本申請(qǐng)要求在2015年5月5日遞交的專利號(hào)為15/54010的法國專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其整體通過引用的方式以法律允許的最大程度并入于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開內(nèi)容涉及雙向功率開關(guān)。

背景技術(shù)：

已經(jīng)提供了許多類型的雙向功率開關(guān)。這樣的開關(guān)例如在與負(fù)載的串聯(lián)連接中使用，該負(fù)載將在提供交流電流(AC)電源電壓(例如，主電源電壓)的端子之間被供電以控制向負(fù)載供應(yīng)的功率。

在已知的雙向功率開關(guān)當(dāng)中，可以提到三端雙向可控硅(triac)，其是很常用的并且具有相對(duì)廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。然而三端雙向可控硅受限于其控制端子僅使得能夠控制其從關(guān)斷狀態(tài)到導(dǎo)通階段的開關(guān)，從導(dǎo)通狀態(tài)到關(guān)斷階段的開關(guān)在流過三端雙向可控硅的電流下降到閾值之下時(shí)自然地發(fā)生。

已經(jīng)提供了基于MOS或者雙極性晶體管的各種解決方案以形成可控制以被導(dǎo)通和關(guān)斷的雙向功率開關(guān)。然而這樣的開關(guān)是相對(duì)昂貴的。另外，這樣的開關(guān)的控制可能要求相對(duì)復(fù)雜的電路。

還已經(jīng)在近期由申請(qǐng)人提供的在Rizk等人的文章“A vertical bidirectional bipolar power switch(BipAC)for AC mains applications,16th European Conference on Power Electronics and Applications(EPE'14-ECCE Europe)，2014”(其通過引用并入)中的可控制以被導(dǎo)通和關(guān)斷的雙向功率開關(guān)。將關(guān)于圖1在后文更詳細(xì)地描述這樣 的開關(guān)的結(jié)構(gòu)和操作。

存在可控制以被導(dǎo)通和關(guān)斷的雙向功率開關(guān)的需要，這一開關(guān)克服了現(xiàn)有開關(guān)的所有或者部分缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，實(shí)施例提供了一種雙向功率開關(guān)，包括第一、第二和第三部件，每個(gè)部件包括：具有交替的傳導(dǎo)類型的第一、第二和第三半導(dǎo)體區(qū)域的堆疊，以及具有與第一半導(dǎo)體區(qū)域的類型相反的類型的、被布置在第一區(qū)域中的半導(dǎo)體控制區(qū)域，其中：第一部件和第二部件的第一區(qū)域具有相同的傳導(dǎo)類型并且第一部件和第三部件的第一區(qū)域具有相反的傳導(dǎo)類型；第一部件的第一區(qū)域被連接到第二部件和第三部件的控制區(qū)域；第二部件和第三部件的第一區(qū)域被連接到開關(guān)的第一導(dǎo)電端子；第一部件、第二部件和第三部件的第三區(qū)域被連接到開關(guān)的第二導(dǎo)電端子；并且第一部件的控制區(qū)域被連接到開關(guān)的控制端子。

根據(jù)實(shí)施例，所述第一部件的第一半導(dǎo)體區(qū)域、第二半導(dǎo)體區(qū)域和第三半導(dǎo)體區(qū)域分別是P型、N型和P型的。

根據(jù)實(shí)施例，所述第一部件的半導(dǎo)體表面比所述第二部件和所述第三部件的半導(dǎo)體表面小。

根據(jù)實(shí)施例，所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件分別被形成在三個(gè)不同的半導(dǎo)體芯片中。

根據(jù)實(shí)施例，所述三個(gè)芯片被組裝在同一保護(hù)封裝中。

根據(jù)實(shí)施例，所述三個(gè)芯片被組裝在三個(gè)不同的保護(hù)封裝中。

根據(jù)實(shí)施例，一方面所述第一部件和所述第二部件，并且在另一方面所述第三部件，被分別形成在被組裝在同一保護(hù)封裝中的兩個(gè)不同的半導(dǎo)體芯片中。

根據(jù)實(shí)施例，所述保護(hù)封裝包括被分別連接到所述開關(guān)的所述第一傳導(dǎo)端子和所述第二傳導(dǎo)端子以及所述控制端子的三個(gè)外部連接端子。

