파워디바이스활용입문-6. GTBT의 구조와 특징

저ON 저항, 고전류밀도, 대전류대응의최신디바이스

6. GTBT의 구조와 특징


고도정보화 시대를 맞이한 21세기에는 전력수요가 점점 높 아지는 한편, 세계적인 규모로 에너지 자원고갈 문제가 대두 됨에 따라 에너지 절감 분위기가 고조되고 있으며 파워 디바 이스의 역할도 커지고 있다.
파워 디바이스는 산업전력교통정보 등 다양한 분야에 사 용되며 그러한 기기의 성능은 파워 디바이스의 성능에 따라 크게 좌우된다고 해도 과언이 아니다.
여기서는 종래의 파워 디바이스에 비해 저ON 저항, 고전류 밀도, 대전류이며 소형 패키지인 파워 디바이스 GTBT의 특 징에 관하여 기술한다.

GTBT란

GTBT(1)(Grounded-Trench-MOS Assisted Bipolar- Mode FET)는 전류구동으로, 전압구동인 파워 MOSFET나 IGBT보다 구동손실 면에서는 뒤떨어진다. 그러나 저ON 저항이므로 바이폴러 트랜지스터와 마찬가 지로 단위면적 당 전류용량이 높아 대전류를 필요로 하는 용 도에 적합하다.
스위칭 손실도 캐리어의 축적효과가 존재하므로 파워 MOSFET보다는 떨어지지만 바이폴러 트랜지스터보다 적어 고속동작이 가능해진다.
또한 온도 안정성이 좋기 때문에 열적인 파괴에도 강하다 는 특징이 있다. 내압 600V 클래스의 파워 디바이스와의 비 교를 표 1에 나타낸다.

이와 같이, GTBT는 바이폴러 트랜지스터의 장점은 그대로 유지한 채 단점을 보다 작게 한 디바이스로서 스위칭 전원분 야를 비롯, 파워계 분야의 키 디바이스로 사용할 수 있다.

1. GTBT의 특징
GTBT는 구조적으로 보면 독특한 디바이스 구조를 갖고 있는데(구조에 관해서는 다음 절 참조), 구동방법은 베이스 전류를 흘려 트랜지스터를 ON시키고 턴 오프는 베이스 전류 를 정지시켜 실현하고 있다. 즉, 디바이스의 사용방법은 바이폴러 트랜지스터와 똑같다.

그러나 GTBT는 다른 디바이스에서 볼 수 없는 많은 특징 을 갖고 있어 여기서는 올바른 사용방법을 실행하기 위한 GTBT의 특징에 관하여 해설한다.
(1) 저ON 저항 특성
트랜지스터가 ON상태일 때 바이폴러 동작에서 드리프트 영역은 전도도가 변조되므로 저저항상태가 되며 저ON 저항 이 실현된다.
또 바이폴러 트랜지스터와 비교해도 결과적으로 수분의 1 의 저ON 저항이 된다.
그림 1에 GTBT를 포함한 각종 디바이스의 ON 저항 비교를 나타낸다. 

동일 내압에서 비교할 때 파워 MOSFET에 대 해 2자리 낮은 ON 저항이라는 것을 알 수 있다. 또한 다른 디바이스와 비교해도 내압에 대한 ON 저항의 상승률은 둔하며 고내압 제품만큼 저ON 저항의 특징이 현저 하게 나타난다.
(2) 고속 스위칭 특성(tf〈70ns)
GTBT는 턴 오프 시간(tf)이 짧아 스위칭 특성에 우수하다. 그 이유는 채널의 차단이 진행되는 과정에서 트렌치 측벽(채 널 영역)에서 반전층이 형성되고 그 속에서 정공 캐리어를 고 속으로 빼낼 수 있기 때문이다.
그림 2에 L 부하 시의 스위칭 파형을 나타낸다.

