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絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT ）は、主に電子スイッチを形成する3端子パワー半導体デバイスです。高効率と高速スイッチングを両立させるために開発されました。金属酸化物半導体（MOS）ゲート構造によって制御される4つの交互層（NPNP） [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]で構成されています。
IGBTの構造はトポロジー的には「 MOS 」ゲートを持つサイリスタ（MOSゲートサイリスタ）に似ていますが、サイリスタの動作は完全に抑制され、デバイスの動作範囲全体でトランジスタの動作のみが許可されます。高出力用途のスイッチング電源に使用され、列車のモータ制御用可変周波数駆動装置（VFD）、電気自動車、可変速冷蔵庫やエアコン、ランプバラスト、アーク溶接機、太陽光発電およびハイブリッドインバータ、無停電電源装置（UPS）、誘導加熱ストーブなどに用いられます。
IGBTは高速オン/オフ動作をするように設計されているため、パルス幅変調とローパスフィルタを用いて複雑な波形を合成することができ、音響システムや産業用制御システムのスイッチングアンプにも使用されています。スイッチング用途では、最新のデバイスは超音波帯域の周波数までパルス繰り返し周波数が高く、これはアナログオーディオアンプとして使用した場合にデバイスが処理するオーディオ周波数の少なくとも10倍です。2010年現在IGBTは、パワーMOSFETに次いで2番目に広く使用されているパワートランジスタです。
IGBTセルは、n+ドレインがp+コレクタ層に置き換えられている点を除いて、nチャネル垂直構造パワーMOSFETと同様の構造で、垂直PNPバイポーラ接合トランジスタを形成します。この追加のp+領域により、PNPバイポーラ接合トランジスタと表面nチャネルMOSFETのカスケード接続が実現されます。構造全体は4層のNPNPで構成されています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
バイポーラ点接触トランジスタは、1947年12月にベル電話研究所でウィリアム・ショックレーの指導の下、ジョン・バーディーンとウォルター・ブラッテンによって発明されました[ 6 ]。接合型バージョンは、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）として知られ、1948年にショックレーによって発明されました[ 7 ]。その後、同様のサイリスタが1950年にウィリアム・ショックレーによって提案され、1956年にゼネラル・エレクトリック（GE）の電力技術者によって開発されました。金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）は、その後1959年から1960年の間にベル研究所で発明されました[ 8 ] [ 9 ]。
pnpトランジスタをMOSFETで駆動するIGBTの基本的な動作モードは、三菱電機の山上 和也と赤霧義雄によって1968年に出願された日本特許S47-21739で初めて提案された。 [ 10 ]
1978年、J. D. PlummerとB. Scharfは、電力制御とスイッチングのためにMOSとバイポーラ機能を組み合わせたNPNPトランジスタデバイスの特許を取得しました。[ 11 ] [ 12 ] IGBTの開発は、ラッチアップがデバイスの致命的な自己破壊を引き起こすため、4層デバイスにおけるサイリスタ動作、つまりラッチアップを完全に抑制する努力によって特徴付けられました。寄生サイリスタのラッチアップの完全な抑制が達成されたとき、IGBTは確立されました。その後、Hans W. BeckeとCarl F. Wheatleyは、ラッチアップがないと主張する同様のデバイスを開発しました。彼らは1980年にこのデバイスの特許を取得し、「デバイスの動作条件に関係なくサイリスタ動作が発生しないアノード領域を備えたパワーMOSFET」と呼んでいます。[ 13 ] [ 14 ]
A. Nakagawa らは 1984 年にラッチアップしない IGBT のデバイス設計コンセプトを発明した。[ 15 ] [ 16 ]この発明の特徴は、デバイスの飽和電流を、寄生サイリスタをトリガーするラッチアップ電流よりも低く設定するデバイス設計にある。この発明は、最大コレクタ電流が飽和電流によって制限され、ラッチアップ電流を超えることがなかったため、寄生サイリスタの動作を初めて完全に抑制することに成功した。
IGBTの開発初期段階では、寄生サイリスタのラッチアップを抑制するために、ラッチアップ電流自体を増加させる研究が行われていました。しかし、IGBTは非常に大きな電流を流すことができるため、これらの試みはすべて失敗に終わりました。ラッチアップの抑制に成功したのは、内蔵MOSFETの飽和電流を制御または低減することで、最大コレクタ電流をラッチアップ電流以下に抑えることでした。これがラッチアップのないIGBTの画期的な進歩であり、ひいては「ベッケのデバイス」の実現を可能にしたのです。
