절연 게이트 양극성 트랜지스터
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1. 개요
절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)는 전력 제어 및 스위칭에 사용되는 반도체 소자이다. 1980년대 초 래치업 문제를 해결하고 상용화되었으며, MOSFET과 바이폴라 트랜지스터의 장점을 결합하여 고전압 및 고전류에서 효율적인 스위칭을 제공한다. IGBT는 4층 장치에서 사이리스터 동작을 억제하려는 노력으로 개발되었으며, 1984년 래치업이 없는 IGBT의 설계 개념이 발명되면서 기생 타이리스터 작용을 완전히 억제했다. 현재는 전동차, 전기 자동차, 가전제품 등 다양한 분야에서 사용되며, IPM(Intelligent Power Module) 형태로도 널리 활용된다.
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| 절연 게이트 양극성 트랜지스터 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 반도체 스위치 |
| 작동 원리 | 반도체 |
| 발명 | 1959년 |
| 기호 | Image:IGBT symbol.svg |
| 기호 설명 | IGBT 회로 기호 |
| 구조 | |
| 구조 정보 | https://techweb.rohm.com/product/power-device/igbt/11640/ |
| 특징 | |
| 온-라인 접합 온도 감지 | https://ieeexplore.ieee.org/document/9238002 |
| 추가 정보 | |
| JEDEC 정보 | https://www.jedec.org/standards-documents/dictionary/terms/insulated-gate-bipolar-transistor-igbt |
| 참고 자료 | https://www.ijert.org/analysis-on-igbt-developments |
| 사진 | |
 | |
2. 역사
절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)는 1968년 미쓰비시 전기(Mitsubishi Electric)의 K. Yamagami와 Y. Akagiri가 MOSFET으로 구동되는 PNP 트랜지스터를 이용한 방식을 제안하면서 처음 등장했다.[14]
이후 1978년, J. D. Plummer와 B. Scharf는 MOS와 바이폴라 기능을 결합한 NPNP 트랜지스터 장치에 대한 특허를 취득했다.[15][16] 1980년에는 Hans W. Becke와 Carl F. Wheatley가 래치업(latchup)이 발생하지 않는 "애노드 영역이 있는 전력 MOSFET"을 개발하여 특허를 받았다.[17][18] 이들은 어떤 작동 조건에서도 사이리스터 작용이 발생하지 않는다고 주장했다.
하지만 초기 IGBT는 래치업 현상으로 인해 쉽게 파괴되어 활용에 어려움이 있었다. 1984년, 나카가와 아키오(中川明夫) 등은 래치업이 없는 IGBT 장치 설계 개념을 발명하여 이 문제를 해결했다.[19][20] 이들은 IGBT의 포화 전류를 래치업 전류보다 작게 설정하는 방식으로 래치업을 방지했다.
나카가와 아키오(中川明夫) 등은 1200V IGBT 시제품을 600V 전원에 직접 연결하고 25μs 동안 켜는 실험으로 래치업이 발생하지 않음을 증명했다. 이는 IGBT에서 처음으로 단락 회로 내성을 보여준 실험이었다.[46] 래치업이 없는 IGBT는 매우 견고하고 넓은 안전 동작 영역(safe operating area)을 가지는 것으로 밝혀졌으며, 이후 1985년 도시바(Toshiba)에서 최초로 상용화 제품을 출시했다.[32]
2. 1. 초기 개발
