一種低功耗igbt器件及其外圍電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電子技術(shù)，具體的說是涉及一種通過工作點(diǎn)自調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)低功耗的IGBT及其外圍自檢測與反饋電路。本發(fā)明的原理是：利用IGBT工作時電子電流與空穴電流的比值與Vce和Eoff具有對應(yīng)關(guān)系，通過采樣檢測IGBT工作時的電子電流與空穴電流的比值，從而反饋控制IGBT的柵壓，調(diào)節(jié)器件的工作點(diǎn)，使器件在實(shí)際應(yīng)用時具有最佳的關(guān)斷損耗與正向?qū)▔航档恼壑嘘P(guān)系。本發(fā)明的有益效果為，通過采樣電子電流與空穴電流比值，來反饋調(diào)節(jié)柵信號，使IGBT的工作點(diǎn)設(shè)置在最低能耗點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷損耗和正向?qū)▔航档淖罴颜壑?，從而提高了IGBT的綜合性能。本發(fā)明尤其適用于IGBT器件。
【專利說明】一種低功耗IGBT器件及其外圍電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子技術(shù)，具體的說是涉及一種通過工作點(diǎn)自調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)低功耗的IGBT及其外圍自檢測與反饋電路。
【背景技術(shù)】
[0002]IGBT (Insulate Gate BipolarTransistor,絕緣柵雙極型晶體管)既有 MOSFET 的輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)速度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型功率晶體管的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于電磁爐、UPS不間斷電源、汽車電子點(diǎn)火器、三相電動機(jī)變頻器、電焊機(jī)開關(guān)電源等產(chǎn)品中作為功率開關(guān)管或功率輸出管，市場前景非常廣闊。
[0003]功耗是IGBT的重要性能指標(biāo)，由兩部分構(gòu)成，一是靜態(tài)功耗，也即導(dǎo)通能量損耗，由器件的導(dǎo)通壓降決定。二是動態(tài)功耗，也即關(guān)斷能量損耗，由漂移區(qū)存儲的非平衡少子濃度及少子壽命等決定。要使開關(guān)應(yīng)用中的IGBT總功耗較低，就要求動態(tài)和靜態(tài)能量損耗都足夠小，而在IGBT實(shí)際工作中其關(guān)斷損耗(Etjff)和正向?qū)▔航?Vra)間存在矛盾關(guān)系，一般當(dāng)IGBT的工作點(diǎn)設(shè)定在正向?qū)▔航?Vra)低的狀態(tài)，那么其漂移區(qū)中的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)就很強(qiáng)烈，也即過剩載流子就越多，當(dāng)該IGBT關(guān)斷時，抽取這些過剩載流子的時間就越長，拖尾電流就越大，故而關(guān)斷損耗就越大；反之若希望IGBT關(guān)斷損耗小，即漂移區(qū)中過剩載流子少，那么IGBT的工作點(diǎn)需要設(shè)置在正向?qū)▔航递^高的點(diǎn)。故要使IGBT器件的總功耗較小，需要將其工作點(diǎn)設(shè)置在適當(dāng)?shù)姆秶?，使其具有最?yōu)的Ef、Vra折中關(guān)系，即在Ef、Vce折中關(guān)系曲線上工作在靠近原點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)，才能保證既有較低的Etjff又有較低的VeE。