바이폴러 트랜지스터와 비교할 때 약 1/2의 tf로 되며 스위칭 손실을 반정도 줄일 수 있다는 것을 확인하고 있다.
(3) 고온동작 가능
트랜지스터가 ON상태일 때 베이스에 해당하는 채널 영역 은 N형 실리콘으로 되며 주 전류는 모두 같은 극성인 N형 실 리콘으로 흐르기 때문에 기생소자는 존재하지 않는다. 따라 서 동작 시의 온도 특성은 MOSFET와 같은 부(－) 특성으로 되며 소자의 열폭주가 잘 일어나지 않게 된다. 결과적으로 소 자의 파괴내량은 향상된다.
(4) 고전류 이득(hFE＝1,000 이상)
바이폴러 트랜지스터의 베이스에 해당하는 채널 영역의 농 도는 극히 얇으므로 베이스 수송효율이 높고 이미터 주입효 율도 높아 hFE는 1,000 이상이 얻어진다. 때문에 트랜지스터 를 구동하는 베이스 전류는 적어도 되어 베이스 구동손실이 작아진다.
(5) 완전 노멀리 OFF
베이스 단자에 전압을 인가하지 않을 때에는 기본적으로 채널이 닫히고 주 전류는 흐르지 않게 된다(후술하는 동작원 리 참조).
따라서 완전 노멀리 OFF의 트랜지스터로서 바이폴러 트 랜지스터와 마찬가지로 다룰 수 있다.
(6) 고내압화가 용이(100~1,500V)
바이폴러 트랜지스터를 고내압화하기 위해서는 펀치 스루현상을 회피하기 위해 베이스 농도를 어느 정도까지밖에 내 릴 수 없으므로 고내압화와 고hFE화를 양립하기 곤란했었다. 그러나 GTBT는, 베이스에 해당하는 채널 영역은 저농도이 면서 1,000V 이상의 내압이 확보되고 있으므로 그 독자적인 구조에 의하여 hFE를 올리더라도 펀치 스루가 발생하지 않 는다.
따라서 내압은 칩 주변부에 설치되어 있는 가드 링의 설계 로 제어가 가능해짐에 따라 고내압화를 용이하게 실현할 수 있게 되었다.

2. MOSFET보다 저RDS(on), IGBT보다 저VCE(sat),바이폴러보다 고 hFE
대표적인 파워 디바이스의 동작원리에 관하여 그림 3에 나타낸다.

일반적으로 고내압설계에 반드시 필요한 드리프트 영역은 저ON 저항화와는 상반되는 것으로서 유니폴러 디바 이스인 파워 MOSFET에서는 문제가 된다.
그러나 바이폴러 디바이스인 GTBT, 바이폴러 트랜지스 터, IGBT는 드리프트 영역의 저항을 ON할 때 전도도변조에 의해 내릴 수 있으므로 고내압화와 저ON 저항화의 양립이 비교적 용이해진다.
단, IGBT는 컬렉터 영역에서 소수 캐리어를 주입한다는 원리상, PN 접합이 주 전류경로에 존재하여 0.6V의 시프트 가 ON 전압에 인가되므로 저내압저전류 용도에는 적합하지 않다.
바이폴러 트랜지스터는 베이스 영역에서 드리프트 영역으 로 소수 캐리어를 주입한다는 점에 있어서는 GTBT와 같지 만 GTBT에 비해 ① 베이스 농도가 높다, ② 이미터 영역이 넓다, ③ 베이스의 라이프타임이 짧다 등의 이유로 이미터 주 입효율이 낮아 전류이득 hFE가 낮아진다. 때문에 구동회로부 의 복잡화나 전력손실 증대를 초래한다. GTBT의 상세한 동 작원리에 관해서는 후술하겠지만 GTBT는 이미터 주입효율 이 높고 hFE가 현격하게 향상된다.
이상에서 GTBT는 전류구동 디바이스이지만 파워 MOSFET보다 저ON 저항이고 IGBT보다 저VCE(sat)이며 바이폴러 트랜지스터보다 구동손실이 적은 디바이스라 할 수 있다.

