專利名稱：包括金屬絕緣體轉變裝置的高電流控制電路、以及包括該高電流控制電路的系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬絕緣體轉變(MIT)裝置，且更具體地，涉及一種包括該MIT裝 置的電路，其能夠利用低溫熱來控制高電流，這是因為當高電流流經晶體管時，在該晶體管 中生成高溫熱。
背景技術：
傳統上，為了控制和切換高電流(例如，具有大約106A/cm2的電流密度的電流)， 已經使用了功率半導體晶體管。然而，通常，半導體具有大約IO2到大約104A/cm2的電流密 度，因而難以通過使用半導體晶體管來切換高電流。相應地，采用半導體的功率半導體晶體 管利用其最大區域而在高于100°C的溫度上進行操作，由此生成高溫熱。圖1是用于通過使用傳統的半導體晶體管10來控制高電流的電路的視圖。參考圖1，傳統的半導體晶體管10串聯連接到電流驅動裝置20，從而控制電流驅 動裝置20的高電流，并且向傳統半導體晶體管10的基極端子施加控制脈沖，從而控制電流 驅動裝置20中的高電流。這里，電阻器Rl 30連接到電流驅動裝置20，以調整輸入到電流 驅動裝置20的電流，并且電阻器R2 40連接到傳統半導體晶體管10的基極端子，以調整向 傳統半導體晶體管10的基極端子施加的控制脈沖電壓的電壓。在用于通過使用傳統半導體晶體管10來控制高電流的電路的情況下，在傳統半 導體晶體管10中生成高溫熱(如上所述)，并因而，通常形成用于熱輻射的熱輻射板，以解 決該高溫熱的問題。因而，由于高溫熱問題導致功率半導體晶體管招致高封裝成本，并且由于包括熱 輻射板等而導致功率半導體晶體管具有大尺寸。作為結果，由于功率半導體晶體管的大尺 寸導致迫使使用這種功率半導體晶體管的電氣和電子系統具有大尺寸，并也招致高成本。 相應地，越來越需要開發一種用于控制和切換高電流、而無需使用半導體晶體管并且在可 允許的電流電平方面沒有受到材料屬性限制的裝置或方法。
發明內容
技術問題本發明提供了一種包括金屬絕緣體轉變(MIT)裝置的高電流控制電路、和包括該 高電流控制電路的系統，使得可以通過小尺寸的高電流控制電路來控制和切換高電流，并 因而，可以解決如上所述的在傳統半導體晶體管中導致的熱生成問題。技術解決方案根據本發明的一方面，提供了一種包括MIT裝置的高電流控制電路，該MIT裝置用 于切換向電流驅動裝置輸入或從電流驅動裝置輸出的高電流，該高電流控制電路包括該 MIT裝置，連接到該電流驅動裝置，并且在預定的轉變電壓處經歷突變MIT ；以及切換控制 晶體管，連接在該電流驅動裝置和該MIT裝置之間，并且控制該MIT裝置的開關切換。
該MIT裝置可以與防熱晶體管一起構成MIT-TR復合裝置，該防熱晶體管防止熱生 成并連接到該MIT裝置，并且該防熱晶體管可以是作為NPN型雙極性晶體管和PNP型雙極 性晶體管之一的雙極性晶體管，或者可以是作為P-MOS晶體管、N-MOS晶體管、和C-MOS晶 體管之一的金屬氧化物半導體(MOS)晶體管。當該防熱晶體管是雙極性晶體管時，該MIT裝置的第一電極、該MIT裝置的第二電 極、該雙極性晶體管的發射極電極可以分別連接到該雙極性晶體管的集電極電極、該雙極 性晶體管的基極電極、和地，并且該MIT裝置的第一電極和該雙極性晶體管的集電極電極 可以連接到該電流驅動裝置和該切換控制晶體管，并且該MIT裝置的第二電極和該雙極性 晶體管的基極電極可以經由用于保護該MIT裝置的MIT電阻器而連接到地。當該防熱晶體管是MOS晶體管時，該MIT裝置的第一電極、該MIT裝置的第二電 極、和該MOS晶體管的源極電極可以分別連接到該MOS晶體管的漏極電極、該MOS晶體管的 柵極電極、和地，并且該MIT裝置的第一電極和該MOS晶體管的漏極電極可以連接到該電流 驅動裝置和該切換控制晶體管，并且該MIT裝置的第二電極和該MOS晶體管的柵極電極可 以經由用于保護該MIT裝置的MIT電阻器而連接到地。