[논문]1,200 V Reverse Conducting IGBT의 전기적 특성 분석

김세영; 안병섭; 강이구

doi:10.4313/jkem.2020.33.3.177

[국내논문] 1,200 V Reverse Conducting IGBT의 전기적 특성 분석
Electrical Characteristics of 1,200 V Reverse Conducting-IGBT 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.3, 2020년, pp.177 - 180

김세영 (극동대학교 에너지IT공학과) , 안병섭 (극동대학교 에너지IT공학과) , 강이구 (극동대학교 에너지IT공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper focuses on the 1,200-V level reverse conducting-insulated gate bipolar transistor (RC-IGBT). The structure of the RC-IGBT has an n+ collector at the collector terminal. The breakdown voltage, Vth, Vce-sat, and turn-off time, and the electrical characteristics of a field-stop IGBT (FS-IGBT) and RC-IGBT are compared and analyzed using simulations. Based on the results, the RC-IGBT obtained a turn-off time of 320.6 ㎲ and a breakdown voltage of 1,720 V, while the FS-IGBT obtained a turn-off time of 742.2 ㎲ and a breakdown voltage of 1,440 V. Therefore, RC-IGBTs have faster on/off transitions and a higher breakdown voltage, which can reduce the size of the element.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. The structure of reverse conducting-IGBT.
그림 Fig. 2. The variation of the width of the N+ area in RC-IGBT.
그림 Fig. 3. The turn off characteristics according to the width of n+ collector in RC-IGBT.
그림 Fig. 4. The variation of concentration of N+ area in RC-IGBT.
표 Table 1. Process and design parameters of the revers conductingI GBT for simulation.
그림 Fig. 5. The breakdown voltage characteristics of the FS-IGBT and RC-IGBT.
그림 Fig. 6. The FS-IGBT, RC-IGBT threshold voltage characteristics.
그림 Fig. 7. The turn-off time characteristics of the FS-IGBT and RC-IGBT.
표 Table 2. Electrical characteristics of the FS-IGBT and RC-IGBT.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 1,200 V IGBT 소자에 대한 낮은 전력손실과 높은 구동능력을 위하여 소자 및 공정 시뮬레이터인 T-CAD를 이용하여 RC (reverse conducting)-IGBT의 아래층의 N형에 따른 핵심적인 전기적 특성들인 항복 전압(breakdown voltage)과 문턱 전압(임계전압, V_th)과 온 상태 전압 강하(V_ce-sat)의 특성, turn-off time의 특성을 분석하고 1,200 V RC-IGBT의 설계에 대한 연구를 하였다.
본 논문에서는 전력장치용의 반도체 소자인 파워 소자(power device) 중 하나로 전력의 변환이나 제어용으로 최적화되어 있어서 전력 전자공학의 핵심 소자이며 고전압화 ⋅ 고전류화 ⋅ 고주파수화된 것이 특징인 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 소자에 관한 연구이다 [1].

제안 방법

그림 2와 같이 reverse conducting IGBT의 wafer의 아래 콜렉터층에 있는 N+의 영역을 점차 넓히며 설계를 하여 전기적 특성을 비교하였다.
이러한 값은 기존의 자료를 분석한 기준으로 설정한 값이며, 표 1에 나와 있는 변수를 기준으로 하여 각 변수의 변화에 따른 IGBT의 핵심적인 전기적 특성인 항복 전압과 문턱전압(V_th), 온 상태 전압강하(V_ce-sat)와 턴-오프(turn-off)의 변화 추이를 고찰하였다. 또한, 콜렉터층에 있는 N영역의 너비와 농도에 변화를 주어 전기적인 특성을 분석하여 비교하였다.
리버스 컨덕팅 IGBT의 웨이퍼의 아래 콜렉터층의 N+ 너비에 따른 전기적 특성 변화가 같아 너비를 0.2로 고정 후 그림 4와 같이 농도를 점차 높이며 설계를 하여 전기적 특성을 비교하였다.
그림 1과 표 1은 항복 전압(breakdown voltage)이 1,200 V인 필드 스톱(field stop)-IGBT를 설계 후 콜렉터(collector) 부분의 N+ 영역을 제외한 모든 부분을 똑같은 조건으로 리버스 컨덕팅(reverse conducting) IGBT를 설계하는 공정 시뮬레이션을 위한 공정 및 설계 파라미터를 보여주고 있다. 이러한 값은 기존의 자료를 분석한 기준으로 설정한 값이며, 표 1에 나와 있는 변수를 기준으로 하여 각 변수의 변화에 따른 IGBT의 핵심적인 전기적 특성인 항복 전압과 문턱전압(V_th), 온 상태 전압강하(V_ce-sat)와 턴-오프(turn-off)의 변화 추이를 고찰하였다. 또한, 콜렉터층에 있는 N영역의 너비와 농도에 변화를 주어 전기적인 특성을 분석하여 비교하였다.

