्वारा ऊंचे तापमान पर उपकरण के संचालन का प्रदर्शन किया गया था।^[19] परजीवी थाइरिस्टर के धारा सीमा को दबाने के सफल प्रयासों और GE में उपकरणों की वोल्टेज रेटिंग के स्केलिंग ने 1983 में वाणिज्यिक उपकरणों की शुरूआत की अनुमति दी,^[20] जिसका उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है। GE के उपकरण, IGT D94FQ/FR4, की विद्युत विशेषताओं को मार्विन डब्ल्यू स्मिथ द्वारा पीसीआई अप्रैल 1984 की कार्यवाही में विस्तार से बताया गया था।^[21] मार्विन डब्ल्यू स्मिथ ने कार्यवाही के चित्र 12 में दिखाया कि 5kOhm के गेट प्रतिरोध के लिए 10 एम्पीयर से ऊपर और 1kOhm के गेट प्रतिरोध के लिए 5 एम्पीयर से ऊपर का टर्न-ऑफ सुरक्षित ऑपरेटिंग क्षेत्र को स्विच करके सीमित था, हालांकि IGT D94FQ/FR4 40 एम्पीयर के संग्राहक धारा का संचालन करने में सक्षम था। मार्विन डब्ल्यू स्मिथ ने यह भी कहा कि स्विचिंग सेफ ऑपरेटिंग एरिया परजीवी थाइरिस्टर (पैरासिटिक थाइरिस्टर) के धारा सीमा द्वारा सीमित था।

परजीवी थाइरिस्टर (पैरासिटिक थाइरिस्टर) कार्रवाई का पूर्ण दमन और पूरे उपकरण ऑपरेशन रेंज के लिए परिणामी नॉन-लच-अप IGBT ऑपरेशन 1984 मे ए नाकागावा और अन्य द्वारा हासिल किया गया था।^[13] नॉन-लैच -अप डिजाइन अवधारणा अमेरिकी पेटेंट के लिए दायर की गई थी।^[22]धारा सीमा की कमी का परीक्षण करने के लिए, प्रोटोटाइप 1200 वी (V) IGBT 600 वी (V) निरंतर वोल्टेज स्रोत में बिना किसी भार के सीधे जुड़े हुए थे और 25 माइक्रोसेकंड के लिए स्विच किए गए थे। पूरे 600 V को पूरे उपकरण में गिरा दिया गया और एक बड़ा शॉर्ट सर्किट करंट प्रवाहित हुआ था। उपकरणों ने इस गंभीर स्थिति का सफलतापूर्वक सामना किया था। IGBT में तथाकथित "शॉर्ट-सर्किट-सहनशीलता-क्षमता" का यह पहला प्रदर्शन था। पहली बार पूरे उपकरण ऑपरेशन रेंज के लिए शॉर्ट-सर्किट-सहन-क्षमता (शार्ट -सर्किट -विट्स्टैंडिंग -कपाबिलिटी) ऑपरेशन सुनिश्चित किया गया था। इस अर्थ में, हंस डब्ल्यू. बेके और कार्ल एफ. व्हीटली द्वारा प्रस्तावित नॉन-लैच -अप आईजीबीटी (IGBT) को 1984 में ए. नाकागावा और अन्य द्वारा महसूस किया गया था। नॉन-धारा सीमा IGBT के उत्पादों का पहली बार 1985 में तोशिबा द्वारा व्यावसायीकरण किया गया था। यह वर्तमान IGBT का वास्तविक जन्म था।

जब IGBT में नॉन-लच-अप क्षमता हासिल कर ली गई, तो यह पाया गया कि IGBT ने बहुत बीहड़ और एक बहुत बड़े सुरक्षित संचालन क्षेत्र का प्रदर्शन किया था। यह प्रदर्शित किया गया था कि ऑपरेटिंग वर्तमान घनत्व और कलेक्टर वोल्टेज का उत्पाद द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर, 2 × 10⁵ W/cm ² की सैद्धांतिक सीमा से अधिक हो गया, और 5 × 10⁵ W/cm² तक पहुंच गया था।

