專利名稱：金屬——絕緣——石墨化碳場效應(yīng)管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種電壓控制的大功率開關(guān)管，屬電力電子器件，英文簡稱MICFET。原理上與目前廣泛使用的半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET一樣，都是利用柵極靜電場夾斷導(dǎo)電溝道，所不同的是本發(fā)明采用石墨化碳纖維(或熱分解碳膜)取代半導(dǎo)體，作導(dǎo)電溝道。因此，它具有易控制，開關(guān)動作快，耐高壓，導(dǎo)通電阻非常小，工作溫度高的特點。特別適合電力電子系統(tǒng)應(yīng)用。
自上世紀(jì)五十年代第一只晶體管問世至今，先后發(fā)明了晶閘管SCR，可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶體管GTR，功率場效應(yīng)管VMOSFET，絕緣門極晶體管IGBT，MOS控制晶閘管MCT等電力電子器件。它們在電力電子領(lǐng)域創(chuàng)造了無數(shù)奇跡，為人類作出了巨大貢獻(xiàn)。但由于它們都是用半導(dǎo)體作基礎(chǔ)材料。目前看，幾乎所有半導(dǎo)體做的大功率器件都存在高耐壓與大電流容量之間的矛盾。尤其是功率半導(dǎo)體器件總有1～3V的導(dǎo)通壓降(若通過電流為100A，則要白白消耗幾百VA，還要加散熱器)，這樣大的導(dǎo)通損耗，除降低能量利用效率外，也限制了半導(dǎo)體功率器件在損耗要求高的領(lǐng)域的應(yīng)用。
本發(fā)明的思路和目的，是用電阻率比半導(dǎo)體低得多的石墨化碳纖維作導(dǎo)電溝道，并在結(jié)構(gòu)上作了巧妙安排，使柵極仍能利用靜電場夾斷碳纖維導(dǎo)電溝道。做出導(dǎo)通壓降比半導(dǎo)體器件低2～3個數(shù)量級，同時高反壓與大電流矛盾不大的新型電力電子器件。
本發(fā)明是楊金玉的《金屬-絕緣-金屬場效應(yīng)管》發(fā)明(01106729.2)的一種具體化和改進(jìn)。其結(jié)構(gòu)如圖一，其中1為石墨化碳纖維(導(dǎo)電溝道)，其上端連在一起作陽極A，而下端連在一起作陰極K。2為絕緣薄膜(如SiC、Al2O3、Ta2O5、陶瓷)。3為金屬薄膜柵極，分成G1和G2兩組，各組并連，分別接有外引線。圖二，為外接控制電路后工作原理圖。圖中A、G1、G2、K部分為碳纖維場效應(yīng)管的等效電路；Ea，Eg分別為高壓正電源與柵極控制負(fù)電源；RL為陽極負(fù)載，D1為穩(wěn)壓管，其穩(wěn)壓值與Eg相等；C為電容；R1、R2為電阻，R1阻值較小，而R2阻值較大(用來維持D1的穩(wěn)壓電流)；K1、K2、K3為雙刀叁擲開關(guān)。
我們結(jié)合圖二說明其工作原理當(dāng)開關(guān)K1、K2、K3置on位置時，柵極G1、G2上電壓都為零，此時場效應(yīng)管導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降等于流過碳纖維的電流乘以碳纖維本身的電阻。我們知道，單晶石墨的電阻率為4×10-5Ω·Cm，石墨化碳纖維視廠家不同大概在10-4Ω·Cm上下。這個數(shù)值比做功率器件的半導(dǎo)體材料要低2～3個數(shù)量級。同時，負(fù)電源Eg經(jīng)K3-R1-A-K通路，使電容C上的電壓充至Eg值。當(dāng)開關(guān)K1、K2、K3置Off位置時，負(fù)電源Eg及電容C上的電壓立即向柵極G2和G1電容充電。使Ug2k＝Ug1A＝-Eg。根據(jù)負(fù)電場排斥負(fù)電子的原理，被柵極G1，G2所包圍的那個區(qū)域碳纖維內(nèi)的電子數(shù)將大為減小，當(dāng)負(fù)電壓Eg足夠高時，該區(qū)域的自由電子將被排斥光，G1、G2所包圍的區(qū)域，變?yōu)榻^緣區(qū)(即場效應(yīng)管截止)，同時Uak＝+Ea。截止時，穩(wěn)壓管D1，由Ea-RL-R2通路維持穩(wěn)壓，維持電容上的電壓，從而繼續(xù)保持場效應(yīng)管截止?fàn)顟B(tài)。
下面討論本發(fā)明的特色(一)由石墨化纖維帶來的好處(1)電阻率比半導(dǎo)體材料小，因此導(dǎo)通壓降可以比半導(dǎo)體器件低2～3數(shù)量級；(2)單一電子導(dǎo)電(沒有PN結(jié))，控制電路簡單，因此開關(guān)速度快；(3)碳纖維化學(xué)穩(wěn)定性好，在空氣中500℃下不被氧化。包裹SiC等介質(zhì)膜后，性能更穩(wěn)定，因此工作溫度大大高于硅半導(dǎo)體器件；(4)碳纖維的導(dǎo)熱率較高，便于散熱。碳纖維的形狀適合于獲得良好的接觸，有較大耐浪涌電流的能力；(5)碳纖維很容易獲得，價也比硅單晶便宜。
