專利名稱：具有非負溫度系數(shù)的寬帶隙雙極可關(guān)斷閘流管和相關(guān)控制電路的制作方法
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?，F(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間流管。間流管是一種雙穩(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(“M0SFET”)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可激勵間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間流管。一旦間流管接通，柵極可失去其關(guān)斷器件的控制力?？赏ㄟ^橫跨陽極和陰極施加反向電壓來實現(xiàn)關(guān)斷。然而，專門設(shè)計的柵極可關(guān)斷閘流管(“GT0”)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(Vf)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(Vf)降越小。給定半導(dǎo)體材料的最小Vf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，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，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，消除進入漂移層中的載流子所需要的時間(其確定了切換時間和頻率)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Miatnagar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)于施加到間流管柵極端子的第二控制信號。在某些實施方式中，電子器件可進一步包括控制電路，其構(gòu)造為產(chǎn)生所述第一及第二控制信號、將所述第一控制信號提供給所述間流管的柵極端子及將所述第二控制信號提供給所述雙極晶體管的基極端子，以便將所述雙極功率開關(guān)器件切換到導(dǎo)通狀態(tài)，使得負載電流在所述雙極晶體管的集電極端子和所述間流管的陰極端子之間流動。還可將所述控制電路構(gòu)造成將所述間流管的柵極端子耦接到所述雙極晶體管的集電極端子，使得所述負載電流被換向到所述閘流管的柵極端子，以便將所述雙極功率開關(guān)器件切換到非導(dǎo)通狀態(tài)。在某些實施方式中，控制電路可包括構(gòu)造為產(chǎn)生將所述雙極晶體管切換到導(dǎo)通狀態(tài)的第一控制信號的第一電壓源，構(gòu)造為產(chǎn)生將所述間流管切換到導(dǎo)通狀態(tài)的第二控制信號的第二電壓源，構(gòu)造為將所述第一電壓源耦接到所述雙極晶體管的基極端子以向其提供第一控制信號的第一開關(guān)元件，構(gòu)造為將所述第二電壓源耦接到所述間流管的柵極端子以便向其提供第二控制信號的第二開關(guān)元件，和構(gòu)造為將所述間流管的柵極端子耦接到所述雙極晶體管的集電極端子的第三開關(guān)元件。在有些實施方式中，控制電路可包括耦接到所述閘流管的柵極端子的第一開關(guān)元件，構(gòu)造為將第一控制信號提供給所述雙極晶體管的基極端子且構(gòu)造為切換所述第一開關(guān)元件以將第二控制信號提供給所述間流管的柵極端子的反相驅(qū)動器器件，耦接在所述閘流管的柵極端子和所述雙極晶體管的集電極端子之間的第二開關(guān)元件，和構(gòu)造為切換所述第二開關(guān)元件以便將所述間流管的柵極端子耦接到所述雙極晶體管的集電極端子的非反相驅(qū)動器器件。在有些實施方式中，所述第一開關(guān)元件可以是寬帶隙金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管，其具有耦接到所述間流管的柵極端子的源/漏極端子和耦接到所述反相驅(qū)動器器件的輸出的柵極端子。所述第二開關(guān)元件可以是寬帶隙換向雙極晶體管，其具有耦接到所述雙極晶體管的集電極端子的集電極端子、耦接到所述間流管的柵極端子的發(fā)射極端子，和耦接到所述非反相驅(qū)動器器件的輸出的基極端子。在有些實施方式中，控制電路可進一步包括光觸發(fā)驅(qū)動器器件，其構(gòu)造為響應(yīng)于施加于其的光而提供輸出信號。所述反相驅(qū)動器器件和非反相驅(qū)動器器件可耦接到所述光觸發(fā)驅(qū)動器器件的輸出。所述反相驅(qū)動器器件可構(gòu)造為在光施加到所述光觸發(fā)驅(qū)動器器件時，為所述雙極晶體管的基極端子提供第一控制信號并且將所述MOS晶體管切換到導(dǎo)通狀態(tài)以將第二控制信號提供給所述間流管的柵極端子。非反相驅(qū)動器器件可構(gòu)造為在光未施加到光觸發(fā)驅(qū)動器器件時，將換向雙極晶體管切換到導(dǎo)通狀態(tài)以將第一雙極晶體管的集電極端子耦接到所述間流管的柵極端子。在有些實施方式中，控制電路可進一步包括耦接在所述間流管的柵極端子和所述雙極晶體管的集電極端子之間的旁路級?？蓪⑺雠月芳墭?gòu)造為當(dāng)所述雙極晶體管的集電極端子和所述間流管的陰極端子之間的電流超過預(yù)定水平時在其間傳導(dǎo)電流，以便將所述雙極功率開關(guān)器件切換到非導(dǎo)通狀態(tài)。在有些實施方式中，所述旁路極可包括齊納二極管，其被構(gòu)造為在所述雙極晶體管的集電極和所述閘流管的柵極之間的電壓降超過所述齊納二極管的擊穿電壓時導(dǎo)通。在有些實施方式中，所述旁路級可包括若干串聯(lián)在所述間流管的柵極端子和所述雙極晶體管的集電極端子之間的功率二極管。在有些實施方式中，所述旁路級可進一步包括換向雙極二極管，其具有耦接到所述雙極晶體管的集電極端子的集電極端子、耦接到所述間流管柵極端子的發(fā)射極端子、和耦接到所述齊納二極管的基極端子?？蓪⑺鰮Q向雙極晶體管構(gòu)造為響應(yīng)所述齊納二極管的導(dǎo)通而切換到導(dǎo)通狀態(tài)，以為所述閘流管的柵極端子提供負載電流并且將所述雙極功率開關(guān)器件切換到非導(dǎo)通狀態(tài)。在有些實施方式中，所述雙極晶體管和所述間流管可被包括在同一個封裝中。所述閘流管的陽極和陰極端子之間的接通電阻(on-resistance)可隨著所述閘流管的工作溫度的上升而減小。所述雙極晶體管的集電極和發(fā)射極端子之間的接通電阻可隨著所述雙極晶體管的工作溫度的上升而增大。在有些實施方式中，當(dāng)各自的工作溫度上升時，所述雙極晶體管的接通電阻的增加可大于所述閘流管的電阻的減小。同樣地，當(dāng)所述雙極功率開關(guān)器件的工作溫度上升時， 處于導(dǎo)通狀態(tài)的所述雙極功率開關(guān)器件的電阻可增大。