IGBT & SBD / JBS Diode:
IGBT & SBD / JBS Diode
01 บทนำ: Igbt คืออะไร
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) คืออุปกรณ์สารกึ่งตัวนำแบบผสมที่รวมเอาคุณสมบัติเด่นของ MOSFET ในด้านอินพุตที่มีความต้านทานสูง (Voltage-controlled) และ Bipolar Junction Transistor (BJT) ในด้านความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าสูงและแรงดันพังทลาย (Breakdown voltage) ที่ดีเยี่ยม
ในฐานะ Power Semiconductor Engineer, การเข้าใจ IGBT เป็นก้าวสำคัญใน Stage 02 ของ Roadmap เนื่องจากเป็นหัวใจหลักของระบบแปลงพลังงานไฟฟ้า (Power Conversion) เช่น Inverters ในรถยนต์ไฟฟ้า (EV), ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์อุตสาหกรรม (VFD), และโครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะ ความท้าทายหลักอยู่ที่การปรับสมดุลระหว่าง Vce(sat) (แรงดันตกคร่อมขณะนำกระแส) และ Eoff (พลังงานสูญเสียขณะปิดเครื่อง) เพื่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงสุด
IGBT structure (NPT/PT/FS) — Vce(sat) vs switching tradeoff; SiC MOSFET (planar/trench DMOS) — Rds(on), body diode issue; GaN HEMT — 2DEG, AlGaN/GaN, E-mode (p-GaN gate / cascode); SBD / JBS diode
Tools: TCAD (Sentaurus), Cadence Spectre power model simulation
Related: Power Semiconductor Devices · SiC MOSFET — Planar & Trench · GaN HEMT & E-mode GaN
Path: Power Semiconductor Engineer
02 หลักการพื้นฐาน
หลักการทำงานของ IGBT อาศัยการฉีดพาหะส่วนน้อย (Minority Carrier Injection) เข้าไปในชั้น Drift region เพื่อลดความต้านทานในขณะที่อุปกรณ์อยู่ในสภาวะ ON ซึ่งเรียกว่า Conductivity Modulation สมการพื้นฐานที่อธิบายกระแส Collector คือ $I_C = I_{FET} (1 + \beta_{PNP})$ โดยที่ $\beta_{PNP}$ คืออัตราขยายของโครงสร้าง PNP ภายในตัว IGBT
ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน $V_{ce(sat)}$ และความเร็วในการสวิตชิ่งเป็น Tradeoff สำคัญ หากออกแบบชั้น Drift ให้หนาและมีความต้านทานต่ำ จะช่วยลด $V_{ce(sat)}$ แต่จะทำให้เกิด Tail Current ขณะปิดสวิตช์เนื่องจากการคายประจุของพาหะส่วนน้อยที่สะสมอยู่ ทำให้เกิดความร้อนสะสมภายในตัวอุปกรณ์
03 วิธีการและเทคนิค
กระบวนการผลิต IGBT พัฒนาผ่านโครงสร้างหลัก 3 รูปแบบ: NPT (Non-Punch Through), PT (Punch Through), และ FS (Field Stop) ปัจจุบันเทคโนโลยี FS-IGBT ได้รับความนิยมสูงสุดในอุตสาหกรรม โดยใช้ชั้น Buffer layer ที่มีความเข้มข้นสารเจือปนสูง (N+) ก่อนถึงชั้น Collector เพื่อจำกัดขอบเขตของ Depletion region
ขั้นตอนการผลิตเริ่มจากการเตรียมเวเฟอร์แบบ P+ substrate (สำหรับ PT/FS) หรือ N- substrate (สำหรับ NPT) ตามด้วยการทำ Trench gate เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของกระแส (Current density) และการทำ Back-side thinning เพื่อลดความหนาของเวเฟอร์ให้เหลือเพียง 60-100 ไมครอน เพื่อลดค่าความต้านทานรวม $R_{on}$ ในขณะที่ยังคงความทนทานต่อแรงดันสูง
04 เทคนิคขั้นสูง
ความท้าทายระดับสูงในปัจจุบันคือการออกแบบโครงสร้าง Trench Gate ที่มีรอยต่อสารกึ่งตัวนำที่สมบูรณ์เพื่อหลีกเลี่ยง Electric field crowding ซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของ Gate Oxide การใช้เทคโนโลยี Micro-patterning ช่วยให้สามารถลดพิทช์ของ Gate ลงได้ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการลดแรงดันตกคร่อม $V_{ce(sat)}$ ในขณะที่ยังรักษาความสามารถในการทนต่อภาวะ Short-circuit ได้ตามมาตรฐานอุตสาหกรรม
สำหรับการประยุกต์ใช้งานในอุณหภูมิสูง วิศวกรต้องคำนึงถึง Thermal expansion mismatch ระหว่างชิปและวัสดุบรรจุภัณฑ์ (Package) ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของอุปกรณ์ล้มเหลว การจำลองแบบ Multiphysics จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง
05 เครื่องมือและอุปกรณ์
ในการออกแบบ IGBT, เครื่องมือ TCAD (Synopsys Sentaurus หรือ Silvaco Atlas) เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับทำ Virtual Device Simulation เพื่อวิเคราะห์ Physical behavior และการกระจายตัวของสนามไฟฟ้าภายในโครงสร้าง 3D Trench
ในส่วนของ Circuit Level Design, วิศวกรใช้ Cadence Spectre Power Model เพื่อจำลองพฤติกรรมในระบบ Inverter ร่วมกับอุปกรณ์พาสซีฟอื่นๆ นอกจากนี้ในกระบวนการผลิต อุปกรณ์จาก Applied Materials (AMAT) เช่น CVD/PVD และ Tokyo Electron (TEL) สำหรับ Etching จะถูกใช้งานอย่างเข้มข้นเพื่อให้ได้โปรไฟล์ Trench ที่มีอัตราส่วนกว้างยาว (Aspect Ratio) ที่เหมาะสม
06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม
บริษัทชั้นนำอย่าง Infineon, STMicroelectronics, และ ON Semiconductor เป็นผู้นำในตลาด IGBT โดยมีการผลิตในโรงงานแบบ 8-inch และ 12-inch wafers แม้ว่าตลาดจะมุ่งไปสู่ SiC MOSFET ในกลุ่มรถยนต์ไฟฟ้า แต่ IGBT ยังคงครองตลาดระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ขนาดใหญ่และเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนเนื่องจากความคุ้มค่าด้านต้นทุนต่อประสิทธิภาพ (Cost-to-performance ratio)
บทบาทของ Power Semiconductor Engineer ใน Foundry ระดับโลกอย่าง TSMC หรือ Samsung Foundry คือการผสานรวมกระบวนการผลิต IGBT เข้ากับระบบ Integrated Power Management (PMIC) เพื่อสร้าง Smart Power Modules ที่ช่วยลดขนาดของระบบอิเล็กทรอนิกส์ลงอย่างมหาศาล ส่งผลกระทบโดยตรงต่อห่วงโซ่อุปทานระดับโลกที่ต้องการประสิทธิภาพพลังงานสูงขึ้นในทุกผลิตภัณฑ์