本發(fā)明的實施例涉及一種用于控制至少一個反向?qū)щ?RC)IGBT的方法，特別涉及控制包括兩個RC-IBGT的半橋電路的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

第一實施例涉及一種用于控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的方法，其中每個開關(guān)是RC-IGBT，并且其中這兩個開關(guān)被布置為半橋電路，方法包括：

-控制IGBT模式中的第一開關(guān)；

-控制第二開關(guān)，使得其在DIODE模式中時變?yōu)槿ワ柡停?/p>

-其中對所述第二開關(guān)的控制開始在所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)之前并且至少持續(xù)得與所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)一樣長。

第二實施例涉及一種用于操作第一開關(guān)和第二開關(guān)的設(shè)備，其中每個開關(guān)是RC-IGBT，并且其中這兩個開關(guān)被布置為半橋電路，所述設(shè)備包括處理單元，其被配置為：

-控制IGBT模式中的第一開關(guān)；

-控制第二開關(guān)，使得其在DIODE模式中時變?yōu)槿ワ柡停?/p>

-其中對所述第二開關(guān)的控制開始在所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)之前并且至少持續(xù)得與所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)一樣長。

第三實施例涉及一種用于控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的設(shè)備，其中每個開關(guān)是RC-IGBT，并且其中這兩個開關(guān)被布置為半橋電路；

-用于控制IGBT模式中的第一開關(guān)的裝置；

-用于控制第二開關(guān)使得其在DIODE模式中時變?yōu)槿ワ柡偷难b置；

-其中對所述第二開關(guān)的控制開始在所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)之前并且至少持續(xù)得與所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)一樣長。

第四實施例涉及一種直接加載到數(shù)字處理設(shè)備的存儲器中的計算機程序產(chǎn)品，其包括用于執(zhí)行本文所描述的方法的步驟的軟件代碼部分。

附圖說明

參考附示出并且圖示了實施例。附圖用于圖示基本原理，使得僅圖示了用于理解基本原理的必要的方面。附圖不是成比例的。在附圖中，相同附圖標記表示相同特征。

圖1是根據(jù)涉及可控制的輔助單元的實施例的半導體器件的一部分的示意性剖視圖。

圖2A是根據(jù)實施例的具有可控制的注射單元的半導體二極管的一部分的示意性剖視圖。

圖2B是圖示操作圖2A的半導體二極管的方法的示意性時序圖。

圖3A是根據(jù)提供注射單元和晶體管單元的分開控制的實施例的具有可控制的注射單元的RC-IGBT(反向?qū)щ奍GBT)的一部分的示意性剖視圖。

圖3B是圖示操作圖3A的RC-IGBT的方法的示意性時序圖。

圖4A是根據(jù)提供注射單元和晶體管單元的集中控制的實施例的具有可控制的注射單元的RC-IGBT的一部分的示意性剖視圖。

圖4B是圖示操作圖4A的RC-IGBT的方法的示意性時序圖。

圖4C是根據(jù)提供可控制的注射單元以及空閑單元的實施例的RC-IBGT的示意性剖視圖。

圖4D是根據(jù)提供可集中地控制的輔助單元和晶體管單元以及空閑單元的實施例的RC-IGBT的一部分的示意性剖視圖。

圖4E是示出不同柵電壓處的反向?qū)щ娔Ｊ街械膱D4D的RC-IGBT的二極管特性的示意圖。

圖4F是示出用于勢壘區(qū)的不同注入劑量下的反向?qū)щ娔Ｊ街械膱D4D的RC-IGBT的二極管特性的示意圖。

圖5A是根據(jù)提供去飽和單元和晶體管單元的分開控制的另一實施例的非RC-IGBT的一部分的示意性剖視圖。

圖5B是圖示操作圖5A的非RC-IGBT的方法的示意性時序圖。

圖6A是根據(jù)使用電壓移位器提供去飽和單元和晶體管單元的集中控制的另一實施例的非RC-IGBT的一部分的示意性剖視圖。

圖6B是用于圖示圖6A的非RC-IGBT的方法的示意性時序圖。

圖6C是根據(jù)涉及具有使用包含固定負電荷的控制電介質(zhì)的集中控制的去飽和單元和晶體管單元的非RC-IGBT的另一實施例的半導體器件的一部分的示意性剖視圖。

圖6D是根據(jù)涉及交替地布置的去飽和單元和晶體管單元的另一實施例的具有使用包含固定負電荷的控制電介質(zhì)的集中控制的去飽和單元和晶體管單元的一部分的示意性剖視圖。

圖6E是具有集中控制的去飽和單元和晶體管單元以及低通電路的非RC-IGBT的一部分的示意性剖視圖。

圖7是根據(jù)提供未受控制的輔助單元的實施例的半導體二極管的一部分的示意性剖視圖。

圖8是根據(jù)提供未受控制的輔助單元的實施例的IGBT的一部分的剖視圖。

圖9A示出了包括半橋布置的示意圖，該半橋布置包括兩個RC-IGBT和電感器；

圖9B示出了描繪在電感器之上的示例性負載電流I_L的示圖。

圖10示出了包括用于RC-IGBT的模式和狀態(tài)的表格；

圖11示出了針對正負載電流IL的一部分的RC-IGBT的時序圖；

圖12示出了針對正負載電流IL的一部分的RC-IGBT的備選時序圖；

圖13示出了包括數(shù)個半橋電路的示例性拓撲；

圖14示出了包括數(shù)個半橋電路的備選拓撲。

具體實施方式

在以下詳細描述中，對形成其一部分并且以圖示的方式示出可以實踐本發(fā)明的特定實施例的附圖進行參考。應(yīng)理解到，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以利用其他實施例并且可以做出結(jié)構(gòu)或者邏輯改變。例如，針對一個實施例所說明或所描述的特征可以使用在其他實施例上或者結(jié)合其他實施例以產(chǎn)生另一實施例。應(yīng)預(yù)期到，本發(fā)明包括這樣的修改和變型。使用特定語言描述示例，其不應(yīng)當被解釋為限制隨附權(quán)利要求的范圍。附圖不按比例并且僅出于說明性目的。為了清晰，如果沒有另外規(guī)定，則已經(jīng)通過不同附圖中的對應(yīng)的附圖標記指代相同元件。

術(shù)語“具有(having)”、“包含(containing)”、“(包括including)”、“包括(comprising)”等等是開放的，并且術(shù)語指示規(guī)定結(jié)構(gòu)、元件或者特征的存在，但是不排除附加元件或者特征。除非上下文另外清楚指示，否則量詞“一”、“一個”和“該”旨在包括復數(shù)以及單數(shù)。

術(shù)語“電連接的”描述電連接的元件之間的永久低電阻連接例如有關(guān)元件之間的直接接觸或者經(jīng)由金屬和/或高摻雜半導體的低電阻連接。術(shù)語“電耦合的”包括適于信號傳輸?shù)囊粋€或多個中介元件可以提供在電耦合的元件例如可控制以暫時提供第一狀態(tài)中的低電阻連接和第二狀態(tài)中的高電阻電解耦的元件之間。

附圖通過靠近摻雜類型“n”或“p”的“-”或“+”圖示相對摻雜濃度。例如，“n^-”意指低于“n”摻雜區(qū)域的摻雜濃度的摻雜濃度，而“n⁺”摻雜區(qū)域具有比“n”摻雜區(qū)域更高的摻雜濃度。相同的相對摻雜濃度的摻雜區(qū)域不必具有相同的絕對摻雜濃度。例如，兩個不同的“n”摻雜區(qū)域可以具有相同或者不同的絕對摻雜濃度。

在例如[D.Werber,F.Pfirsch,T.Gutt,V.Komarnitskyy,C.Schaeffer,T.Hunger,D.Domes:"6.5kV RCDC For Increased Power Density in IGBT-Modules",ISPSD 2014，威可洛亞，夏威夷，2014年]中描述了反向?qū)щ?RC)IGBT。

如果p摻雜集電極區(qū)域借助于n摻雜區(qū)域部分中斷，則可以建造反向?qū)щ奍GBT。這樣做，一方面，給定二極管功能性，另一方面，存在針對IGBT將少數(shù)載流子注射到低正向電壓V_ce(sat)的漂移區(qū)中的足夠的區(qū)域。利用這樣的方法，二極管功能性不再獨立于門控制的狀態(tài)。

RC-IGBT、技術(shù)、結(jié)構(gòu)、實施例

圖1示出了可以是半導體二極管或IGBT例如RB-IGBT(反向阻斷IGBT)或RC-IGBT(反向?qū)щ奍GBT)的半導體器件500的一部分。以示例的方式從單晶半導體材料例如硅(Si)、碳化硅(SiC)、鍺(Ge)、硅鍺晶體(SiGe)、氮化鎵(GaN)或者砷化鎵提供半導體器件500的半導體本體100。

半導體本體100具有第一表面101(其可以是近似平面的或者其可以通過由共面表面區(qū)段橫跨的平面給定)以及平行于第一表面101的大體上平面的第二表面102。選擇第一表面101與第二表面102之間的最小距離以實現(xiàn)半導體器件500的指定電壓阻斷能力。例如，對于針對大約1200V的阻斷電壓所指定的IGBT而言，第一表面101與第二表面102之間的距離可以是90μm至110μm。涉及PT-IGBT(穿通IGBT)或者具有高阻斷能力的IGBT的其他實施例可以提供具有數(shù)個100μm的厚度的半導體本體100。

在垂直于剖面平面的平面中，半導體本體100可以具有矩形形狀，其具有數(shù)毫米的范圍內(nèi)的邊緣長度。第一表面101的法線定義垂直方向，并且正交于垂直方向的方向是橫向方向。

半導體本體100包括第一導電類型的漂移區(qū)120、第一表面101與漂移區(qū)120之間的與第一導電類型相反的第二導電類型的載流子遷移區(qū)115以及漂移區(qū)120與第二表面102之間的基座層130。

對于所圖示的實施例而言，第一導電類型是n型，并且第二導電類型是p型。如下文所概述的類似考慮適于其中第一導電類型是p型并且第二導電類型是n型的實施例。

漂移區(qū)120中的雜質(zhì)濃度可以隨著增加其垂直延伸的至少部分中的第一表面101的距離而逐漸或逐步地增加或減少。根據(jù)其他實施例，漂移區(qū)120中的雜質(zhì)濃度可以是近似一致的。漂移區(qū)120中的平均雜質(zhì)濃度可以在1×10¹²(1E12)cm^-3與1×10¹⁵(1E15)cm^-3之間，例如在5×10¹²(5E12)cm^-3至5×10¹³(5E13)cm^-3的范圍內(nèi)。

基座層130可以具有第一導電類型(如果半導體器件500是半導體二極管)、第二導電類型(如果半導體器件500是非RC-IGBT)，或者可以包括在漂移區(qū)120與第二表面102之間延伸的這兩個導電類型的區(qū)域(如果半導體器件500是RC-IGBT)。針對p型基座層130或基座層130的p型區(qū)域的平均雜質(zhì)濃度可以是至少1×10¹⁶(1E16)cm^-3，例如至少5×10¹⁷(5E17)cm^-3。

載流子遷移區(qū)115可以直接鄰接第一表面101。根據(jù)所圖示的實施例，載流子遷移區(qū)115可以形成在輔助臺面區(qū)段194的頂部上，其中，每個輔助臺面區(qū)段194直接鄰接控制結(jié)構(gòu)180。