根據(jù)實(shí)施例，所述第一部件和所述第二部件的第二半導(dǎo)體區(qū)域具有在從7x10¹³到4x10¹⁴原子/cm³的范圍中的摻雜水平以及在從150到250μm的范圍中的厚度，并且所述第三部件的第二半導(dǎo)體區(qū)域具有在從7x10¹³到4x10¹⁴原子/cm³的范圍中的摻雜水平并且具有在從150到250μm的范圍中的厚度。

附圖說明

將在下面對(duì)具體實(shí)施例的非限制性描述中結(jié)合附圖詳細(xì)論述前述和其他的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中：

圖1是示意性地圖示雙向功率開關(guān)的截面圖。

圖2是雙向功率開關(guān)的實(shí)施例的簡化視圖；并且

圖3是圖2的雙向功率開關(guān)的備選實(shí)施例的簡化頂視圖。

具體實(shí)施方式

在不同的附圖中已經(jīng)用相同的附圖標(biāo)記來表示相同的元件，并且各附圖也不是按比例的。在下面的描述中，在限定諸如“前”、“后”、“頂部”、“底部”、“左”、“右”等的絕對(duì)位置的術(shù)語時(shí)，或者在限定諸如“水平”、“垂直”等的方向的術(shù)語時(shí)，其參照附圖的定位，應(yīng)當(dāng)理解，在實(shí)際中所描述的部件可以被不同地定向。除非另外指定，表述“約”、“近似”或“在……的數(shù)量級(jí)”時(shí)，其意思是在20％以內(nèi)，優(yōu)選地到10％以內(nèi)。

在本公開內(nèi)容中，雙向功率開關(guān)的意思是對(duì)于電流和電壓雙向的開關(guān)，其在關(guān)斷狀態(tài)中能夠承受相對(duì)高的電壓，例如大于100V并且在600V或更大數(shù)量級(jí)的電壓。這里更具體地考慮了通過參考到其主要端子或者功率導(dǎo)電端子中的僅一個(gè)端子的單個(gè)柵極端子可以被控制為關(guān)斷和導(dǎo)通雙向功率開關(guān)。

圖1是示意性地圖示在上文提到的Rizk等人的文章中描述的類型的雙向功率開關(guān)100的示例的截面圖。

開關(guān)100是包括交替?zhèn)鲗?dǎo)類型的三個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域或?qū)?02、104 和106的垂直堆疊的單片式部件。在此示例中，下方區(qū)域106是P型的，從區(qū)域106的上表面延伸到區(qū)域102的下表面的中間區(qū)域104是N型的，并且上方區(qū)域102是P型的。中間區(qū)域104相對(duì)于上方和下方區(qū)域102和106是相對(duì)高摻雜的。在所示示例中，中間區(qū)域104比上方和下方區(qū)域102和106厚。作為示例，開關(guān)100從輕摻雜的N型半導(dǎo)體襯底(例如，硅襯底)形成，上方和下方區(qū)域102和106通過相應(yīng)地從襯底的上表面和從下表面的P型摻雜劑元素的注入或擴(kuò)散來形成。

開關(guān)100在上方區(qū)域102在上部還包括通過區(qū)域102與中間區(qū)域104絕緣的控制區(qū)域108，該控制區(qū)域108具有與區(qū)域102相反的傳導(dǎo)類型(即，所示示例中的N型)，并且具有比中間區(qū)域104高的摻雜水平?？刂茀^(qū)域108從區(qū)域102的上表面垂直地延伸，并且向下延伸到小于區(qū)域102的深度的一定深度。在頂視圖中，控制區(qū)域108僅占據(jù)區(qū)域102、104和106的堆疊的表面的一部分。作為示例，控制區(qū)域108(在頂視圖中)占據(jù)小于一半并優(yōu)選地小于四分之一的區(qū)域102、104和106的堆疊的表面。在所示示例中，控制區(qū)域108沿著區(qū)域102、104和106的堆疊的一邊來定位。區(qū)域108(在頂視圖中)可以由多個(gè)區(qū)域形成，諸如其基極和發(fā)射極區(qū)域總體上交錯(cuò)的雙極性功率晶體管。開關(guān)100包括(在未由層108占據(jù)的區(qū)域102的部分的層面處)與區(qū)域102的上表面接觸的第一主電極或功率傳導(dǎo)電極a1。開關(guān)100還包括與區(qū)域106的下表面接觸的第二主電極或功率傳導(dǎo)電極a2。開關(guān)100還包括與控制區(qū)域108的上表面接觸的控制電極g。