IGBTは、高電圧と大電流を同時に処理できるという特徴を持つ。IGBTが処理できる電圧と電流密度の積は5 × 10を超える。5 W/cm 2、 [ 17 ] [ 18 ]は、2 × 10という値をはるかに超えていました。5 W/cm 2は、バイポーラトランジスタやパワー MOSFET などの既存のパワー デバイスよりも優れています。これは、 IGBT の安全動作領域が大きいことによるものです。IGBT は、これまでに開発されたパワー デバイスの中で最も堅牢で強力なデバイスであり、使いやすさからバイポーラトランジスタやゲート ターン オフ サイリスタ(GTO) さえも置き換えています。IGBT のこの優れた特徴は、デバイスの破壊や故障の主な原因であるいわゆる「ラッチアップ」の問題を解決して、1984 年に非ラッチアップ IGBT が確立されたときに突然現れました。それ以前に開発されたデバイスは非常に弱く、「ラッチアップ」によって簡単に破壊されていました。
広範囲の電流で動作可能な実用的なデバイスは、 1982 年にB. Jayant Baligaらによって初めて報告されました。[ 19 ]実用的なディスクリート垂直 IGBT デバイスの最初の実験的実証は、その年のIEEE 国際電子デバイス会議(IEDM) で Baliga によって報告されました。[ 20 ] [ 19 ]ゼネラル エレクトリックは、同年、Baliga の IGBT デバイスを商品化しました。[ 21 ] Baliga は、IGBT の発明により、全米発明家殿堂入りを果たしました。 [ 22 ]
同様の論文は、1982 年に JP Russel らによって IEEE Electron Device Letter にも投稿されました。[ 23 ]当初、このデバイスの用途は、デバイスに固有の寄生サイリスタ構造の遅いスイッチング速度とラッチアップによって、パワーエレクトロニクス コミュニティによって著しく制限されていると考えられていました。しかし、1983 年に Baliga と A. M. Goodman らによって、電子線照射 を使用することでスイッチング速度を広範囲にわたって調整できることが実証されました。[ 24 ] [ 25 ]これに続いて、1985 年に Baliga によって高温でのデバイスの動作が実証されました。[ 26 ] GE での寄生サイリスタのラッチアップの抑制とデバイスの電圧定格のスケーリングの取り組みが成功したことにより、1983 年に商用デバイスが導入され、さまざまな用途に使用できるようになりました。[ 27 ] GEのデバイスIGT D94FQ/FR4の電気的特性は、 Marvin W. Smithによって1984年4月のPCIの議事録で詳細に報告された。 [ 28 ] Smithは、議事録の図12で、 IGT D94FQ/ FR4は40アンペアのコレクタ電流を流すことができるにもかかわらず、ゲート抵抗が5 kΩの場合は10アンペア以上、ゲート抵抗が1 kΩの場合は5アンペア以上のターンオフはスイッチング安全動作領域によって制限されることを示した。Smithはまた、スイッチング安全動作領域は寄生サイリスタのラッチアップによって制限されると述べた。
寄生サイリスタ動作の完全な抑制と、デバイス動作範囲全体にわたる非ラッチアップIGBT動作は、 1984年にA. Nakagawaらによって達成された。[ 15 ]非ラッチアップ設計コンセプトは米国特許に出願された。[ 29 ]ラッチアップがないことをテストするために、試作1200V IGBTは負荷なしで600V 定電圧源に直接接続され、25 マイクロ秒間オンにされた。 デバイス全体に600Vの電圧が降下し、大きな短絡電流が流れた。デバイスはこの厳しい条件に耐えた。これは、IGBTにおけるいわゆる「短絡耐性」の最初の実証であった。デバイス動作範囲全体にわたって非ラッチアップIGBT動作が初めて保証された。[ 18 ] この意味で、ハンス・W・ベッケとカール・F・ ウィートリーによって提案されたラッチアップしないIGBTは、 1984年に中川らによって実現されました。ラッチアップしないIGBTの製品は、1985年に東芝 によって初めて商品化されました。これが現在のIGBTの真の誕生です。
IGBTにおいてラッチアップ防止機能が実現されると、IGBTは非常に堅牢で、非常に広い安全動作領域を示すことがわかった。動作電流密度とコレクタ電圧の積がバイポーラトランジスタの理論限界である2 × 10を超えることが実証された。5 W/cm 2に達し、5 × 10に達した。5 W/cm 2。 [ 17 ] [ 18 ]
絶縁材料は通常、劣化の問題がある固体ポリマーでできています。製造を改善し、必要な電圧を下げるためにイオンゲルを使用する開発が進められています。 [ 30 ]