3. 바이폴러 트랜지스터보다 턴 오프가 빠르다
(1) 베이스에 축적된 소수 캐리어를 고속으로 빼낸다 유니폴러 디바이스인 파워 MOSFET는 소수 캐리어의 축 적이 없기 때문에 게이트 전위를 －로 떨어뜨림으로써 고속 으로 턴 오프시킬 수 있다.
그러나 바이폴러 디바이스의 경우에는 디바이스 내에 축적 된 소수 캐리어의 존재가 문제된다.
IGBT는 게이트에서 직접 빼낼 수 없기 때문에 라이프타임 컨트롤이나 소수 캐리어의 주입효율저감 및 수송효율 향상 등 의 기술에 의존한다.
전류구동 디바이스인 바이폴러 트랜지스터나 GTBT는 디 바이스 내에 축적된 소수 캐리어를 베이스 영역까지 빼내는 것만으로도 턴 오프를 고속화할 수 있다.
특히 GTBT인 경우, 채널 내에 존재하는 정공은 트렌치 측 벽이 저저항인 도통로로서 동작하므로 베이스 영역에서 디바 이스 밖으로 신속하게 배출된다. 따라서 전술한 바와 같이, 바이폴러 트랜지스터보다 턴 오프 속도가 빠르다는 특징이 있다.

GTBT의 구조 및 동작원리

앞에서는 실제 데이터를 소개하면서 일반적인 파워 디바이 스와 비교했지만 여기서는 그 구조 및 동작원리에 관하여 해 설한다.

1. GTBT의 구조
GTBT는 그 명칭대로, GND에 접지된 트렌치 MOS 구조 에 의해 어시스트된 바이폴러 모드로 동작하는 FET이다. 컬렉터 영역(n＋) 상에 드리프트 영역(n－)을 형성하고 있으 며 그 표면에는 이미터 영역(n＋)과 베이스 영역(p＋)이 적절 한 거리를 두고 배치, 이러한 베이스 이미터 영역을 연결하도 록 스트라이프형 트렌치 전극을 형성하고 있다. 이 트렌치 전 극은 p＋형 폴리실리콘에 의해 충전되고 있으며 메탈 배선에 의해 이미터 영역과 같은 전위로 하고 있다. 또 2개의 트렌치 전극과 이미터 영역 사이에 있는 영역을 채널 영역이라 하지만 GTBT의 동작원리를 이해하는 데 있 어서도 중요하다.

2. 채널 영역의 원리
GTBT의 ON/OFF 동작은 전술한 바와 같이 채널 영역의 개폐와 밀접하게 관련되어 있다. 그래서 채널 영역에서의 전 하의 움직임에 착안하여 GTBT의 ON/OFF 동작에 관해 설 명한다.
(1) 채널 차단상태(OFF상태)
그림 4는 채널 영역을 발췌한 것이다. 

여기에서는 트렌치 전극간의 거리(이하, 채널 두께)가 충분히 넓은 경우로 설명 한다.
GTBT에서는 p＋형 폴리실리콘과 n－형 채널이 트렌치 SiO2를 통하여 대치하고 있지만 트렌치 전극과 이미터 영역 을 같은 전위로 함으로써 양자간에는 각각의 일 함수 차에 따 른 빌트인 전계가 형성된다. 이 빌트인 전계는 폴리실리콘 측 이온화 억셉터와 채널 측 이온화 도너에 의해 종단되고 있다. 바꿔 말하면, 트랜치 SiO2 계면의 폴리실리콘 측 및 채널 측에서는 빌트인 전계를 형성하여 공핍화하게 된다. 그리고 채널의 중앙부분에는 중성 n－ 영역이 잔류된 상태로 되어 이 것으로는 차단할 수 없다.
그렇다면 이대로 채널의 두께를 충분히 좁힐 경우 어떻게 될까. 그것을 그림 5의 모델에서 살펴본다. 