該切換控制晶體管可以是作為NPN型雙極性晶體管和PNP型雙極性晶體管之一的 雙極性晶體管，或者可以是作為P-MOS晶體管、N-MOS晶體管、和C-MOS晶體管之一的MOS晶 體管。例如，當該切換控制晶體管是NPN型雙極性晶體管時，可以利用在該電流驅動裝置和 該MIT-TR復合裝置之間的公共集電極結構來連接該NPN型雙極性晶體管，或者可以利用在 該電流驅動裝置和該MIT-TR復合裝置之間的公共發射極結構來連接該NPN型雙極性晶體 管。具有預定電阻值的電阻器可以連接在該NPN型雙極性晶體管的基極電極和該脈 沖功率源之間。該MIT裝置可以包括MIT薄膜，該MIT薄膜根據包括溫度、壓力、電壓、和電磁波的 物理屬性的變化而經歷突變MIT。例如，該MIT薄膜可以由二氧化釩(VO2)所形成。其間， 可以將該MIT-TR復合裝置和該切換控制晶體管集成并封裝為小尺寸芯片。根據本發明的另一方面，提供了一種高電流控制電路系統，由以陣列結構而整體 地排列或布置的多個單位電路所形成，其中該單位電路中的每一個對應于高電流控制電 路，該高電流控制電路包括MIT裝置、連接到該MIT裝置的防熱晶體管、和連接在該MIT裝 置和該防熱晶體管之間的切換控制晶體管。根據本發明的另一方面，提供了一種電氣和電子系統，包括所述高電流控制電路。該MIT裝置可以與防熱晶體管一起構成MIT-TR復合裝置，該防熱晶體管防止熱生 成并連接到該MIT裝置；并且該電氣和電子系統可包括電流驅動系統；蓄電池，用于向該 電流驅動系統供應功率；第一 MIT裝置，串聯連接在該電流驅動系統和該蓄電池之間，并且 在轉變電壓處經歷突變MIT ；以及所述MIT-TR復合裝置，與該蓄電池并聯連接。該蓄電池可以是鋰離子電池，該MIT裝置可以在預定臨界溫度或更高溫度處經歷 突變MIT，并且當該鋰離子電池的溫度超過該預定臨界溫度時，該MIT-TR復合裝置可以對 該鋰離子電池的電荷放電，以防止該鋰離子電池的爆炸。該MIT裝置可以與防熱晶體管一起構成MIT-TR復合裝置，該防熱晶體管防止熱生 成并連接到該MIT裝置；并且該電氣和電子系統可包括電流驅動系統；蓄電池，用于向該電流驅動系統供應功率；正溫度系數(PTC)裝置，串聯連接在該電流驅動系統和該蓄電池 之間，并且阻斷到該電流驅動系統的過電流；以及該MIT-TR復合裝置，與該蓄電池并聯連接。該MIT裝置可以在臨界溫度或更高溫度處經歷突變MIT，該PTC裝置可以在臨界溫 度處阻斷電流，并且當該蓄電池的溫度超過該臨界溫度時，該PTC裝置可以阻斷到電流驅 動系統的電流供應，并且該MIT-TR復合裝置可以對該蓄電池的電荷放電，從而可以防止該 蓄電池的爆炸。該電氣和電子系統可以對應于包括需要電流控制的移動電話、筆記本計算機、開 關電源、和電動機控制控制器的系統。有益效果根據本發明實施例的包括MIT裝置的高電流控制電路和包括該高電流控制電路 的系統可以有效地防止熱生成，并且可以同時控制高電流。同樣，熱輻射板不是必須的，并 因而可能實現小尺寸的高電流控制電路。因而，代替使用功率半導體晶體管的傳統高電流控制電路，根據本發明實施例的 包括MIT裝置的高電流控制電路可以有效地執行高電流控制。相應地，可以將根據本發明 實施例的包括MIT裝置的高電流控制電路有益地應用于需要電流控制的各種電氣和電子 系統，包括筆記本計算機、開關電源、和電動機控制控制器。
通過參考附圖來詳細描述本發明的示范實施例，本發明的上面以及其他特征和優 點將變得更加明顯，其中圖1是用于通過使用傳統的半導體晶體管來控制高電流的電路的視圖；圖2A和圖2B分別對應于具有水平結構的金屬絕緣體轉變(MIT)裝置的截面圖和 平面圖；圖3A是示出了通過向由二氧化釩(VO2)形成的MIT裝置施加電壓來生成的突變 MIT的曲線圖；圖3B是由VO2形成的MIT裝置的電阻對溫度的曲線圖；圖4A和圖4B分別是包括MIT裝置和晶體管的MIT-TR復合裝置(composite device)的等效電路圖；圖5是根據本發明實施例的包括圖4A的MIT-TR復合裝置和切換控制晶體管的高 電流控制電路的電路圖；圖6是根據本發明另一實施例的包括MIT-TR復合裝置和切換控制晶體管的高電 流控制電路的電路圖；圖7是其中將圖5的高電流控制裝置中的MIT-TR復合裝置和切換控制晶體管集 成為一個芯片的高電流控制集成裝置的截面圖；圖8A和圖8B是示出了通過向圖5的切換控制晶體管的基極電極輸入具有IkHz 和300kHz頻率的脈沖而獲得的測試數據的曲線圖；圖9是根據本發明另一實施例的使用MIT-TR復合裝置從而防止鋰離子電池的爆 炸的電路的視圖；以及