इंसुलेटिंग सामग्री आमतौर पर ठोस पॉलिमर से बनी होती है जिसमें गिरावट की समस्या होती है। ऐसे विकास हैं जो निर्माण में सुधार और आवश्यक वोल्टेज को कम करने के लिए आयन जेल का उपयोग करते हैं।^[23]

1980 और 1990 के दशक की पहली पीढ़ी के IGBT लैचअप (जिसमें उपकरण तब तक बंद नहीं होगा जब तक करंट प्रवाहित नहीं होगा) और सेकेंडरी ब्रेकडाउन (जिसमें उपकरण में एक स्थानीय हॉटस्पॉट जाता है) जैसे प्रभावों के माध्यम से विफलता की संभावना थी। तापीय स्खलन (थर्मल रनअवे) और उच्च धाराओं में उपकरण को जला देता है)। दूसरी पीढ़ी के उपकरणों में काफी सुधार हुआ था। वर्तमान तीसरी पीढ़ी के IGBT गति प्रतिद्वंद्वी शक्ति MOSFET, और उत्कृष्ट कठोरता और ओवरलोड की सहनशीलता के साथ और भी बेहतर हैं।^[15]दूसरी और तीसरी पीढ़ी के उपकरणों की अत्यधिक उच्च पल्स रेटिंग भी उन्हें कण और प्लाज्मा भौतिकी सहित क्षेत्रों में बड़ी शक्ति दालों को उत्पन्न करने के लिए उपयोगी बनाती है, जहां वे पुराने उपकरणों जैसे कि थायराट्रॉन और ट्रिगर स्पार्क गैप को सुपरसीड करना शुरू कर रहे हैं। उच्च पल्स रेटिंग और अधिशेष बाजार पर कम कीमतें भी उन्हें उच्च-वोल्टेज शौकियों के लिए आकर्षक बनाती हैं, जो सॉलिड-स्टेट टेस्ला कॉइल और कॉइलगन जैसे उपकरणों को चलाने के लिए बड़ी मात्रा में बिजली को नियंत्रित करते हैं।

पेटेंट मुद्दे

1978 में जे डी प्लमर द्वारा प्रस्तावित उपकरण (यूएस पेटेंट रे.33209) MOS गेट के साथ थाइरिस्टर के समान संरचना है। प्लमर ने खोजा और प्रस्तावित किया कि उपकरण को ट्रांजिस्टर के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, हालांकि उपकरण उच्च वर्तमान घनत्व स्तर में थाइरिस्टर के रूप में कार्य करता है।^[24] जे डी प्लमर द्वारा प्रस्तावित उपकरण को यहां "प्लमर उपकरण" के रूप में संदर्भित किया गया है। दूसरी ओर, हंस डब्ल्यू. बेके ने 1980 में अन्य उपकरण का प्रस्ताव रखा, जिसमें किसी भी उपकरण के संचालन की परिस्थितियों में थाइरिस्टर क्रिया को समाप्त कर दिया जाता है, हालांकि मूल उपकरण संरचना वही है जो जे डी प्लमर द्वारा प्रस्तावित है। हंस डब्ल्यू बेके द्वारा विकसित उपकरण को यहां "बेक्स उपकरण" के रूप में संदर्भित किया गया है और यूएस पेटेंट 4364073 में वर्णित है। "प्लमर की उपकरण" और "बेके की उपकरण" के बीच का अंतर यह है कि "प्लमर की उपकरण" में इसकी ऑपरेशन रेंज में थाइरिस्टर एक्शन का तरीका होता है और "बेक्स उपकरण" में कभी भी अपने पूरे ऑपरेशन रेंज में थाइरिस्टर एक्शन का मोड नहीं होता है। यह एक महत्वपूर्ण बिंदु है, क्योंकि थाइरिस्टर क्रिया तथाकथित "लच-अप" के समान है। "लच-अप" घातक उपकरण विफलता का मुख्य कारण है। इस प्रकार, सैद्धांतिक रूप से, "प्लमर का उपकरण" कभी भी एक बीहड़ या मजबूत बिजली उपकरण का एहसास नहीं करता है जिसमें एक बड़ा सुरक्षित संचालन क्षेत्र होता है। बड़े सुरक्षित संचालन क्षेत्र को तभी प्राप्त किया जा सकता है जब "लैच -अप" को पूरी तरह से दबा दिया जाए और पूरे उपकरण ऑपरेशन रेंज में समाप्त कर दिया जाए।^{[citation needed]}हालांकि, बेके के पेटेंट (US patent 4364073) ने वास्तविक उपकरणों को महसूस करने के लिए किसी भी उपाय का खुलासा नहीं किया है।