在有些實施方式中，當(dāng)各自的工作溫度上升時，所述雙極晶體管的接通電阻的增加可基本相同于(similar to)所述閘流管的電阻的減小。同樣地，當(dāng)所述雙極功率開關(guān)器件的工作溫度上升時，處于導(dǎo)通狀態(tài)的所述雙極功率開關(guān)器件的電阻可基本上不變。在有些實施方式中，所述雙極功率開關(guān)器件可構(gòu)造為在所述雙極晶體管工作在活動區(qū)時提供電流飽和能力(capability)。在有些實施方式中，所述雙極晶體管可以是碳化硅雙極結(jié)晶體管(BJT)，且所述閘流管可以是碳化硅柵極可關(guān)斷閘流管(GTO)。根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式，封裝的雙極功率開關(guān)器件包括具有基極、集電極和發(fā)射極端子的寬帶隙雙極晶體管和具有陽極、陰極和柵極端子的寬帶隙閘流管。所述閘流管的陽極端子耦接到所述雙極晶體管的發(fā)射極端子。所述集電極端子對應(yīng)于所述雙極功率開關(guān)器件的第一主端子，而所述陰極端子對應(yīng)于所述雙極功率開關(guān)器件的第二主端子。雙極功率晶體管構(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)允許電流在所述第一及第二主端子之間流動。所述功率晶體管具有非負的溫度系數(shù)，其中，所述第一及第二主端子之間的電阻在所述雙極功率開關(guān)器件的工作溫度上升時并不減小。在有些實施方式中，所述閘流管的陽極和陰極端子之間的接通電阻可隨著所述閘流管工作溫度的上升而減小。所述雙極晶體管的集電極和發(fā)射極端子之間的接通電阻可隨著所述雙極晶體管的工作溫度的上升而增大。在有些實施方式中，當(dāng)各自的工作溫度上升時，所述雙極晶體管的接通電阻的增加可大于所述閘流管的電阻的減小，以便提供正溫度系數(shù)，其中，處于導(dǎo)通狀態(tài)的所述雙極功率開關(guān)器件的第一及第二主端子之間的電阻隨著所述雙極功率開關(guān)器件的工作溫度的上升而增大。在有些實施方式中，當(dāng)各自的工作溫度上升時，所述雙極晶體管的接通電阻的增加可基本相同于所述閘流管的電阻的減小，以便提供近零的溫度系數(shù)，其中，在導(dǎo)通狀態(tài)的所述雙極功率開關(guān)器件的第一及第二主端子之間的電阻隨著所述雙極功率開關(guān)器件的工作溫度的上升而基本不變。根據(jù)本發(fā)明的更進一步的實施方式，封裝的雙極可關(guān)斷閘流管器件包括具有陽極、陰極和柵極端子的寬帶隙柵極可關(guān)斷閘流管(GTO)，和具有基極、集電極和發(fā)射極端子的寬帶隙雙極結(jié)晶體管(BJT)。BJT的發(fā)射極端子直接耦接到GTO的陽極端子。所述雙極功率開關(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BJT的集電極和GTO的陰極之間流動以響應(yīng)于施加到BJT基極端子的第一控制信號和施加到GTO 柵極端子的第二控制信號。在有些實施方式中，所述GTO的陽極和陰極端子之間的接通電阻可隨著所述GTO 的工作溫度的上升而減小，而所述BJT的集電極和發(fā)射極端子之間的接通電阻可隨著所述 BJT的工作溫度的上升而增大。在有些實施方式中，GTO可包括其上具有陰極端子的第一導(dǎo)電類型的襯底、與所述陰極端子相對在襯底上且與所述第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的漂移層、位于所述漂移層上并且其上具有柵極端子的第一導(dǎo)電類型的基極層，和在所述基極層上并且其上具有陽極端子的第二導(dǎo)電類型的第一層。BJT可包括直接位于第二導(dǎo)電類型的所述第一層上并且其上具有發(fā)射極端子的第一導(dǎo)電類型的層，和在第一導(dǎo)電類型的所述層上的第二導(dǎo)電類型的第二層。所述第二層可包括在其中重摻雜的且其上具有集電極端子的第一導(dǎo)電類型的第一區(qū)，和在其其中重摻雜的且其上具有基極端子的第二導(dǎo)電類型的第二區(qū)。 在有些實施方式中，所述第一導(dǎo)電類型可以是η-型，而所述第二導(dǎo)電類型可以是 P-型。襯底和其上的層可以是碳化硅。


所包括的用于提供對本發(fā)明的進一步理解且并入和構(gòu)成此申請一部分的附圖闡述了本發(fā)明的特定實施例(一個或多個)，在圖中圖1-4為電路示意圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明某些實施方式的器件和/或電路。
圖5和6為圖表，其顯示了根據(jù)本發(fā)明某些實施方式的器件的電流-電壓(I-V) 特性。圖7為圖1器件的橫截面示意圖。
具體實施例方式下文參照附圖更加全面地描述本發(fā)明，附圖示出了本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式實施并且不應(yīng)被解釋為對此處論述的實施例進行限定。相反，提供這些實施例使得本公開徹底且完整，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員全面地傳達本發(fā)明的范圍。 在附圖中，為了清楚起見，將層和區(qū)的尺寸和相對尺寸放大。可以理解的是，當(dāng)一個元件或一個層稱作位于另一元件或?qū)印吧稀?、“連接”或“耦接”另一元件或?qū)訒r，其可以直接位于其他元件或?qū)印吧稀?、“連接”或“耦接”其他元件或?qū)樱蛘咭部纱嬖谥虚g的元件或?qū)?。相反?當(dāng)一個元件稱作“直接”位于另一元件“上”或“直接連接”或“直接耦接”另一元件或?qū)訒r， 則不存在中間元件或?qū)?。正如這里使用的，術(shù)語“和/或”包括一個或多個關(guān)聯(lián)列舉項的任意和全部組合。全文中，相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件。將理解的是，雖然術(shù)語第一和第二在此處用于描述不同的區(qū)、層和/或部分，但是這些區(qū)、層和/或部分不應(yīng)受這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語僅僅用于將一個區(qū)、層或部分與另一區(qū)、層或部分區(qū)分開。因此，下文所探討的第一區(qū)、層或部分可以被稱為第二區(qū)、層或部分，類似地，第二區(qū)、層或部分也可以被稱為第一區(qū)、層或部分，而不偏離本發(fā)明的范圍。此外，相關(guān)術(shù)語，例如“下部”或“底部”和“上部”或“頂部”在這里可以用于描述如附圖中所闡述的一個元件與另一元件的關(guān)系。將理解的是相關(guān)術(shù)語意在包含除了在附圖中所示的方向之外的器件的不同方向。例如，如果將附圖中的器件倒置，則描述為在其他元件“下部”側(cè)的元件將定向為在其他元件的“上部”側(cè)。因此，示例性術(shù)語“下部”可以依照附圖的特定方向而既包括“下部”又包括“上部”的方向。