지금 빌트인 전계를 형성하기 위해 폴리실리콘 측에서는 한쪽 9개의 이온화 억 셉터(부전하)가 존재하고 있다. 따라서 채널 측에서도 이에 대응하는 9개의 정전하가 필요하다. 채널 측에서는 필요한 9 개의 정전하를 짜내기 위해 모든(여기서는 6개) 도너가 이온 화하게 된다.
이로써 채널은 공핍층에 의해 점유되고 GTBT는 OFF상 태로 된다. 실제로는 소수 캐리어인 정공도 개입하고 있어(3 개) 의사적으로 p형이 되고 있다.
(2) 채널 도통상태(ON상태)
그림 6에 ON상태의 모델을 나타낸다. 

그림 5의 OFF상태와 비교해 본다. 트렌치의 측벽에 존재하는 정공이 3 → 9개 로 늘었다는 것을 알 수 있다. 이러한 정공은 빌트인 전계를 종단시키고 있다.
이로써 채널 중앙에서는 이온화 도너가 6 → 0개로 변화 (공핍층이 소실)되어 중성영역이 부활하고 있다는 것을 알 수 있다. 이 중성영역을 통해 자유전자가 도통한다. 즉, 트렌치 측벽계면의 정공 밀도를 조작함으로써 채널을 개폐시키고 있 다고 할 수 있다.
지금까지는 GTBT의 ON/OFF를 이해하는 데 기본이 되는 채널 영역의 개폐에 관하여 설명했지만 실제 사용에 있어서는 컬렉터 전극이나 베이스 전극의 전위를 상정해야 한다. 다음 에는 이러한 전극의 전위의 움직임과 연동시켜 설명한다.

3. GTBT의 ON/OFF 동작원리
(1) OFF상태
전술한 대로 GTBT는 그림 5와 같이 채널 영역을 공핍화 함으로써 전자전류를 차단한다. 그러나 실제 사용에 있어서 는 컬렉터 전위의 상승에 따라 드리프트 영역의 공핍층 속에 서 캐리어가 발생한다.
이 가운데 정공에 관해서는 채널 영역으로 뛰어들어 빌트 인 전계를 차폐하기 때문에 지금까지는 그림 6과 같이 채널이 열려버린다. 그러나 GTBT에서는 베이스 전위를 접지함으로 써 채널에 뛰어든 정공을 베이스 단자를 통해 디바이스 외부 로 신속하게 배출할 수 있다(노멀리 OFF 특성). 또한 채널 영역은 일반적으로 폴리실리콘 속의 이온화 억 셉터와 채널 속의 이온화 도너 사이에서 형성되는 빌트인 전 계가 지배적이며 채널 영역은 공핍상태를 유지하고 있다. 적 절한 채널 설계를 실행함으로써 채널 영역 내로 컬렉터 전계 의 침입을 억제할 수 있고 나아가서는 채널 내압의 고압화가 가능하게 된다.
(2) ON상태(활성상태)
GTBT를 구동시키려면 베이스 전위를 정(＋)으로 끌어올 린다. 이로써 베이스 영역으로부터 트렌치 측벽계면으로 정 공전류가 주입되지만 주입된 정공은 빌트인 전계를 차폐함으 로써 채널을 연다(그림 6 참조). 또 이러한 점에서 알 수 있듯 이, GTBT는 베이스로부터 전류를 주입함으로써 ON하는 전 류구동 디바이스이다.
바이폴러 트랜지스터인 경우, 이미터에서 베이스로 주입한 전자는 베이스 영역 내의 다수 캐리어(정공)와 재결합하기 쉬 워 컬렉터단으로의 도달률이 낮지만, GTBT에서는 채널(바 이폴러 트랜지스터의 베이스 영역에 해당) 영역이 극히 저농 도인 p－형 영역으로 보이게 되므로 미소한 베이스 전류로 ON시킬 수 있다.
(3) ON상태(고주입상태)
또한 베이스 전위를 올리면 베이스 영역에서 드리프트 영역 으로 직접 정공전류가 주입된다. 이에 따라 드리프트 영역은 전도도 변조상태로 되어 저저항으로 주 전류를 흘릴 수 있다.