圖1的開關(guān)100的導(dǎo)通(閉合)通過在其參考端子a1的控制端子g上施加負(fù)電流來獲得，這導(dǎo)致在區(qū)域102和108之間形成的PN結(jié)的正向偏置。然后將控制區(qū)域108的電子注入到區(qū)域102中。這些電子中的一部分到達(dá)區(qū)域104，從而形成基極電流，該基極電流導(dǎo)致由區(qū)域102、104和106形成的垂直NPN雙極性晶體管的導(dǎo)通。更具體地，如果在開關(guān)的主端子a1和a2之間的電壓是正的(Va2–Va1 >0，Va2和Va1相應(yīng)地表示端子a1的電勢(shì)和端子a2的電勢(shì))，則將空穴從區(qū)域106注入到區(qū)域104中，這些空穴中的一部分在區(qū)域104中重新結(jié)合，其余由區(qū)域102收集。如果在開關(guān)的主端子a1和a2之間的電壓是負(fù)的(Va2–Va1<0)，則將空穴從區(qū)域102注入到104中。這些空穴中的一部分在區(qū)域104中重新結(jié)合，其余由區(qū)域106收集。

流過由區(qū)域102、104和106形成的PNP晶體管的電流是根據(jù)施加到控制端子g的控制電流的。

開關(guān)100的導(dǎo)通通過中斷施加到端子g的控制電流來獲得，例如通過將端子g設(shè)置為與端子a1相同的電勢(shì)或者通過斷開電流回路。

如上面提到的Rizk等人的文章中指示的，圖1的結(jié)構(gòu)的增益——即在導(dǎo)通狀態(tài)中在開關(guān)的主電極a1與a2之間流過的電流與施加在開關(guān)的控制電極g上的控制電流之比——由于基極區(qū)域104的厚度小而都是較高的。然而，基極區(qū)域104的厚度越小，開關(guān)的擊穿電壓就越低。對(duì)于基極區(qū)域104的給定厚度，通過增加開關(guān)的有源部分(即，PNP堆疊未被控制區(qū)域108占據(jù)的部分)的表面積來增加增益。然而這導(dǎo)致了開關(guān)成本的顯著增加。另外，這樣的增益增加在構(gòu)建上由區(qū)域104中的電荷載子運(yùn)送因子限制，針對(duì)600V擊穿電壓該因子已經(jīng)被估計(jì)為約0.85，其對(duì)應(yīng)于針對(duì)在高注入模式中的通常載子壽命的5.6的數(shù)量級(jí)的理論最大電流增益。

作為示例，在關(guān)于圖1所描述的類型的結(jié)構(gòu)、具有承受600V電壓的大小(具體地，層102、104和106的摻雜水平和厚度)并且具有數(shù)量級(jí)為6mm²的半導(dǎo)體表面積的情況下并且針對(duì)40mA的控制電流i_g，已經(jīng)針對(duì)在導(dǎo)電端子a1和a2之間的電壓v_a2a1(＝Va2-Va1)在1V的數(shù)量級(jí)下測(cè)得約等于4.5的增益，并且已經(jīng)針對(duì)電壓V_a2a1在-1V的數(shù)量級(jí)下測(cè)得約等于2.8的增益。

可能理想的是改善開關(guān)的增益、擊穿電壓和半導(dǎo)體表面積之間的權(quán)衡。尤其應(yīng)當(dāng)注意高增益使得能夠限制要被施加到開關(guān)的控制 端子以將其導(dǎo)通的電流的強(qiáng)度。