類似地，如果將附圖之一中的器件倒置，則描述為在其他元件“下面”或“之下”的元件將定向為在其他元件的“之上”。因此， 示例性術(shù)語“下面”或“之下”可以既包括上面又包括下面的方向。這里所使用的術(shù)語僅僅為了描述特定實施例，并不意味著對本發(fā)明進行限制。如這里所使用，單數(shù)形式“一個”和“該”意在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外明確地指明。 可進一步理解的是，術(shù)語“包括”和/或“包括了”用在本說明書中時，說明存在所指定的特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或增加一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其群組。除非另行定義，這里所使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)都具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員通常所理解的含義相同的含義。將進一步理解的是，這些術(shù)語，例如那些在通常使用的字典中所定義的術(shù)語，應(yīng)當(dāng)解釋為具有與它們在本公開的上下文以及相關(guān)領(lǐng)域中的含義一致的含義，且不以理想化或過分形式的方式解釋，除非在本文中明確如此限定?，F(xiàn)在參照附圖，圖1到4為顯示本發(fā)明的各種實施方式的電路示意圖。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的晶體管和閘流管可由具有3C、2H、4H、6H和15R的多型(polytype)碳化硅制造，或由用于制造電子器件的多種III族氮化物材料中的任意一種制造。在所示的實施方式中，η+和η-區(qū)以及P+和P-區(qū)被分配以“ + ”和“_”以便以本領(lǐng)域普通技術(shù)人員好理解的方式來分別表示相同導(dǎo)電類型材料的不同摻雜濃度水平。正如這里所使用的，“ + ”和“_” 標(biāo)記并不必然表示材料一方面退化，或另一方面是半絕緣?？梢岳玟X或硼對P型碳化硅進行摻雜且可以例如氮或磷對η型碳化硅進行摻雜?？梢岳珂V對ρ型氮化物進行摻雜而以例如硅對η型氮化物進行摻雜。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的，閘流管為四層鎖定開關(guān)器件，其具有用于電流流動的陽極和陰極以及用于將器件從阻斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，或者從導(dǎo)通狀態(tài)切換到阻斷狀態(tài)的柵極。施加到柵極的控制信號促使器件“鎖”入“接通”或?qū)顟B(tài)，其中，電流可在器件的陽極和陰極之間自由流動。即使在控制信號消除之后，器件仍保持在導(dǎo)通狀態(tài)。與第一控制信號極性相反的第二控制信號將器件往回切換到“斷開”或阻斷狀態(tài)。然而，專門設(shè)計的柵極可關(guān)斷閘流管(“GT0”)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)輸入來啟動導(dǎo)通，且之后其相當(dāng)于二極管。雖然下文更加詳細地討論了某種寬帶隙閘流管設(shè)計，但是寬帶隙閘流管的設(shè)計在本領(lǐng)域中是普遍已知的。例如，美國專利No. 5539217 描述了碳化硅(SiC)間流管的設(shè)計和制造。這種碳化硅間流管可呈現(xiàn)出優(yōu)于相似的硅閘流管的已改善的功率能力。本發(fā)明的某些實施方式可源自這樣一種認(rèn)識，S卩，常規(guī)閘流管由于固有接通電阻的差異可能很難并聯(lián)實現(xiàn)，尤其是在工作溫度升高時。特別地，有些常規(guī)SiC閘流管可具有負的溫度系數(shù)(NTC)，其中，橫跨器件的接通電阻(且因此，正向電壓降^)可隨工作溫度升高而減小。由于結(jié)溫度升高，這種用于正向電壓降的負溫度系數(shù)可增大傳導(dǎo)電流。這可導(dǎo)致電流集中在一個或并聯(lián)的多個閘流管上，其可引起熱耗散。本發(fā)明的實施方式提供了雙極功率開關(guān)器件，其包括寬帶隙閘流管和串聯(lián)的寬帶隙雙極晶體管。這種寬帶隙器件包括由寬帶隙材料制成的有源半導(dǎo)體層，例如碳化硅 (SiC)、氮化鎵(GaN)和/或其他III族氮化物材料。特別地，本發(fā)明的實施方式提供了 SiC 閘流管，其具有至少一個與閘流管陽極端子串聯(lián)的SiC雙極結(jié)晶體管(BJT)。與常規(guī)SiC閘流管相比，在這里又稱為雙極可關(guān)斷閘流管(“ΒΤ0”)的這種結(jié)構(gòu)可提供增強的操作特性。特別地，根據(jù)本發(fā)明的實施方式的雙極功率開關(guān)器件通過將寬帶隙BJT與寬帶隙閘流管串聯(lián)來為正向電壓降Vf提供近零的溫度系數(shù)(例如，使得橫跨器件的接通電阻不會因工作溫度的升高而顯著改變)或甚至正的溫度系數(shù)(PTC)(例如，使得橫跨器件的接通電阻因工作溫度升高而增大)。例如，可特別選擇SiC BJT(其對于正向電壓降具有正溫度系數(shù))來減小SiC閘流管的負溫度系數(shù)，并且可提供橫跨BTO主端子的近零或甚至微正的溫度系數(shù)。更特別地，當(dāng)SiC BJT工作在飽和區(qū)時，其充當(dāng)電阻，并且可對正向電壓降提供正的溫度系數(shù)。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施方式的雙極功率開關(guān)器件可更方便地并行，因為正向電壓降可隨著溫度的升高而增大，從而促進電流在并聯(lián)的器件中的分配更平均。此外，根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的雙極功率開關(guān)器件可在SiCBJT工作在活動區(qū)時提供電流飽和性能。電流飽和性能可保護這種器件不受接通期間浪涌電流，和/或短路故障情況時過沖(over shooting)的損害。根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的雙極功率開關(guān)器件也可為飽和電流提供負溫度系數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的雙極功率開關(guān)器件也可以相對高的速度開關(guān)。例如，根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的BTO可以比常規(guī)SiC閘流管關(guān)斷地更快，因為SiC BJT可用于以相對高的速度關(guān)斷SiC閘流管的陽極電流。同樣地，包括齊納二極管和/或若干串聯(lián)功率二極管的旁路級可用于將陽極電流轉(zhuǎn)向閘流管柵極端子，以關(guān)斷閘流管。