圖10是其中用正溫度系數(PTC)裝置來替換圖9的用于阻斷電流的MIT裝置M2 的電路的視圖。
具體實施例方式現在，將參考其中示出了本發明示范實施例的附圖來更全面地描述本發明。貫 穿說明書中，將理解，當將元件稱為處于另一元件“上”時，它可以直接地處于該另一元件 “上”，或者也可以存在居間元件。在附圖中，為了清楚而夸大了層的厚度和區段。附圖中同 樣的附圖標記表示同樣的元件，并因而將省略它們的描述。其間，本領域的普通技術人員將 理解，其中使用本發明中的術語，而不脫離如以下權利要求所限定的本發明的精神和范圍。 在以下描述中，由于公知的功能或構造將以不必要的細節而使本發明模糊，所以不描述它 們。圖2A和圖2B分別對應于具有水平結構的金屬絕緣體轉變(MIT)裝置100的截面 圖和平面圖。參考圖2A，具有水平結構的MIT裝置100包括襯底110、在襯底110上形成的MIT 薄膜120、和包括第一和第二電極薄膜130a和130b的電極薄膜，所述第一和第二電極薄膜 130a和130b形成在襯底110上，并且是MIT薄膜120的一部分，從而在MIT薄膜120的側 表面和上表面處彼此相對。即，第一電極薄膜130a和第二電極薄膜130b通過MIT薄膜120 而彼此分開。其間，還可以在襯底110上形成緩沖層，從而降低MIT薄膜120和襯底110之間的 晶格失配。MIT薄膜120的電氣特性根據物理屬性(諸如，溫度、壓力、電壓、和電磁波等) 的變化而改變。例如，MIT薄膜120的電氣特性在預定的轉變電壓或更高電壓處、或者當向 MIT薄膜120施加恒定的預定電壓時在預定的臨界溫度或更高溫度處急劇改變。即，MIT薄 膜120在轉變電壓或更低電壓處、或者在臨界溫度或更低溫度處保持為絕緣體，但是當MIT 薄膜120在轉變電壓或更高電壓處、或者在臨界溫度或更高溫度處生成突變MIT時，改變為
^^ I^l O已經在與MIT裝置相關的韓國公布專利中公開了用于形成MIT薄膜120、電極薄膜 130、和襯底110的材料和方法，并因而這里將省略其描述。其間，可以將MIT薄膜120形成 為諸如陶器薄膜或單晶體薄膜之類的具有非常小尺寸的薄膜類型，并因而，可以將MIT裝 置110制造為具有微米(ym)尺寸的非常小的裝置，并且可以獲取低制造成本。MIT裝置100具有水平結構。然而，本發明不限于此，并因而MIT裝置100也可以 通過在襯底上順序地形成第一電極薄膜、MIT薄膜、和第二電極薄膜而具有垂直結構。圖2B是圖2A的MIT裝置100的平面圖。在圖2B中，圖示了用于形成MIT裝置 100的元件，即襯底100、MIT薄膜120、以及第一和第二電極薄膜130a和130b。如上所述， MIT裝置100在轉變電壓或更高電壓處、或者在臨界溫度或更高溫度處經歷突變MIT。這種 轉變電壓或臨界溫度可以根據用于形成MIT裝置100的元件的材料而變化，或者可以根據 MIT裝置100的結構而變化。例如，通過變更第一電極薄膜130a和第二電極薄膜130b之間 的距離D，或者通過變更MIT薄膜120的寬度W，MIT裝置100的轉變電壓或臨界溫度可以 變化。圖3A是示出了通過向由二氧化釩(VO2)形成的MIT裝置施加電壓來生成的突變MIT的曲線圖，其中水平軸指示向MIT裝置施加的電壓，而垂直軸指示在MIT裝置中流動的 電流密度(該曲線圖的左垂直軸)和電流(該曲線圖的右垂直軸)。