बेके के पेटेंट के बावजूद बालीगा के पहले के IGBT उपकरण के समान संरचना का वर्णन करने के बावजूद^[3]कई IGBT निर्माताओं ने बेके के पेटेंट के लाइसेंस शुल्क का भुगतान किया है।^[11]तोशिबा ने 1985 में "नॉन-लैच -अप IGBT" का व्यावसायीकरण किया है। स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी ने 1991 में जोर देकर कहा कि तोशिबा के उपकरण ने "प्लमर उपकरण" के US Patent RE33209 का उल्लंघन किया है। तोशिबा ने जवाब दिया कि "नॉन-लैच -अप IGBT" पूरे उपकरण ऑपरेशन रेंज में कभी नहीं लगे और इस तरह "प्लमर के पेटेंट" के US Patent RE33209 का उल्लंघन नहीं किया। नवंबर 1992 के बाद स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी ने कभी कोई प्रतिक्रिया नहीं दी। तोशिबा ने "बेके के पेटेंट" का लाइसेंस खरीदा, लेकिन "प्लमर के उपकरण" के लिए कभी भी किसी लाइसेंस शुल्क का भुगतान नहीं किया। अन्य IGBT निर्माताओं ने भी बेके के पेटेंट के लिए लाइसेंस शुल्क का भुगतान किया है।

अनुप्रयोग

2010 तक, मॉसफेट (MOSFET) पावर के बाद IGBT दूसरा सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला पावर ट्रांजिस्टर है। पावर ट्रांजिस्टर बाजार में IGBT की हिस्सेदारी 27% है, पावर मॉसफेट (MOSFET) (53%) के बाद दूसरे और RF एम्पलीफायर (11%) और बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर (9%) से आगे है।^[25] IGBT का व्यापक रूप से उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, औद्योगिक प्रौद्योगिकी, ऊर्जा क्षेत्र, एयरोस्पेस इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और परिवहन में उपयोग किया जाता है।

लाभ

IGBT द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर की उच्च-वर्तमान और निम्न-संतृप्ति-वोल्टेज क्षमता के साथ पावर MOSFETs की सरल गेट-ड्राइव विशेषताओं को जोड़ती है। IGBT नियंत्रण इनपुट के लिए एक पृथक-गेट FET और एक एकल उपकरण में एक स्विच के रूप में एक द्विध्रुवी पावर ट्रांजिस्टर को जोड़ती है। IGBT का उपयोग मध्यम से उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों जैसे स्विच-मोड बिजली की आपूर्ति, ट्रैक्शन मोटर नियंत्रण और प्रेरण हीटिंग में किया जाता है। बड़े IGBT मॉड्यूल में आम तौर पर समानांतर में कई उपकरण होते हैं और 6500 वी (V) के अवरुद्ध वोल्टेज के साथ सैकड़ों एम्पीयर के क्रम में बहुत अधिक वर्तमान-हैंडलिंग क्षमताएं हो सकती हैं। ये IGBTs सैकड़ों किलोवाट (kW) के भार को नियंत्रित कर सकते हैं।