미쓰비시 전기(Mitsubishi Electric)의 K. Yamagami와 Y. Akagiri는 1968년에 출원된 일본 특허 S47-21739에서 MOSFET으로 구동되는 PNP 트랜지스터 기반 IGBT의 기본 동작 방식을 처음 제안했다.[14]1978년 J. D. Plummer와 B. Scharf는 전력 제어 및 스위칭을 위해 MOS와 바이폴라 기능을 결합한 NPNP 트랜지스터 장치에 대한 특허를 취득했다.[15][16] 이후 Hans W. Becke와 Carl F. Wheatley는 래치업이 발생하지 않는 "애노드 영역이 있는 전력 MOSFET"을 개발하여 1980년에 특허를 받았다. 이들은 어떤 장치 작동 조건에서도 타이리스터 작용이 발생하지 않는다고 주장했다.[17][18]
1982년, B. Jayant Baliga는 최초의 실용적인 IGBT 소자를 발표하고, 제너럴 일렉트릭(General Electric, GE)에서 상용화했다.[21][22][23] 발리는 IGBT 발명으로 국가 발명가 명예의 전당에 헌액되었다.[24] 같은 해, J. P. Russel 등도 유사한 소자에 대한 논문을 발표했다.[25]
2. 2. 래치업 문제 해결 및 상용화
초기 IGBT는 래치업(latchup) 현상 때문에 소자가 쉽게 파괴되어 응용에 제한이 있었다.[42] 1983년, B. J. Baliga와 A. M. Goodman 등은 전자 조사(electron irradiation)를 통해 스위칭 속도를 개선하고 고온에서도 동작할 수 있게 하였다.[26][27][28]1984년, 나카가와 아키오(中川明夫) 등은 래치업이 없는 IGBT 장치 설계 개념을 발명하여 특허를 출원했다.[19][20][45] 이 설계의 핵심은 IGBT의 포화 전류를 래치업 전류보다 작게 설정하여 래치업을 방지하는 것이었다. 이들은 1200V IGBT 시제품을 600V 전원에 직접 연결하고 25μs 동안 켜는 실험으로 래치업이 발생하지 않음을 증명했다. 이는 IGBT에서 처음으로 "단락 회로 내성"을 보여준 실험이었다.[46]
1985년, 도시바(Toshiba)는 래치업이 없는 IGBT 제품을 최초로 상용화했다.[32] 래치업이 없는 IGBT는 매우 견고하고 넓은 안전 동작 영역(safe operating area)을 가지는 것으로 밝혀졌으며, 동작 전류 밀도와 컬렉터 전압의 곱이 바이폴라 트랜지스터의 이론적 한계를 넘어섰다.[47]
2. 3. 발전과 현재
사이리스터와 마찬가지로 P-N-P-N 4층 구조를 가진 IGBT는 1968년 야마가미 코우조(山上倖三)에 의해 처음 제안되었다.[38] 1978년 B.W. Scharf와 J.D. Plummer는 4층 수평형 사이리스터에서 IGBT 동작 모드를 실험적으로 확인하였다.[38] 1982년 B. J. Baliga는 IEDM에서, J.P. Russel 등은 IEEE Electron Device Letter에 수직형 소자에 대한 논문을 발표하였다.[39][40] 초기 IGBT는 Insulated-Gate Rectifier (IGR),[39] Insulated-Gate Transistor (IGT),[41] Conductivity-Modulated Field-Effect Transistor (COMFET),[40] Bipolar-mode MOSFET[42] 등으로 불렸다.1978년 J.D. Plummer는 "4층 사이리스터로 IGBT 모드로 동작하는 소자"를 특허 출원했지만,[38] 전류가 커지면 래치업하여 사이리스터 동작으로 넘어가는 문제가 있었다. 1982년에 발표된 IGR이나 COMFET는 스위칭 속도가 느리고 기생 사이리스터가 래치업하기 쉬웠다. 1983년에는 전자선 조사를 통해 스위칭 속도가 개선되었고,[43][44] GE가 샘플을 출하했지만 래치업은 극복되지 않았다.
1980년 Hans W. Becke와 Carl F. Wheatley는 "애노드 영역을 갖는 파워 MOSFET"을 특허 출원하여 "어떠한 동작 조건에서도 사이리스터 동작을 하지 않는다"는 점을 명시했다.
