用于操作氮化鎵電子器件的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于操作氮化鎵電子器件的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種包括驅動器和主晶體管的電子電路。驅動器可以包括偏置電壓生成器、輔助晶體管和輸出驅動器。偏置電壓生成器可以被配置成接收電壓輸入并且基于電壓輸入產(chǎn)生偏壓輸出。輔助晶體管可以具有耦接到偏置電壓生成器的偏壓輸出的柵極，并且輔助晶體管的源極向偏置電壓生成器提供電流。輸出驅動器可以被配置成：從偏置電壓生成器和電壓輸入接收偏壓輸出；接收電壓輸入；并且輸出驅動電壓。電子電路的主晶體管可以具有耦接到驅動電壓的柵極以及耦接到輔助晶體管的漏極的漏極。
【專利說明】用于操作氮化鎵電子器件的方法和系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及電子器件。更具體地，本發(fā)明涉及用于操作氮化鎵電子器件的方 法和系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 功率電子器件被廣泛用在各種應用中。功率電子器件通常用在電路中以改變電能 的形式，例如從交流到直流、從直流到直流以及從一個電壓電平到另一電壓電平。這樣的 器件可以在寬范圍的功率電平內操作，從移動設備中的幾毫瓦到高壓電力傳輸系統(tǒng)中的幾 百兆瓦，并且越來越高頻率地用于現(xiàn)代電子應用。盡管在功率電子器件中已取得進展，但是 在本領域中還對用于實現(xiàn)更高功率轉換效率的改進的電子系統(tǒng)以及用于操作該系統(tǒng)的方 法存在需求。


【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明一般涉及電子器件。更具體地，本發(fā)明涉及使用氮化鎵（GaN)電子器件的 晶體管驅動器。僅通過示例的方式，本發(fā)明已經(jīng)應用于用于使用結合GaN晶體管驅動器 和GaN晶體管的常規(guī)絕緣柵雙極晶體管（IGBT)柵極驅動器的方法和系統(tǒng)。該方法和技術 能夠應用于多種半導體器件，例如金屬氧化物半導體場效應晶體管（M0SFET)、雙極晶體管 (BJT、HBT)和二極管等。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供了一種電子器件。該電子器件可以是包括驅動器和 主晶體管的電子電路。驅動器可以包括偏置電壓生成器、輔助晶體管和輸出驅動器。偏置 電壓生成器可以被配置成接收電壓輸入并且基于電壓輸入產(chǎn)生偏壓輸出。輔助晶體管可以 具有柵極、漏極和源極，其中，輔助晶體管的柵極耦接到偏置電壓生成器的偏壓輸出，并且 輔助晶體管的源極向偏置電壓生成器提供電流。輸出驅動器可以被配置成：從偏置電壓生 成器和電壓輸入接收偏壓輸出；接收電壓輸入；并且輸出驅動電壓。電子電路的主晶體管 可以具有柵極、漏極和源極，其中，主晶體管的柵極耦接到驅動電壓，并且主晶體管的漏極 耦接到輔助晶體管的漏極。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供了一種操作GaNJFET的方法。GaNJFET可以接 收輸入電壓并且基于輸入電壓產(chǎn)生偏壓輸出。該方法還包括監(jiān)視輔助晶體管的電流以提供 電流值并且在輸出驅動器處接收偏壓輸出、電流值和輸入電壓。此外，該方法還涉及基于偏 壓輸出、電流值和輸入電壓產(chǎn)生輸出驅動電壓以及向GaNJFET提供輸出驅動電壓。
[0006] 通過本發(fā)明實現(xiàn)了優(yōu)于常規(guī)技術的許多益處。例如，與典型M0SFET和BJT相對比， 本發(fā)明的實施方式減小了功率器件的物理尺寸，這是因為使用GaN器件的特性。通過使用 先進的電路拓撲結構和由GaN材料制成的目前工藝水平的功率器件的組合，本發(fā)明的一些 實施方式實現(xiàn)了切換頻率的增加并且減少了熱量。
[0007] 此外，本發(fā)明的實施方式提供了共同封裝的GaN驅動器以及提供比常規(guī)技術更具 有成本效益的解決方案的電子器件。例如，本文中所述的GaN驅動器和晶體管將GaN驅動 器電路和晶體管共同封裝，使得利用僅一個電子封裝件。共同封裝GaN器件還導致電子器 件的組裝更容易、電路板空間更少，因此減少了電路板及其殼體的成本。結合下面的文字和 附圖更詳細地描述本發(fā)明的這些和其他實施方式以及本發(fā)明的許多優(yōu)點和特征。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的結合GaN晶體管電路的IGBT柵極驅動器的簡化 示意圖。
[0009] 圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的GaN晶體管電路的元件的簡化示意圖。
[0010] 圖3是示出了適合用于根據(jù)本發(fā)明的實施方式的GaN晶體管電路的元件的器件的 示例性示意圖。
[0011] 圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的使用結合GaN晶體管的IGBT柵極驅動器 的方法的簡化流程圖。
[0012] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的圖3的示例性示意圖的特性。