夾在載流子遷移區(qū)115與漂移區(qū)120之間的勢壘區(qū)117形成具有載流子遷移區(qū)115的pn結(jié)和具有漂移區(qū)120的同質(zhì)結(jié)。勢壘區(qū)117具有第一導電類型。勢壘區(qū)117中的平均雜質(zhì)濃度與漂移區(qū)120中的平均雜質(zhì)濃度的至少十倍一樣高。根據(jù)實施例，勢壘區(qū)117中的平均雜質(zhì)濃度可以從1×10¹⁶(1E16)cm^-3到1×10¹⁸(1E18)cm^-3例如從1x10¹⁷(1E17)到5x1017(5E17)cm^-3范圍。雜質(zhì)可以是磷(P)、砷(As)、硒(Se)和/或硫(S)原子/離子。

當載流子遷移區(qū)115與勢壘區(qū)117之間的pn結(jié)是正向偏置時，載流子遷移區(qū)115通過勢壘區(qū)117將大多數(shù)類型的載流子注射到漂移區(qū)120中。在半導體二極管的情況下，載流子遷移區(qū)115作為連接到陽極電極的陽極區(qū)域是有效的。對于RC-IGBT而言，載流子遷移區(qū)115作為反向二極管的陽極區(qū)域是有效的。在非RC-IGBT的情況下，載流子遷移區(qū)115支持從去飽和時段中的漂移區(qū)120對載流子的提取。

控制結(jié)構(gòu)180可以從第一表面101延伸到半導體本體100中至少向下到漂移區(qū)120。根據(jù)所圖示的實施例，控制結(jié)構(gòu)180延伸到漂移區(qū)120中?？刂平Y(jié)構(gòu)180可以包括導電控制電極189和將控制電極189與半導體本體100分離的控制電介質(zhì)185?？刂齐娊橘|(zhì)185形成在一側(cè)的勢壘區(qū)117和漂移區(qū)120與另一側(cè)的控制電極189之間。

控制電介質(zhì)185可以具有一致的厚度。根據(jù)其他實施例，面向第二表面102的控制電介質(zhì)185的底部部分可以比面向第一表面101的頂部部分更厚。根據(jù)進一步的實施例，控制結(jié)構(gòu)180可以包括導電材料的場電極。場電極與柵電極介質(zhì)絕緣并且布置在柵電極189與第二表面102之間。場電極或者沿著漂移區(qū)120的厚控制電介質(zhì)可以減少漂移區(qū)120與控制電極189之間的電容耦合并且穩(wěn)定施加到控制電極189的電勢。

控制電極189可以是同質(zhì)結(jié)構(gòu)或者可以具有包括一個或多個含金屬層的分層結(jié)構(gòu)。根據(jù)實施例，控制電極189可以包括重摻雜多晶硅層或由其組成。

控制電介質(zhì)185可以包括半導體二極管例如熱生長或沉積的二氧化硅、半導體氮化物例如沉積或熱生長的氮化硅、或半導體氮氧化物例如氮氧化硅或由其組成。

半導體器件500可以不被布置為在載流子遷移區(qū)115中形成當正電壓施加到控制電極189時少數(shù)載流子在漂移區(qū)120與負載電極之間流動通過的反型層。

根據(jù)實施例，頂部電介質(zhì)188可以在第一表面101與控制電極189之間延伸，使得控制電極189沿著垂直方向與載流子遷移區(qū)115未足夠地重疊以通過載流子遷移區(qū)115形成連續(xù)的反型溝道。

根據(jù)另一實施例，載流子遷移區(qū)115可以直接鄰接第一表面101處的控制結(jié)構(gòu)180，使得輔助臺面區(qū)段194缺乏第一表面101與至少沿著控制結(jié)構(gòu)180的載流子遷移區(qū)115之間的第一導電類型的區(qū)域。

根據(jù)另一實施例，可以在載流子遷移區(qū)115與控制結(jié)構(gòu)180之間的界面的垂直投影的兩側(cè)的第一表面101上提供電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。

在所圖示的實施例中，控制電極185與載流子遷移區(qū)115之間的缺乏重疊和沿著控制結(jié)構(gòu)180的外部邊緣處的第一表面101的第一導電類型的區(qū)域的缺少禁止通過載流子遷移區(qū)115的電子路徑。

第一表面101與控制結(jié)構(gòu)180的底部之間的距離可以從1μm到30μm例如從3μm到7μm范圍。輔助臺面區(qū)段194的橫向?qū)挾瓤梢詮?.05μm到10μm例如從0.15μm到1μm范圍。第一表面101與勢壘區(qū)117與載流子遷移區(qū)115之間的pn結(jié)之間的距離可以從0.5μm到5μm例如從1μm到1.5μm范圍。

勢壘區(qū)可以或可以不包括具有面向載流子遷移區(qū)115的那側(cè)的漂移區(qū)120的雜質(zhì)濃度的低摻雜部分。

設(shè)定載流子遷移區(qū)115中的總雜質(zhì)數(shù)量(有效陽極劑量)，使得其防止從載流子遷移區(qū)115與勢壘區(qū)117之間的pn結(jié)延伸的耗盡區(qū)到達第一表面101或者從第一表面101延伸到針對其指定半導體器件500的操作條件處的半導體本體100中的接觸結(jié)構(gòu)。例如，載流子遷移區(qū)115中的總雜質(zhì)數(shù)量可以是大約5×10¹²(5E12)cm^-2的p型注入劑量的結(jié)果并且跟隨移除所注入的區(qū)域的部分的接觸溝槽的蝕刻。

第一負載電極310與載流子遷移區(qū)115電連接，所述第一負載電極310可以是例如半導體二極管的陽極電極或IGBT的發(fā)射極電極。第一負載電極310可以或可以電耦合或連接到第一負載端子L1，例如半導體二極管的陽極端子或者IGBT的發(fā)射極端子。控制電極180可以電連接或者耦合到控制端子CTR或者電連接或者耦合到半導體器件500的柵極端子。

第二負載電極320直接鄰接第二表面102和基座層130。第二負載電極320可以或可以電連接到第二負載端子L2，其可以是半導體二極管的陰極端子或IGBT的集電極端子。

第一負載電極310和第二負載電極320中的每一個可以包含如(一個或多個)主要成分鋁(Al)、銅(Cu)或鋁或銅合金例如AlSi、AlCu或AlSiCu或由其組成。根據(jù)其他實施例，第一負載電極310和第二負載電極320中的至少一個可以包含如(一個或多個)主要成分鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、銀(Ag)、金(Au)、鉑(Pt)和/或鈀(Pd)。例如，第一負載電極310和第二負載電極320中的至少一個可以包括兩個或兩個以上子層，其中，每個子層包含Ni、Ti、Ag、Au、Pt、W和Pd中的一個或多個作為(一個或多個)主要成分，例如硅化物、氮化物和/或合金。

控制結(jié)構(gòu)180的一半和包括載流子遷移區(qū)115和勢壘區(qū)117的鄰接的輔助臺面區(qū)段194形成輔助單元AC。多個輔助單元AC可以沿著關(guān)于具有相同取向的輔助單元AC的橫向方向布置。根據(jù)其他實施例，輔助單元AC成對布置，其中，每對的輔助單元AC沿著垂直軸線彼此鏡像對稱布置，所述垂直軸線可以是通過控制結(jié)構(gòu)180或通過輔助臺面區(qū)段194的軸線。半導體本體100可以或可以不包括其他單元類型，例如晶體管單元或空閑單元。

對于RC-IGBT的半導體二極管而言，控制輔助單元AC以形成反型態(tài)中的漂移區(qū)120和勢壘區(qū)117中的反型層184和形成非反型態(tài)中的漂移區(qū)120和勢壘區(qū)117中的非反型層。反型層184增加有效的陽極發(fā)射極區(qū)域以及因此半導體二極管的正向?qū)щ娔Ｊ交蛘甙衫m(xù)流二極管的RC-IGBT的反向?qū)щ娔Ｊ?二極管模式)中的陽極發(fā)射極效率。

通過接通和斷開反型層184，控制結(jié)構(gòu)180允許半導體器件500在具有可比較地低靜態(tài)損耗和高動態(tài)開關(guān)損耗的低頻模式與具有高靜態(tài)損耗和低動態(tài)開關(guān)損耗的高頻模式之間原位改變。

備選地或者附加地，非反型態(tài)可以被用于在使半導體二極管的正向偏置的pn結(jié)或者RC-IGBT的續(xù)流二極管的正向偏置的pn結(jié)反向偏置之前，使半導體器件去飽和。

通過載流子遷移區(qū)115中的有效陽極劑量給定非反型態(tài)中的有效陽極效率。通過載流子遷移區(qū)115的有效陽極劑量和累積空穴的p型反型層的陽極效率的和給定反型態(tài)中的有效陽極效率。因此，較低的有效陽極劑量允許反型態(tài)與非反型態(tài)之間的陽極發(fā)射極效率的較寬的散布。反型態(tài)中的陽極發(fā)射極效率與非反型態(tài)中的發(fā)射極效率之間的寬廣的散布或差異允許動態(tài)開關(guān)損耗與靜態(tài)開關(guān)損耗之間的較好的折衷和/或提供更有效的去飽和周期。

勢壘區(qū)117實際上減少有效陽極劑量以及因此陽極發(fā)射極效率而不減少載流子遷移區(qū)115內(nèi)的實際雜質(zhì)劑量。與用于減少有效陽極劑量的其他方法相比較，例如通過在注入之后將接觸空穴過度蝕刻到載流子遷移區(qū)115中或者通過載流子遷移區(qū)115中的顯著地減少的峰雜質(zhì)濃度(其二者是難以控制的)，勢壘區(qū)117的形成是可比較地簡單并且較不微妙的。另外，勢壘區(qū)117可以增加對半導體本體100中的臨界電流絲狀形成事件的堅固性。

根據(jù)涉及非RC-IGBT的實施例，輔助單元AC可以被操作為去飽和單元，其在斷開施加到正向操作中的RB-或RC-IGBT的柵電極的信號之前通過第一負載電極310主動地排出來自漂移區(qū)120的載流子。

半導體器件500可以被布置為不通過載流子遷移區(qū)115形成反型路徑。例如，控制電極180不連接到信號施加到的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，所述信號超過用于p型載流子遷移區(qū)115中的n型反型層的形成的閾值電壓。備選地，頂部電介質(zhì)188可以沿著垂直方向與載流子遷移區(qū)115重疊或者輔助臺面區(qū)段194缺乏第一表面101與載流子遷移區(qū)115之間的源區(qū)。

圖2A的半導體二極管501參考具有可控制的陽極發(fā)射極效率的實施例。半導體二極管501基于圖1的半導體器件500，其中，第一負載電極310形成陽極電極，其形成或電連接到陽極端子A。

延伸通過電介質(zhì)結(jié)構(gòu)302的接觸305將第一負載電極310與載流子遷移區(qū)115電連接?；鶎?30具有第一導電類型并且與漂移區(qū)120形成同質(zhì)結(jié)。第二負載電極320形成陰極端子K或者電連接到陰極端子K。輔助單元AC可以成對布置，以及每對的兩個輔助單元AC關(guān)于控制結(jié)構(gòu)180的中心軸線鏡像對稱布置?？刂齐姌O189電連接到控制端子CTR或者供應(yīng)控制信號U_CTR的集成控制電路的輸出。為了進一步的細節(jié)，對圖1的描述進行參考。