पावर मॉसफेट (MOSFETs) के साथ तुलना

IGBT उच्च अवरुद्ध वोल्टेज रेटेड उपकरणों में एक पारंपरिक मॉसफेट (MOSFET) की तुलना में काफी कम आगे वोल्टेज ड्रॉप की सुविधा देता है, हालांकि मॉसफेट (MOSFETs) IGBT के आउटपुट BJT में डायोड Vf की अनुपस्थिति के कारण कम वर्तमान घनत्व पर बहुत कम आगे वोल्टेज प्रदर्शित करता है। जैसे-जैसे MOSFET और IGBT दोनों उपकरणों की ब्लॉकिंग वोल्टेज रेटिंग बढ़ती है, n-ड्रिफ्ट क्षेत्र की गहराई में वृद्धि होनी चाहिए और डोपिंग में कमी होनी चाहिए, जिसके परिणामस्वरूप उपकरण की वोल्टेज क्षमता को रोकने के लिए आगे चालन में मोटे तौर पर वर्ग संबंध कम हो जाते हैं। आगे के चालन के दौरान कलेक्टर p+ क्षेत्र से n-ड्रिफ्ट क्षेत्र में अल्पसंख्यक वाहक (छेद) को इंजेक्ट करके, n-ड्रिफ्ट क्षेत्र का प्रतिरोध काफी कम हो जाता है। हालांकि, ऑन-स्टेट फॉरवर्ड वोल्टेज में यह परिणामी कमी कई दंडों के साथ आती है:

अतिरिक्त PN जंक्शन ब्लॉक वर्तमान प्रवाह को उलट देता है। इसका मतलब है कि मॉसफेट (MOSFET) के विपरीत, IGBTs विपरीत दिशा में आचरण नहीं कर सकते है। ब्रिज सर्किट में, जहां रिवर्स करंट फ्लो की जरूरत होती है, एक अतिरिक्त डायोड (जिसे फ्रीव्हीलिंग डायोड कहा जाता है) को विपरीत दिशा में करंट का संचालन करने के लिए IGBT के साथ समानांतर (वास्तव में एंटी-पैरेलल) में रखा जाता है। जुर्माना अत्यधिक गंभीर नहीं है क्योंकि उच्च वोल्टेज पर, जहां IGBT का उपयोग हावी है, असतत डायोड का मॉसफेट (MOSFET) के बॉडी डायोड की तुलना में काफी अधिक प्रदर्शन होता है।
कलेक्टर p + डायोड के लिए N-ड्रिफ्ट क्षेत्र की रिवर्स बायस रेटिंग आमतौर पर केवल दसियों वोल्ट की होती है, इसलिए यदि सर्किट अनुप्रयोग IGBT पर रिवर्स वोल्टेज लागू करता है, तो एक अतिरिक्त श्रृंखला डायोड का उपयोग किया जाना चाहिए।
N-ड्रिफ्ट क्षेत्र में इंजेक्ट किए गए अल्पसंख्यक वाहकों को टर्न-ऑन और टर्न-ऑफ में प्रवेश करने और बाहर निकलने या पुनर्संयोजन में समय लगता है। इसके परिणामस्वरूप लंबे समय तक स्विचिंग समय होता है, और इसलिए पावर मॉसफेट ( MOSFET) की तुलना में उच्च स्विचिंग हानि होती है।
IGBT में ऑन-स्टेट फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप पावर मॉसफेट (MOSFETs) से बहुत अलग व्यवहार करता है। MOSFET वोल्टेज ड्रॉप को एक प्रतिरोध के रूप में तैयार किया जा सकता है, जिसमें वोल्टेज ड्रॉप करंट के समानुपाती होता है। इसके विपरीत, IGBT में डायोड जैसा वोल्टेज ड्रॉप (आमतौर पर 2V के क्रम का) होता है जो केवल करंट के लॉग के साथ बढ़ता है। इसके अतिरिक्त, मॉसफेट प्रतिरोध आमतौर पर छोटे ब्लॉकिंग वोल्टेज के लिए कम होता है, इसलिए IGBTs और पावर मॉसफेट (MOSFETs) के बीच चुनाव किसी विशेष अनुप्रयोग में शामिल ब्लॉकिंग वोल्टेज और करंट दोनों पर निर्भर करता है।

सामान्य तौर पर, उच्च वोल्टेज, उच्च वर्तमान और निम्न स्विचिंग आवृत्तियों IGBT का पक्ष लेते हैं जबकि कम वोल्टेज, मध्यम वर्तमान और उच्च स्विचिंग आवृत्तियों मॉसफेट (MOSFET) के डोमेन हैं।