[0004]在IGBT的應(yīng)用回路中，Vce可以通過電壓采樣讀取，但Etjff卻幾乎無法有效地獲得。因此，要實(shí)時的獲取IGBT的功耗信息并相應(yīng)地對其工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，難度非常大以降低等位環(huán)處電流集中效應(yīng)為目的，提出了一種功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)及其制作方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的，就是針對上述傳統(tǒng)IGBT器件存在的問題，提出一種低功耗IGBT器件及其外圍電路。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:如圖1所示，一種低功耗IGBT器件及其外圍電路，包括IGBT器件和外圍電路，其特征在于，所述IGBT器件的元胞結(jié)構(gòu)包括主元胞結(jié)構(gòu)和采樣元胞結(jié)構(gòu)，所述主元胞結(jié)構(gòu)和采樣元胞結(jié)構(gòu)設(shè)置在N-漂移區(qū)3上，所述漂移區(qū)3底部設(shè)置有P集電區(qū)2，所述P集電區(qū)2底部設(shè)置有陽極金屬電極I ;所述主元胞區(qū)包括相互獨(dú)立的設(shè)置在N-漂移區(qū)3中的第一 P型體區(qū)4和第二 P型體區(qū)5，所述第一 P型體區(qū)4中設(shè)置有第一 N+發(fā)射區(qū)6、第二 N+發(fā)射區(qū)8和第一 P+短路區(qū)7，所述第一 N+發(fā)射區(qū)6和第二 N+發(fā)射區(qū)8分別連接在第一 P+短路區(qū)7的兩側(cè)，所述第二 P型體區(qū)5中設(shè)置有相連接的第三N+發(fā)射區(qū)9和第二 P+短路區(qū)10，所述第一 P+短路區(qū)7上端面設(shè)置有第一陰極金屬電極15，所述第二 P+短路區(qū)10上端面設(shè)置有第二陰極金屬電極16，所述第二N+發(fā)射區(qū)8上端面設(shè)置有第一二氧化硅層11，所述第一二氧化硅層11上端面設(shè)置有第一多晶硅柵電極12，所述第一 N+發(fā)射區(qū)6和第三N+發(fā)射區(qū)9的上端面設(shè)置有第二二氧化硅層13，所述第二二氧化硅層13上端面設(shè)置有第二多晶硅柵電極14，所述第一陰極金屬電極
15、第二陰極金屬電極16、第一二氧化硅層11、第二二氧化硅層13之間通過絕緣介質(zhì)層17相互隔離；所述采樣元胞結(jié)構(gòu)包括相互獨(dú)立的設(shè)置在N-漂移區(qū)3中的第三P型體區(qū)18和第四P型體區(qū)19，所述第三P型體區(qū)18中設(shè)置有相連接的第四N+發(fā)射區(qū)20和第三P+短路區(qū)21，所述第四P型體區(qū)19中設(shè)置有相連接的第五N+發(fā)射區(qū)22和第四P+短路區(qū)23，所述第四N+發(fā)射區(qū)20上端面設(shè)置有第一電子電流采樣電極24，所述第三P+短路區(qū)21上端面設(shè)置有第一空穴電流采樣電極25，所述第五N+發(fā)射區(qū)22上端面設(shè)置有第二電子電流采樣電極27，所述第四P+短路區(qū)23上端面設(shè)置有第二空穴電流采樣電極26，所述第四N+發(fā)射區(qū)20和第五N+發(fā)射區(qū)22之間的上端面設(shè)置有第三二氧化硅層28，所述第三二氧化硅層28上端面設(shè)置有第三多晶硅柵電極29，所述第一電子電流采樣電極24、第一空穴電流采樣電極25、第二空穴電流采樣電極26、第二電子電流采樣電極27和第三多晶硅柵電極29之間通過絕緣介質(zhì)層17相互隔離；所述外圍電路包括計算模塊和柵極電壓調(diào)節(jié)模塊，所述計算模塊的輸入端連接IGBT器件的第一電子電流采樣電極24、第二電子電流采樣電極27、第一空穴電流采樣電極25和第二空穴電流采樣電極26，計算模塊的輸出端連接?xùn)艠O電壓調(diào)節(jié)模塊的一個輸入端，柵極電壓調(diào)節(jié)模塊的另一個輸入端連接外部電流信號、輸出端連接IGBT器件的柵極；其中，
[0007]計算模塊接收IGBT器件輸出的電子電流和空穴電流信號，計算兩種電流的比值，將電子電流與空穴電流的比值輸出到柵極電壓調(diào)節(jié)模塊；