圖2是雙向功率開關(guān)200的實(shí)施例的簡化視圖。

圖2的開關(guān)200包括關(guān)于圖1描述的類型的三個(gè)部件100₁、100₂和100₃。在所示示例中，部件100₁和100₂與圖1的部件100是相同傳導(dǎo)類型，即它們的區(qū)域102、104和106和108分別是P型、N型、P型和N型的。部件100₃是相反傳導(dǎo)類型的，即其區(qū)域102、104和106和108分別是N型、P型、N型和P型的。部件100₁的主電極a1例如通過導(dǎo)電軌或?qū)Ь€連接到部件100₂的控制電極g并且連接到部件100₃的控制電極g。部件100₁的控制電極g連接到開關(guān)200的控制端子或電極G。部件100₂的主電極a1和部件100₃的主電極a1連接到開關(guān)200的第一端子或主電極A1。部件100₁的主電極a2、部件100₂的主電極a2和部件100₃的主電極a2連接到開關(guān)200的第二端子或主電極A2。

圖2的開關(guān)200可以通過用圖2的端子A1、A2和G來替代圖1的端子a1、a2和g來與圖1的開關(guān)100相同或相似地來被控制。

具體而言，圖2的開關(guān)200的導(dǎo)通(閉合)可以通過在它的參考其端子A1的控制端子G上施加負(fù)電流來獲得，這導(dǎo)致在部件100₁的102與108之間形成的PN結(jié)的正向偏置。

如果在開關(guān)的主導(dǎo)電端子A1與A2之間的電壓V_A2A1是正的，則在部件100₂的區(qū)域102與108之間形成的PN結(jié)被正向偏置，并且經(jīng)由這一結(jié)而在部件100₁的端子a1與a2之間傳遞電壓V_A2A1(到PN結(jié)的電壓降之內(nèi))。在施加到其端子g的負(fù)控制電流的影響下，部件100₁開始與已經(jīng)關(guān)于圖1描述的同樣或相似地進(jìn)行傳導(dǎo)。然后電流在開關(guān)200的電極A1與A2之間流動(dòng)，此電流流過在部件100₂的區(qū)域102與108之間形成的PN結(jié)，并且流過由部件100₁的區(qū)域102、104和106形成的垂直PNP晶體管。此電流為部件100₂形成確保其導(dǎo)通的控制電流。

如果在開關(guān)的主導(dǎo)電端子A1與A2之間的電壓V_A2A1是負(fù)的，則在部件100₃的區(qū)域108與102之間形成的PN結(jié)被正向偏置，并 且經(jīng)由這一結(jié)而在部件100₁的端子a1與a2之間傳遞電壓V_A2A1(到PN結(jié)的電壓降之內(nèi))。在施加到其端子g的負(fù)控制電流的影響下，部件100₁開始與已經(jīng)關(guān)于圖1描述的同樣或相似地進(jìn)行傳導(dǎo)。然后電流在開關(guān)200的電極A2與A1之間流動(dòng)，此電流流過由部件100₁的區(qū)域102、104和106形成的垂直PNP晶體管，并且流過在部件100₃的區(qū)域108與102之間形成的PN結(jié)。此電流為部件100₃形成確保其導(dǎo)通的控制電流。

因而，在圖2的開關(guān)200中，在電壓V_A2A1為正時(shí)，電流主要流過部件100₂，并且在電壓V_A2A1為負(fù)時(shí)，電流主要流過部件100₃。部件100₁使得能夠放大部件100₂和100₃的控制電流。因而，圖2的開關(guān)200的增益針對(duì)正電壓V_A2A1基本上等于部件100₁的增益乘以部件100₂的增益，并且針對(duì)負(fù)電壓V_A2A1基本上等于部件100₁的增益乘以部件100₃的增益。

應(yīng)當(dāng)注意到在實(shí)踐中，部件100₁可以具有比部件100₂和100₃更小的表面積。然而所描述的實(shí)施例并不限于這一具體情況。更一般而言，無論部件100₁、100₂和100₃的尺寸如何，在導(dǎo)通狀態(tài)中在開關(guān)200的端子A1與A2之間流動(dòng)的電流根據(jù)半波的方向、通過取決于部件的尺寸的比例而自然地在部件100₁與100₂之間分布或者在部件100₁與100₃之間分布

關(guān)于圖2描述的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于給定擊穿電壓(特別地，由部件100₁、100₂和100₃的區(qū)域104的厚度限定)，使得能夠以整體半導(dǎo)體表面積的合理增加為代價(jià)，來相對(duì)于關(guān)于圖1描述的類型的開關(guān)來顯著地增加增益，并且特別地將增益增加到超越由區(qū)域104中的運(yùn)送因子強(qiáng)加的理論限制。