施加到控制電極189的控制信號U_CTR控制輔助單元AC的陽極發(fā)射極效率，所述輔助單元AC作為半導體二極管501的正向模式中的注射單元是有效的。在低于輔助單元AC的閾值電壓V_thAC的控制電極189處的電壓處，沿著勢壘區(qū)117和漂移區(qū)120中的控制結(jié)構(gòu)180形成p型反型層184，其中，反型層184增加有效陽極區(qū)域和陰極發(fā)射極效率。大于負第一閾值電壓V_thAC，形成非反型層并且有效陽極發(fā)射極區(qū)域和陽極發(fā)射極效率是低的。至少高達可以在載流子遷移區(qū)115中形成n型反型層的第二閾值電壓V_th，半導體二極管501維持其完全反向阻斷能力，使得半導體二極管501可以從正向?qū)щ娔Ｊ絻?nèi)的去飽和時段直接切換到反向阻斷模式。

勢壘區(qū)117以良好的可控制的方式增加反型態(tài)與非反型態(tài)之間的陽極發(fā)射極效率之間的散布或差異，使得可以以定義明確的方式增加去飽和時段的效率。

根據(jù)實施例，勢壘區(qū)117包含至少一個深能級施主或深雙倍施主，例如硫和/或硒原子/離子。利用深能級施主，摻雜級隨著增加溫度而增加，其中，局部地增加摻雜級局部地減少陽極發(fā)射極效率并且因此抵消平行輔助單元中間的不均勻的電流分布。

圖2B示出了例如通過控制端子CTR施加到控制電極189的控制信號U_CTR的時序圖。在t0與t1之間的注射時段中，控制信號U_CTR低于第一閾值電壓V_thAC，使得沿著控制結(jié)構(gòu)180的p型反型層184增加有效陽極區(qū)域。漂移區(qū)120中的載流子等離子是高的，并且有效正向電阻以及正向電壓U_F是低的。在t1與t2之間的去飽和時段期間，控制信號U_CTR的電壓高于第一閾值V_thAC并且可以低于第二閾值電壓V_th。形成非反型層，并且有效陽極發(fā)射極區(qū)域是小的。載流子等離子衰減，這導致增加的正向電壓U_F。

當半導體二極管換向并且在t2處切換到反向阻斷模式時，反向恢復電荷是低的，并且開關(guān)損耗得以減少。在半導體二極管501切換回到正向偏置模式之前，控制電壓U_CTR可以在反向阻斷模式期間減少到低于第一閾值電壓V_thAC。

與旨在減少用于提供高陽極發(fā)射極效率狀態(tài)與低陽極發(fā)射極效率狀態(tài)之間的高分布的有效陽極劑量的方法相比較，勢壘區(qū)117慮及在制造期間更易于控制的較高的陽極劑量。

圖3A中的RC-IGBT 502包括如參考圖1和圖2A所描述的可控制的輔助單元AC，其中，第一負載端子310電連接到發(fā)射極端子E，第二負載端子320電連接到集電極端子C，并且基座層130包括第一導電類型的第一區(qū)域131和第二導電類型的第二區(qū)域132，其中，第一區(qū)域131和第二區(qū)域132相應(yīng)地夾在漂移區(qū)120與第二負載電極320之間。

除輔助單元AC外，RC-IGBT 502包括晶體管單元TC并且可以或可以不包括空閑單元IC。每個晶體管單元TC包括半導體本體100的晶體管臺面區(qū)段192以及從第一表面101延伸到半導體本體100中的柵結(jié)構(gòu)150。柵結(jié)構(gòu)150包括導電柵電極159和將柵電極159與半導體本體100的周圍材料絕緣的柵極電介質(zhì)155。

柵結(jié)構(gòu)150的形狀和大小可以對應(yīng)于例如可以等于控制結(jié)構(gòu)180的形狀和大小。柵極電介質(zhì)155和控制電介質(zhì)185可以具有相同厚度并且可以由(一個或多個)相同材料提供。柵電極159的橫向和垂直延伸可以與針對控制電極189的那些相同。柵電極159和控制電極189可以由(一個或多個)相同材料提供。柵頂部電介質(zhì)158可以將柵電極159與第一表面101分離。

晶體管臺面區(qū)段192包括與漂移區(qū)120形成pn結(jié)的p型本體區(qū)115a，其中，本體區(qū)115a可以近似地相對應(yīng)于輔助單元AC的載流子遷移區(qū)115。例如，晶體管單元TC的本體區(qū)115a的平均雜質(zhì)濃度和垂直延伸可以近似地對應(yīng)于或者可以等于載流子遷移區(qū)115的平均雜質(zhì)濃度和垂直延伸。

每個晶體管單元TC包括晶體管臺面區(qū)段192的頂面與直接鄰接晶體管單元TC的柵結(jié)構(gòu)150的晶體管臺面區(qū)段192的至少一部分中的本體區(qū)115a之間的晶體管臺面區(qū)段192中的源區(qū)110。晶體管本體區(qū)115a直接鄰接漂移區(qū)120。晶體管臺面區(qū)段192可以缺乏與輔助單元AC的勢壘區(qū)117相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)或者可以包括對應(yīng)的勢壘區(qū)。

半導體器件500還可以包括空閑單元IC，其包括空閑結(jié)構(gòu)190，其可以與輔助單元AC的控制結(jié)構(gòu)180和/或晶體管單元TC的柵結(jié)構(gòu)150相對應(yīng)。鄰接空閑結(jié)構(gòu)190的空閑臺面區(qū)段196可以缺乏與載流子遷移區(qū)115、本體區(qū)115a、源區(qū)110和/或勢壘區(qū)117相對應(yīng)的區(qū)域?？臻e臺面區(qū)段196可以或可以不電連接到第一負載電極310。

輔助單元AC的控制電極180可以電連接到彼此和內(nèi)部電路的輸出或者RC-IGBT 502的控制端子CTR?？臻e單元IC的控制電極195可以電連接或耦合到輔助單元AC的控制電極180、晶體管單元TC的柵電極150、第一負載電極310或RC-IGBT 502的任何其他內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

半導體器件502被布置為不通過載流子遷移區(qū)115形成反型路徑。例如，控制電極180不連接到信號施加到的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，所述信號超過用于p型載流子遷移區(qū)115中的n型反型層的形成的閾值電壓。備選地，頂部電介質(zhì)188可以沿著垂直方向與載流子遷移區(qū)115重疊或者輔助臺面區(qū)段194缺乏第一表面101與載流子遷移區(qū)115之間的源區(qū)。

當在集電極端子C與發(fā)射極端子E之間施加正集電極-發(fā)射極電壓U_CE時，RC-IGBT 502在正向模式中。如果施加到柵電極150的電壓超過針對晶體管單元TC的閾值電壓V_th，則通過本體區(qū)115a形成n型反型溝道，并且通過本體區(qū)115a的電流打開由本體區(qū)115a、漂移區(qū)120和正向?qū)щ娔Ｊ街械幕?30中的p型第二區(qū)域132所形成的pnp雙極結(jié)晶體管。

在補充正向阻斷模式中，施加到柵電極150的電壓低于晶體管單元TC的閾值電壓V_th，并且本體區(qū)115a與漂移區(qū)120之間的反向偏置pn結(jié)容納正向阻斷電壓。

在反向?qū)щ娀蚨O管模式中，施加在集電極電極正向偏置與發(fā)射極電極正向偏置之間的負集電極-發(fā)射極電壓U_CE、本體區(qū)115a與漂移區(qū)120之間以及載流子遷移區(qū)115與漂移區(qū)120之間的pn結(jié)。在二極管模式的注射時段期間，低于第一閾值電壓V_thAC的控制信號U_CTR的負電壓誘發(fā)沿著控制結(jié)構(gòu)180的勢壘區(qū)117和漂移區(qū)120中的p型反型層184。反型層184增加有源陽極區(qū)域和總陽極發(fā)射極效率。

在后續(xù)去飽和時段中，控制信號U_CTR的電壓高于第一閾值電壓V_thAC，使得總有效陽極發(fā)射極效率減少。將去飽和與施加到柵電極159的電壓解耦。從反向?qū)щ娔Ｊ綋Q向到正向阻斷模式可以在沒有去飽和時段的結(jié)束與換向的開始之間的任何時間延遲的情況下直接跟隨去飽和時段。

相比之下，常規(guī)方法依賴于施加到柵電極的去飽和時段并且通過本體區(qū)115a誘發(fā)n型反型溝道，其中，n型反型溝道將p型本體區(qū)115a和載流子遷移區(qū)115短路以激烈地減少總陽極發(fā)射極效率。由于n型反型溝道防止晶體管單元TC容納如例如半橋電路的應(yīng)用中的高阻斷電壓，因而在去飽和時段的結(jié)束與換向的開始之間必須提供足夠的時間延遲。由于載流子等離子在時間延遲期間至少部分恢復，因而時間延遲使總體去飽和性能惡化。

而且，在常規(guī)RC-IGBT中，一些區(qū)域當在去飽和時段期間注射載流子遷移區(qū)時必須保持有源以便甚至當短路的本體區(qū)115a不注射任何電荷時維持最小反向?qū)щ娦浴Ｒ虼?，在常?guī)設(shè)計中，附加注射區(qū)域的陽極效率必須仔細調(diào)諧，使得注射到漂移區(qū)120中的空穴的數(shù)據(jù)在去飽和時段期間保持足夠高并且去飽和效率保持足夠高二者。

用于減少注射區(qū)域中的陽極效率的當前方法旨在例如通過減少注入劑量和/或在注入之后移除載流子遷移區(qū)115的部分，減少載流子遷移區(qū)115中的有效陽極劑量。然而，可靠地控制小陽極劑量已經(jīng)證明是以低產(chǎn)量的微妙的過程。相反，勢壘區(qū)117在不減少載流子遷移區(qū)115中的有效陽極劑量的情況下，減少輔助單元AC的陽極發(fā)射極效率，從而避免以低產(chǎn)量的臨界過程。

另外，勢壘區(qū)117提供針對載流子等離子中的空穴的勢壘并且顯著地減少輔助單元AC對IGBT模式中的器件性能的負面影響。

晶體管單元TC可以提供有或沒有勢壘區(qū)117或與輔助單元AC中的勢壘區(qū)117相對應(yīng)的第一導電類型的任何其他區(qū)域。根據(jù)實施例，晶體管單元TC可以缺乏勢壘區(qū)117或者任何類似區(qū)域，使得晶體管單元TC保持不受輔助單元AC的設(shè)計影響。

圖3B示意性地示出了注射到t1處的去飽和時段的過渡以及具有從負集電極-發(fā)射極電壓U_CE到t2處的正電壓U_CE的改變的集成續(xù)流二極管的換向的開始。將通過施加具有高于晶體管單元TC的閾值電壓V_th的電壓的門控信號U_G打開晶體管單元TC中的n型溝道與去飽和時段解耦。在換向的開始處，即使換向重疊去飽和時段，也不存在提供載流子路徑的n型反型溝道。

圖4A的RC-IGBT 503與圖3A的RC-IGBT 502區(qū)分，因為柵電極150和控制電極180電連接到彼此。柵電極150和控制電極180可以電連接到柵極端子G或者RC-IGBT 503的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，例如驅(qū)動器或延遲電路的輸出。輔助單元AC被布置為當施加到柵電極150和控制電極180的門控信號U_G的電壓超過晶體管單元TC的閾值電壓V_th時，不通過載流子遷移區(qū)115形成反向電流路徑。例如，第一表面101與控制電極180之間的頂部電介質(zhì)可以沿著垂直方向與載流子遷移區(qū)115重疊或者輔助臺面區(qū)段194缺乏第一表面101與載流子遷移區(qū)115之間的源區(qū)。

根據(jù)實施例，勢壘區(qū)117包含至少一個深能級施主或深雙倍施主，例如硫(S)和/或硒(Se)原子/離子。利用深能級施主，摻雜級隨著增加溫度而增加，其中，增加摻雜級減少陽極發(fā)射極效率并且因此抵消平行輔助單元AC中間的不均勻的電流分布。

