專利名稱：金屬——絕緣——石墨化碳場效應管的制作方法
技術領域：
本發明是一種電壓控制的大功率開關管，屬電力電子器件，英文簡稱MICFET。原理上與目前廣泛使用的半導體場效應管MOSFET一樣，都是利用柵極靜電場夾斷導電溝道，所不同的是本發明采用石墨化碳纖維(或熱分解碳膜)取代半導體，作導電溝道。因此，它具有易控制，開關動作快，耐高壓，導通電阻非常小，工作溫度高的特點。特別適合電力電子系統應用。
自上世紀五十年代第一只晶體管問世至今，先后發明了晶閘管SCR，可關斷晶閘管GTO，大功率晶體管GTR，功率場效應管VMOSFET，絕緣門極晶體管IGBT，MOS控制晶閘管MCT等電力電子器件。它們在電力電子領域創造了無數奇跡，為人類作出了巨大貢獻。但由于它們都是用半導體作基礎材料。目前看，幾乎所有半導體做的大功率器件都存在高耐壓與大電流容量之間的矛盾。尤其是功率半導體器件總有1～3V的導通壓降(若通過電流為100A，則要白白消耗幾百VA，還要加散熱器)，這樣大的導通損耗，除降低能量利用效率外，也限制了半導體功率器件在損耗要求高的領域的應用。
本發明的思路和目的，是用電阻率比半導體低得多的石墨化碳纖維作導電溝道，并在結構上作了巧妙安排，使柵極仍能利用靜電場夾斷碳纖維導電溝道。做出導通壓降比半導體器件低2～3個數量級，同時高反壓與大電流矛盾不大的新型電力電子器件。
本發明是楊金玉的《金屬-絕緣-金屬場效應管》發明(01106729.2)的一種具體化和改進。其結構如圖一，其中1為石墨化碳纖維(導電溝道)，其上端連在一起作陽極A，而下端連在一起作陰極K。2為絕緣薄膜(如SiC、Al2O3、Ta2O5、陶瓷)。3為金屬薄膜柵極，分成G1和G2兩組，各組并連，分別接有外引線。圖二，為外接控制電路后工作原理圖。圖中A、G1、G2、K部分為碳纖維場效應管的等效電路；Ea，Eg分別為高壓正電源與柵極控制負電源；RL為陽極負載，D1為穩壓管，其穩壓值與Eg相等；C為電容；R1、R2為電阻，R1阻值較小，而R2阻值較大(用來維持D1的穩壓電流)；K1、K2、K3為雙刀叁擲開關。
我們結合圖二說明其工作原理當開關K1、K2、K3置on位置時，柵極G1、G2上電壓都為零，此時場效應管導通。導通壓降等于流過碳纖維的電流乘以碳纖維本身的電阻。我們知道，單晶石墨的電阻率為4×10-5Ω·Cm，石墨化碳纖維視廠家不同大概在10-4Ω·Cm上下。這個數值比做功率器件的半導體材料要低2～3個數量級。同時，負電源Eg經K3-R1-A-K通路，使電容C上的電壓充至Eg值。當開關K1、K2、K3置Off位置時，負電源Eg及電容C上的電壓立即向柵極G2和G1電容充電。使Ug2k＝Ug1A＝-Eg。根據負電場排斥負電子的原理，被柵極G1，G2所包圍的那個區域碳纖維內的電子數將大為減小，當負電壓Eg足夠高時，該區域的自由電子將被排斥光，G1、G2所包圍的區域，變為絕緣區(即場效應管截止)，同時Uak＝+Ea。截止時，穩壓管D1，由Ea-RL-R2通路維持穩壓，維持電容上的電壓，從而繼續保持場效應管截止狀態。
下面討論本發明的特色(一)由石墨化纖維帶來的好處(1)電阻率比半導體材料小，因此導通壓降可以比半導體器件低2～3數量級；(2)單一電子導電(沒有PN結)，控制電路簡單，因此開關速度快；(3)碳纖維化學穩定性好，在空氣中500℃下不被氧化。包裹SiC等介質膜后，性能更穩定，因此工作溫度大大高于硅半導體器件；(4)碳纖維的導熱率較高，便于散熱。碳纖維的形狀適合于獲得良好的接觸，有較大耐浪涌電流的能力；(5)碳纖維很容易獲得，價也比硅單晶便宜。