參考圖3A，明顯的是，MIT裝置具有絕緣體特性，直到電壓增加到大約IOV為止，在 所述IOV處，MIT裝置經歷突變電流跳變，由此具有金屬特性。因而，要理解，MIT裝置的所 測量的轉變電壓近似是10V。在MIT裝置經歷了突變MIT之后，具有金屬特性的MIT裝置遵 循歐姆定律。這里，虛線是歐姆定律的線，其將遵循歐姆定律的電流-電壓線延長到在MIT 裝置經歷突變MIT之前的點，如圖3A的曲線圖所示的。圖3B是由VO2形成的MIT裝置的電阻對溫度的曲線圖，其中水平軸以開氏溫標來 指示絕對溫度，而垂直軸以歐姆(Ω)來指示電阻。此外，向MIT裝置施加恒定的預定電壓。參考圖3B，MIT裝置在小于340K的溫度處具有大于IO5 Ω的電阻，由此具有絕緣 體特性。然而，MIT裝置在340Κ或大于340Κ的溫度處經歷突變的斷續轉變，從而具有金屬 特性和幾十Ω的電阻。參考圖3Β，ΜΙΤ裝置在340Κ溫度處經歷突變ΜΙΤ，并因而，要理解， MIT裝置的臨界溫度近似是340Κ。盡管在附圖中沒有示出，但是MIT裝置可以經歷來自其他物理屬性(諸如，壓力、 電場、和電磁波)、以及由于向MIT裝置施加的電壓和溫度而導致的突變ΜΙΤ。然而，這些其 他物理屬性可能使本發明的構思模糊，并因而，這里將省略其詳細描述。圖4Α和圖4Β分別是包括MIT裝置100和防熱晶體管200和300的MIT-TR復合 裝置1000和1000a的等效電路圖。參考圖4A，MIT-TR復合裝置1000包括在轉變電壓處經歷突變MIT的MIT裝置100、 和連接到MIT裝置100的防熱晶體管200。這里，MIT裝置100連接在防熱晶體管200的集 電極電極和基極電極之間。其間，防熱晶體管200的發射極電極連接到地。具有這種結構的MIT-TR復合裝置1000連接到電流驅動裝置(未示出)，從而MIT 裝置100控制電流驅動裝置的電流，并且防熱晶體管200防止MIT裝置100的自加熱。其 間，在其中MIT-TR復合裝置1000用于電流控制的情況下，MIT電阻器(未示出)連接到其 中防熱晶體管200的基極電極和MIT裝置100所共同連接到的節點。現在，將詳細地描述MIT-TR復合裝置1000的功能。當向MIT裝置100施加比轉變 電壓更高的電壓時，MIT裝置100經歷突變MIT，使得經由MIT裝置100而流動高電流。即 使在高電流流動的同時、向MIT裝置100施加比轉變電壓更小的電壓，MIT裝置100的電氣 特性也不返回到絕緣體的電氣特性，并且高電流連續地流動，使得MIT裝置100的切換誤差 可能由于MIT裝置100的自加熱而發生。即，當經由MIT裝置100而流動高電流時，MIT裝 置100自加熱，由此導致滯后現象(hysteresis)。由于滯后現象防止了 MIT裝置100的切 換，所以必須移除該滯后現象。為了防止MIT裝置100的自加熱，即為了防止滯后現象，防熱晶體管200連接到 MIT裝置100。更具體地，在MIT裝置100經歷突變MIT之前，由于發射極電極和基極電極 之間的小電壓差，所以防熱晶體管200處于截止狀態中。換言之，由于主要向MIT裝置100 施加高電壓，所以僅僅向MIT電阻器施加低電壓，使得發射極電極和基極電極之間的電壓 差不能超過臨界電壓。然而，當MIT裝置100經歷突變MIT時，MIT裝置100的電氣特性改 變到金屬特性，使得高電流經由MIT裝置100而流動，向MIT裝置100施加低電壓，而向MIT 電阻器施加高電壓。即，向基極電極施加高電壓。因而，防熱晶體管200導通，并且電流流過防熱晶體管200。相應地，流過MIT裝置100的電流降低。同樣，由于電流降低，所以MIT 裝置100的電氣特性返回到絕緣體特性，并因而，防熱晶體管200返回到截止狀態。以這種方式，通過包括在轉變電壓處經歷突變MIT的MIT裝置100和防止MIT裝 置100的自加熱的防熱晶體管200，MIT-TR復合裝置1000可以防止MIT裝置100的自加 熱，并且可以經由MIT裝置100的切換來有效地控制電流驅動裝置。