IGBT मॉडल

IGBTs के साथ सर्किट को विभिन्न सर्किट सिमुलेटिंग कंप्यूटर प्रोग्राम जैसे स्पाइस, सेबर और अन्य कार्यक्रमों के साथ विकसित और मॉडलिंग किया जा सकता है। IGBT सर्किट को अनुकरण करने के लिए, उपकरण (और सर्किट में अन्य उपकरण) में एक मॉडल होना चाहिए जो उनके विद्युत टर्मिनलों पर विभिन्न वोल्टेज और धाराओं के लिए उपकरण की प्रतिक्रिया की भविष्यवाणी या अनुकरण करता है। अधिक सटीक सिमुलेशन के लिए IGBT के विभिन्न हिस्सों पर तापमान के प्रभाव को सिमुलेशन के साथ शामिल किया जा सकता है। मॉडलिंग के दो सामान्य तरीके उपलब्ध हैं: उपकरण भौतिकी-आधारित मॉडल, समकक्ष सर्किट या मैक्रोमॉडल। स्पाइस (SPICE) एक मैक्रोमॉडल का उपयोग करके IGBT का अनुकरण करता है जो डार्लिंगटन कॉन्फ़िगरेशन में FETs और BJTs जैसे घटकों के एक समूह को जोड़ता है।^{[citation needed]} वैकल्पिक भौतिकी-आधारित मॉडल हेफनर मॉडल है, जिसे राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान के एलन हेफनर द्वारा पेश किया गया है। हेफनर का मॉडल काफी जटिल है जिसने बहुत अच्छे परिणाम दिखाए हैं। हेफनर के मॉडल का वर्णन 1988 के एक पेपर में किया गया है और बाद में इसे थर्मो-इलेक्ट्रिकल मॉडल तक बढ़ा दिया गया जिसमें आंतरिक हीटिंग के लिए IGBT की प्रतिक्रिया शामिल है। इस मॉडल को सेबर सिमुलेशन सॉफ्टवेयर के एक संस्करण में जोड़ा गया है।^[26]

IGBT विफलता तंत्र

IGBTs की विफलता तंत्र में अलग-अलग ओवरस्ट्रेस (O और वियरआउट (wo) शामिल हैं।

हनने की विफलताओं में मुख्य रूप से पूर्वाग्रह तापमान अस्थिरता (बायस टेम्परेचर इंस्ताबिलिटी) (BTI), गर्म वाहक इंजेक्शन (हॉट कर्रिएर इंजेक्शन) (एचसीआई/HCI), समय-निर्भर ढांकता हुआ ब्रेकडाउन (टाइम -डिपेंडेंट डिएलेक्ट्रिक ब्रेकडाउन) (TDDB), इलेक्ट्रोमाइग्रेशन (ECM), सोल्डर थकान, सामग्री पुनर्निर्माण, संक्षारण (करोसिऑन) शामिल हैं। ओवरस्ट्रेस विफलता में मुख्य रूप से इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज (ECD), धारा सीमा, हिमस्खलन, सेकेंडरी ब्रेकडाउन, वायर-बॉन्ड लिफ्टऑफ और बर्नआउट शामिल हैं।

IGBT मॉड्यूल

IGBT मॉड्यूल (IGBT और फ्रीव्हीलिंग डायोड) 1200A के रेटेड वर्तमान और 3300 V के अधिकतम वोल्टेज के साथ
400 A 600 V . के लिए रेटेड चार IGBT (H-ब्रिज का आधा) के साथ IGBT मॉड्यूल खोला गया
Infineon IGBT मॉड्यूल 450 A 1200 V . के लिए रेट किया गया
छोटा IGBT मॉड्यूल, 30 A तक रेट किया गया, 900 V . तक
मित्सुबिशी इलेक्ट्रिक CM600DU-24NFH IGBT मॉड्यूल के अंदर का विवरण 600 A 1200 V के लिए रेट किया गया है, जिसमें IGBT डाई और फ़्रीव्हीलिंग डायोड दिखा रहा है