1984년, 나카가와 아키오(中川明夫) 등은 IEDM에서 논래치업 IGBT를 발표하여 래치업을 완전히 억제하는 데 성공했다.[42] 이들은 "IGBT의 포화 전류를 래치업하는 전류값보다 작게 설정한다"는 설계 개념을 제시하고 특허를 출원했다.[45] 1200V 소자를 600V DC 전원에 직결하여 부하 없이 25μs 동안 온 시켜도 소자가 파괴되지 않고 전류를 오프할 수 있음을 증명하여 부하 단락 내량을 처음으로 실현했다.[46] 논래치업 IGBT는 전류 밀도와 전압의 곱이 에 달해,[47] 바이폴라 트랜지스터의 이론 한계()를 초과하며 파괴 내량이 강하고 안전 동작 영역이 넓다는 것이 검증되었다. 이로 인해 IGBT는 바이폴라 트랜지스터와 게이트 턴오프 사이리스터(GTO)를 대체하게 되었다.
3. 구조
IGBT는 N채널 수직형 MOSFET의 드레인 측에 P 콜렉터를 추가한 구조를 가지고 있다. 
- - IGBT 셀은 n채널 수직 구조 전력 MOSFET과 유사하게 구성되지만, n+ 드레인이 p+ 콜렉터 층으로 대체되어 수직 PNP 바이폴라 접합 트랜지스터를 형성한다. 이 추가적인 p+ 영역은 표면 n채널 MOSFET과 PNP 바이폴라 접합 트랜지스터의 캐스케이드 연결을 만든다.
3. 1. 펀치스루(Punch Through)형
1980년대부터 제조되고 있는 초기 IGBT 구조이다. 오프(off)시에 공핍층이 콜렉터측에 접촉하고 있으며, 에피택시얼 웨이퍼를 사용해 콜렉터측으로부터 캐리어를 고농도로 주입하여 라이프타임 컨트롤을 실시하는 설계이다.[1]특징은 다음과 같다.[1]
- 에피택시얼 웨이퍼를 사용하기 때문에 가격이 비싸다.
- 라이프타임 컨트롤 때문에, 고온에서 스위칭 손실이 증가한다.
- 고온으로 On 전압이 저하(전기저항이 저하)하여, 병렬 사용시에 특정 소자에 전류가 집중되어 파손 원인이 되기도 한다.
- 최근에는 웨이퍼의 두께를 얇게 하여 콜렉터측의 주입을 억제하는 것을 통해 상기의 결점을 극복한 것이 개발되어 있다.
3. 2. 논펀치스루(Non Punch Through)형
1990년대 중반부터 제조되고 있는 구조이다. 오프(Off) 시에 공핍층이 컬렉터 측에 닿지 않는 것으로, 플로팅 존(Floating Zone) 웨이퍼를 사용하여 컬렉터 측의 캐리어 주입 농도를 낮춰 효율을 높이고 있다.[7]특징은 다음과 같다.
- 플로팅 존 웨이퍼를 사용하기 때문에 가격이 저렴하고, 결정(結晶) 결함이 적어 신뢰성이 높다.
- 고온에서 On 전압이 상승(전기저항이 상승)하여, 전류 분포가 균일하게 되므로 병렬 사용에 유리하다.
- 2000년대부터, 트렌치 게이트 구조나 컬렉터 측에 필드스톱 층을 형성한, 보다 On 전압이 낮고 스위칭 손실도 적은 것도 제조되고 있다.[7]
3. 3. 역저지(逆阻止) IGBT
결정 결함 밀도가 높은 다이싱 측면에서의 캐리어 발생을 억제하여 역내압(逆耐壓) 특성을 갖게 한 것이다.쌍방향 스위칭 구성 시, 역내압을 갖게 하기 위한 다이오드가 불필요해진다. 소자 수 감소로 비용 절감, 소형화, 경량화가 가능하다. 또한, On 전압의 반감을 기대할 수 있다. 교-교 직접 변환용 소자로서 2004년 현재 개발 중이다.