在上面，基于MIT裝置100的轉變電壓來描述了 MIT-TR復合裝置1000。然而， MIT-TR復合裝置1000也可以基于臨界溫度來執行相同的功能，并且在所述情況下，MIT-TR 復合裝置1000可以用作用于電流驅動裝置的保護電路，如稍后將參考圖9A和圖9B而描述 的。在本實施例中，將NPN型雙極性晶體管用作防熱晶體管200 ；然而，本發明不限于 此，并因而可以將PNP型雙極性晶體管用作MIT-TR復合裝置1000的防熱晶體管200。參考圖4B，MIT-TR復合裝置1000a與圖4A的MIT-TR復合裝置1000相似，但是 MIT-TR復合裝置1000a的區別在于代替雙極性晶體管而將金屬氧化物半導體(MOS)晶體管 用作防熱晶體管300。其間，可以將P-MOS晶體管、N-MOS晶體管或C-MOS晶體管中的任何 一種用作MOS晶體管。當用防熱晶體管300的柵極電極、漏極電極、和源極電極來分別替換圖4A的防熱 晶體管200的基極電極、集電極電極、和發射極電極時，所述裝置之間的連接與圖4A的防熱 晶體管200中的連接相同。即，MIT裝置100連接在防熱晶體管300的漏極電極和柵極電 極之間，并且防熱晶體管300的源極電極連接到地。其間，當MIT-TR復合裝置1000a連接 到電流驅動裝置(未示出)時，漏極電極和MIT裝置100的一個電極連接到電流驅動裝置， 并且柵極電極和MIT裝置100的另一電極連接到MIT電阻器(未示出)。基于前述連接的MIT-TR復合裝置1000a的功能與圖4A的MIT-TR復合裝置1000 中的功能相同。圖5是根據本發明實施例的包括MIT-TR復合裝置1000和切換控制晶體管400的 高電流控制電路的電路圖。參考圖5，根據當前實施例的高電流控制電路包括圖4的MIT-TR復合裝置1000、 和用于控制MIT-TR復合裝置1000的開關(on-off)切換的切換控制晶體管400。在本實施 例中，高電流控制電路包括MIT-TR復合裝置1000 ；然而，本發明不限于此，并因而高電流控 制電路也可以包括圖4B的MIT-TR復合裝置1000a。MIT-TR復合裝置1000的一端連接到電流驅動裝置500和切換控制晶體管400，而 MIT-TR復合裝置1000的另一端經由MIT電阻器裝置R2300而連接到地。這里，電流驅動裝 置500可以是繼電器、發光二極管、蜂鳴器等。其間，用于調整電流的電阻器R1510串聯連 接在電流驅動裝置500和用于供應功率電壓Vcc的功率源之間。根據當前實施例的切換控制晶體管400可以是NPN型雙極性晶體管和PNP型雙極 性晶體管之一，或者可以是P-MOS晶體管、N-MOS晶體管或C-MOS晶體管之一。在本實施例中，將NPN型雙極性晶體管用作切換控制晶體管400。切換控制晶體 管400具有公共集電極的結構，其中MIT-TR復合裝置1000和電流驅動裝置500共同地連 接到切換控制晶體管400的集電極電極。即，具有這種公共集電極結構的切換控制晶體管 400的發射極電極連接到地，而切換控制晶體管400的基極電極連接到用于控制切換的脈沖功率源。其間，晶體管電阻器R3440連接在切換控制晶體管400的基極電極和脈沖功率 源之間。現在，將描述如上所述地連接的高電流控制電路的操作。在根據當前實施例的高電流控制電路中，當向MIT-TR復合裝置1000中的MIT裝 置100施加的電壓比用于生成突變MIT的轉變電壓更高時，MIT裝置100經歷突變MITdi 得高電流> Imit)流動。通過允許流動或阻斷切換控制晶體管400的集電極電流I。，高 電流控制電路控制電流驅動裝置500的高電流。這里，Imit指示了 MIT裝置100要經歷突 變MIT所需要的臨界電流。因而，當集電極電流Ie = O安培時(S卩，當由于切換控制晶體管 400處于截止狀態、所以集電極電流Ic等于0安培時)，發生Irc > Imit，使得MIT裝置100 經歷突變MIT，并且高電流流經MIT裝置100。當集電極電流Ic等于預定的值時(即，當由 于切換控制晶體管400改變到導通狀態、所以集電極電流I。