由于沒有柵極介電薄膜，根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的雙極功率開關(guān)器件也可工作在相對高的溫度。圖1為示意圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的雙極功率開關(guān)器件或 “ΒΤ0”100?，F(xiàn)在參照圖1，BTO 100包括寬帶隙雙極晶體管(圖1中示意為SiC BJT射極跟隨器105)，其與寬帶隙閘流管(圖1中示意為SiC GTO 110)串聯(lián)以提供偽柵-陰放大器 (pseudo cascode)對。具體地，SiC GTO 110包括柵極端子110g、陰極端子IlOc和陽極端子110a。SiC BJT 105包括基極端子10 、集電極端子105c和發(fā)射極端子l(^e。SiC BJT 105的發(fā)射極端子10 直接耦合到SiC GTO 110的陽極端子110a。SiC BJT 105的集電極 105c耦合到和/或提供BTO的陽極端子(這里也稱為第一主端子)100a，而SiC GTO 110 的陰極IlOc耦接到和/或提供BTO 100的陰極端子(這里也稱為第二主端子)100c。基極端子10 和柵極端子IlOg為BTO 100提供控制端子。BJT 105和GTO 110可設(shè)置在同一封裝中，并且可根據(jù)它們的具體溫度系數(shù)和/或其他特性來選擇，以提供具有非負溫度系數(shù)和/或其他期望特性的封裝的BTO 100。盡管這里參照碳化硅器件進行了描述，將理解到的是BJT 105和/或GTO 110也可由其他寬帶隙半導(dǎo)體材料制造，例如，正如在此所描述的專利文獻中的任意一篇中所描述的。同樣地，雖然圖1顯示了 npn-型BJT 105和ρ-型閘流管110，將理解到的是，在某些實施方式中也可使用ρηρ-型BJT和η-型閘流管。將相應(yīng)的控制信號施加到基極10 和柵極IlOg端子就可將BT0100從非導(dǎo)通狀態(tài)(其中，電流并不在陽極IOOa和陰極IOOb之間流動)切換到導(dǎo)通狀態(tài)(其允許電流在陽極IOOa和陰極IOOc之間流動)。更具體地，將控制信號施加到柵極IlOg導(dǎo)致SiC GTO 110 “鎖”成導(dǎo)通或“接通”狀態(tài)，其允許電流在陽極IOOa和陰極IlOc之間流動。類似地， 向基極10 施加控制信號導(dǎo)致SiC BJT 105接通，從而使電流在集電極105c端子和發(fā)射極10 端子之間流動。具體地，施加到基極10 的控制信號足以使BJT 105工作在飽和區(qū)，例如，在該區(qū)基極電流L的變化對集電極電流Ic的影響很小。正如類似的電流水平可分別提供給基極10 和柵極IlOg以激活BJT 105和GTO 110成為導(dǎo)通狀態(tài)，控制電路也可用于為BJT 105的基極10 和GTO 110的柵極IlOg生成并提供控制信號。圖2為示意圖，其顯示了根據(jù)某些實施方式的用于驅(qū)動圖1的BTO 100的示例性電路?，F(xiàn)參考圖2，控制電路200包括電壓源210、耦接到BJT 105的基極10 的緩沖放大器或驅(qū)動器205，和耦接在BJT 105的集電極105c和GTO 110的柵極IlOg之間的旁路級(圖2中示意為齊納二極管215)。BJT 105的集電極105c (例如，BTO 100的陽極端子 100a)接地230，而GTO的陰極IlOc耦接電源電壓Vcc 220的負輸出端。將旁路級構(gòu)造為在GTO 110的柵極IlOg和BJT 105的集電極105c之間的電壓降超過齊納二極管215的擊穿電壓時導(dǎo)通，以提供故障電流限制特性。盡管在圖2中參照齊納二極管215進行了圖示， 但是在某些實施方式中也可使用其他元件(例如，一個或多個串聯(lián)功率二極管)來實現(xiàn)旁路級。圖3更加詳細地顯示了根據(jù)某些實施方式的用于驅(qū)動BTO 100的示例電路300。 用于控制BTO 100的控制電路300包括兩個陽極參考電壓源Vl 310和V2 320、四個開關(guān) 301-304，和一個旁路級，其在圖3中通過電壓箝位二極管(或齊納二極管)Dl 315來實現(xiàn)。 Vl 310為基極105c提供驅(qū)動SiC BJT 105的控制信號。V2 320為柵極IlOg提供驅(qū)動SiC GTO 110的控制信號。箝位二極管Dl 315具有擊穿電壓Vz，其大于由V2 320所提供的電壓。為了將BTO 100接通到導(dǎo)通狀態(tài)，關(guān)閉開關(guān)301和303，并打開開關(guān)302和304。關(guān)閉開關(guān)301會將基極10 連接到Vl 310的正輸出端。作為射極跟隨器(也稱為“共集電極”)，應(yīng)該將SiC BJT 105的基極10 拉到高于集電極電勢，以將SiC BJT 105置入飽和狀態(tài)。Vl 310用于提供該電壓，并且具有大于SiC BJT 105的基極-到-發(fā)射極電壓降Vbe 的額定電壓。例如，在某些實施方式中，Vl 310可配置為提供大約3V到大約3. 5V的電壓。 Vl 310也配置為調(diào)節(jié)施加到SiCBJT 105的基極電流IB。關(guān)閉開關(guān)303會將SiC GTO 110 的柵極IlOg連接到V2 320的負輸出端，這導(dǎo)致SiC GTO 110從阻斷或非導(dǎo)通的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。V2 320的額定電壓也設(shè)定為稍高于SiC GTO 110的陽極-到-柵極結(jié)的正向電壓的值。例如，在某些實施方式中，V2 330可配置為提供大約3V到大約3. 5V的電壓。 V2 320也配置為調(diào)節(jié)施加到SiC GTO 110的柵極電流Ie。同樣地，當(dāng)BJT 105和GTO 110 都切換到導(dǎo)通狀態(tài)時，負載電流可在BTO 100的陽極端子IOOa和陰極端子IOOc之間流動。為了關(guān)斷BTO 100成為阻斷或非導(dǎo)通狀態(tài)，打開開關(guān)301和303，并關(guān)閉開關(guān)302 和304。開關(guān)301的打開和開關(guān)302的關(guān)閉將SiC BJT105的基極10 連接到V2 320的負端，從而關(guān)斷SiC BJT 105。開關(guān)303的打開和開關(guān)304的關(guān)閉將SiC GTO 110的柵極IlOg 連接到BTO 100的陽極100a。因此，負載電流轉(zhuǎn)換為從BTO陽極100a到GTO柵極110g。這將使得SiC GTO 110的陽極-到-柵極結(jié)反偏，從而導(dǎo)致SiC GTO 110快速關(guān)斷。仍然參照圖3，根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的包括BTO 100的控制電路300提供了故障電流限制特性。