(二)由結(jié)構(gòu)上帶來的好處(1)整個場效應(yīng)管是由無數(shù)根單絲碳纖維場效應(yīng)管基本單元并聯(lián)組成的一或稱多束纖維捆綁式。因此，用幾個同型號場效應(yīng)管并聯(lián)，以擴(kuò)大電流是順理成章的事；(2)制造上主要用氣相沉積等工藝，比半導(dǎo)體工藝要單純得多，也不需要超凈廠房，制造成本當(dāng)然比半導(dǎo)體低；(3)在楊金玉(01106729.2)發(fā)明中，克服高反壓的方法是用幾個MIMFET場效應(yīng)管基本單元的串聯(lián)，串聯(lián)個數(shù)越多，反壓越高。本發(fā)明去掉中間幾個基本單元，只留兩頭(靠近A和K)兩個基本單元，要增大反向電壓就加長圖一虛線部分。按原理講，兩頭兩個場效應(yīng)管的截止是有過渡過程的，即柵極負(fù)電壓有個上升過程，柵區(qū)下碳纖維中自由電子也有逐漸減少的過程，整根碳纖維的電阻隨之不斷上升，陽極A和陰極K之間電壓越來越高(加快吸走整根碳纖維中的自由電子)；直到負(fù)柵壓升至最高值時，陽極正電壓將吸走整根碳纖維中的所有自由電子，MICFET才截止。這是理想的狀態(tài)。實際上由于制造過程中種種缺陷，在碳纖維中還存有少量自由電子。我們加長圖一虛線部分的目的有兩個。其一是防止陽極-柵極-陰極之間的表皮高壓爬電(好在各根碳纖維外表都有絕緣介質(zhì)包裹，再加后續(xù)真空浸樹脂工藝)。其二是給極少數(shù)殘留自由電子增大運動過程中與碳原子的碰撞幾率。減少電子速度，以免高速電子引起的破壞。(即使有擊穿也只能燒毀個別幾根碳絲，而不會燒壞整個器件，可在產(chǎn)品老化過程中解決)?？梢?，隨著圖一虛線部分的加長，碳纖維的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)增大(但由于碳纖維電阻率比半導(dǎo)體小，所以其電阻的絕對值增大得并不大)。(5)可考慮用包裹Al2O3的鋁纖維來取代圖一虛線部分，這樣導(dǎo)通電阻會更低。
(三)驅(qū)動(控制)電路的特色(1)電壓控制方式，驅(qū)動功率小，速度快；(2)當(dāng)K1、K2、K3開關(guān)采用光電耦合隔離開關(guān)之后，碳纖維上下兩端的兩個場效應(yīng)管之間以及整個場效管與光電驅(qū)動器之間就完成了電氣隔離；(3)本驅(qū)動電路的唯一不足需要一個負(fù)電源Eg；(4)可以把上述部分做成功率模塊，使用起來更方便。
權(quán)利要求
1.一種包括場效應(yīng)功率器件及其驅(qū)動電路。其特征在于a.場效應(yīng)功率器件采用金屬—絕緣—石墨化碳(MICFET)結(jié)構(gòu)，其中石墨化碳為其導(dǎo)電溝道。b.對于石墨化碳。在多束纖維捆綁式場效應(yīng)管中，采用碳纖維作導(dǎo)電溝道；在多層疊片電容式場效應(yīng)管中，采用熱分解碳膜作導(dǎo)電溝道。c.在MICFET整體結(jié)構(gòu)上，只在石墨化碳導(dǎo)電溝道的兩端各做一個MICFET基本單元，中間一段仍是石墨化碳溝道。在要求導(dǎo)通電阻特別小的應(yīng)用場合，中間段用包裹Al2O3的鋁纖維束替代碳纖維束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電路，是由穩(wěn)壓管D1，電容C，電阻R1、R2，開關(guān)K1、K2、K3及負(fù)電源Eg所組成的，其特征在于a.導(dǎo)電溝道兩頭的兩個MICFET基本單元是分別驅(qū)動的，且兩者在電氣上是絕緣的。b.開關(guān)K1、K2、K3采用光電耦合隔離開關(guān)，使光控驅(qū)動電路與MICFET之間完全絕緣。c.D1和C的作用與負(fù)電源Eg一樣，此法省去了另一個負(fù)電源。
全文摘要
本發(fā)明是一種電壓控制的大功率開關(guān)管，屬電力電子器件，英文簡稱MICFET。原理上與目前廣泛使用的半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET一樣，都是利用柵極靜電場夾斷導(dǎo)電溝道，所不同是本發(fā)明采用石墨化碳纖維(或熱分解碳膜)取代半導(dǎo)體，作導(dǎo)電溝道。因此，它具有易控制，開關(guān)動作快，耐高壓，導(dǎo)通電阻非常小，工作溫度高的特點。特別適合電力電子系統(tǒng)應(yīng)用。
文檔編號H01L29/66GK1516286SQ0311442
公開日2004年7月28日 申請日期2003年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月11日
發(fā)明者楊金玉 申請人:楊金玉