성능/효과

그림 6과 같이 문턱전압이 필드스톱 IGBT는 5.41 V, 리버스 컨덕팅 IGBT는 4.19 V인 것을 확인하였으며, 문턱전압이 낮아 켜지는 속도가 빨라진다는 장점이 생기며, 문턱전압이 RC의 경우 MOSFET과 유사하게 올라가는 것을 확인할 수 있었다.
리버스 컨덕팅 IGBT의 경우 콜렉터의 N+ 부분의 너비에 따라서는 전기적 특성이 큰 변화는 없었지만, 농도에 따라 변화가 큰 것을 확인할 수 있어 전기적 특성의 필요에 따라 농도로 맞출 수 있을 것으로 확인되며, N+ 영역이 생김으로 인하여 항복 전압이 높아져서 소자의 크기를 더욱 줄일 수 있어 리버스 컨덕팅 IGBT가 효율이 더 좋다는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 TCAD 시뮬레이션을 통하여 필드스톱 IGBT와 리버스 컨덕팅 IGBT를 비교했을 때 항복 전압이 1,719 V로 약 279 V 더 높아졌으며, 턴-오프 시간이 421.6 ㎲ 더 좋아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 문턱전압이 각 5.
콜렉터 N+ 영역에 따른 전기적 특성인 항복 전압, 문턱전압, 온 상태 전압강하에는 변화가 없었으며 그림 3과 같이 턴-오프 시간 중에서 커런트 테일(current tail)에 변화가 있는 것을 확인할 수 있었다.
표 2에서는 FS-IGBT와 RC-IGBT의 핵심 전기적인 특성을 정리하였으며, 정리한 결과 항복 전압의 특성은 매우 좋아짐과 동시에 턴오프 특성이 개선되어 에너지 효율적인 측면에서 우수한 특성을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력 IGBT 소자가 가장 많이 이용되는 분야는 무엇인가?	전력 IGBT 소자가 가장 많이 이용되는 분야는 전기 자동차, 신재생에너지 인버터산업 분야 등이며, 600~3,300 V 이하의 전력 IGBT 소자가 사용되고 있다 [2,3].
	전력반도체 소자의 장점은 무엇인가?	전력반도체 소자는 하이브리드, 전기자동차 등 첨단기기의 핵심으로 활용되는 첨단기술로, 전체 발전 에너지 중 60~70% 정도를 소모하는 전동기 에너지를 약 20~40%가량 절감시킬 수 있다 [4-6].
	IGBT 소자의 특징은 무엇인가?	본 논문에서는 전력장치용의 반도체 소자인 파워 소자(power device) 중 하나로 전력의 변환이나 제어용으로 최적화되어 있어서 전력 전자공학의 핵심 소자이며 고전압화 ⋅ 고전류화 ⋅ 고주파수화된 것이 특징인 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 소자에 관한 연구이다 [1].

참고문헌 (6)

E. G. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 29, 263 (2016). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2016.29.5.263]
J. Won, J. G. Koo, T. Rhee, H. S. Oh, and J. H. Lee, Electron. Telecommun. Res. Inst., 35, 603 (2013). [DOI: https://doi.org/10.4218/etrij.13.1912.0030]
J. M. Geum, E. S. Jung, E. G. Kang, and M. Y. Sung, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 25, 253 (2012). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2012.25.4.253]
E. G. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 29, 523 (2016). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2016.29.9.523]
E. G. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 21, 1 (2017). [DOI: https://doi.org/10.7471/ikeee.2017.21.1.1]
E. G. Kang, Trans. Electr. Electron. Mater., 17, 50 (2016). [DOI: https://doi.org/10.4313/TEEM.2016.17.1.50]

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