Al suo livello più semplice, un transistor bipolare a gate isolato (IGBT) è un interruttore utilizzato per consentire il flusso di corrente quando è acceso e per interrompere il flusso di corrente quando è spento. Un IGBT è un dispositivo a stato solido, il che significa che non ha parti mobili. Invece di aprire e chiudere una connessione fisica, viene azionata applicando tensione a un componente a semiconduttore, chiamato base, che modifica le sue proprietà per creare o bloccare un percorso elettrico.
Il vantaggio più evidente di questa tecnologia è che non ci sono parti mobili soggette a usura. Tuttavia, la tecnologia a stato solido non è perfetta. Ci sono ancora problemi con la resistenza elettrica, i requisiti di alimentazione e persino il tempo necessario per il funzionamento dell’interruttore.
Un transistor bipolare a gate isolato è un tipo migliorato di transistor progettato per ridurre al minimo alcuni degli svantaggi di un transistor a stato solido convenzionale. Offre la bassa resistenza e la velocità elevata all’accensione che si trovano in un transistor ad effetto di campo (MOSFET) di potenza metallo-ossido-semiconduttore, sebbene sia leggermente più lento da spegnere. Inoltre, non richiede una fonte di tensione costante come fanno altri tipi di transistor.
Quando un IGBT è acceso, viene applicata tensione al gate. Questo costituisce il canale per la corrente elettrica. La corrente di base viene quindi fornita e scorre attraverso il canale. Questo è essenzialmente identico a come funziona un MOSFET. L’eccezione a ciò è che la costruzione del transistor bipolare a gate isolato influenza il modo in cui il circuito si spegne.
Un transistor bipolare a gate isolato ha un substrato diverso, o materiale di base, rispetto a un MOSFET. Il substrato fornisce il percorso alla messa a terra elettrica. Un MOSFET ha un substrato N+, mentre il substrato di un IGBT è P+ con un buffer N+ sopra.
Questo design influisce sul modo in cui l’interruttore si spegne in un IGBT, consentendo che si verifichi in due fasi. Innanzitutto, la corrente diminuisce molto rapidamente. In secondo luogo, si verifica un effetto chiamato ricombinazione, durante il quale il tampone N+ sopra il substrato elimina la carica elettrica immagazzinata. Con lo spegnimento che avviene in due passaggi, ci vuole un po’ più di tempo rispetto a un MOSFET.
Le loro proprietà consentono di produrre IGBT per essere più piccoli dei MOSFET convenzionali. Un transistor bipolare standard richiede un’area superficiale del semiconduttore leggermente maggiore rispetto all’IGBT; un MOSFET richiede più del doppio. Ciò riduce significativamente il costo per la produzione di IGBT e consente di integrarne un numero maggiore in un singolo chip. Anche il fabbisogno di potenza per il funzionamento di un transistor bipolare a gate isolato è inferiore rispetto ad altre applicazioni.