特別地，SiC BJT 105保持在硬飽和，只要其集電極電流Ic低于SiC BJT 105的基極電流Ib和電流增益β的乘積。一旦不再滿足這個標(biāo)準(zhǔn)，SiC BJT 105進入其活動區(qū)并且將電流限制為基極電流Ib和電流增益β的乘積。這導(dǎo)致SiC BJT 105的集電極-到-發(fā)射極電壓Vce迅速增大，并且因此，SiC GTO柵極-到-SiC BJT集電極的電壓也以相應(yīng)的速度增大。柵極IlOg和集電極105c之間的電壓降上升直到它超過箝位二極管 Dl 315的擊穿電壓Vz，在該點，箝位二極管Dl 315開始導(dǎo)通。箝位或擊穿電壓Vz大于V2 320提供的電壓，其阻止箝位二極管Dl 315在正常工作時導(dǎo)通。結(jié)合SiC BJT 105的集電極-到-發(fā)射極電壓Vce的增大以及通過箝位二極管Dl 315將SiC BJT 105的集電極105c 箝位到SiC GTO柵極110g，就可促使SiC GTO 110的陽極-到-柵極結(jié)反向偏置。這迫使負載電流轉(zhuǎn)換為從BTO陽極IOOa到GTO柵極110g，其快速地關(guān)斷SiC GTO 110，從而中斷了故障電流。根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的示例性控制電路400的另一個例子顯示在圖4中。 如圖4中所示，控制電路400使用BJT Q2 425作為SiC GTO 110的換向元件?，F(xiàn)在參照圖 4，當(dāng)BTO 100處于導(dǎo)通狀態(tài)時，負載電流從BTO 100的陽極端子100a，經(jīng)過SiC BJT Ql 105 和SiC GTO 110，并且流到BTO 100的陰極端子100c。電路400的其余部分用于控制SiC GTO 110和SiC BJT Ql 105。特別地，控制電路400包括提供隔離的接通/關(guān)斷信號的光觸發(fā)驅(qū)動器401 (包括光發(fā)射二極管或其他光源401a和反相驅(qū)動器401b)、反相驅(qū)動器INV 402和非反相驅(qū)動器BUF 403、為SiC GTO 110提供接通柵極電流的低壓η-型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管404及電阻Rl 405，和用于在故障情況和換向期間箝位SiC GTO柵極 IlOg的旁路級(包括BJT Q2 425和齊納二極管Dl 415)。BTO 100包括柵-陰放大器SiC BJT Ql 105和SiC GTO 110。BTO 100的陰極端子IOOc耦接到電壓源Vcc 220的負端子。兩個浮動DC電壓源，Vl' 410和V2' 420(其以BTO 100的接地陽極端子100a作為參考)
用于提供電源。如下文要詳細描述的圖4的例示性控制電路400的工作基于下述實施。特別地，驅(qū)動電壓的參考點或地230為BTO 100的陽極端子100a。反相驅(qū)動器INV 402和非反相驅(qū)動器BUF 403的輸出為BTO 100的陽極端子IOOa提供正與負參考電勢。電壓從+Vl'(高) 擺動到-V2'(低)，其中，Vl' 410和V2' 420提供的電壓分別可與圖3的電壓源Vl 310 和V2 320提供的電壓類似。電壓源Vl' 410所提供的電壓大小和反相驅(qū)動器INV 402及非反相驅(qū)動器BUF 403的電流源能力在很多(如果不是全部)集電極電流條件下足以將 SiC BJT Ql 105和BJT Q2 425的發(fā)射極拉到陽極電勢。電壓源V2' 420所提供的電壓大小和NMOS晶體管404的電流能力在很多(如果不是全部)負載電流條件下足以接通SiC GTO 110(當(dāng)SiC BJT Ql 105導(dǎo)通時)。適當(dāng)?shù)碾娏飨拗票辉O(shè)置在反相驅(qū)動器INV 402、非反相驅(qū)動器BUF 403和NMOS晶體管404的輸出上，以允許在很多(如果不是全部)工作條件下進行安全運行。仍然參照圖4，BT0 100的阻斷或非導(dǎo)通狀態(tài)描述如下。當(dāng)SiC GTO 110處于阻斷或非導(dǎo)通狀態(tài)并且光源401a并未提供觸發(fā)光觸發(fā)驅(qū)動器401的光時，反相驅(qū)動器INV 402 的輸出電壓為-V2'，而非反相驅(qū)動器BUF 403的輸出電壓為+Vl'。因此，SiC BJT Ql 105 和NMOS晶體管404處于“關(guān)斷”或阻斷狀態(tài)，且BJT Q2 425處于“接通”或?qū)顟B(tài)。這就有效地將SiC GTO柵極IlOg連接到BTO陽極100a，從而提供了穩(wěn)定的阻斷狀態(tài)，這種狀態(tài)對電壓隨時間的變化(dV/dt)具有相對高的抗擾性。BTO 100從阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如下。當(dāng)光源401a提供光從而觸發(fā)光觸發(fā)驅(qū)動器401以提供接通信號時，反相驅(qū)動器INV 402的輸出變?yōu)?Vl ’，而非反相驅(qū)動器 BUF 403的輸出變?yōu)?V2'。因此，BJT Q2 425關(guān)斷，而SiC BJT Ql 105和NMOS晶體管404 則接通。由于SiC BJT Ql 105處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此SiC GTO 110的陽極IlOa緊緊地連接到BTO 100的陽極端子100a。這就促使電流從DC電壓源V2' 420經(jīng)過NMOS晶體管404 流到電阻器Rl 405，進入到SiC GTO 110的柵極110g，流過SiC GTO 110的陽極IlOa并返回DC電壓源V2' 420。該動作正向偏置了 SiC GTO 110的柵極110g，其中，柵極電流Ie由電阻器R1405的電阻限制。這就將BTO 100置入導(dǎo)通狀態(tài)，且負載電流在陽極端子IOOa和陰極端子IOOc之間流動。在此期間，可偏置NMOS晶體管404以將其漏極電極限定為適于驅(qū)動SiC GTO柵極IlOg的水平。BTO 100在導(dǎo)通狀態(tài)下的工作如下所述。負載電流流入BTO 100的陽極端子100a， 進入到SiC BJT Ql 105的集電極105c中并流出其發(fā)射極10 ,流入到SiC GTO 110的陽極IlOa并流出其陰極110c，并流出BTO 100的陰極端子100c。SiC BJT Ql 105和SiC GTO 110串聯(lián)以降低SiC GTO 110的陽極-到-陰極電壓降。特別地，SiC BJT 105具有正的溫度系數(shù)，其中，集電極-到-發(fā)射極電壓降V。E隨著工作溫度的升高而增大。同樣地，可基于用于正向電壓降的正溫度系數(shù)及基于SiC GTO 110的負溫度系數(shù)，對本發(fā)明某些實施方式的各封裝BTO 100中的SiC BJT Ql 105進行特定選擇，以減小和/或有效地抵消SiCGTO 110的負溫度系數(shù)，甚至可在某些實施方式中為BTO 100提供正溫度系數(shù)。