作為示例，利用關(guān)于圖2描述的類型的結(jié)構(gòu)，大小為承受600V電壓并且具有在188mm²的數(shù)量級(jí)的半導(dǎo)體表面積的情況下，并且對(duì)于在40mA的數(shù)量級(jí)的控制電流I_G，已經(jīng)針對(duì)在1V的數(shù)量級(jí)的導(dǎo)電端子A1與A2之間的電壓V_A2A1而測(cè)得約等于12的增益，并且針對(duì)在-1V的數(shù)量級(jí)的電壓V_A2A1而測(cè)得約等于11的增益。

圖2的開關(guān)200的部件100₁、100₂和100₃例如是組裝在同一保護(hù)封裝中的三個(gè)分立的半導(dǎo)體部件，該保護(hù)封裝僅包括三個(gè)外部接觸端子——端子A1、A2和G。然而所描述的實(shí)施例并不限于這一具體情況。

圖3是示意性地圖示圖2的開關(guān)200的備選實(shí)施例的截面圖，其中具有相同的傳導(dǎo)類型的部件100₁和100₂被集成在同一半導(dǎo)體芯片中，部件100₃是形成在單獨(dú)的半導(dǎo)體芯片中的分立部件。包括部件100₁和100₂的芯片和包括部件100₃的芯片可以被組裝在同一保護(hù)封裝中，該保護(hù)封裝中僅包括三個(gè)外部接觸端子——端子A1、A2和G。

在圖3的示例中，P型摻雜的垂直絕緣壁301將部件100₁與部件100₂分離。絕緣壁301例如連接到部件100₁和100₂的下方P型區(qū)域106。作為示例，絕緣壁301的摻雜水平與部件100₁和100₂的下方P型區(qū)域106的摻雜水平相同。部件100₁和100₂的上部P型區(qū)域102通過N型襯底104的部分而與壁301側(cè)向絕緣。

作為示例，在圖2和3的實(shí)施例中，部件100₁和100₂的N型區(qū)域104可以具有在從7x10¹³到4x10¹⁴原子/cm³的范圍中的摻雜水平，部件100₃的P型區(qū)域104可以具有在從7x10¹³到4x10¹⁴原子/cm³的范圍中的摻雜水平，部件100₁和100₂的P型區(qū)域102可以具有在從1x10¹⁶到1x10¹⁸原子/cm³的范圍中的摻雜水平，部件100₃的N型區(qū)域102可以具有在從1x10¹⁶到1x10¹⁸原子/cm³中的摻雜水平,部件100₁和100₂的P型區(qū)域106可以具有在從1x10¹⁶到1x10¹⁸原子/cm³的范圍中的摻雜水平，部件100₃的N型區(qū)域106可以具有在從1x10¹⁶到1x10¹⁸原子/cm³中的摻雜水平，部件100₁和100₂的N型區(qū)域108可以具有在從1x10¹⁹到1x10²⁰原子/cm³的范圍中的摻雜水平，并且部件100₃的P型區(qū)域108可以具有在從1x10¹⁹到1x10²⁰原子/cm³中的摻雜水平。另外，部件100₁和100₂的N型區(qū)域104可以具有在從150到250μm的范圍中的厚度，并且部件100₃的P型區(qū)域104可以具有在從150到250μm的范圍中的厚度。

已經(jīng)描述的具體實(shí)施例。各種變換、修改和改進(jìn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。特別地，想要的實(shí)施例并不限于本說明書中提到的數(shù)值的示例。

另外，與上文已經(jīng)描述的操作相似的操作可以通過使三個(gè)部件100₁、100₂和100₃的區(qū)域102、104、106和108的傳導(dǎo)類型相反來獲得。

這樣的變換、修改和改進(jìn)旨在于為本公開內(nèi)容的一部分，并且旨在于在本發(fā)明的精神和范圍以內(nèi)。因此，上面的描述僅作為示例并且不旨在于為限制性的。本發(fā)明僅在下面的權(quán)利要求及其等同方案中所限定的而被限制。