यह भी देखें

द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर
बूटस्ट्रैपिंग
वर्तमान इंजेक्शन तकनीक
फ्लोटिंग-गेट मॉसफेट (MOSFET)
मॉसफेट (MOSFET)
बिजली के इलेक्ट्रॉनिक्स
पावर मॉसफेट (MOSFET)
पावर अर्धचालक उपकरण
सौर (सोलर) इन्वर्टर

संदर्भ

↑ Basic Electronics Tutorials.
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अग्रिम पठन

Wintrich, Arendt; Nicolai, Ulrich; Tursky, Werner; Reimann, Tobias (2015). Semikron (ed.). Application Manual Power Semiconductors (PDF-Version) (2nd Revised ed.). Germany: ISLE Verlag. ISBN 978-3-938843-83-3. Retrieved 2019-02-17.

बाहरी संबंध

[1] Basic Electronics Tutorials.

[2] Majumdar, Gourab; Takata, Ikunori (2018). Power Devices for Efficient Energy Conversion. CRC Press. pp. 144, 284, 318. ISBN 9781351262316.

[Baliga-3] 3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 Baliga, B. Jayant (2015). The IGBT Device: Physics, Design and Applications of the Insulated Gate Bipolar Transistor. William Andrew. pp. xxviii, 5–12. ISBN 9781455731534.

[4] Baliga, B. Jayant (1979). "Enhancement- and depletion-mode vertical-channel m.o.s. gated thyristors". Electronics Letters. 15 (20): 645–647. Bibcode:1979ElL....15..645J. doi:10.1049/el:19790459. ISSN 0013-5194.

[powerelectronics-5] "Advances in Discrete Semiconductors March On". Power Electronics Technology. Informa: 52–6. September 2005. Archived (PDF) from the original on 22 March 2006. Retrieved 31 July 2019.

[J._Baliga,_pp._452–454-6] Baliga, B.J. (1983). "Fast-switching insulated gate transistors". IEEE Electron Device Letters. 4 (12): 452–454. Bibcode:1983IEDL....4..452B. doi:10.1109/EDL.1983.25799. S2CID 40454892.

[COMFET-7] 7.0 ^7.1 Russell, J.P.; Goodman, A.M.; Goodman, L.A.; Neilson, J.M. (1983). "The COMFET—A new high conductance MOS-gated device". IEEE Electron Device Letters. 4 (3): 63–65. Bibcode:1983IEDL....4...63R. doi:10.1109/EDL.1983.25649. S2CID 37850113.

[8] Nakagawa, Akio; Ohashi, Hiromichi; Tsukakoshi, Tsuneo (1984). "High Voltage Bipolar-Mode MOSFET with High Current Capability". Extended Abstracts of the 1984 International Conference on Solid State Devices and Materials. doi:10.7567/SSDM.1984.B-6-2.

[9] Scharf, B.; Plummer, J. (1978). A MOS-controlled triac device. 1978 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. Vol. XXI. pp. 222–223. doi:10.1109/ISSCC.1978.1155837. S2CID 11665546.

[10] B1 Re33209 is attached in the pdf file of Re 33209.

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[12] "C. Frank Wheatley, Jr., BSEE". Innovation Hall of Fame at A. James Clark School of Engineering.

[Nakagawa_Ohashi_Kurata_et_al_1984-13] 13.0 ^13.1 Nakagawa, A.; Ohashi, H.; Kurata, M.; Yamaguchi, H.; Watanabe, K. (1984). "Non-latch-up 1200V 75A bipolar-mode MOSFET with large ASO". 1984 International Electron Devices Meeting. pp. 860–861. doi:10.1109/IEDM.1984.190866. S2CID 12136665.

[14] A. Nakagawa, H. Ohashi, Y. Yamaguchi, K. Watanabe and T. Thukakoshi, "Conductivity modulated MOSFET" US Patent No. 6025622 (Feb. 15, 2000), No. 5086323 (Feb. 4, 1992) and No. 4672407 (Jun. 9, 1987).