圖4B示出了圖示圖4A的RC-IGBT 503的操作的模式的時序圖。在小于輔助單元V_thAC的第一閾值電壓的門控信號U_G的電壓處，例如，在U_G＝-15V處，反向?qū)щ娔Ｊ街械腞C-IGBT 503的有效陽極區(qū)域顯著地增加并且RC-IGBT 503在注射模式中。

在t1處，門控信號U_G的電壓增加到大于輔助單元AC的閾值電壓V_thAC并且小于晶體管單元TC的閾值電壓V_th以開始去飽和時段?？刂迫ワ柡碗妷禾幍妮o助單元AC的陽極效率可以實現(xiàn)針對輔助單元AC與晶體管單元TC的比例的巨大范圍例如在1：10至10：1的范圍內(nèi)的顯著影響。設(shè)備在去飽和期間保留其完全反向阻斷能力。在不引起短路條件的風險的情況下，可以完全省略去飽和時段的結(jié)束與RC-IGBT 503的換向的開始之間的時間延遲。時間延遲的省略導致高度有效的去飽和。

圖4C示出了具有四個輔助單元AC和每個各自兩個晶體管單元TC的十個空閑單元IC的RC-IGBT 504。通過相同門控信號U_G控制輔助單元AC和晶體管單元TC?？臻e控制單元IC的空閑電極可以連接到由第一負載電極310所表示的發(fā)射極電極的電勢。晶體管單元TC的晶體管臺面區(qū)段192包括源區(qū)110。在漂移區(qū)120與本體區(qū)115a之間，晶體管單元TC缺乏勢壘區(qū)或者具有比漂移區(qū)120更高的雜質(zhì)濃度的第一導電類型的其他區(qū)域。輔助單元AC缺乏源區(qū)或者第一表面101與載流子遷移區(qū)115之間的第一導電類型的其他區(qū)域?？臻e單元IC可以缺乏輔助單元AC和晶體管單元TC的區(qū)域中的任一個和/或不連接到第一負載電極310，使得其作為輔助單元AC和晶體管單元TC二者都不是有效的。

鄰接控制結(jié)構(gòu)180的輔助臺面區(qū)段194包括埋入式勢壘區(qū)117，其在輔助臺面區(qū)段194的完整橫向剖面區(qū)域之上延伸。鄰接晶體管單元TC的至少這樣的空閑控制結(jié)構(gòu)190可以電連接到發(fā)射極電勢以減少在IGBT開關(guān)期間高電流對柵極電勢的反饋效應(yīng)。

圖4D涉及具有晶體管單元TC、空閑單元IC和輔助單元AC的另一RC-IGBT 505。為了避免0V處的相鄰晶體管單元TC的臺面的巨大的空穴注射，半勢壘區(qū)117可以實現(xiàn)在導致面向柵結(jié)構(gòu)150的晶體管單元區(qū)段192和沿著空閑結(jié)構(gòu)190的空閑臺面區(qū)段196的所關(guān)心的臺面中。在使用垂直于剖面平面的橫向方向上的陰影區(qū)域限制短路電流的IGBT中，可以在陰影區(qū)域中實現(xiàn)全埋入式區(qū)域170。表給定本體區(qū)115a中的峰雜質(zhì)濃度、勢壘區(qū)117的區(qū)段和漂移區(qū)120。

圖4E示意性地示出了在U_G＝-15V處圖4D的RC-IGBT 505的反向?qū)щ姸O管的二極管特性402和3×10¹²(3E12)cm^-2的n型勢壘區(qū)117的雜質(zhì)劑量處的柵電壓U_G＝0V處的去飽和模式中的二極管特性404。在從-15V到0V的柵電壓U_G的增加處的反向二極管的正向電壓U_F的顯著增加指示漂移區(qū)120中的載流子等離子的顯著減少以及因此反向恢復電荷的巨大減少。

圖4F示出了在U_G＝0V處針對1×10¹³(1E13)cm^-2、2×10¹³(2E13)cm^-2、3×10¹³(3E13)cm^-2和4×10¹³(4E13)cm^-2的勢壘層170的雜質(zhì)劑量處圖4D的RC-IGBT 505中的反向?qū)щ姸O管的二極管特性411-414。二極管特性410是沒有任何勢壘區(qū)170的參考示例的那個。對于給定負載電流而言，集電極-發(fā)射極電壓U_CE隨著增加勢壘區(qū)170中的雜質(zhì)劑量而增加。勢壘區(qū)170的注入劑量調(diào)節(jié)正向電壓U_F以及因此反向恢復電荷。

圖5A涉及非反向?qū)щ奍GBT 506，即沒有與圖3A和圖3B的RC-IGBT 502不同的集成反向?qū)щ姸O管或續(xù)流二極管的IGBT，因為基座層130形成第二導電類型的鄰接集電極層。IGBT 506包括晶體管單元TC和輔助單元AC并且可以包括空閑單元IC，如上文所描述的。門控信號U_G控制晶體管單元TC，并且控制信號U_CTR控制輔助單元AC。發(fā)射極電勢或者任何其他內(nèi)部電勢不經(jīng)受柵電壓U_G，并且控制電壓U_CTR可以控制空閑單元IC。

圖5B圖示了以減少的開關(guān)損耗操作圖5A的IGBT 506的方法。

在IGBT 506的導通狀態(tài)期間，柵電勢U_G大于晶體管單元TC的閾值電壓V_th，并且n型反型層通過本體區(qū)115a將電子注射到累積時段中的漂移區(qū)120中。p型基座層130將空穴注射到漂移區(qū)120中并且導致密集載流子等離子確保低集電極-發(fā)射極飽和電壓V_CEsat。

在t1處，控制信號U_CTR的電壓降低到小于輔助單元AC的第一閾值電壓V_thAC以開始去飽和時段。沿著控制結(jié)構(gòu)180的p型反型層184通過輔助單元AC的載流子遷移區(qū)115將空穴從漂移區(qū)120提取到第一負載電極310。

在t2處，門控信號U_G的電壓可以下降到小于晶體管單元TC的閾值電壓V_th，并且IGBT從正向?qū)щ姞顟B(tài)或?qū)顟B(tài)改變到正向阻斷狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)。在正向?qū)щ娖陂g，IGBT 506從具有具有低V_CEsat和高E_off的高載流子約束的狀態(tài)切換到在斷開之前不久具有具有高V_CEsat和低E_off的低載流子約束的狀態(tài)。

通常，IGBT的有效溝道寬度保持低以便增加短路魯棒性，使得有源晶體管單元TC僅形成在IGBT 506的有源區(qū)域的一部分中。輔助單元AC利用否則將不使用并且不要求附加的芯片面積的芯片面積。

在圖6A、圖6C、圖6D和圖6E的IGBT 507至510中，相同門控信號控制輔助單元AC和晶體管單元TC二者。

圖6A的非RC-IGBT 507與圖5A至圖5B的非RC-IGBT 506不同，因為在晶體管單元TC的控制電極159與輔助單元AC的控制電極189之間施加恒定電壓偏移。例如，可以在柵極端子G與連接控制電極189的接線之間提供電壓移位器VS。RC-IGBT 506可以包括具有包括晶體管單元TC和輔助單元AC的半導體本體100的第一半導體和包括電壓移位器VS的第二半導體管芯?？梢砸孕酒闲酒夹g(shù)連接半導體管芯。根據(jù)另一實施例，RC-IGBT 506是包括兩個或兩個以上半導體管芯安裝例如焊接在其上的印刷電路板或載體的模塊。

根據(jù)另一實施例，IGBT 507包括電連接到柵電極150的柵極端子G和電連接到控制電極189的控制端子，其中，外部電路將施加到柵極端子G的信號的電壓偏移的版本施加到控制端子。

偏移電壓事實上關(guān)于施加到柵電極的柵電勢使輔助單元AC的閾值電壓漂移。事實上或者實際上，輔助單元AC的漂移的閾值電壓允許去飽和由集成在與IGBT相同的半導體管芯上的三級柵極驅(qū)動器電路控制或者提供為分離的設(shè)備，其輸出電連接到圖6A、6C、6D中的IGBT 507至509的柵極端子G。

選擇輔助單元AC和晶體管單元TC的漂移的閾值電壓，使得在晶體管單元TC的導通狀態(tài)期間，輔助單元AC可以從沒有勢壘區(qū)117和漂移區(qū)120中的p型反型層的非反型態(tài)改變到具有勢壘區(qū)117和漂移區(qū)120中的p型反型層的反型態(tài)。根據(jù)涉及n溝道IGBT的實施例，輔助單元AC的閾值電壓V_thAC設(shè)定大于晶體管單元TC的閾值電壓V_th。

圖6B中的時序圖示出了當門控信號U_G的電壓大于晶體管單元TC的閾值電壓V_th和輔助單元AC的閾值電壓V_thAC二者時t0與t1之間的高等離子密度狀態(tài)或累積狀態(tài)。在t1與t2之間的去飽和狀態(tài)中，門控信號U_G的電壓小于輔助單元的閾值電壓V_thAC但是大于閾值電壓V_th。晶體管單元TC保持在導通狀態(tài)中，而輔助單元AC的控制結(jié)構(gòu)180周圍的p型反型層使漂移區(qū)120去飽和。在t2處，門控信號U_G的電壓可以從兩個閾值電壓V_th、V_thAC之間的電壓直接傳送到小于閾值電壓V_th，從而斷開晶體管單元TC。去飽和時段在圖6A的非RC-IGBT 507斷開之前減少漂移區(qū)120中的電荷。去飽和顯著地減少開關(guān)損耗。

在圖6C、圖6D的IGBT 508、509中，輔助單元AC的控制電介質(zhì)185和/或晶體管單元TC的柵極電介質(zhì)155可以包含固定和穩(wěn)定的電荷，例如，這導致X射線輻射、電子轟擊或使用例如PLAD(等離子摻雜、等離子浸沒離子注入)的低能量處的高劑量注入。輻射和電子轟擊生成所關(guān)心的介電材料的材料中的深且穩(wěn)定的載流子陷阱。根據(jù)另一實施例，可以通過ALD(原子層沉積)注入或沉積鋁原子。以示例的方式，鋁原子/離子的陣列濃度可以是至少5E11cm^-2例如至少1E12cm^-2或可以在接近5E12cm^-2的范圍內(nèi)。備選地或者附加地，控制電極189和柵電極159可以包括具有關(guān)于n型半導體材料的不同逸出功的不同材料。

根據(jù)實施例，控制電介質(zhì)185包含比柵極電介質(zhì)155顯著地更固定和穩(wěn)定的負電荷或者柵極電介質(zhì)155包含比控制電介質(zhì)185顯著地更固定和穩(wěn)定的正電荷。根據(jù)實施例，控制電介質(zhì)185中的固定和穩(wěn)定的負電荷的區(qū)域濃度大于5E11cm^-2，例如1E12cm^-2或在5E12cm^-2的范圍內(nèi)。

附加地或者備選地，柵電極159基于重摻雜多晶硅和/或控制電極189基于含金屬材料，其逸出功導致半導體本體中的相當大的能帶彎曲，使得輔助單元AC的實際閾值電壓V_thAC可以設(shè)定到晶體管單元AC的實際閾值電壓(其可以是大約+5V)與柵極線處可用的最大電壓(其可以是+15V)之間的值。在典型的應(yīng)用中，閾值電壓V_thAC可以設(shè)定到+12V。在U_G＝+15V處的高導電導通狀態(tài)或累積時段可以在U_G＝0V或更低例如U_G＝-15V處斷開之前跟隨有例如在U_G＝10V處3μs的去飽和時段。

