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Principe

Ce composant tente de concilier :

les avantages du MOS : commande en tension, rapidité

les avantages du bipolaire : forte tenue en tension au blocage, faible chute de tension en saturation

Pour cela, on met en cascade un MOS et un bipolaire:

Constitution

Sur un substrat P+ on dépose une mince couche N+ puis on fait croître par épitaxie une épaisse couche N- Dans cette couche, on crée une zone P puis dans cette zone quatre îlots N+. A la surface de cette couche on crée deux îlots en polysilicium conducteur pour former la grille de commande; ces îlots sont isolés par un dépôt de silice puis enrobées dans une couche métallique formant l'émetteur du transistor; la métallisation de la face opposée crée le collecteur.

Fonctionnement

v Polarisation inverse : si Vce < 0, le transistor T' ne peut conduire donc l'IGBT est bloqué; la structure fait que la tension inverse maximale est limité à quelques dizaines de volts

v Polarisation directe : Vce > 0

si Vge < Vgth, tension de seuil du MOS, T est bloqué, le courant de base de T' est nul donc T' est bloqué. L'iGBT est bloqué et la tenue en tension est assurée par la jonction JCB du bipolaire, jonction peu dopée et large donc la tenue en tension est élevée (jusqu'à 1 500 V)
si Vge > Vgth, le MOS est conducteur créant un courant de base dans T' qui se sature. L'IGBT est alors saturé; la structure permet de réduire la résistance Rdson du MOS donc de diminuer sa chute de tension.

Commutations

Fermeture A t = 0, la tension e_g devient positive supérieure à la tension de seuil.
v de 0 à t₁ : le courant de grille charge la capacité parasite C_ge du MOS; la tension v_ge augmente exponentiellement jusqu'à la tension de seuil; l'IGBT reste bloqué avec i_c = 0
v de t₁ à t₂ : la tension de seuil étant atteinte, le courant collecteur i_c augmente. Tant qu'il n'a pas atteint la valeur I, la diode D conduit imposant v_ce = E; le courant de grille continue à charger la capacité de grille. En t₂, le courant collecteur est égal à I.
v de t₂ à t₃ : la diode D se bloque, le courant i_c dépasse I en raison du courant de recouvrement inverse de D. La tension v_ce tend vers 0; le courant de grille doit continuer à charger C_ge et doit décharger la capacité drain - grille du MOS; i_g et v_ge restent constants durant cette phase.
v de t₃ à t₄ : i_c = I et v_ce = 0; le courant de grille finit de charge la capacité C_ge jusqu'à ce que v_ge = e_gesat.
Ouverture A t = t₅, l'IGBT est saturé et la tension de commande prend la valeur e_g = 0 pour commander le blocage
v de t₅ à t₆ : le courant de grille négatif décharge la capacité C_ge; tant que v_ge reste supérieur à la tension de seuil, l'IGBT reste saturé et i_c = I.
v de t₆ à t₇ : la tension de seuil étant atteinte, le courant i_c commence à diminuer; le courant I ne pouvant être discontinu, la diode D devient passante et la tension v_ce remonte rapidement à E avec une surtension due aux inductances parasites. Il faut continuer à décharger C_ge tout en chargeant la capacité drain - grille du MOS; i_g et v_ge restent constants durant cette phase.
v de t₇ à t₈ : la conduction est commutée de l'IGBT à la diode D; en t₈, l'IGBT est bloqué et il reste à finir de décharger la capacité de grille

Commande

Si l'IGBT a des caractéristiques entre émetteur et collecteur proches de celles d'un transistor bipolaire, sa commande s'apparente à celle du transistor MOS.

Il y a cependant quelques différences:

v la décroissance du courant à l'ouverture est plus lente que pour le MOS; en effet la commande provoque d'abord le blocage du MOS T; le blocage rapide de celui-ci met la base de T' en circuit ouvert; la désaturation de ce transistor est donc difficile car les porteurs piégés dans la base ne peuvent plus disparaître que par recombinaison.

v à l'ouverture, il faut limiter la vitesse de croissance de la tension v_ce pour ne pas déclencher la structure thyristor parasite; pour cela, on peut augmenter la résistance R_g au blocage (valeur de l'ordre de 100 W), polariser négativement la grille pour bloquer le transistor parasite ou placer un circuit R - C entre émetteur et collecteur pour ralentir la montée de la tension.