1980年代から1990年代初頭にかけての第一世代IGBTは、ラッチアップ（電流が流れている限りデバイスがオフにならない）や二次破壊（デバイス内の局所的なホットスポットが熱暴走を起こし、大電流でデバイスが焼損する）などの現象により故障しやすいという問題がありました。第二世代のデバイスは大幅に改善されました。現在の第三世代IGBTはさらに優れており、パワーMOSFETに匹敵する速度と優れた堅牢性、過負荷耐性を備えています。[ 17 ]第二世代および第三世代のデバイスの極めて高いパルス定格は、粒子物理学やプラズマ物理学などの分野で大きな電力パルスを生成するのにも役立ち、サイラトロンやトリガースパークギャップなどの古いデバイスに取って代わり始めています。高いパルス定格と余剰市場での低価格は、固体テスラコイルやコイルガンなどのデバイスを駆動するための大量の電力を制御する高電圧愛好家にとっても魅力的です。
2010年現在IGBTは、パワーMOSFETに次いで2番目に広く使用されているパワートランジスタです。IGBTはパワートランジスタ市場の27%を占め、パワーMOSFET（53%）に次いで2番目に大きく、RFアンプ（11%）やバイポーラ接合トランジスタ（9%）を上回っています。[ 31 ] IGBTは、民生用電子機器、産業技術、エネルギー分野、航空宇宙電子機器、輸送機器などで広く使用されています。
IGBTは、パワーMOSFETのシンプルなゲート駆動特性と、バイポーラトランジスタの高電流・低飽和電圧特性を兼ね備えています。IGBTは、制御入力用の絶縁ゲートFETとスイッチとしてのバイポーラパワートランジスタを1つのデバイスに統合しています。IGBTは、スイッチング電源、牽引モータ制御、誘導加熱などの中～高出力アプリケーションで使用されます。大型のIGBTモジュールは通常、多数のデバイスを並列接続して構成され、 6500Vの阻止電圧で数百アンペアの非常に高い電流処理能力を実現できます。これらのIGBTは、数百キロワットの負荷を制御できます。
IGBTは、耐圧定格の高いデバイスでは従来のMOSFETに比べて順方向電圧降下が著しく低いという特徴がありますが、MOSFETはIGBTの出力BJTにダイオードVfがないため、低電流密度では順方向電圧がはるかに低くなります。MOSFETとIGBTの両方の耐圧定格が増加すると、nドリフト領域の深さが増加し、ドーピング濃度が減少する必要があり、その結果、デバイスの耐圧能力に対する順方向導通はほぼ二乗の関係で減少します。順方向導通中にコレクタp+領域からnドリフト領域に少数キャリア（正孔）を注入することで、nドリフト領域の抵抗が大幅に減少します。しかし、この結果として生じるオン状態の順方向電圧の低下には、いくつかのデメリットがあります。
一般的に、高電圧、高電流、低周波数はIGBTに有利であり、低電圧、中電流、高スイッチング周波数はMOSFETの得意分野である。
IGBT を含む回路は、 SPICE、Saberなどのさまざまな回路シミュレーションコンピュータ プログラムを使用して開発およびモデル化できます。IGBT 回路をシミュレーションするには、デバイス (および回路内の他のデバイス) に、電気端子のさまざまな電圧と電流に対するデバイスの応答を予測またはシミュレートするモデルが必要です。より正確なシミュレーションのために、IGBT のさまざまな部分に対する温度の影響をシミュレーションに含めることができます。モデリングには、デバイスの物理ベース モデル、等価回路またはマクロ モデルという 2 つの一般的な方法があります。SPICEは、 FETやBJTなどのコンポーネントの集合をダーリントン構成で組み合わせたマクロ モデルを使用して IGBT をシミュレートします。別の物理ベース モデルは、米国国立標準技術研究所の Allen Hefner によって導入された Hefner モデルです。Hefner モデルはかなり複雑ですが、良好な結果を示しています。ヘフナーのモデルは1988年の論文で説明されており、後にIGBTの内部発熱に対する応答を含む熱電モデルに拡張されました。このモデルはSaberシミュレーションソフトウェアのバージョンに追加されています。[ 32 ]
IGBTの故障メカニズムには、過負荷（O）と摩耗（wo）がそれぞれ別個に含まれる。
摩耗による故障の主な原因としては、バイアス温度不安定性（BTI）、ホットキャリア注入（HCI）、時間依存誘電破壊（TDDB）、エレクトロマイグレーション（ECM）、はんだ疲労、材料再構成、腐食などが挙げられる。過負荷による故障の主な原因としては、静電放電（ESD）、ラッチアップ、アバランシェ、二次破壊、ワイヤボンド剥離、焼損などが挙げられる。[ 33 ]
IGBT の故障評価は、輸送、通信、コンピュータなど、IGBT が広く使用されているいくつかのアプリケーションで、予測保全の関心を集めているトピックとなっています。物理的および統計的な観点から問題の性質が難しいため、特に困難です。故障の物理学は、IGBT にうまく一般化できることがまだ証明されていませんが、データ駆動型モデルでは、IGBT の故障に関する高品質のデータが必要ですが、これは入手するのに費用がかかることがよくあります。これらの課題を考慮して、最先端の故障評価モデルのほとんどは、故障の物理学とデータ駆動型モデルを組み合わせたハイブリッドアプローチを使用しています。[ 34 ] [ 35 ]
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