Fisica dell' IGBT
Il funzionamento
dell'IGBT è fortemente influenzato dalla struttura fisica. La diversità
di drogaggio nella base da origine a differenti fenomeni fisici. Nella
regione a basso drogaggio, sulla quale si suppone cada tutta la tensione
di uscita, durante il funzionamento del dispositivo si instaura un
regime di alto livello di iniezione, ovvero le cariche iniettate sono in
concentrazione maggiore rispetto alla concentrazione intrinseca. Inoltre
le variazioni della tensione di uscita danno origine a una variazione
dello svuotamento della zona LDB che è definito dalla relazione:
(7)
La
zona neutra di base avrà un ampiezza W
effettiva pari a:
(8)
E'
stato dimostrato che la variazione temporale della W
in funzione della Vbc è data
dalla relazione:
(9)
Poiché la
variazione della W avviene in
tempi paragonabili al tempo di transito delle cariche in base, le
condizioni al contorno necessarie per la risoluzione
dell'equazione differenziale che permette di conoscere la
concentrazione delle cariche in base, variano velocemente.
Questo fenomeno, assieme alla condizione di alto livello di
iniezione comporta un complicazione nello studio della concentrazione in
base che non può essere fatta con una analisi del tipo quasi _statica (QS)
ma richiede una analisi detta non quasi statica ( NQS).
Nella regione (HDB),
poiché l'alto livello di drogaggio determina un regime di basso livello
di iniezione e un inconsiderabile svuotamento, si può utilizzare un
analisi QS. La variazione dello
svuotamento Wbc comporta una
ridistribuzione della carica totale di base nelle due zone. Questa
ridistribuzione influisce fortemente nel comportamento dinamico del
dispositivo in quanto influisce sulla coda di corrente e sulla tensione
di uscita. Le due zone, per il
fatto che sono strutturalmente diverse, presentano tempi di vita
differenti per le cariche minoritarie. In particolare la zona HDB
presenta una tempo di vita TH molto più basso rispetto a quello TL
della regione LDB. Questa diversità dei tempi di vita comporta una
dipendenza del tempo di coda dalla tensione di clamping.
In particolare, durante la commutazione di spegnimento (turn
off), la tensione Vbc cresce
dal valore di saturazione a quello di clamping fissato provocando lo
svuotamento della zona LDB. Parte della carica presente in tale zona
prima della commutazione viene spostata nella regione HDB.
In Fig. 6 viene
mostrata la concentrazione delle cariche nelle due diverse zone prima e
dopo la commutazione.
Fig.
6 Distribuzione carica in base: a) prima turn off ; b) dopo variazione
di Vce.
Come si vede nella
Fig. 6, dopo la commutazione della tensione Vce
la quantità di carica nella zona LDB è diminuita mentre quella nella
zona HDB è aumentata. Ciò spiega come il tempo di coda dipenda dalla
tensione di clamping. Infatti, per valori crescenti di Vclamp,
la quantità di cariche in HDB è sempre più grande mentre diminuisce
quella in LDB. Poiché le cariche in HDB si ricombinano più velocemente
che nella LDB ed essendo le cariche in concentrazione maggiore in HDB
allora la ricombinazione della carica totale di base durante il tempo di
coda è dominata dalla ricombinazione veloce delle cariche nella zona ad
alto drogaggio. Viceversa, per valori bassi di Vclamp, la quantità di
cariche spostate dalla zona LDB è piccola per cui le cariche saranno in
concentrazione maggiore nella zona LDB. Ciò comporta che la
ricombinazione della carica totale in base è dominata dalla
ricombinazione lenta della zona LDB.
Fig.
7 Dipendenza di teff
dalla tensione di clamping.
L'influenza della
ridistribuzione della carica sulla tensione di uscita può essere vista
come l'influenza di una capacità posta in uscita indicata con Cer la quale dipende dalla carica immagazzinata in base prima della
commutazione. La capacità Cer
interviene durante la ridistribuzione delle cariche limitando la
pendenza della tensione di uscita come un circuito snubber_capacitivo a
capacità variabile. Quando la ridistribuzione si esaurisce la Cer
non influisce sulla pendenza della tensione che può evolvere molto
velocemente senza limitazione.