- 메사형
- 분리 저지형
4. 사이리스터와의 차이점
IGBT영어는 사이리스터와 비슷하게 P-N-P-N의 4층 구조를 가진 반도체 소자이지만, 사이리스터 동작을 하지 않고 MOS 게이트로 전류를 제어할 수 있다는 특징이 있다.[7] 1968년 야마가미 코우조(山上倖三)가 이러한 IGBT 동작 모드를 처음 제안했고,[38] 1978년 B.W. Scharf와 J.D. Plummer가 4층의 수평형 사이리스터에서 이 동작 모드를 실험적으로 확인했다.[38]
| 측면 | 사이리스터 | IGBT |
|---|---|---|
| 정의 | P-N-P-N 구조를 가진 4층 반도체 소자 | 바이폴라 트랜지스터와 MOSFET의 특징을 결합한 절연 게이트 양극성 트랜지스터 |
| 단자 | 애노드, 캐소드, 게이트 | 에미터, 컬렉터, 게이트 |
| 층 | 4층 | 3층 |
| 접합 | PNPN 구조 | NPN(P) 구조 |
| 동작 모드 | 역방향 차단, 순방향 차단, 순방향 전도 | 온 상태, 오프 상태 |
| 설계 구조 | 결합된 트랜지스터 (PNP 및 NPN) | 바이폴라 및 MOSFET 기능 결합 |
| 캐리어 소스 | 두 개의 캐리어 소스 | 하나의 캐리어 소스 |
| 턴온 전압 | 해당 없음 | 낮은 게이트 전압 필요 |
| 턴오프 손실 | 더 높음 | 더 낮음 |
| 플라즈마 밀도 | 더 높음 | 더 낮음 |
| 동작 주파수 범위 | 일반적으로 낮은 선형 주파수에 적합 | 일반적으로 높은 고주파수에 적합 |
| 다이 크기 및 병렬화 요구 사항 | 더 큰 다이 크기, 최대 약 15.24cm 직경의 단일 소자로 제조 가능 | 더 작은 다이 크기, 종종 패키지 내에서 병렬 연결 |
| 전력 범위 | 고전력 애플리케이션에 적합 | 중전력 애플리케이션에 적합 |
| 제어 요구 사항 | 게이트 전류 필요 | 지속적인 게이트 전압 필요 |
| 가격 대비 성능 | 비용 효율적 | 상대적으로 높은 비용 |
| 제어 방법 | 펄스 트리거링 | 게이트 전압 제어 |
| 스위칭 속도 | 느림 | 빠름 |
| 전류 스위칭 성능 | 높음 | 보통 |
| 제어 전류 | 높은 전류 구동 | 낮은 전류 구동 |
| 전압 성능 | 높은 전압 처리 | 낮은 전압 처리 |
| 전력 손실 | 더 높은 전력 소산 | 더 낮은 전력 소산 |
| 응용 분야 | 고전압, 견고성 | 고속 스위칭, 효율성 |
초기 IGBT는 스위칭 속도가 느리고 기생 사이리스터가 래치업(latch-up)되기 쉬운 단점이 있었다. 래치업은 전류가 한 곳에 집중되어 소자 파괴를 일으키는 현상으로, IGBT 개발의 주요 과제였다. 1983년 Baliga와 Goodman 등이 전자선 조사를 통해 스위칭 속도를 개선하고 래치업 내량을 향상시키는 연구를 진행했다.[43][44]
1984년, 나카가와 아키오(中川明夫) 등이 IEDM에서 발표한 논래치업 IGBT는 래치업을 완전히 억제하는 데 성공했다.[42] 이들은 "IGBT의 포화 전류를 래치업하는 전류값보다 작게 설정한다"는 설계 개념을 제시하고 특허를 출원했다.[45] 논래치업 IGBT는 전류 밀도와 전압의 곱이 바이폴라 트랜지스터의 이론 한계를 뛰어넘는 5×10⁵ W/cm²에 달해, 파괴 내량이 강하고 안전 동작 영역이 넓다는 것이 검증되었다.[47] 이 결과, IGBT는 바이폴라 트랜지스터뿐만 아니라 게이트 턴오프 사이리스터(GTO)도 대체하게 되었다.