(二)由結構上帶來的好處(1)整個場效應管是由無數根單絲碳纖維場效應管基本單元并聯組成的一或稱多束纖維捆綁式。因此，用幾個同型號場效應管并聯，以擴大電流是順理成章的事；(2)制造上主要用氣相沉積等工藝，比半導體工藝要單純得多，也不需要超凈廠房，制造成本當然比半導體低；(3)在楊金玉(01106729.2)發明中，克服高反壓的方法是用幾個MIMFET場效應管基本單元的串聯，串聯個數越多，反壓越高。本發明去掉中間幾個基本單元，只留兩頭(靠近A和K)兩個基本單元，要增大反向電壓就加長圖一虛線部分。按原理講，兩頭兩個場效應管的截止是有過渡過程的，即柵極負電壓有個上升過程，柵區下碳纖維中自由電子也有逐漸減少的過程，整根碳纖維的電阻隨之不斷上升，陽極A和陰極K之間電壓越來越高(加快吸走整根碳纖維中的自由電子)；直到負柵壓升至最高值時，陽極正電壓將吸走整根碳纖維中的所有自由電子，MICFET才截止。這是理想的狀態。實際上由于制造過程中種種缺陷，在碳纖維中還存有少量自由電子。我們加長圖一虛線部分的目的有兩個。其一是防止陽極-柵極-陰極之間的表皮高壓爬電(好在各根碳纖維外表都有絕緣介質包裹，再加后續真空浸樹脂工藝)。其二是給極少數殘留自由電子增大運動過程中與碳原子的碰撞幾率。減少電子速度，以免高速電子引起的破壞。(即使有擊穿也只能燒毀個別幾根碳絲，而不會燒壞整個器件，可在產品老化過程中解決)。可見，隨著圖一虛線部分的加長，碳纖維的導通電阻也相應增大(但由于碳纖維電阻率比半導體小，所以其電阻的絕對值增大得并不大)。(5)可考慮用包裹Al2O3的鋁纖維來取代圖一虛線部分，這樣導通電阻會更低。
(三)驅動(控制)電路的特色(1)電壓控制方式，驅動功率小，速度快；(2)當K1、K2、K3開關采用光電耦合隔離開關之后，碳纖維上下兩端的兩個場效應管之間以及整個場效管與光電驅動器之間就完成了電氣隔離；(3)本驅動電路的唯一不足需要一個負電源Eg；(4)可以把上述部分做成功率模塊，使用起來更方便。
權利要求
1.一種包括場效應功率器件及其驅動電路。其特征在于a.場效應功率器件采用金屬—絕緣—石墨化碳(MICFET)結構，其中石墨化碳為其導電溝道。b.對于石墨化碳。在多束纖維捆綁式場效應管中，采用碳纖維作導電溝道；在多層疊片電容式場效應管中，采用熱分解碳膜作導電溝道。c.在MICFET整體結構上，只在石墨化碳導電溝道的兩端各做一個MICFET基本單元，中間一段仍是石墨化碳溝道。在要求導通電阻特別小的應用場合，中間段用包裹Al2O3的鋁纖維束替代碳纖維束。
2.根據權利要求1所述的驅動電路，是由穩壓管D1，電容C，電阻R1、R2，開關K1、K2、K3及負電源Eg所組成的，其特征在于a.導電溝道兩頭的兩個MICFET基本單元是分別驅動的，且兩者在電氣上是絕緣的。b.開關K1、K2、K3采用光電耦合隔離開關，使光控驅動電路與MICFET之間完全絕緣。c.D1和C的作用與負電源Eg一樣，此法省去了另一個負電源。
全文摘要
本發明是一種電壓控制的大功率開關管，屬電力電子器件，英文簡稱MICFET。原理上與目前廣泛使用的半導體場效應管MOSFET一樣，都是利用柵極靜電場夾斷導電溝道，所不同是本發明采用石墨化碳纖維(或熱分解碳膜)取代半導體，作導電溝道。因此，它具有易控制，開關動作快，耐高壓，導通電阻非常小，工作溫度高的特點。特別適合電力電子系統應用。
文檔編號H01L29/66GK1516286SQ0311442
公開日2004年7月28日 申請日期2003年1月11日 優先權日2003年1月11日
發明者楊金玉 申請人:楊金玉