[0008]柵極電壓調(diào)節(jié)模塊接收電子電流與空穴電流的比值，同時接收預(yù)先設(shè)定的IGBT器件工作在最佳狀態(tài)下的電子空穴比相關(guān)的電流信號，根據(jù)理想值和實(shí)際比值的關(guān)系實(shí)時調(diào)整輸出到柵極的驅(qū)動電壓，使IGBT器件工作在低功耗狀態(tài)。
[0009]本發(fā)明總的技術(shù)方案，利用IGBT工作時電子電流與空穴電流的比值與Vce和Etjff具有對應(yīng)關(guān)系，通過采樣檢測IGBT工作時的電子電流與空穴電流的比值，從而反饋控制IGBT的柵壓，調(diào)節(jié)器件的工作點(diǎn)，使器件在實(shí)際應(yīng)用時具有最佳的關(guān)斷損耗與正向?qū)▔航档恼壑嘘P(guān)系。
[0010]具體的，所述柵極電壓調(diào)節(jié)模塊包括差分放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中差分放大器輸入端連接外部輸入信號、輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端連接單片機(jī)，單片機(jī)輸出端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出驅(qū)動電壓信號。
[0011]本發(fā)明的有益效果為，通過采樣電子電流與空穴電流比值，來反饋調(diào)節(jié)柵信號，使IGBT的工作點(diǎn)設(shè)置在最低能耗點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷損耗和正向?qū)▔航档淖罴颜壑?，從而提高了IGBT的綜合性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的IGBT結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是本發(fā)明的IGBT器件的外圍電路的邏輯示意框圖；
[0014]圖3是IGBT的1-V輸出曲線隨柵極電壓變化曲線圖；
[0015]圖4是圖3的局部放大圖；[0016]圖5是IGBT工作在不同的工作點(diǎn)后關(guān)斷過程中電流與時間的關(guān)系曲線示意圖；
[0017]圖6是IGBT的關(guān)斷損耗與正向?qū)▔航档恼壑嘘P(guān)系曲線示意圖；
[0018]圖7是采樣元胞中電子電流采樣電極和空穴電流采樣電極分別收集電子和空穴的不意圖；
[0019]圖8是計算模塊的具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖9是柵極電壓調(diào)節(jié)模塊的結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖10是圖9中差分放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0023]本發(fā)明一種低功耗IGBT器件，如圖所示，IGBT器件的元胞結(jié)構(gòu)包括主元胞結(jié)構(gòu)和采樣元胞結(jié)構(gòu)，所述主元胞結(jié)構(gòu)和采樣元胞結(jié)構(gòu)設(shè)置在N-漂移區(qū)3上，所述漂移區(qū)3底部設(shè)置有P集電區(qū)2，所述P集電區(qū)2底部設(shè)置有陽極金屬電極I ;所述主元胞區(qū)包括相互獨(dú)立的設(shè)置在N-漂移區(qū)3中的第一 P型體區(qū)4和第二 P型體區(qū)5，所述第一 P型體區(qū)4中設(shè)置有第一 N+發(fā)射區(qū)6、第二 N+發(fā)射區(qū)8和第一 P+短路區(qū)7，所述第一 N+發(fā)射區(qū)6和第二N+發(fā)射區(qū)8分別連接在第一 P+短路區(qū)7的兩側(cè)，所述第二 P型體區(qū)5中設(shè)置有相連接的第三N+發(fā)射區(qū)9和第二 P+短路區(qū)10，所述第一 P+短路區(qū)7上端面設(shè)置有第一陰極金屬電極15，所述第二 P+短路區(qū)10上端面設(shè)置有第二陰極金屬電極16，所述第二 N+發(fā)射區(qū)8上端面設(shè)置有第一二氧化娃層11，所述第一二氧化娃層11上端面設(shè)置有第一多晶娃柵電極12,所述第一 