5. 전력 MOSFET과의 비교
IGBT는 전력 MOSFET의 게이트 구동 특성과 바이폴라 트랜지스터의 고전류 및 저포화전압 성능을 결합한 소자이다. FET와 바이폴라 전력 트랜지스터를 단일 소자로 결합하여, 스위칭 모드 전원 공급 장치, 견인 전동기 제어, 유도 가열 등 고전력 응용 분야에 사용된다.
IGBT는 고전압 정격 소자에서 기존 MOSFET에 비해 순방향 전압 강하가 낮지만, 저전류 밀도에서는 MOSFET이 더 낮은 순방향 전압을 보인다. MOSFET과 IGBT의 차단 전압 정격이 증가하면 n-드리프트 영역의 깊이가 증가하고 도핑이 감소하여 순방향 전도 대 차단 전압 성능이 저하된다. IGBT는 순방향 전도 중에 콜렉터 p+ 영역에서 n-드리프트 영역으로 소수 캐리어(홀)를 주입하여 n-드리프트 영역의 저항을 감소시키지만, 다음과 같은 단점이 있다.
- 추가적인 PN 접합으로 인해 역방향 전류 흐름이 차단된다. 따라서 IGBT는 역방향 전도가 불가능하며, 역전류 흐름이 필요한 브리지 회로에서는 프리휠링 다이오드를 IGBT와 역병렬로 배치해야 한다.
- N-드리프트 영역에서 콜렉터 P+ 다이오드까지의 역 바이어스 정격은 일반적으로 수십 볼트에 불과하므로, IGBT에 역전압을 인가하는 회로에서는 추가적인 직렬 다이오드를 사용해야 한다.
- N-드리프트 영역에 주입된 소수 캐리어는 턴온 및 턴오프 시 출입하거나 재결합하는 데 시간이 걸려 스위칭 시간이 길어지고, 전력 MOSFET에 비해 Schaltverluste|스위칭 손실de이 높아진다.
- IGBT의 온상태 순방향 전압 강하는 전력 MOSFET과 다르게 동작한다. MOSFET 전압 강하는 저항으로 모델링되어 전류에 비례하지만, IGBT는 다이오드와 같은 전압 강하(약 2V)를 가지며 전류의 로그에 따라서만 증가한다.
일반적으로 고전압, 고전류 및 저주파는 IGBT에 유리하며, 저전압, 중전류 및 고주파 스위칭은 MOSFET에 유리하다.
전압 제어형 MOS-FET의 단점인 고내압에 따른 높은 온 저항으로 인한 발열과, 바이폴라 트랜지스터(BJT)의 낮은 스위칭 속도라는 단점을 각각 보완하기 위해, 입력단에 MOS-FET을, 출력단에 바이폴라 트랜지스터를 하나의 반도체 소자 위에 구성한 것이다. 게이트-에미터 간의 전압으로 구동되며, 입력 신호에 따라 온·오프가 가능한 자기소호형이므로, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자이다.
6. 용도
IGBT는 대전력 인버터, 무정전 전원 장치(UPS), 유도전동기 제어, 하이브리드 카, 유도가열 등 다양한 분야에 사용된다. 2010년 기준으로 IGBT는 전력 트랜지스터 시장의 27%를 차지하며, 파워 MOSFET(53%) 다음으로 널리 사용되는 전력 트랜지스터이다.[35] 가전제품, 산업 기술, 에너지 부문, 항공 우주 전자 장치 및 교통 분야에서 널리 사용된다.
IGBT의 구체적인 용도는 다음과 같다.