SiC GTO 110的負溫度系數(shù)可使常規(guī)SiC GTO中的平行陣列中的靜態(tài)電流共享(share)變得困難。因此， 通過將SiC BJT Ql 105與SiC GTO 110串聯(lián)，BTO 100可具有非負(例如，接近零或甚至正的)的溫度系數(shù)，根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式，其可使電流分配變得均衡，并且使BTO的并行變得我。BTO 100從導(dǎo)通狀態(tài)到阻斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如下。當(dāng)觸發(fā)光觸發(fā)驅(qū)動器401的光不是由光源401a提供時，反相驅(qū)動器INV 402的輸出變?yōu)?V2'，而非反相驅(qū)動器BUF 403的輸出變?yōu)?Vl'。因此，SiC BJT Ql 105和NMOS晶體管404關(guān)斷，而BJT Q2 425則接通。 隨著SiC BJT Ql 105處于非導(dǎo)通狀態(tài)，SiC GTO 110的陽極IlOa與BTO 100的陽極端子 IOOa斷開。隨著BJT Q2 425處于導(dǎo)通狀態(tài)而NMOS晶體管404處于非導(dǎo)通狀態(tài)，SiC GTO 110的柵極IlOg從電壓源V2' 420斷開并連接到BTO 100的陽極端子100a。據(jù)此，負載電流的方向變換為從陽極端子IOOa流入SiC GTO 110的柵極110g，致使SiC GTO 110快速關(guān)斷。圖4所示的本發(fā)明的實施方式也可提供過電流特性，其在負載電流超過預(yù)定值時關(guān)斷SiC GTO 110。更具體地，SiC BJT Ql 105提供的集電極電流Ic可由其基極電流Ib和其電流增益β的乘積確定。當(dāng)該值被超過時，SiC BJT Ql 105進入其線性區(qū)并開始充當(dāng)恒流源。因此，SiC BJT Ql 105的集電極-到-發(fā)射極電壓Vce可快速增大，這導(dǎo)致BTO陽極端子IOOa和SiC GTO柵極IlOg之間的電壓增大。當(dāng)陽極-到-柵極電壓降超過齊納二極管Dl 415的擊穿電壓時，二極管Dl 415將導(dǎo)通，從而導(dǎo)致BJT Q2 425將柵極電壓箝位到預(yù)定水平。當(dāng)故障電流增大時，橫跨SiC BJT Ql 105的集電極-到-發(fā)射極電壓Uf 進一步增大，從而反向偏置SiC GTO 110的陽極-到-柵極結(jié)并使SiC GTO關(guān)斷，中斷負載電流。可選擇BJT Q2 425在其處對SiC GTO 110的柵極IlOg進行箝位的電壓，以防止損壞控制電路400。正如前面參照圖4所討論的，可將SiC BJT Ql 105選擇為在導(dǎo)通狀態(tài)支持連續(xù)滿負載電流，并且在阻斷狀態(tài)支持電壓V2'。導(dǎo)通期間，橫跨SiC BJT Ql 105的集電極-到-發(fā)射極電壓降Vce應(yīng)保持足夠低，以便正向偏置SiC GTO 110的陽極-到-柵極結(jié)。也可將BJT Q2 425選擇為在導(dǎo)通狀態(tài)(例如，在SiC GTO 110換向期間)支持滿負載電流，并且在阻斷狀態(tài)時支持電壓V2'。導(dǎo)通期間，橫跨BJT Q2 425的集電極-到-發(fā)射極電壓降VeE應(yīng)小于V2 ‘，從而減小和/或防止對NMOS晶體管404的可能損壞。圖5和6為顯示根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的BTO的電流-電壓(I-V)特性的圖表。特別地，圖5和6顯示了根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的包括IOkV SiC GTO和1600V SiC BJT的SiC BTO的正向I-V特性。如圖5所示，這種結(jié)構(gòu)提供了正的溫度系數(shù)，因為BTO的接通電阻隨著溫度的升高而增大。特別地，當(dāng)工作溫度升高時，BTO的接通電阻增大(由橫跨BTO的電壓降的增大來表示)，如線505 (室溫)、510 (大約100°C )、515 (大約150°C )和 520(大約200°C)所示。圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的SiC BTO在工作溫度升高時提供電流飽和能力，如線605(室溫)和線610(大約200°C)所示。圖7是示意根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的SiC BTO 100的橫截面視圖，其包括在相同襯底上的雙極晶體管105和閘流管110。在某些實施方式中，上文中詳細描述的雙極晶體管105和閘流管110可由η型4H碳化硅層52制造和/或隨后設(shè)置在η型4Η碳化硅層 52上。SiC雙極晶體管描述在例如美國專利No. 4，945，394中，而SiC閘流管描述在例如美國專利5，539，217中，在此以參引的方式將其整體并入。如圖7中所示，根據(jù)某些實施方式的BTO 100包括η-型層52。觸部lOOc/llOc設(shè)置在η-型層52上，并且為BTO 100和GTO 110兩者提供陰極端子。ρ-型漂移層M設(shè)置在η-型層52上，η-型基極層56設(shè)置在ρ-型漂移層M上。GTO 110的柵極觸部IlOg設(shè)置在η-型基極層56的重摻雜η+區(qū)57上。ρ-型層58設(shè)置在η-型基極層56上，η-型層 60設(shè)置在ρ-型層58上。觸部10 和IlOa設(shè)置在η-型層60和ρ-型層58上，以分別作為BJT 105的發(fā)射極端子和GTO 110的陽極端子。ρ-型層62設(shè)置在η-型層60上。ρ-型層62包括重摻雜的ρ+區(qū)63和重摻雜的η+區(qū)64。BJT 105的基極觸部10 設(shè)置在重摻雜的P+區(qū)63上，而觸部100a/105c設(shè)置在重摻雜的η+區(qū)64上，以作為BTO 100的陽極端子和BJT 105的集電極端子。因此，η-型區(qū)64、ρ-型層62和η_型層60限定了 SiC BJT 105。ρ+區(qū)63上的觸部10 提供了 BJT 105的基極端子，η+區(qū)64上的觸部100a/105c提供了 BJT 105的集電極端子(和BTO 100的陽極端子)，n-型層60上的觸部10 提供了 BJT的發(fā)射極端子。同樣，P-型層58、η-型基極層56、ρ-型漂移層M和η-型層52限定了 SiC GTO 110。N-型基極層56上的觸部IlOg提供了 GTO 110的柵極端子，ρ-型層58上的觸部IlOa提供了 GTO 110的陽極端子，而η-型層52上的觸部lOOc/llOc提供GTO 110的陰極端子(和BTO 100 的陰極端子)。