N+發(fā)射區(qū)6和第三N+發(fā)射區(qū)9的上端面設(shè)置有第二二氧化硅層13，所述第二二氧化硅層13上端面設(shè)置有第二多晶硅柵電極14，所述第一陰極金屬電極15、第二陰極金屬電極16、第一二氧化硅層11、第二二氧化硅層13之間通過絕緣介質(zhì)層17相互隔離；所述采樣元胞結(jié)構(gòu)包括相互獨(dú)立的設(shè)置在N-漂移區(qū)3中的第三P型體區(qū)18和第四P型體區(qū)19，所述第三P型體區(qū)18中設(shè)置有相連接的第四N+發(fā)射區(qū)20和第三P+短路區(qū)21，所述第四P型體區(qū)19中設(shè)置有相連接的第五N+發(fā)射區(qū)22和第四P+短路區(qū)23，所述第四N+發(fā)射區(qū)20上端面設(shè)置有第一電子電流采樣電極24，所述第三P+短路區(qū)21上端面設(shè)置有第一空穴電流采樣電極25，所述第五N+發(fā)射區(qū)22上端面設(shè)置有第二電子電流采樣電極27，所述第四P+短路區(qū)23上端面設(shè)置有第二空穴電流采樣電極26，所述第四N+發(fā)射區(qū)20和第五N+發(fā)射區(qū)22之間的上端面設(shè)置有第三二氧化硅層28，所述第三二氧化硅層28上端面設(shè)置有第三多晶娃柵電極29,所述第一電子電流米樣電極24、第一空穴電流米樣電極25、第二空穴電流采樣電極26、第二電子電流采樣電極27和第三多晶硅柵電極29之間通過絕緣介質(zhì)層17相互隔離。
[0024]本發(fā)明的工作原理為:
[0025]以一個閾值電壓為5V，反向耐壓為1200V的IGBT為例，其I_V特性輸出曲線隨柵電壓的變化如圖3所示，IGBT作為開關(guān)應(yīng)用時工作點(diǎn)通常設(shè)置在虛線框內(nèi)。圖4為圖3中的虛線方框內(nèi)的1-V特性圖的局部放大，當(dāng)IGBT接上負(fù)載后其工作點(diǎn)A-F將沿負(fù)載線移動。從A點(diǎn)到F點(diǎn)，隨著柵壓的逐漸升高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)加強(qiáng)，因而器件的Vra降低，靜態(tài)功耗降低；但另一方面，如圖5所示，從A點(diǎn)到F點(diǎn)，由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的加強(qiáng)，器件的關(guān)斷時間和關(guān)斷電流增加，動態(tài)功耗增強(qiáng)。將工作點(diǎn)A到F所對應(yīng)的Etjff和Vra畫在圖6的坐標(biāo)系中，可以看到Etjff和Vra存在制約關(guān)系，在O點(diǎn)附近Etjff與Vra具有最佳折中關(guān)系，是器件的最佳工作點(diǎn)。進(jìn)一步仿真該IGBT在不同工作點(diǎn)A-F時其電子電流與空穴電流的比值，發(fā)現(xiàn)該比值會隨著工作點(diǎn)的變化而單調(diào)變化，如表1所示。
[0026]表1IGBT在不同工作點(diǎn)A-F時其電子電流與空穴電流的比值
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗IGBT器件及其外圍電路，包括IGBT器件和外圍電路，其特征在于，所述IGBT器件的元胞結(jié)構(gòu)包括主元胞結(jié)構(gòu)和采樣元胞結(jié)構(gòu),所述主元胞結(jié)構(gòu)和采樣元胞結(jié)構(gòu)設(shè)置在N-漂移區(qū)(3)上，所述漂移區(qū)(3)底部設(shè)置有P集電區(qū)(2)，所述P集電區(qū)(2)底部設(shè)置有陽極金屬電極(I);所述主元胞區(qū)包括相互獨(dú)立的設(shè)置在N-漂移區(qū)(3)中的第一 P型體區(qū)(4)和第二 P型體區(qū)(5)，所述第一 P型體區(qū)(4)中設(shè)置有第一 N+發(fā)射區(qū)(6)、第二 N+發(fā)射區(qū)(8)和第一 P+短路區(qū)(7)，所述第一 N+發(fā)射區(qū)(6)和第二 N+發(fā)射區(qū)(8)分別連接在第一 P+短路區(qū)(7)的兩側(cè)，所述第二 