- 고출력 인버터의 주변환 소자
- * 무정전전원장치
- * 용접기(전기식)
- * 교류전동기의 가변전압가변주파수제어
- ** 철도차량의 제어
- ** 하이브리드카
- 인버터를 사용하는 가전제품
- * 에어컨
- * 냉장고
- * 세탁기
- * 전자레인지
- * IH 조리기
- * 조명기기
- * PCS(Power Conditioning System)
6. 1. 한국에서의 활용
한국철도공사, 서울교통공사, 부산교통공사 등에서 운영하는 전동차의 VVVF 인버터 제어에 IGBT가 사용된다. 신칸센, 한국 고속철도(KTX) 등 고속철도 차량에도 IGBT가 적용되어 있다. 현대자동차, 기아 등에서 생산하는 전기자동차 및 하이브리드 자동차의 구동 모터 제어에도 IGBT가 사용된다. 삼성전자, LG전자 등에서 생산하는 에어컨, 냉장고, 세탁기 등 가전제품의 인버터 제어에도 IGBT가 사용된다.[35]| 종류 | 해당 차량 |
|---|---|
| 한국철도공사 전동차 | 한국철도공사 311000호대 전동차(1호선용), 한국철도공사 3000호대 전동차(3호선용), 한국철도공사 331000호대 전동차(경의·중앙선용), 한국철도공사 341000호대 전동차(4호선용), 한국철도공사 351000호대 전동차(수인·분당선용), 한국철도공사 361000호대 전동차(경춘선용), 한국철도공사 371000호대 전동차(경강선용), 한국철도공사 381000호대 전동차(동해선 광역전철용), 한국철도공사 391000호대 전동차(수도권 전철 서해선용), 한국철도공사 392000호대 전동차(대구권 광역전철용) |
| 부산교통공사 전동차 | 부산교통공사 1000호대 전동차 (초창기 노후차량 교체분) |
| 서울교통공사 전동차 | 서울교통공사 2000호대 VVVF 전동차, 서울교통공사 3000호대 VVVF 전동차, 서울교통공사 4000호대 VVVF 전동차, 서울교통공사 5000호대 전동차, 서울교통공사 7000호대 전동차, 서울교통공사 8000호대 전동차 (초창기 노후차량 교체분) |
7. IPM (Intelligent Power Module)
1990년대 이후로는 IGBT를 중심으로 제어 신호 증폭 회로와 전류·전압·온도와 같은 보호 회로, 역류용 다이오드 등이 하나의 패키지에 담긴 IPM(Intelligent Power Module)이라는 전자 부품도 등장했다. 기본적인 전력 제어 회로가 통합됨으로써 편리성이 향상될 뿐만 아니라, 소자 간 배선 단축에 따른 임피던스 저하를 통해 노이즈 감소도 기대할 수 있으며, 장치의 소형화에 기여하고 신뢰성도 높아진다. 기존의 모듈 형태 외에도 DIP나 SIP 패키지와 같은 소형 제품도 등장하여 세탁기, 냉장고, 공조기의 모터 구동용 등 외에 소형 범용 인버터 등에서 사용된다. 제어를 인버터화함으로써 주파수나 전압에 관계없이 공통 사양의 모터를 사용할 수 있으므로 생산 비용 절감에 기여하고 있다.
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서적
1985 International Electron Devices Meeting
1985
[33]
웹사이트
Ion Gel as a Gate Insulator in Field Effect Transistors
http://www.license.u[...]
[34]
논문
Safe operating area for 1200-V nonlatchup bipolar-mode MOSFET's
1987
[35]
뉴스
Power Transistor Market Will Cross $13.0 Billion in 2011
http://www.icinsight[...]
2011-06-21
[36]
논문
An experimentally verified IGBT model implemented in the Saber circuit simulator
1994-09
[37]
논문
Precursor Parameter Identification for Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Prognostics
2009-06
[38]
학회발표
SESSION XVI FAM 16.6 - A MOS-Controlled Triac Devices
[39]
학회발표
The insulated gate rectifier (IGR): A new power switching device
[40]
논문
The COMFET—A new high conductance MOS-gated device
IEEE
[41]
논문
Fast-switching insulated gate transistors
1983
[42]
학회발표
Non-latch-up 1200V 75A bipolar-mode MOSFET with large ASO
[43]
논문
Fast-switching insulated gate transistors
IEEE
[44]
학회발표
Improved COMFETs with fast switching speed and high-current capability
[45]
특허
Conductivity modulated MOSFET
[46]
학회발표
Experimental and numerical study of non-latch-up bipolar-mode MOSFET characteristics
1985
[47]
논문
Safe operating area for 1200-V non-latch-up bipolar-mode MOSFETs
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