[A.Nakagawa_1987-15] 15.0 ^15.1 Nakagawa, A.; Yamaguchi, Y.; Watanabe, K.; Ohashi, H. (1987). "Safe operating area for 1200-V nonlatchup bipolar-mode MOSFET's". IEEE Transactions on Electron Devices. 34 (2): 351–355. Bibcode:1987ITED...34..351N. doi:10.1109/T-ED.1987.22929. S2CID 25472355.

[16] Shenai, K. (2015). "The Invention and Demonstration of the IGBT [A Look Back]". IEEE Power Electronics Magazine. 2 (2): 12–16. doi:10.1109/MPEL.2015.2421751. ISSN 2329-9207. S2CID 37855728.

[NIHF-17] "NIHF Inductee Bantval Jayant Baliga Invented IGBT Technology". National Inventors Hall of Fame. Retrieved 17 August 2019.

[18] Goodman, A.M.; Russell, J.P.; Goodman, L.A.; Nuese, C.J.; Neilson, J.M. (1983). "Improved COMFETs with fast switching speed and high-current capability". 1983 International Electron Devices Meeting. pp. 79–82. doi:10.1109/IEDM.1983.190445. S2CID 2210870.

[19] Baliga, B.Jayant (1985). "Temperature behavior of insulated gate transistor characteristics". Solid-State Electronics. 28 (3): 289–297. Bibcode:1985SSEle..28..289B. doi:10.1016/0038-1101(85)90009-7.

[20] Product of the Year Award: "Insulated Gate Transistor", General Electric Company, Electronics Products, 1983.

[21] Marvin W. Smith, "APPLICATIONS OF INSULATED GATE TRANSISTORS" PCI April 1984 PROCEEDINGS, pp. 121-131, 1984 (Archived PDF [1])

[22] A.Nakagawa, H. Ohashi, Y. Yamaguchi, K. Watanabe and T. Thukakoshi, "Conductivity modulated MOSFET" US Patent No.6025622(Feb.15, 2000), No.5086323 (Feb.4, 1992) and No.4672407(Jun.9, 1987)

[23] "Ion Gel as a Gate Insulator in Field Effect Transistors". Archived from the original on 2011-11-14.

[24] Scharf, B.; Plummer, J. (1978). "A MOS-controlled triac device". 1978 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. pp. 222–223. doi:10.1109/ISSCC.1978.1155837. S2CID 11665546.

[25] "Power Transistor Market Will Cross $13.0 Billion in 2011". IC Insights. June 21, 2011. Retrieved 15 October 2019.

[26] Hefner, A.R.; Diebolt, D.M. (September 1994). "An experimentally verified IGBT model implemented in the Saber circuit simulator". IEEE Transactions on Power Electronics. 9 (5): 532–542. Bibcode:1994ITPE....9..532H. doi:10.1109/63.321038. S2CID 53487037.

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 बेके के पेटेंट के बावजूद बालीगा के पहले के IGBT उपकरण के समान संरचना का वर्णन करने के बावजूद<ref name="Baliga"/>कई IGBT निर्माताओं ने बेके के पेटेंट के लाइसेंस शुल्क का भुगतान किया है।<ref name="U. S. Patent No. 4,364,073"/>तोशिबा ने 1985 में "नॉन-लैच -अप IGBT" का व्यावसायीकरण किया है। स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी ने 1991 में जोर देकर कहा कि तोशिबा के उपकरण ने "प्लमर उपकरण" के US Patent RE33209 का उल्लंघन किया है। तोशिबा ने जवाब दिया कि "नॉन-लैच -अप IGBT" पूरे उपकरण ऑपरेशन रेंज में कभी नहीं लगे और इस तरह "प्लमर के पेटेंट" के US Patent RE33209 का उल्लंघन नहीं किया। नवंबर 1992 के बाद स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी ने कभी कोई प्रतिक्रिया नहीं दी। तोशिबा ने "बेके के पेटेंट" का लाइसेंस खरीदा, लेकिन "प्लमर के उपकरण" के लिए कभी भी किसी लाइसेंस शुल्क का भुगतान नहीं किया। अन्य IGBT निर्माताओं ने भी बेके के पेटेंट के लिए लाइसेंस शुल्क का भुगतान किया है।
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