ON/OFF 구동 기술

특징을 다시 한 번 확인해 둔다.
.GTBT는 바이폴러 트랜지스터와 같은 전류구동 디바이스
.내압이 같다면 파워 MOSFET에 비해 단위면적 당RDS(ON)가 2자리 이상 낮다
.tf가 예전 바이폴러 트랜지스터의 반 정도이며 스위칭 손실이 저감된다
.저전류에서의 hFE값이 높다(≒1,000)
GTBT의 응용회로 분야로서는 각종 소형 전원용, 비교적 고압의 로드 스위치 등에 적응할 수 있다. 예전 바이폴러 트 랜지스터에서의 치환을 고려했을 경우, tf가 짧기 때문에 스 위칭 손실이 저감되고, 바이폴러 트랜지스터와 비교해도 VCE(sat)가 작기 때문에 ON 손실이 저감되어 세트의 효율 상 승이 실현된다.
RCC 전원(Ringing Choke Converter)에서의 테스트 결 과에서는 GTBT의 12A 스펙 제품과 500V/16A 스펙의 바이 폴러 트랜지스터와의 동작비교에서 5V/10A 출력 시, 온도가 약 9℃ 저하된다는 결과를 얻고 있다.
여기서의 포인트는 드라이브 조건이다. 현재 파워 디바이 스의 주류를 이루고 있는 것은 파워 MOSFET이지만 이 GTBT는 MOSFET의 구동회로를 그대로 사용하면 고효율 의 드라이브가 될 수 없다는 우려가 있다.
GTBT의 효과적인 드라이브 방법은 전류구동이라는 점에 서 바이폴러 트랜지스터와 마찬가지로 생각할 수 있다. 예를 들어 5A를 흘리거나 정지시킬 때(즉, 스위칭 동작), 파워 MOSFET에서는 게이트-소스 사이에 4~10V의 전압 유무 로 드레인 전류 ID를 제어하지만 GTBT인 경우에는 먼저 베 이스 순방향 전류 IB1을 흘려 컬렉터 전류를 흐르게 하고(ON 하고), 컬렉터 전류를 OFF 시킬 때는 순간적으로 역 방향 베 이스 전류 IB2를 흘림으로써 급격하게 컬렉터 전류를 OFF 시 킨다.
또 IB2라는 역 방향 베이스 전류를 흐르게 하는 것은 채널 부분(베이스)에서 과잉 캐리어(홀)를 빼내 채널을 닫기 위함 이다.
구체적으로는 사용하는 IC일 때의 hFE를 hFE-IC 커브에서 판 독하고, 사용하는 IC값을 그 hFE값으로 나눈 값이 기준인 IB1 으로 된다. GTBT의 특징에서 온도가 상승하면 hFE가 내려가 므로 이 IB1도 그 점을 고려하여 크게 설정해야 하며 편의상 30% 늘린 IB1＝IB1×1.3 정도가 실제 IB1의 값이 된다. IB2는 tstg. tf를 단축시키기 위해 흘리는 전류로 ｜IB2｜＝IB1 ×5~8을 흘린다. 최적화는 실제 회로에 있어서 tstg, tf 손실을 효과적으로 최소화할 수 있는 값으로 튜닝해 가게 된다. GTBT 와 파워 MOSFET의 구동방법 차이를 표 2에 나타낸다.