P型體區(qū)(5)中設(shè)置有相連接的第三N+發(fā)射區(qū)(9)和第二 P+短路區(qū)(10)，所述第一 P+短路區(qū)(7)上端面設(shè)置有第一陰極金屬電極(15)，所述第二 P+短路區(qū)(10)上端面設(shè)置有第二陰極金屬電極(16)，所述第二 N+發(fā)射區(qū)(8)上端面設(shè)置有第一二氧化娃層(11)，所述第一二氧化娃層(11)上端面設(shè)置有第一多晶娃柵電極(12)，所述第一 N+發(fā)射區(qū)(6)和第三N+發(fā)射區(qū)(9)的上端面設(shè)置有第二二氧化硅層(13)，所述第二二氧化硅層(13)上端面設(shè)置有第二多晶硅柵電極(14)，所述第一陰極金屬電極(15)、第二陰極金屬電極(16)、第一二氧化硅層(11)、第二二氧化硅層(13)之間通過絕緣介質(zhì)層(17)相互隔離；所述采樣元胞結(jié)構(gòu)包括相互獨(dú)立的設(shè)置在N-漂移區(qū)(3)中的第三P型體區(qū)(18)和第四P型體區(qū)(19)，所述第三P型體區(qū)(18)中設(shè)置有相連接的第四N+發(fā)射區(qū)(20)和第三P+短路區(qū)(21)，所述第四P型體區(qū)(19)中設(shè)置有相連接的第五N+發(fā)射區(qū)(22 )和第四P+短路區(qū)(23 )，所述第四N+發(fā)射區(qū)(20 )上端面設(shè)置有第一電子電流采樣電極(24)，所述第三P+短路區(qū)(21)上端面設(shè)置有第一空穴電流采樣電極(25)，所述第五N+發(fā)射區(qū)(22 )上端面設(shè)置有第二電子電流采樣電極(27 )，所述第四P+短路區(qū)(23 )上端面設(shè)置有第二空穴電流采樣電極(26)，所述第四N+發(fā)射區(qū)(20)和第五N+發(fā)射區(qū)(22)之間的上端面設(shè)置有第三二氧化硅層(28)，所述第三二氧化硅層(28)上端面設(shè)置有第三多晶硅柵電極(29)，所述第一電子電流采樣電極(24)、第一空穴電流采樣電極(25)、第二空穴電流采樣電極(26)、第二電子電流采樣電極(27)和第三多晶硅柵電極(29)之間通過絕緣介質(zhì)層(17)相互隔離；所述外圍電路包括計算模塊和柵極電壓調(diào)節(jié)模塊，所述計算模塊的輸入端連接IGBT器件的第一電子電流采樣電極(24)、第二電子電流采樣電極(27)、第一空穴電流采樣電極(25)和第二空穴電流采樣電極(26)，計算模塊的輸出端連接?xùn)艠O電壓調(diào)節(jié)模塊的一個輸入端，柵極電壓調(diào)節(jié)模塊的另一個輸入端連接外部電流信號、輸出端連接IGBT器件的柵極；其中， 計算模塊接收IGBT器件輸出的電子電流和空穴電流信號，計算兩種電流的比值，將電子電流與空穴電流的比值輸出到柵極電壓調(diào)節(jié)模塊； 柵極電壓調(diào)節(jié)模塊接收電子電流與空穴電流的比值，同時接收預(yù)先設(shè)定的IGBT器件工作在最佳狀態(tài)下的電子空穴比相關(guān)的電流信號，根據(jù)理想值和實(shí)際比值的關(guān)系實(shí)時調(diào)整輸出到柵極的驅(qū)動電壓，使IGBT器件工作在低功耗狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗IGBT器件的外圍電路，其特征在于，所述柵極電壓調(diào)節(jié)模塊包括差分放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中差分放大器輸入端連接外部輸入信號、輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端連接單片機(jī)，單片機(jī)輸出端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出驅(qū)動電壓信號。
【文檔編號】H01L29/739GK103762231SQ201410049066
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月12日
【發(fā)明者】任敏, 陳偉中, 劉永, 王為, 姚鑫, 楊玨琳, 李澤宏, 張金平, 張波 申請人:電子科技大學(xué)