提供BJT發(fā)射極的η-型層60直接位于提供GTO陽極的ρ-型層58上，這樣，BJT 105 和 GTO 110 串聯(lián)。如上文參照圖1-7所描述的本發(fā)明的實施方式可通過雙極晶體管105和閘流管 110的單片集成或混合組合來得到。正如這里所使用的，“混合”雙極功率開關(guān)器件可指單個雙極晶體管105和單個閘流管110的柵-陰放大器構(gòu)造和/或其他組合?！皢纹彪p極功率開關(guān)器件可指雙極晶體管105和閘流管110兩者在同一半導(dǎo)體芯片和/或襯底中制造的器件。根據(jù)本發(fā)明某些實施方式的封裝的雙極功率開關(guān)器件可包括雙極晶體管105和閘流管110的單片和混合組合兩者。盡管參照特定附圖描述了上述實施方式，將被理解的是，本發(fā)明的某些實施方式可包括附加的和/或中間層、結(jié)構(gòu)或元件，和/或可刪除特定層、結(jié)構(gòu)或元件。更一般地，前文是對本發(fā)明的示意性說明并且不應(yīng)被解釋為對其進行限制。盡管描述了本發(fā)明的數(shù)個示例性實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易意識到，在實質(zhì)上不偏離本發(fā)明的新型教導(dǎo)和優(yōu)點的情況下，在示例性實施方式中進行許多修改是可能的。因此，所有這些修改意在被包括在如權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，應(yīng)理解的是，前文是對本發(fā)明的示意性說明并且不應(yīng)被解釋為限于所公開的特定實施例，并且對所公開的實施例的修改以及其他實施例意在被包括于所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。本發(fā)明由具有在其中包括了權(quán)利要求的等同物的下文的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種電子器件，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，所述雙極晶體管的發(fā)射極端子耦合到所述閘流管的陽極端子，其中，所述雙極晶體管和所述間流管限定寬帶隙雙極功率開關(guān)器件，所述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，使得電流在所述雙極晶體管的集電極端子和所述間流管的陰極端子之間流動，以響應(yīng)于施加到所述雙極晶體管基極端子的第一控制信號及響應(yīng)于施加到所述間流管柵極端子的第二控制信號。
2.如權(quán)利要求1所述的電子器件，進一步包括控制電路，其構(gòu)造為產(chǎn)生所述第一及第二控制信號，將所述第一控制信號提供給所述閘流管的柵極端子，及將所述第二控制信號提供給所述雙極晶體管的基極端子，以便將所述雙極功率開關(guān)器件切換到導(dǎo)通狀態(tài)使得負載電流在所述雙極晶體管的集電極端子和所述閘流管的陰極端子之間流動，其中，還將所述控制電路構(gòu)造成將所述間流管的柵極端子耦接到所述雙極晶體管的集電極端子，使得所述負載電流被換向到所述間流管的柵極端子，以將所述雙極功率開關(guān)器件切換到非導(dǎo)通狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求2所述的電子器件，其特征在于，所述控制電路包括第一電壓源，其構(gòu)造為產(chǎn)生將所述雙極晶體管切換到導(dǎo)通狀態(tài)的所述第一控制信號； 第二電壓源，其構(gòu)造為產(chǎn)生將所述閘流管切換到導(dǎo)通狀態(tài)的所述第二控制信號； 第一開關(guān)元件，其構(gòu)造為將所述第一電壓源耦接到所述雙極晶體管的基極端子以向其提供所述第一控制信號；第二開關(guān)元件，其構(gòu)造為將所述第二電壓源耦接到所述間流管的柵極端子以向其提供所述第二控制信號；和第三開關(guān)元件，其構(gòu)造為將所述間流管的柵極端子耦接到所述雙極晶體管的集電極端子。
4.如權(quán)利要求2所述的電子器件，其特征在于，所述控制電路包括 耦接到所述間流管的柵極端子上的第一開關(guān)元件；反相驅(qū)動器器件，其構(gòu)造為將所述第一控制信號提供給所述雙極晶體管的基極端子， 且構(gòu)造為切換所述第一開關(guān)元件以將所述第二控制信號提供給所述間流管的柵極端子； 耦接在所述間流管的柵極端子和所述雙極晶體管的集電極端子之間的第二開關(guān)元件；禾口非反相驅(qū)動器器件，其構(gòu)造為切換所述第二開關(guān)元件以將所述閘流管的柵極端子耦接到所述雙極晶體管的集電極端子。
5.如權(quán)利要求4所述的電子器件，其特征在于所述第一開關(guān)元件包括寬帶隙金屬氧化物半導(dǎo)體(M0Q晶體管，其具有耦接到所述閘流管的柵極端子的源/漏極端子和耦接到所述反相驅(qū)動器器件的輸出的柵極端子；和所述第二開關(guān)元件包括寬帶隙換向雙極晶體管，其具有耦接到所述雙極晶體管的集電極端子的集電極端子、耦接到所述間流管的柵極端子的發(fā)射極端子，和耦接到所述非反相驅(qū)動器器件的輸出的基極端子。
6.如權(quán)利要求5所述的電子器件，其特征在于，所述控制電路進一步包括光觸發(fā)驅(qū)動器器件，其構(gòu)造為響應(yīng)于施加到其的光而提供輸出信號，其中，所述反相驅(qū)動器器件和非反相驅(qū)動器器件耦接到所述光觸發(fā)驅(qū)動器器件的輸出，其中，所述反相驅(qū)動器器件構(gòu)造為在光施加到所述光觸發(fā)驅(qū)動器器件時，為所述雙極晶體管的基極端子提供所述第一控制信號，并且將所述MOS晶體管切換到導(dǎo)通狀態(tài)以將所述第二控制信號提供給所述間流管的柵極端子，以及其中，非反相驅(qū)動器器件構(gòu)造為在光未施加到所述光觸發(fā)驅(qū)動器器件上時，將所述換向雙極晶體管切換到導(dǎo)通狀態(tài)以將第一雙極晶體管的集電極端子耦接到所述間流管的柵極端子。
7.如權(quán)利要求2所述的電子器件，其特征在于，所述控制電路進一步包括耦接在所述間流管的柵極端子和所述雙極晶體管的集電極端子之間的旁路級，所述旁路級構(gòu)造為當(dāng)所述雙極晶體管的集電極端子和所述閘流管的陰極端子之間的電流超過預(yù)定水平時在其間傳導(dǎo)電流，以便將所述雙極功率開關(guān)器件切換到非導(dǎo)通狀態(tài)。
8.如權(quán)利要求7所述的電子器件，其特征在于，所述旁路極包括齊納二極管，其被構(gòu)造為在所述雙極晶體管的集電極和所述閘流管的柵極之間的電壓降超過所述齊納二極管的擊穿電壓時導(dǎo)通。
9.如權(quán)利要求8所述的電子器件，其特征在于，所述旁路級進一步包括換向雙極二極管，其具有耦接到所述雙極晶體管的集電極端子的集電極端子、耦接到所述間流管柵極端子的發(fā)射極端子、和耦接到所述齊納二極管的基極端子，其中，所述換向雙極晶體管構(gòu)造為響應(yīng)所述齊納二極管的導(dǎo)通而切換到導(dǎo)通狀態(tài)從而為所述閘流管的柵極端子提供負載電流，并且將所述雙極功率開關(guān)器件切換到非導(dǎo)通狀態(tài)。