圖6C的IGBT 508包括沿著至少一個橫向方向以該順序布置的輔助單元AC對、空閑單元IC對和晶體管單元TC對。每個單元對的單元通過相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)或柵結(jié)構(gòu)150、180、190關(guān)于垂直軸線彼此鏡像對稱布置。控制電介質(zhì)189包含固定的負電荷187。

圖6D的IGBT 509包括沿著至少一個橫向方向以該順序布置的輔助單元AC對和晶體管單元TC對。每個單元對的單元通過相應(yīng)的輔助臺面區(qū)段192或晶體管臺面區(qū)段194關(guān)于垂直軸線彼此鏡像對稱布置。控制電介質(zhì)185包含固定的固定充電。

圖6E的實施例涉及去飽和時段的內(nèi)部控制。例如，晶體管單元TC的柵電極159可以電連接到柵極接線或節(jié)點152，并且輔助單元AC的控制電極189可以電連接到控制接線或節(jié)點182。控制接線182可以直接連接到柵極端子G。柵極端子G與柵極接線152之間的低通電路可以關(guān)于施加到控制電極189的信號延遲施加到柵電極159的信號。由低通電路所定義的延遲定義圖6B的去飽和時段t2-t1的長度。低通電路可以包括柵極接線152與柵極端子G之間的串聯(lián)電阻R或由其組成。

圖7的半導體二極管511與圖2A的半導體二極管501區(qū)分，因為控制電極189電連接到固定電勢例如第一負載電極310。勢壘區(qū)117允許有效陽極摻雜在正常正向?qū)щ娖陂g在不增加半導體本體中的載流子等離子的情況下增加?？刂平Y(jié)構(gòu)180可以以適合的方式對臺面部分中的電場進行成形。

在圖8中，去飽和的非RC-IGBT 512包括空閑輔助單元AC，其控制電極195電連接到固定電勢例如第一負載電極310。在勢壘區(qū)117中的足夠高雜質(zhì)濃度的情況下，空閑輔助單元AC在IGBT模式中是不活躍的。另一方面，更多接觸結(jié)構(gòu)305直接將第一負載電極310與半導體本體100連接，使得半導體本體100與第一負載電極310之間的熱耦合關(guān)于常規(guī)設(shè)備顯著地增加，所述常規(guī)設(shè)備通常不將任何接觸結(jié)構(gòu)提供給空閑單元的半導體區(qū)域。去飽和的非RC-IGBT 512的熱行為可以更好地調(diào)節(jié)到其電氣性能。

驅(qū)動RC-IGBT，特別地包括RC-IGBT的半橋布置

圖9A示出了半橋布置的示意圖，其包括RC-IGBT 1101和RC-IGBT 1102和電感器L。端子1104連接到RC-IGBT 1101的集電極。RC-IGBT 1101的發(fā)射極連接到陽極1103，并且陽極1103連接到RC-IGBT 1102的集電極。RC-IGBT 1102的發(fā)射極連接到端子1105。節(jié)點1103還經(jīng)由電感器L連接到端子1106。

每個RC-IGBT 1101、1102可以被指示為具有與集電極-發(fā)射極路徑(即，連接到發(fā)射極的二極管的陽極和連接到集電極的二極管的陰極)反并聯(lián)布置的二極管的IGBT。二極管可以特別地是可控制的二極管。RC-IGBT還可以被描繪為符號1107。

端子1104可以連接到正電壓，并且端子1105可以連接到負電壓。在端子1106處提供半橋布置的輸出。

而且，可以控制RC-IGBT 1101、1102的柵極以便操作半橋布置。出于這樣的目的，可以通過分離的電路例如微控制器和/或驅(qū)動器等等驅(qū)動RC-IGBT 1101、1102的柵極。

應(yīng)注意到，兩個半橋布置可以組合為全橋(還被稱為H橋)布置。

圖9B示出了描繪跨電感器L的示例性負載電流I_L 1403的示圖。負載電流I_L 1403包括正部分1404和負部分1402。圖9B還描繪了時段1/f_out的持續(xù)時間，其中，頻率f_out可以等于例如50Hz。

圖10示出了包括針對RC-IGBT特別地三級RC-RGBT(歸因于適于其相應(yīng)的柵極的電壓的三個不同的電壓電平或范圍)的模式和狀態(tài)的表?？鏡C-IGBT的集電極和發(fā)射極的電壓被稱為V_ce，并且相對于其發(fā)射極的RC-IGBT的柵極處的電壓被稱為V_g。圖10中所描繪的電壓是示例性值并且可以取決于實際RC-IGBT和/或使用情況而改變。

電壓V_ce指示RC-IGBT的模式：

-如果電壓V_ce大于0，則RC-IGBT在IGBT模式中(還被稱為“活躍的”)。

-如果電壓V_ce小于0，則RC-IGBT在DIODE模式中(還被稱為反向?qū)щ娔Ｊ?。進入DIODE模式可以是另一RC-IGBT在IGBT模式中的結(jié)果；在這范圍內(nèi)，在IGBT模式中的RC-IGBT可以將半橋布置的另一RC-IGBT推送到DIODE模式中。

取決于相應(yīng)的模式(IGBT模式或DIODE模式)，可以通過將電壓V_g施加到其柵極控制RC-IGBT。這對RC-IGBT的狀態(tài)有影響。在該示例中，可以將不同的電壓V1、V2和V3施加到IGBT的柵極，其中，V1＞V2＞V3，特別地V2＝0V，V1＝+15V并且V3＝15V。因此，可以確定以下狀態(tài)：

-當在IGBT模式中時，RC-IGBT可以在導電狀態(tài)或阻斷狀態(tài)中。如果將電壓V1施加到其柵極，則RC-IGBT進入導電狀態(tài)。如果將電壓V2或V3施加到其柵極，則RC-IGBT進入阻斷狀態(tài)。

-當在DIODE模式中時，以下適用：

-如果施加電壓V1，則到達高去飽和狀態(tài)(非常弱的雙極注射)。

-如果施加電壓V2，則到達低去飽和狀態(tài)(特別地通過弱雙極注射)。

-如果施加電壓V3，則到達增強狀態(tài)(特別地通過強雙極注射)。

在DIODE模式中，RC-IGBT的二極管在要么增強狀態(tài)要么在去飽和狀態(tài)中的任一個中是正向?qū)щ姷?。可以通過改變施加到RC-IGBT的柵極的電壓實現(xiàn)這樣的狀態(tài)之間的切換。

應(yīng)注意到，RC-IGBT可以通過超過三個電壓控制，其可以導致至少一個附加的增強狀態(tài)和/或至少一個附加的去飽和狀態(tài)。

如果RC-IGBT在DIODE模式中并且在其柵極處提供有電壓V_g＝15V，則其在增強狀態(tài)中(參見上文)。如果電壓V_g改變到V_g＝0V，則RC-IGBT中的等離子濃度減少到預(yù)先確定值，其導致RC-RGBT的去飽和。這可以以2至10或甚至100之間的范圍內(nèi)的系數(shù)減少RC-IGBT的積分電荷。

然而，有利的是，RC-IGBT對換向是魯棒的。而且，RC-IGBT對于運載預(yù)先確定的負載電流可能必須是足夠魯棒的。因此，通過在換向之前發(fā)起去飽和狀態(tài)減少損耗是特別有利的。

因此，負載電流I_L的正部分1401期間(還參見圖9B)，RC-RGBT1101關(guān)于正電壓V_ce＞0偏置并且其要么在導電狀態(tài)要么在阻斷狀態(tài)中。在正部分1401期間，RC-IGBT 1102以交替的方式關(guān)于正電壓或負電壓偏置。在負載電流I_L的負部分1402期間，RC-IGBT 1101和1102改變其角色。在負載電流I_L的半波期間，即在正部分1404期間或者在負部分1402期間，可以發(fā)生許多(例如，超過20)切換事件(對于RC-IGBT在IGBT模式中而言，從導電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到阻斷狀態(tài)或反之亦然)。在圖11還可視化開關(guān)頻率f_sw。開關(guān)頻率f_sw可以在100Hz至30kHz之間的范圍內(nèi)。

因此，所提出的控制方案允許在不需要鎖定時間的情況下利用DIODE模式中的監(jiān)督式(多級)去飽和。這樣的最小鎖定時間被要求用于控制RC-IGBT以在換向之前進入增強狀態(tài)。

圖11示出了針對正負載電流I_L的一部分以根據(jù)圖9A的半橋布置所布置的RC-IGBT 1101和1102的時序圖。

在該示例中，RC-IGBT 1101在IGBT模式中。在時間t1處，RC-IGBT 1101從導電狀態(tài)切換在阻斷狀態(tài)中，在時間t2處，其進入導電狀態(tài)，并且在時間t3處，其進入阻斷狀態(tài)。t1與t3之間的時間差指示等于1/f_sw的開關(guān)速率，其中f_sw是開關(guān)頻率。

RC-IGBT 1101的柵極與發(fā)射極之間的電壓V_ge(其與上文所提到的電壓V_g相對應(yīng))被示出為信號1201，并且RC-IGBT 1102的柵極與發(fā)射極之間的電壓V_ge被示出為信號1202。

作為結(jié)合信號1201所示的示例，導電狀態(tài)中的電壓V_ge等于+15V，并且阻斷狀態(tài)中的電壓V_ge等于15V。然而，阻斷狀態(tài)期間的電壓V_ge可以設(shè)定到0V與-15V之間的任何電壓或者小于RC-IGBT的閾值電壓的任何電壓。

在時間t1之前，RC-IGBT 1102在IGBT模式的阻斷狀態(tài)中。當信號1202示出了下降沿時，RC-IGBT 1102的柵極處的電壓V_ge從0V改變到-15V。因此，在時間t1處，RC-IGBT 1102進入DIODE模式的增強狀態(tài)。在時間ts處，即在換向(其稍后發(fā)生在時間t2處)之前，仍然維持DIODE模式的RC-IGBT 1102基于等于施加到其柵極的0V的電壓而改變到去飽和狀態(tài)。去飽和狀態(tài)在換向期間即跨時間t2維持并且通過落回到增強狀態(tài)在時間te處結(jié)束。

選項是，基于經(jīng)由(例如通過計時器所計算的)偏置的時間t2即t2+x確定信號1202的下降沿的時間。另一選項是，基于信號1201的下降沿即t1+y確定信號1202的下降沿的時間。變量x和y可以在從-200ns到+10μs的范圍內(nèi)，特別地在0與3μs之間的范圍內(nèi)。

選項是，基于經(jīng)由(例如通過計時器所計算的)偏置的時間t2即t2+x確定時間te。另一選項是，基于信號1203的下降沿或1204、1205或1206的上升沿即t1+y確定時間te。變量x和y可以在從-200ns到+10μs的范圍內(nèi)，特別地在0與3μs之間的范圍內(nèi)。

應(yīng)注意到，時間te可以比時間t2更晚或在時間t2處發(fā)生。選項是，持續(xù)時間te-t2可以是0，特別地大于0，例如在0與1μs之間的范圍內(nèi)，特別地10ns、50ns、300μs等等。另一選項是，時間te-t2可以小于0例如-100ns。

應(yīng)注意到，可以根據(jù)要求例如依照效率和/或性能條件調(diào)節(jié)持續(xù)時間1207(ts-t2)。還應(yīng)注意到，與增強狀態(tài)和/或去飽和狀態(tài)相對應(yīng)的電壓可以是可自由選擇的。