【具體實施方式】
[0013] 本發(fā)明一般涉及電子器件。更具體地，本發(fā)明涉及使用氮化鎵（GaN)電子器件的 晶體管驅動器。僅通過示例的方式，本發(fā)明已經(jīng)應用于用于使用結合GaN晶體管驅動器和 GaN晶體管的常規(guī)絕緣柵極雙極晶體管（IGBT)柵極驅動器的方法和系統(tǒng)。該方法和技術 能夠應用于多種半導體器件，例如金屬氧化物半導體場效應晶體管（M0SFET)、雙極晶體管 (BJT、HBT)和二極管等。
[0014] 基于GaN的電子器件正經(jīng)歷快速發(fā)展，并且一般有望超越競爭者硅（Si)和碳化硅 (SiC)。與GaN及相關合金和異質結構相關聯(lián)的期望特性包括：用于可見光發(fā)射和紫外光發(fā) 射的高帶隙能量；有利的傳輸特性（例如高電子遷移率和高飽和速度）；高擊穿電場；以及 高導熱率。具體地，對于給定的背景摻雜水平N，電子遷移率y高于競爭材料。這提供了低 電阻率P，原因是電阻率與電子遷移率成反比，如公式（1)所示：

【權利要求】
1. 一種電子電路，包括： 驅動器，所述驅動器包括： 偏置電壓生成器，配置成接收電壓輸入并且基于所述電壓輸入產(chǎn)生偏壓輸出； 輔助晶體管，其具有柵極、漏極和源極，其中， 所述輔助晶體管的柵極耦接到所述偏置電壓生成器的偏壓輸出；并且 所述輔助晶體管的源極向所述偏置電壓生成器提供電流；以及 輸出驅動器，配置成： 從所述偏置電壓生成器和所述電壓輸入接收所述偏壓輸出； 接收所述電壓輸入；并且 輸出驅動電壓；以及 主晶體管，其具有柵極、漏極和源極，其中： 所述主晶體管的柵極耦接到所述驅動電壓；并且 所述主晶體管的漏極耦接到所述輔助晶體管的漏極。
2. 根據(jù)權利要求1所述的電子電路，其中，所述輔助晶體管是GaN晶體管，使得： 所述輔助晶體管的漏極包括GaN襯底和漏極接觸； 所述輔助晶體管的源極通過漂移區(qū)與所述GaN襯底隔開并且包括源極接觸； 所述輔助晶體管的漂移區(qū)包括耦接到所述GaN襯底的第一 GaN外延層；以及 所述輔助晶體管的柵極包括耦接到所述第一 GaN外延層的第二GaN外延層以及耦接到 所述偏置電壓生成器的偏壓輸出的柵極接觸。
3. 根據(jù)權利要求1所述的電子電路，所述驅動器還包括電流監(jiān)視器，所述電流監(jiān)視器 被配置成檢測所述輔助晶體管的從漏極到源極的電流并且輸出調整電流，其中，所述輸出 驅動器還被配置成從所述電流監(jiān)視器接收所述調整電流。
4. 根據(jù)權利要求1所述的電子電路，其中，所述電流監(jiān)視器對從所述輔助晶體管的漏 極到所述輔助晶體管的源極的電流進行調整。
5. 根據(jù)權利要求1所述的電子電路，其中，所述輔助晶體管和所述主晶體管是結型場 效應晶體管（JFET)。
6. 根據(jù)權利要求1所述的電子電路，其中，所述輸出驅動器是電壓轉換器。
7. 根據(jù)權利要求6所述的電子電路，其中，所述驅動器被在所述主晶體管的漏極處的 電壓驅動。
8. 根據(jù)權利要求1所述的電子電路，其中，所述驅動器和所述主晶體管共同封裝在同 一封裝件中。
9. 根據(jù)權利要求8所述的電子電路，其中，所述驅動器和所述主晶體管位于不同芯片 上。
10. 根據(jù)權利要求9所述的電子電路，其中，所述主晶體管為GaN JFET。
11. 一種操作GaN JFET的方法，所述方法包括： 在GaN JFET驅動器處接收輸入電壓； 基于所述輸入電壓產(chǎn)生偏壓輸出； 監(jiān)視輔助晶體管的電流以提供電流值； 在輸出驅動器處接收所述偏壓輸出、所述電流值和所述輸入電壓； 基于所述偏壓輸出、所述電流值和所述輸入電壓產(chǎn)生輸出驅動電壓；以及 向所述GaN JFET提供所述輸出驅動電壓。
12. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述輸入電壓包括脈沖輸入電壓。
13. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述電流值基于所述輔助晶體管的從漏極到 源極的電流。
14. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述輸出驅動電壓的特征在于比所述輸入電 壓小的幅值。
15. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述輔助晶體管包括GaN JFET。
16. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述輸出驅動電壓通過電壓轉換器產(chǎn)生。
17. 根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述電壓轉換器通過在所述主晶體管的漏極 處的電壓驅動。
18. 根據(jù)權利要求11所述的方法，還包括將所述驅動器和所述主晶體管封裝在同一封 裝件中。
19. 根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，所述驅動器和所述主晶體管位于不同芯片上。
【文檔編號】H03K17/56GK104518648SQ201410524900
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權日:2013年10月3日
【發(fā)明者】埃馬爾·N·沙赫, 唐納德·R·迪斯尼, 埃拉查·阿米爾汗尼·納馬蓋爾迪 申請人:阿沃吉有限公司