[發(fā)明專利]具有非負(fù)溫度系數(shù)的寬帶隙雙極可關(guān)斷閘流管和相關(guān)控制電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080031837.2
• 申請日: 2010-02-23
• 公開（公告）號: CN102460708A
• 公開（公告）日: 2012-05-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張清純;J·T·里奇蒙德;R·J·卡拉南
• 申請（專利權(quán)）人: 克里公司
• 主分類號: H01L29/74
• 分類號: H01L29/74;H01L29/744;H01L25/07;H03K17/73
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 杜娟娟;王忠忠

美國政府利益的聲明

本發(fā)明是在美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室合同號No.W911NF-04-2-0022的政府支持下開發(fā)的。政府對本發(fā)明具有特定權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體器件，并且更具體地，涉及包括功率開關(guān)器件的裝置和電路。

背景技術(shù)

功率器件廣泛用于傳遞大電流并支撐高電壓。現(xiàn)代功率器件一般由單晶硅半導(dǎo)體材料制造。功率器件的一種類型是閘流管。閘流管是一種雙穩(wěn)態(tài)功率半導(dǎo)體器件，其可從非導(dǎo)通的“關(guān)”狀態(tài)切換到導(dǎo)通的“開”狀態(tài)，反之亦然。例如閘流管、高功率雙極結(jié)晶體管(“HPBJT”)，或功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(“MOSFET”)的功率半導(dǎo)體器件為能夠控制或通過大量電流并阻斷高電壓的半導(dǎo)體器件。

閘流管已為人所熟知，其一般具有三個(gè)端子：陽極、陰極和柵極。當(dāng)在閘流管柵極端子處接收到電流脈沖時(shí)可激勵(lì)閘流管以便在其陽極及陰極端子之間傳導(dǎo)電流。更具體地，可通過橫跨柵極和陰極施加短路電流脈沖來接通閘流管。一旦閘流管接通，柵極可失去其關(guān)斷器件的控制力。可通過橫跨陽極和陰極施加反向電壓來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。然而，專門設(shè)計(jì)的柵極可關(guān)斷閘流管(“GTO”)通常由反向柵極脈沖來關(guān)斷。GTO閘流管通常由某些觸發(fā)輸入來開始傳導(dǎo)，并且隨后其以二極管的形式工作。

閘流管是一種在瞬時(shí)電流、di/dt和dv/dt性能方面都非常穩(wěn)定的器件。常規(guī)硅閘流管的正向電壓(V_F)降為大約1.5V到2V，而對某些功率更高的器件而言，大約為3V。因此，閘流管可控制或通過大電流并且有效地阻斷高電壓(即，電壓開關(guān))。

閘流管的兩個(gè)參數(shù)是內(nèi)建電勢(built-in?potential)(這是用來制造閘流管的半導(dǎo)體材料的帶隙的特性)和比接通電阻(specific?on-resistance)(即，器件接通時(shí)在線性區(qū)中橫跨器件陽極和陰極的電阻)。閘流管的比接通電阻通常是盡可能地小，以便對于施加到閘流管上的給定電壓，按單位面積提供大的電流。對于給定的額定電流，比接通電阻越小，正向電壓(V_F)降越小。給定半導(dǎo)體材料的最小V_F為其內(nèi)建電勢(電壓)。

某些常規(guī)閘流管可由硅(Si)或砷化鎵(GaAs)制造，例如可控硅整流器(“SCR”)。然而，由硅或砷化鎵形成的閘流管可能具有某些由Si或GaAs材料本身帶來的性能限制，例如少數(shù)載流子壽命和漂移區(qū)的厚度。對比接通電阻影響最大的因素是閘流管的低摻雜厚漂移區(qū)的電阻。在例如MOSFET的多數(shù)載流子器件中，比接通電阻由摻雜濃度和輕摻雜的漂移層厚度確定。在少數(shù)載流子(或雙極)器件中，載流子，即電子和空穴被注入該漂移層，并顯著降低比接通電阻。這種效應(yīng)也稱為電導(dǎo)率調(diào)制。閘流管的額定電壓增大時(shí)，通常漂移區(qū)厚度增加而漂移區(qū)的摻雜減少。對于有效的電導(dǎo)率調(diào)制，要求少數(shù)載流子的壽命非常長。同時(shí)，由于漂移層體積的增大，存儲在漂移層的載流子數(shù)量增多。因此，對于具有更高阻斷額定電壓的器件來說，消除進(jìn)入漂移層中的載流子所需要的時(shí)間(其確定了切換時(shí)間和頻率)可顯著增大。

在功率器件方面所做的研發(fā)努力包括將碳化硅(SiC)器件用作功率器件。相對于硅，碳化硅具有較寬的帶隙、較小的介電常數(shù)、較高的擊穿場強(qiáng)度、較高的熱導(dǎo)率和較高的飽和電子漂移速度。相比常規(guī)硅基功率器件，這些特性可允許碳化硅功率器件工作在更高的溫度、更高的功率水平，并且具有更小的比接通電阻和更高的切換頻率。對碳化硅器件相比硅器件所具有的優(yōu)勢的理論分析可在Bhatnagar等人發(fā)表在IEEE?Transactions?on?Electron?Devices，Vol.40，1993，pp.645-655上的、題為“Comparison?of6H-SiC，3C-SiC?and?Si?for?Power?Devices”的公開中找到。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式，電子器件包括具有陽極、陰極和柵極端子的寬帶隙閘流管，和具有基極、集電極和發(fā)射極端子的寬帶隙雙極晶體管。雙極晶體管的發(fā)射極端子耦合到閘流管的陽極端子。雙極晶體管和閘流管限定了混合或單片的寬帶隙雙極功率開關(guān)器件。寬帶隙雙極功率開關(guān)器件構(gòu)造為在非導(dǎo)通狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換，其中，導(dǎo)通狀態(tài)允許電流在雙極晶體管的集電極端子和閘流管的陰極端子之間流動(dòng)以響應(yīng)于施加到雙極晶體管的基極端子的第一控制信號和響應(yīng)于施加到閘流管柵極端子的第二控制信號。