而且，跨集電極和發(fā)射極的電壓V_ce被示出為針對RC-IGBT1101的信號1203和針對RC-IGBT 1102的信號1204。

信號1204示出了在時間t1與時間ts之間示例性地等于-1V至-3V的電壓V_ce。在時間ts處，去飽和導致電阻的輕微增加(這導致電壓V_ce的絕對值的輕微增加)。在時間t2處，RC-IGBT 1102的電壓V_ce變?yōu)檎?其到達中間電路電壓的電平)。

而且，流動通過RC-IGBT的電流I_ce被描繪為針對RC-IGBT1101的信號1205和針對RC-IGBT 1102的信號1206。I_L指示流動通過電感器L的負載電流。

可以經(jīng)由驅(qū)動器例如微控制器控制RC-IGBT 1101、1102。驅(qū)動器可以實現(xiàn)針對RC-IGBT 1101、1102中的每一個的多狀態(tài)控制概念以便取決于針對半橋布置的RC-IGBT所利用的模式，將所要求的電壓供應(yīng)給相應(yīng)的柵極。

作為設(shè)計選項，可以經(jīng)由所謂的去飽和注射區(qū)域限制使用在去飽和狀態(tài)中的若干所注射的單元。這增加這樣的區(qū)域內(nèi)的電流密度。為了避免換向期間的強烈雪崩生成，柵極電勢在反向電流階段期間可以設(shè)定到-15V。這避免勢壘恢復電荷的不必要的增加并且抵消電流細絲的生成。將柵極電壓從去飽和電壓設(shè)定到-15V可以是有利的。

時間te可以(最遲)在時間處，電流1206

-返回到反向阻斷電流(靠近零)，例如在小于1mA的范圍內(nèi)；

-到達反向恢復電流I_RR的最大值；或者

-在反向恢復電流I_RR第一次到達最大值I_RR的某個百分比之前。

關(guān)于反向恢復電流，對[J.Lutz et al.,Semiconductor Power Devices,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011]的5.7.2章節(jié)特別地圖5.23進行參考。

應(yīng)注意到，時間t3可以在(在該示例中，在時間t1和t3處所示的)信號1201的下降沿周圍的預(yù)先確定的窗口內(nèi)。

特別地，選項是，在其期間信號1202在增強狀態(tài)中的持續(xù)時間(在15V處在圖11中所示的示例中)等于t1與t2之間的時間間隔的至少50％特別地至少75。在t1與t2之間的時間間隔期間，信號1201指示RC-IGBT 1101的阻斷狀態(tài)(在圖11中所示的示例中，信號1201在時間t1與時間t2之間在15V處)。

圖12示出了針對正負載電流I_L的一部分以根據(jù)圖9A的半橋布置所布置的RC-IGBT 1101和1102的備選時序圖。與圖11中所示的示圖相比，以不同的方式控制RC-IGBT 1102的去飽和。

信號1201與描繪在IGBT模式中的RC-IGBT 1101的柵極處的電壓V_ge的圖11中所示的信號1201相對應(yīng)。

與圖11相比，信號1510示出了RC-IGBT 1102的柵極處的電壓V_ge，其在時間ts處設(shè)定到+15V(而不是0V，如針對圖11中的信號1202所示)。這允許RC-IGBT 1102進入高去飽和狀態(tài)。RC-IGBT 1102在時間tk進入低去飽和狀態(tài)(將0V施加到其柵極)，其中，該時間tk在在時間t2處發(fā)生的換向之前。因此，對于在換向之前(即，在時間t2之前)的時間間隔1501而言，RC-IGBT 1102在高去飽和狀態(tài)，并且對于時間間隔1502(在其期間換向在時間t2處發(fā)生)而言，RC-IGBT 1102在低去飽和狀態(tài)中。

高去飽和狀態(tài)允許比在低去飽和狀態(tài)中更快地提取電荷。因此，在時間間隔1501期間實現(xiàn)加速的去飽和。

應(yīng)注意到，本文所提到的柵極電壓(+15V、0V、-15V)是示例性值。如所指示的，可以使用例如至少兩個電壓V1和V3，其中，V1＞0V，V3＜0V并且V1＞V2＞V3。選項是將大于和/或小于0V的超過兩個電壓用作施加到柵極的閾值電壓以實現(xiàn)不同的(例如，去飽和)狀態(tài)。針對柵極電壓的示例性值可以是+8V和-8V。

還應(yīng)注意到，取代針對柵極電壓的絕對閾值，(由閾值所限制的)值范圍可以被用于觸發(fā)針對兩個模式的相應(yīng)的狀態(tài)。

還應(yīng)注意到，本文所示和所解釋的時間圖出于說明的目的而簡化。例如，每個下降沿或上升沿可能具有斜坡，即，執(zhí)行從一個值到另一個的轉(zhuǎn)換可能花費一些(短的)時間。換句話說，轉(zhuǎn)換自身可能不是無限短的。

選項是，完成去飽和狀態(tài)，并且在換向之后但是在強烈或顯著的電子雪崩開始之前進入增強狀態(tài)(RC-IGBT在DIODE模式中)。

選項還是，根據(jù)圖9A中可視化的實施例，可以使用具有反并聯(lián)二極管的常規(guī)IGBT。反并聯(lián)二極管可以特別地是可控制的二極管。在這樣的情況下，信號1202饋送以控制二極管或者到可控制的二極管和反并聯(lián)IGBT。

另一選項是，通過在芯片上特別地在RC-IGBT自身上所感測的電流控制RC-IGBT。所感測的電流可以被用于檢測電流的零交叉；其可以不直接控制RC-IGBT，但是可以用作針對控制設(shè)備例如驅(qū)動器或微控制器的信息。特別地選項是，信號1205和/或1206的下降沿被用于觸發(fā)時間te，即在RC-IGBT 1102進入增強狀態(tài)時的時間。

又一選項是，三級RC-IGBT與至少一個兩級(接通或斷開)RC-IGBT組合。從而，級指示定義不同狀態(tài)的適于其柵極的不同電壓，如本文所描述的。兩級RC-IGBT僅包括(作為替代)三分之二這樣的狀態(tài)。

施加到RC-IGBT的柵極的各種電壓可以經(jīng)由無源電路生成，其包括例如上拉電阻器和/或下拉電阻器、分壓器、穩(wěn)壓二極管(例如，在將控制信號提供給柵極的集成電路的輸出處)。另外，可以提供針對電壓的模擬控制(例如，集成電路處的輸出)。

選項還是，經(jīng)由可以編程或者可編程的數(shù)字接口提供電壓電平。所提供的電壓電平可以暫時存儲在驅(qū)動器的集成寄存器中，其中，這樣的驅(qū)動器可以由集成電路供應(yīng)并且其可以向RC-IGBT的柵極傳達其驅(qū)動信號。另外，可以提供針對驅(qū)動器的輸出處的電壓的模擬控制。

而且，基于特定用例場景，可以組合由無源和/或有源組件和數(shù)字接口所生成的電壓。

驅(qū)動器可以供應(yīng)用于驅(qū)動半橋布置的RC-IGBT的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。在高達例如50MHz之間的開關(guān)頻率是可能的。

圖13示出了包括數(shù)個半橋電路的示例性拓撲。在節(jié)點1805(正DC電壓)與節(jié)點1806(負DC電壓)之間施加DC電壓。節(jié)點1805經(jīng)由電容器C1連接到節(jié)點N，并且節(jié)點N經(jīng)由電容器C2連接到節(jié)點1806。節(jié)點N經(jīng)由二極管D1連接到節(jié)點1807，其中，二極管D1的陰極指向節(jié)點1807。節(jié)點N經(jīng)由二極管D2連接到節(jié)點1808，其中，二極管D2的陰極指向節(jié)點N。

RC-IGBT 1801連接在1805與節(jié)點1807之間，其中，RC-IGBT 1801的集電極連接到節(jié)點1805，并且RC-IGBT 1801的發(fā)射極連接到節(jié)點1807。RC-IGBT 1802連接在節(jié)點1807與節(jié)點U之間，其中，RC-IGBT 1802的集電極連接到節(jié)點1807，并且RC-IGBT 1802的發(fā)射極連接到節(jié)點U。RC-IGBT 1803連接在節(jié)點U與節(jié)點1808之間，其中，RC-IGBT 1803的集電極連接到節(jié)點U，并且RC-IGBT 1803的發(fā)射極連接到節(jié)點1808。RC-IGBT 1804連接在節(jié)點1808與節(jié)點1806之間，其中，RC-IGBT 1804的集電極連接到節(jié)點1808，并且RC-IGBT 1804的發(fā)射極連接到節(jié)點1806。

可以經(jīng)由控制單元控制RC-IGBT 1804至1804。在節(jié)點U處提供圖13中所示的布置的輸出電壓。

圖13包括可以基于本文所描述的方法而控制的數(shù)個半橋電路。RC-IGBT的以下組合中的每一個可以被認為是半橋電路(即，所有組合包括圖13中所示的四個RC-IGBT中的兩個)：

–RC-IGBT 1801和RC-IGBT 1802；

–RC-IGBT 1801和RC-IGBT 1803；

–RC-IGBT 1801和RC-IGBT 1804；

–RC-IGBT 1802和RC-IGBT 1803；

–RC-IGBT 1802和RC-IGBT 1804；

–RC-IGBT 1803和RC-IGBT 1804。

圖14示出了包括數(shù)個半橋電路的備選拓撲。輸入級與圖13中所示的一個類似，即DC電壓施加到節(jié)點1805和1806，并且因此布置電容器C1、C2。

與圖13相反，以不同的方式布置RC-IGBT 1904至1904：節(jié)點N經(jīng)由包括RC-IGBT 1903和1904的串聯(lián)連接連接到節(jié)點U。RC-IGBT 1903的發(fā)射極連接到節(jié)點N，RC-IGBT 1903的集電極連接到RC-IGBT 1904的集電極，并且RC-IGBT 1904的發(fā)射極連接到節(jié)點U。

RC-IGBT 1901布置在節(jié)點1805與節(jié)點U之間，其中，其集電極連接到節(jié)點1805并且其發(fā)射極連接到節(jié)點U。RC-IGBT 1902布置在節(jié)點U與節(jié)點1806之間，其中，其集電極連接到節(jié)點U并且其發(fā)射極連接到節(jié)點1806。

圖14包括可以基于本文所描述的方法而控制的數(shù)個半橋電路。RC-IGBT的以下組合中的每一個可以被認為是半橋電路；

–RC-IGBT 1901和RC-IGBT 1902；

–RC-IGBT 1901和RC-IGBT 1903；

–RC-IGBT 1904和RC-IGBT 1902。

本文所提出的示例可以特別地基于以下方案中的至少一個。特別地，可以利用以下特征的組合以便實現(xiàn)期望的結(jié)果。方法的特征可以與設(shè)備、裝置或者系統(tǒng)的任何(一個或多個)特征組合，或者反之亦然。

提出了一種用于控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的方法，其中，每個開關(guān)是RC-IGBT，并且其中，這兩個開關(guān)被布置為半橋電路，方法包括：

-控制IGBT模式中的第一開關(guān)；

-控制第二開關(guān)，使得其在DIODE模式中時變?yōu)槿ワ柡偷模?/p>

-其中對所述第二開關(guān)的控制開始在所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)之前并且至少持續(xù)得與所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)一樣長。。

應(yīng)注意到，RC-IGBT可以是包括慮及如本文所描述的功能性的至少一個組件的任何器件。RC-IGBT可以被實現(xiàn)為單片集成器件。作為選項，RC-IGBT可以包括數(shù)個分立的元件。RC-IGBT可以特別地包括與晶體管反并聯(lián)布置的可控制的二極管，其中，這樣的晶體管可以特別地是MOSFET或者IGBT。