10.如權(quán)利要求7所述的電子器件，其特征在于，所述旁路級包括多個串聯(lián)在所述閘流管的柵極端子和所述雙極晶體管的集電極端子之間的功率二極管。
11.如權(quán)利要求1所述的電子器件，其特征在于，所述雙極晶體管和所述閘流管被包括在同一個封裝中，其中，所述閘流管的陽極和陰極端子之間的接通電阻隨著所述閘流管的工作溫度的上升而減小，其中，所述雙極晶體管的集電極和發(fā)射極端子之間的接通電阻隨著所述雙極晶體管的工作溫度的上升而增大。
12.如權(quán)利要求11所述的電子器件，其特征在于，在各自的工作溫度上升時，所述雙極晶體管的接通電阻的增加大于所述閘流管的電阻的減小，使得在導(dǎo)通狀態(tài)的所述雙極功率開關(guān)器件的電阻隨著所述雙極功率開關(guān)器件的工作溫度的上升而增大。
13.如權(quán)利要求11所述的電子器件，其特征在于，當(dāng)各自的工作溫度上升時，所述雙極晶體管的接通電阻的增加基本相同于所述閘流管的電阻的減小，使得在導(dǎo)通狀態(tài)的所述雙極功率開關(guān)器件的電阻隨著所述雙極功率開關(guān)器件的工作溫度的上升而基本不變。
14.如權(quán)利要求1所述的電子器件，其特征在于，所述雙極功率開關(guān)器件構(gòu)造為在所述雙極晶體管工作在活動區(qū)時提供電流飽和能力。
15.如權(quán)利要求1所述的電子器件，其特征在于，所述雙極晶體管包括碳化硅雙極結(jié)晶體管(BJT)，且其中所述閘流管包括碳化硅柵極可關(guān)斷閘流管(GTO)。
16.一種封裝的雙極功率開關(guān)器件，包括具有基極、集電極和發(fā)射極端子的寬帶隙雙極晶體管，所述集電極端子對應(yīng)于所述雙極功率開關(guān)器件的第一主端子；和具有陽極、陰極和柵極端子的寬帶隙間流管，所述間流管的陽極端子耦接到所述雙極晶體管的發(fā)射極端子，而所述陰極端子對應(yīng)于所述雙極功率開關(guān)器件的第二主端子，其中，所述雙極功率晶體管構(gòu)造為在非導(dǎo)通狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換，使得電流在所述第一及第二主端子之間流動，并且其中所述雙極功率晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)具有橫跨所述第一及第二主端子的非負溫度系數(shù)。
17.如權(quán)利要求16所述的器件，其特征在于，所述閘流管的陽極和陰極端子之間的接通電阻隨著所述閘流管的工作溫度的上升而減小，以及其中所述雙極晶體管的集電極和發(fā)射極端子之間的接通電阻隨著所述雙極晶體管的工作溫度的上升而增大。
18.如權(quán)利要求17所述的器件，其特征在于，當(dāng)各自的工作溫度上升時，所述雙極晶體管的接通電阻的增加大于所述閘流管的電阻的減小，使得所述雙極功率開關(guān)器件在導(dǎo)通狀態(tài)具有橫跨所述第一及第二主端子的正溫度系數(shù)。
19.如權(quán)利要求17所述的器件，其特征在于，當(dāng)各自的工作溫度上升時，所述雙極晶體管的接通電阻的增加基本相同于所述閘流管的電阻的減小，使得所述雙極功率開關(guān)器件在導(dǎo)通狀態(tài)時具有橫跨所述第一及第二主端子的近零的溫度系數(shù)。
20.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述雙極晶體管包括碳化硅雙極結(jié)晶體管 (BJT)，且其中所述閘流管包括碳化硅柵極可關(guān)斷閘流管(GTO)。
21.一種封裝的雙極可關(guān)斷閘流管器件，包括具有陽極、陰極和柵極端子的寬帶隙柵極可關(guān)斷閘流管(GTO)；和具有基極、集電極和發(fā)射極端子的寬帶隙雙極結(jié)晶體管(BJT)，所述BJT的發(fā)射極端子直接耦接到所述GTO的陽極端子，其中，所述雙極功率開關(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，所述導(dǎo)通狀態(tài)允許電流在所述BJT的集電極和所述GTO的陰極之間流動以響應(yīng)于施加到所述BJT基極端子的第一控制信號和施加到所述GTO柵極端子的第二控制信號。
22.如權(quán)利要求21所述的器件，其特征在于，所述GTO的陽極和陰極端子之間的接通電阻隨著所述GTO的工作溫度的上升而減小，且其中所述BJT的集電極和發(fā)射極端子之間的接通電阻隨著所述BJT的工作溫度的上升而增大。
23.如權(quán)利要求21所述的器件，其特征在于，所述GTO包括 其上具有陰極端子的第一導(dǎo)電類型的襯底；在所述襯底上與所述陰極端子相對且與所述第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的漂移層；位于所述漂移層上并且其上具有所述柵極端子的第一導(dǎo)電類型的基極層；和在所述基極層上并且其上具有所述陽極端子的第二導(dǎo)電類型的第一層， 以及其中，所述BJT包括直接位于第二導(dǎo)電類型的所述第一層上并且其上具有所述發(fā)射極端子的第一導(dǎo)電類型的層；和在第一導(dǎo)電類型的所述層上的第二導(dǎo)電類型的第二層，所述第二層包括在其中重摻雜且其上具有所述集電極端子的第一導(dǎo)電類型的的第一區(qū)，和在其中重摻雜且其上具有所述基極端子的第二導(dǎo)電類型的第二區(qū)。
24.如權(quán)利要求23所述的器件，其特征在于，所述第一導(dǎo)電類型包括η-型，所述第二導(dǎo)電類型包括P-型。
25.如權(quán)利要求23所述的器件，其特征在于，所述襯底和其上的層包括碳化硅。
全文摘要
一種電子器件，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。所述雙極晶體管的發(fā)射極端子直接耦接到所述閘流管的陽極端子，從而所述雙極晶體管和所述閘流管串聯(lián)。所述雙極晶體管和所述閘流管限定了寬帶隙雙極功率開關(guān)器件，其構(gòu)造為在非導(dǎo)通狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換，該導(dǎo)通狀態(tài)允許電流在對應(yīng)于所述雙極晶體管的集電極端子的第一主端子和對應(yīng)于所述閘流管的陰極端子的第二主端子之間流動，以響應(yīng)于施加到所述雙極晶體管基極端子的第一控制信號和施加到所述閘流管柵極端子的第二控制信號。還討論了相關(guān)的控制電路。
文檔編號H01L29/74GK102460708SQ201080031837
公開日2012年5月16日 申請日期2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者J·T·里奇蒙德, R·J·卡拉南, 張清純 申請人:克里公司