응용 예

1. RCC 회로에의 적응
고내압 디바이스로서 hFE가 높은 GTBT의 응용회로로는 그림 7의 RCC가 있다. 

RCC는 대표적인 자여식 스위칭 회로로서 수W~100W 정도까지의 다양한 전원에 사용되고 있다. 구동방법은 1차 측 컬렉터 권선과 함께 감긴 베이스 구동 권선에서 IB1, IB2를 발생시키므로 GTBT를 구동하는 데 적당 하다. 전술한 바와 같이, 바이폴러 트랜지스터에서의 치환은 용이하다.
또한 저전류 대역에서 hFE가 500 이상 고내압인 트랜지스 터로 본다면 높으므로 기동저항을 크게 설정하고 경부하 시 의 소비전력을 작게 할 수 있다는 메리트가 있다.
이것을 통상적인 바이폴러 트랜지스터로 시도한다면 저온 일 때 회로가 기동할 수 없게 될 우려가 있다. 이것은 일반적 으로 사용되고 있는 바이폴러 트랜지스터의 hFE 온도 특성이 정(＋)이기 때문이다. GTBT인 경우는 온도 특성이 부(－)이 므로 저온에서 기동할 수 없게 되는 문제도 적지 않다.

2. 타여식 회로에의 적응
타여식 회로에 이용하는 경우, 드라이브 조건의 매칭이 필요 하다. 때문에 드라이브 IC와의 인터페이스를 변경한다. 일반적으로 그림 8과 같이 출력 블리더 저항과 인출 베이 스 전류가 발생하는 스피드업 콘덴서를 베이스 라인에 삽입 하는 회로를 상정할 수 있다.

또 전압 → 전류변환으로서 그림 9와 같이 절연 트랜스로 구동하는 방법이 있다. 

드라이브 IC의 구동능력이 부족한 경우는 절연 트랜스와의 사이에 버퍼를 삽입하기 바란다.

3. 주의사항M
(1) 컬렉터-이미터간 피크 전압 VCEp
기존의 바이폴러 트랜지스터와 같이 2차 항복 영역이 있으 므로 스위칭 동작 시, 특히 IC 컷오프 시 VCEp는 절대로 ASO 영역을 초과하지 않도록 피크 전압을 제어해야 한다. 구체적 으로는 발생전압에 따라 스너버 회로를 삽입하여 VCEp 대책 을 세우기 바란다.
(2) 축적시간 tstg
tstg란 베이스 전류를 OFF한 다음 컬렉터 전류가 90%로 될 때까지의 시간이다. GTBT는 스위칭 동작 시 컷오프의 지 연시간인 tstg가 발생한다.
전술한 바와 같이 드라이브 전류 IB2(베이스 인출전류)를 최적화함으로써 tstg를 단축시킬 수 있게 된다. tstg를 고려하여 회로설계를 진행하기 바란다.
(3) 내압 VCBO와 VCEO에 관하여
GTBT는 디바이스 특성 상 VCEO 스펙이 일반적인 고내압 바이폴러 트랜지스터에 비해 낮게 되어 있다.
한편, 동작 상 VCE 전압이 가장 높아질 때는 IC 컷오프일 때 이며 베이스 전류는 0A 또는 마이너스(IB2가 흐르고 있는 상 태)일 때이다. 이 때의 내압 모드는 VCES(베이스-이미터간 쇼 트 시의 컬렉터-이미터간 내압)로 된다. VBO＝VCES〉VCEO이 며 편의상 VCES(VCBO)를 내압 평가의 기준으로 하고 소자 선 택 시에는 VCES(VCBO) 스펙을 확인한다.
또 VCEp값은 세트의 과도동작 시, 예를 들면 전원 투입 시 나 부하 쇼트 시에 정상동작일 때보다 값이 커지는 경우가 많 으므로 세트 동작평가 시는 과도동작 시의 VCEp값을 충분히 고려하기 바란다.

[출처] 6. GTBT의 구조와 특징|작성자 맥가이심

출처: http://www.icbanq.com/elecinfo_net_new/Elec_TechInfo_Main.aspx