IGBT-模式可以包括阻斷狀態(tài)和導電狀態(tài)；可以通過向IGBT的柵極施加特定電壓控制阻斷狀態(tài)和導電狀態(tài)。例如，如果其柵極處的電壓是0V或-15V，則開關(guān)可以到達或者在阻斷狀態(tài)中，并且如果將+15V施加到其柵極，則開關(guān)到達或者在導電狀態(tài)中。如果跨開關(guān)的集電極和發(fā)射極的電壓大于0V，則可以到達IGBT模式。

如果跨開關(guān)的集電極和發(fā)射極的電壓小于0V，則可以到達DIODE模式。在這樣的場景中，數(shù)個電壓可以施加到開關(guān)的柵極以對DIODE模式的各種狀態(tài)進行區(qū)分；例如，

-等于-15V的電壓導致強注射、導電狀態(tài)；

-0V的電壓導致弱注射，導電狀態(tài)導致去飽和；以及

-等于+15V的電壓導致強去飽和、導電狀態(tài)。

因此，當?shù)谝婚_關(guān)有源地接通和斷開時(在IGBT模式中)，對第二開關(guān)印記其取決于跨第二開關(guān)的集電極和發(fā)射極的電壓的(一個或多個)模式。例如，如果第一開關(guān)在IGBT模式、導電狀態(tài)中，則跨第二開關(guān)的集電極和發(fā)射極的電壓大于0V，從而將IGBT模式印記在第二開關(guān)上。在該場景中，當?shù)谝婚_關(guān)是有源一個時，第二開關(guān)必須不進入導電狀態(tài)；因此，控制第二開關(guān)的柵極，使得保證阻斷狀態(tài)。

當?shù)谝婚_關(guān)(有源一個)斷開時，第二開關(guān)可以進入DIODE模式。在那之后，去飽和可以開始。這樣的去飽和可以在第一開關(guān)再次接通(其還被稱為換向)之前開始并且其可以持續(xù)與該時刻一樣長(或者更長)(即，當?shù)谝婚_關(guān)將再次接通時)。

去飽和可以在換向之前不久開始，其產(chǎn)生低導電損耗的優(yōu)點。去飽和的開始與換向之間的時間差可以在1μs與50μs之間特別地在2μs與10μs之間或特別地在3μs與5μs之間的范圍內(nèi)。

換句話說，第二開關(guān)通過將預(yù)定義電壓施加到其柵極來控制，其在控制信號(切換IGBT模式、導電狀態(tài)中的第一開關(guān))的上升沿施加到第一開關(guān)的柵極時當時還(至少部分)允許使第二開關(guān)去飽和。

在實施例中，方法還包括：

-控制第二開關(guān)，使得所述第二開關(guān)的去飽和階段結(jié)束在所述第二開關(guān)上傳輸?shù)乃鲭娏髯優(yōu)?的時間與所述電流到達反向恢復電流的最大值時的時間之間。

在實施例中，所述去飽和階段的結(jié)束通過感測所述第二開關(guān)或者所述第一開關(guān)中的所述電流來確定。

在實施例中，控制第二開關(guān)的柵極的步驟還包括：

-利用至少一個電壓控制第二開關(guān)的柵極，使得其在DIODE模式中時變?yōu)槿ワ柡汀?/p>

在實施例中，至少一個電壓等于0V或基本上0V。

在實施例中，至少一個電壓包括針對第一時間段的第一電壓和針對第二時間段的第二電壓。

第二時間段可以持續(xù)直到將其IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)的第一開關(guān)的上升沿或其期間。

在實施例中，第一電壓高于第二電壓。

作為選項，第一電壓可以等于使能第二開關(guān)的高去飽和的電壓，并且第二電壓使能第二開關(guān)的低飽和。當?shù)谝婚_關(guān)從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)時(如所指示的，第一開關(guān)在IGBT模式中)，可以施加第二電壓。

在實施例中，方法還包括：

-利用增強電壓控制第二開關(guān)的柵極，所述增強電壓允許第二開關(guān)在DIODE模式中時進入增強狀態(tài)，

-其中，所述增強電壓被施加所述第二開關(guān)在所述DIODE模式中時去飽和的所述至少一個電壓之前。

在實施例中，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)被控制使得當在IGBT模式中時，一次僅所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)中的一個處在所述導電狀態(tài)中。

在實施例中，對第一開關(guān)和第二開關(guān)進行控制，使得當在IGBT模式中時，同時僅其之一在導電狀態(tài)中。

在實施例中，第一開關(guān)和第二開關(guān)各每個驅(qū)動器或由控制器控制，其中，經(jīng)由數(shù)字或者模擬接口生成施加到相應(yīng)的柵極的電壓。

在實施例中，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)以脈沖寬度調(diào)制方式以高于負載電流的頻率的開關(guān)頻率被控制。。

所述負載電流可以顯現(xiàn)在電感器之上，該電感器被連接到半橋電路的第一開關(guān)與第二開關(guān)之間的節(jié)點。

在實施例中，第一開關(guān)和第二開關(guān)每個是半導體器件，包括

-勢壘區(qū)，被夾在漂移區(qū)與載流子遷移區(qū)之間，所述勢壘區(qū)和所述載流子遷移區(qū)形成pn結(jié)并且所述勢壘區(qū)和所述漂移區(qū)形成同質(zhì)結(jié)，其中，所述勢壘區(qū)中的雜質(zhì)濃度至少與所述漂移區(qū)中的雜質(zhì)濃度的十倍一樣高；以及

-控制結(jié)構(gòu)，被配置為形成反型態(tài)中的所述漂移區(qū)和所述勢壘區(qū)中的反型層以及形成非反型態(tài)中的所述漂移區(qū)和所述勢壘區(qū)中的非反型層。

在實施例中，半導體器件被配置為不通過載流子遷移區(qū)，形成用于沿著漂移區(qū)與負載電極之間的控制結(jié)構(gòu)的反型層中的少數(shù)載流子的路徑。

在實施例中，

-控制結(jié)構(gòu)從包括載流子遷移區(qū)的半導體本體的第一表面延伸到半導體本體、至少向下到漂移區(qū)，以及

-載流子遷移區(qū)直接鄰接控制結(jié)構(gòu)處的第一表面。

在實施例中，

-控制結(jié)構(gòu)從包括載流子遷移區(qū)的半導體本體的第一表面延伸到半導體本體、至少向下到漂移區(qū)，以及

-控制結(jié)構(gòu)包括控制電極，夾在第一側(cè)上的所述勢壘區(qū)和所述漂移區(qū)和與相對于所述第一側(cè)相反的第二側(cè)處的所述控制電極之間的控制電介質(zhì)，并且所述第一表面與所述控制電極之間的頂部電介質(zhì)在垂直于所述第一表面的垂直方向上與所述載流子遷移區(qū)重疊。。

在實施例中，半導體器件是包括場效應(yīng)晶體管單元的絕緣柵雙極型晶體管。

根據(jù)實施例，半導體器件是包括第一導電類型的第一區(qū)域和第二導電類型的第二區(qū)域的集電極層的反向?qū)щ娊^緣柵雙極型晶體管，所述第二導電類型與漂移區(qū)與與第一表面相反的半導體本體的第二表面之間的第一導電類型互補。

在實施例中，所述晶體管單元包括本體區(qū)以及柵結(jié)構(gòu)，所述本體區(qū)形成具有所述源區(qū)和所述漂移區(qū)的pn結(jié)的，所述柵結(jié)構(gòu)被配置為在導通狀態(tài)期間在所述本體區(qū)中形成反型層以及在所述晶體管單元的所述導通狀態(tài)之外在所述本體區(qū)中形成非反型層。。

根據(jù)實施例，

-控制結(jié)構(gòu)包括控制電極和第一側(cè)的勢壘區(qū)和漂移區(qū)與與第一側(cè)相反的第二側(cè)的控制電極之間的控制電介質(zhì)，

-柵結(jié)構(gòu)包括柵電極和第一側(cè)的本體區(qū)與與第一側(cè)相反的第二側(cè)的柵電極之間的柵極電介質(zhì)，以及

-柵結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)電連接到彼此。

根據(jù)實施例，

-高于柵結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)處的第一閾值電壓的電壓誘發(fā)導通狀態(tài)，

-低于第二閾值電壓(其低于第一閾值電壓)的電壓誘發(fā)反型態(tài)，以及

-第一閾值與第二閾值之間的電壓既不誘發(fā)導通狀態(tài)也不誘發(fā)反型態(tài)。

根據(jù)實施例，

-高于柵結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)處的第一閾值電壓的電壓誘發(fā)導通狀態(tài)，

-低于第二閾值電壓(其高于第一閾值電壓)的電壓誘發(fā)反型態(tài)，以及

-高于第二閾值電壓的電壓誘發(fā)非反型態(tài)。

根據(jù)實施例，柵極電介質(zhì)和控制電介質(zhì)由不同的材料提供和/或柵電極和控制電極由不同的材料形成，使得晶體管單元的第一閾值電壓等于或小于輔助單元的第二閾值電壓。

根據(jù)實施例，控制電介質(zhì)包含固定的負電荷和/或關(guān)于半導體本體的控制電極的材料的逸出功高于柵電極的材料的逸出功。

根據(jù)實施例，半導體器件還包括電壓移位器，其被配置為向控制電極施加電壓，所述電壓以預(yù)定義電壓偏移與施加到柵電極的電壓偏差，其中，電壓偏移大于第一閾值電壓與第二閾值電壓之間的差。

根據(jù)實施例，半導體器件還包括：

-多個輔助單元，每個輔助單元包括控制結(jié)構(gòu)之一，其中

-有源區(qū)域的中心區(qū)域的輔助單元的種群密度高于面向缺乏輔助單元的邊緣區(qū)域的有源區(qū)域的外部區(qū)域。

根據(jù)實施例，勢壘區(qū)包含深能級施主或深雙倍施主的雜質(zhì)。

而且，半導體器件可以是絕緣柵雙極型晶體管，包括：

-晶體管單元；以及

-輔助單元，其包括夾在漂移區(qū)與載流子遷移區(qū)之間的勢壘區(qū)，勢壘區(qū)和載流子遷移區(qū)形成pn結(jié)并且勢壘區(qū)和漂移區(qū)形成同質(zhì)結(jié)，其中，勢壘區(qū)中的雜質(zhì)濃度與漂移區(qū)中的雜質(zhì)濃度的至少十倍一樣高。

根據(jù)實施例，

-輔助單元的控制結(jié)構(gòu)包括控制電極和第一側(cè)的勢壘區(qū)和漂移區(qū)與與第一側(cè)相反的第二側(cè)的控制電極之間的控制電介質(zhì)，以及

-控制電極電連接到關(guān)于負載電極的固定電勢。

在實施例中，第一開關(guān)和第二開關(guān)各自是半導體器件，包括

-本體區(qū)，其形成在從第一表面延伸到半導體本體中的相鄰控制結(jié)構(gòu)之間的半導體臺面中；

-漂移區(qū)，其與本體區(qū)形成第一pn結(jié)并且在半導體臺面中包括包括半導體臺面的收縮區(qū)段的第一漂移區(qū)，其中，平行于第一表面的收縮區(qū)段的最小水平寬度小于本體區(qū)的最大水平寬度；以及

-發(fā)射極層，其在漂移區(qū)與平行于第一表面的第二表面之間，發(fā)射極層包括漂移區(qū)的導電類型的至少一個第一區(qū)域。

半導體臺面可以是鄰近漂移區(qū)并且由兩側(cè)的兩個槽形結(jié)構(gòu)密封的特別地晶體半導體的任何一部分。槽形結(jié)構(gòu)中的至少一個可以包括柵電極。臺面區(qū)域可以與其寬的至少3倍一樣高。

在[Masakiyo Sumitomo等人:Low loss IGBT with Partially Narrow Mesa Structure(PNM-IGBT),2012年第24次功率半導體器件和IC國際專題討論會，在2012年6月3-7日，布魯日，比利時]中描述了示例性半導體臺面。

根據(jù)實施例，收縮區(qū)段的最小水平寬度小于第一pn結(jié)的水平寬度。

根據(jù)實施例，收縮區(qū)段的最小水平寬度是至多300nm。

根據(jù)實施例，收縮區(qū)段的最小水平寬度是本體區(qū)的最大水平寬度的至多80％。

根據(jù)實施例，發(fā)射極層的至少一個第一區(qū)域形成第一導電類型的鄰接層。

根據(jù)實施例，發(fā)射極層包括與第一區(qū)域之間的漂移區(qū)的導電類型相反的導電類型的第二區(qū)域。

根據(jù)實施例，控制結(jié)構(gòu)中的至少一個被配置為誘發(fā)在增強二極管模式中沿著所關(guān)心的控制結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)中的反型層和在去飽和模式中漂移區(qū)中的非反型層。

根據(jù)實施例，收縮區(qū)段的最小水平寬度沿著半導體臺面的縱向延伸變化至少10％。

根據(jù)實施例，半導體器件可以包括多個半導體臺面，其中，收縮區(qū)段的最小水平寬度在半導體臺面中間變化至少10％。

根據(jù)實施例，收縮區(qū)段的垂直延伸是至少0.5μm。

根據(jù)實施例，收縮區(qū)段的垂直延伸沿著半導體臺面的縱向延伸變化至少10％。

根據(jù)實施例，半導體器件可以包括多個半導體臺面，其中，半導體臺面的垂直延伸在半導體臺面中間變化至少10％。

根據(jù)實施例，半導體器件可以包括晶體管單元，其中，在正向?qū)щ娔Ｊ街?，載流子通過晶體管單元進入漂移區(qū)。

根據(jù)實施例，晶體管單元的種群密度沿著通過半導體本體的水平中心的線變化超過10％。

根據(jù)實施例，半導體器件可以包括接觸結(jié)構(gòu)，其包括直接鄰接第一表面的介質(zhì)覆蓋層的開口中的第一區(qū)段和夾在半導體臺面與包括在相鄰控制結(jié)構(gòu)之一中的控制電極之間的第二區(qū)段。

根據(jù)實施例，

-控制結(jié)構(gòu)包括將控制電極與半導體本體分離的電介質(zhì)襯墊；

-電介質(zhì)襯墊具有比鄰接半導體臺面的側(cè)壁部分更大的沿著與發(fā)射極層相反的控制結(jié)構(gòu)的底部部分的寬度。

根據(jù)實施例，半導體器件可以包括相反摻雜島，其嵌入半導體臺面外部的第二漂移區(qū)中并且與沿著增強二極管模式中的控制結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)中的反型層結(jié)構(gòu)連接。

而且，提出了電子電路，所述電路包括：

-半導體器件，包括：

-本體區(qū)，其形成在從第一表面延伸到半導體本體中的相鄰控制結(jié)構(gòu)之間的半導體臺面中；

-漂移區(qū)，其與本體區(qū)形成第一pn結(jié)并且在半導體臺面中包括包括半導體臺面的收縮區(qū)段的第一漂移區(qū)區(qū)段，其中，平行于第一表面的收縮區(qū)段的最小水平寬度小于本體區(qū)的最大水平寬度；以及

-發(fā)射極層，其在漂移區(qū)與平行于第一表面的第二表面之間，發(fā)射極層包括漂移區(qū)的導電類型的至少一個第一區(qū)域，以及

-控制電路，其具有電耦合到形成在半導體器件的控制結(jié)構(gòu)中的控制電極的輸出，控制電路被配置為將針對增強二極管模式的第一控制電壓和針對去飽和模式的第二控制電壓輸出到控制電極。

作為選項，半導體器件可以包括：

-本體區(qū)，位于被形成在從第一表面延伸到半導體本體中的相鄰控制結(jié)構(gòu)之間的半導體臺面中；

-漂移區(qū)，其與所述本體區(qū)形成第一pn結(jié)并且在所述半導體臺面中包括第一漂移區(qū)區(qū)段，所述第一漂移區(qū)區(qū)段包括所述半導體臺面的收縮區(qū)段，其中，平行于所述第一表面的所述收縮區(qū)段的最小水平寬度小于所述本體區(qū)的最大水平寬度；以及

-源區(qū)，其通過本體區(qū)與漂移區(qū)分離并且與本體區(qū)形成第二pn結(jié)，其中，最小水平寬度至多等于收縮區(qū)段中的累積層的總寬度，并且在其期間載流子通過本體區(qū)進入漂移區(qū)的正向?qū)щ娔Ｊ街醒刂刂平Y(jié)構(gòu)形成累積層。

根據(jù)實施例，沿著控制結(jié)構(gòu)中的單個一個形成累積層。

根據(jù)實施例，沿著兩個相鄰控制結(jié)構(gòu)形成兩個累積層。

根據(jù)實施例，控制結(jié)構(gòu)中的至少一個包括電連接或者耦合到柵極端子和與柵電極介質(zhì)絕緣的場電極的一部分。

根據(jù)實施例，半導體器件可以包括接觸結(jié)構(gòu)，其包括直接鄰接第一表面的介質(zhì)覆蓋層的開口中的第一區(qū)段和夾在半導體臺面與包括在相鄰控制結(jié)構(gòu)之一中的場電極之間的第二區(qū)段。

而且，提出了一種用于操作第一開關(guān)和第二開關(guān)的設(shè)備，其中，每個開關(guān)是RC-IGBT，并且其中，這兩個開關(guān)被布置為半橋電路，所述設(shè)備包括處理單元，其被布置為

-控制IGBT模式中的第一開關(guān)；

-控制第二開關(guān)，使得其在DIODE模式中時變?yōu)槿ワ柡停?/p>

-其中對所述第二開關(guān)的控制開始在所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)之前并且至少持續(xù)得與所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)一樣長。

而且，提出了一種用于控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的設(shè)備，其中，每個開關(guān)是RC-IGBT，并且其中，這兩個開關(guān)被布置為半橋電路∶

-用于控制IGBT模式中的第一開關(guān)的裝置；

-用于控制第二開關(guān)使得其在DIODE模式中時變?yōu)槿ワ柡偷难b置；

-其中，其中對所述第二開關(guān)的控制開始在所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)之前并且至少持續(xù)得與所述第一開關(guān)將所述第一開關(guān)的IGBT模式從阻斷狀態(tài)改變到導電狀態(tài)一樣長。

提供了一種可直接地加載到數(shù)字處理設(shè)備的存儲器中的計算機程序產(chǎn)品，包括用于執(zhí)行如本文所描述的方法的步驟的軟件代碼部分。

在一個或多個示例中，可以以諸如特定硬件組件或者處理器的硬件至少部分實現(xiàn)本文所描述的功能。更一般地，可以以硬件、處理器、軟件、固件或其任何組合實現(xiàn)技術(shù)。如果以軟件實現(xiàn)，則功能可以作為一個或多個指令或代碼在計算機可讀介質(zhì)上存儲或傳送并且由基于硬件的處理單元執(zhí)行。計算機可讀介質(zhì)可以包括計算機可讀存儲媒體，其與諸如數(shù)據(jù)存儲媒體或者通信媒體的有形介質(zhì)相對應(yīng)，所述通信媒體包括例如根據(jù)通信協(xié)議促進將計算機程序從一個地點傳送到另一個的任何介質(zhì)。以這種方式，計算機可讀媒體一般地可以與以下各項相對應(yīng)：(1)非暫態(tài)的有形計算機可讀存儲媒體或者(2)諸如信號或載波的通信介質(zhì)。數(shù)據(jù)存儲媒體可以是可以由一個或多個計算機或一個或多個處理器訪問以檢索用于本公開中所描述的技術(shù)的實施方式的指令、代碼和/或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的任何可用的媒體。計算機程序產(chǎn)品可以包括計算機可讀介質(zhì)。

以示例而非限制的方式，這樣的計算機可讀存儲媒體可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盤存儲、磁盤存儲或其他磁性存儲設(shè)備、閃速存儲器或可以被用于存儲以指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式的期望的程序代碼并且可以由計算機訪問的任何其他介質(zhì)。而且，任何連接適當?shù)乇环Q為計算機可讀介質(zhì)，即計算機可讀傳輸介質(zhì)。例如，如果使用同軸電纜、光纜、雙絞線、數(shù)字用戶線(DSL)或者諸如紅外、無線電和微波的無線技術(shù)從網(wǎng)站、服務(wù)器或其他遠程源傳送指令，那么同軸電纜、光纜、雙絞線、DSL或者諸如紅外、無線電和微波的無線技術(shù)包括在介質(zhì)的定義中。然而，應(yīng)當理解，計算機可讀存儲媒體和數(shù)據(jù)存儲媒體不包括連接、載波、信號或其他暫態(tài)媒體，但是相反涉及非暫態(tài)有形存儲媒體。如本文所使用的磁盤和光盤包括壓縮光盤(CD)、激光盤、光盤、數(shù)字通用光盤(DVD)、軟盤和其中磁盤通常磁性地再現(xiàn)數(shù)據(jù)，而光盤利用激光光學地再現(xiàn)數(shù)據(jù)。以上組合還應(yīng)當包括在計算機可讀媒體的范圍內(nèi)。

指令可以由一個或多個處理器執(zhí)行，諸如一個或多個中央處理單元(CPU)、數(shù)字信號處理器(DSP)、通用微處理器、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)或其他等效集成或分立邏輯電路。因此，如本文所使用的術(shù)語“處理器”可以是指適合于本文所描述的技術(shù)的實現(xiàn)方案的前述結(jié)構(gòu)或者任何其他結(jié)構(gòu)中的任一種結(jié)構(gòu)。另外，在一些方面中，可以在被配置用于編碼和解碼或者包含在組合的編解碼器中的專用硬件和/或軟件模塊內(nèi)提供本文所描述的功能性。而且，技術(shù)可以完全實現(xiàn)在一個或多個電路或者邏輯元件中。

本公開的技術(shù)可以實現(xiàn)在各種各樣的設(shè)備或裝置中，包括無線手機、集成電路或IC集(例如，芯片集)。各種組件、模塊或單元在本公開中描述以強調(diào)被配置為執(zhí)行所公開的技術(shù)的設(shè)備的功能方面，但是不必要求不同的硬件單元的實現(xiàn)。而是，如上文所描述的，各種單元可以組合在單個硬件單元中或者通過包括如上文所描述的一個或多個處理器的互操作性硬件單元的集合結(jié)合適合的軟件和固件提供。

雖然已經(jīng)公開本發(fā)明的各種示例性實施例，但是對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將明顯的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以做出將實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點中的一些優(yōu)點的各種改變和修改。對于合理地本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將顯而易見的是，可以適合地代替執(zhí)行相同功能的其他組件。應(yīng)當提到，即使在這尚未明確提到的那些情況中，參考特定附圖所解釋的特征也可以與其他附圖的特征組合。而且，可以以要么使用適當?shù)奶幚砥髦噶畹乃熊浖嵤┓绞揭蠢糜布壿嫼蛙浖壿嫷慕M合實現(xiàn)相同結(jié)果混合實施方式實現(xiàn)本發(fā)明的方法。對發(fā)明概念的這樣的修改旨在由隨附的權(quán)利要求書覆蓋。