流過切換控制晶體管400時)， 發生Ire-Ic < IMIT，使得MIT裝置100不經歷突變MIT，并且阻斷了高電流朝向MIT裝置100 的流動。相應地，阻斷了電流驅動裝置500的高電流的流動。最后，通過切換控制晶體管400的開關控制來控制MIT裝置100上的開關控制，即 突變MIT的生成和不生成。利用向切換控制晶體管400的基極電極輸入的脈沖電壓來執行 切換控制晶體管400的開關控制。換言之，當向其基極電極輸入高電壓時，切換控制晶體管 400導通，而當向其基極電極輸入低電壓時，切換控制晶體管400截止。其間，根據當前實施例的MIT-TR復合裝置1000包括防熱晶體管200，從而防止 MIT裝置100的自加熱。因而，MIT裝置100可以平滑地執行切換操作，而不生成熱。例如， 由于傳統的半導體晶體管具有熱生成的問題，所以在20至150kHz處將傳統半導體晶體管 用作切換裝置。然而，在根據當前實施例的MIT-TR復合裝置1000中包括的MIT裝置100 即使在IMHz或更高頻率處也可以執行切換操作，由此能夠有效地用作商用開關。在其中 MIT裝置100生成低溫熱的情況下，可以代替MIT-TR復合裝置1000來單獨地使用MIT裝置 100，而無需防熱晶體管200。圖6是根據本發明另一實施例的包括MIT-TR復合裝置1000和切換控制晶體管 400a的高電流控制電路的電路圖。參考圖6，當前實施例的高電流控制電路與圖5的實施例的高電流控制電路相似， 但是當前實施例的高電流控制電路的區別在于當前實施例的高電流控制電路使用具有公 共發射極結構的NPN型雙極性晶體管作為切換控制晶體管400a。相應地，將具有公共發射 極結構的切換控制晶體管400a的發射極電極共同地連接到電流驅動裝置500和MIT-TR復 合裝置1000，用于供應預定電壓Vcc的功率源連接到切換控制晶體管400a的集電極電極， 并且用于控制切換的脈沖功率源連接到切換控制晶體管400a的基極電極。其間，晶體管電 阻器R3440連接在切換控制晶體管400a的基極電極和脈沖功率源之間。現在，將描述如上所述地連接的高電流控制電路的操作。在當前實施例的高電流控制電路中，當不在包括于MIT-TR復合裝置1000中的MIT 裝置100中生成突變MIT的低電流Irc流經MIT裝置100時，即，當小于臨界電流的低電流 Iccdcc < Imit)流過MIT裝置100時。通過允許預定的發射極電流Ie流向切換控制晶體管 400a的發射極電極，高電流控制電路允許MIT裝置100經歷突變MIT。換言之，當發射極電 流Ie = 0安培時(即，當由于切換控制晶體管400a處于截止狀態、所以發射極電流Ie等于0安培時)，發生Imit > Icc使得MIT裝置100不經歷突變MIT，并且阻斷了高電流朝向MIT 裝置100的流動。當發射極電流Ie等于預定的值時(即，當由于切換控制晶體管400a改 變到導通狀態、所以發射極電流Ie流過發射極電極時)，發生Imit ^ Icc+IE,使得MIT裝置 100經歷突變MIT，并且高電流流過MIT裝置100。最后，當前實施例的高電流控制電路按照與圖5的實施例的高電流控制電路相反 的方式來進行操作。即，當切換控制晶體管400a導通時，高電流流經MIT裝置100，并且當 切換控制晶體管400a截止時，阻斷了高電流朝向MIT裝置100的流動。相應地，控制了電 流驅動裝置500的高電流的流動。圖7是其中將圖5的高電流控制裝置中的MIT-TR復合裝置1000和切換控制晶體 管400集成為一個芯片的高電流控制集成裝置的截面圖。參考圖7，圖5的高電流控制電路可以具有其中將MIT-TR復合裝置1000和切換控 制晶體管400集成在襯底110上作為一個芯片的結構。在下文中，將高電流控制集成裝置 稱為“用于高電流控制電路的集成裝置”。用于高電流控制電路的集成裝置包括一起形成在襯底110上的MIT裝置100、防熱 晶體管200、和切換控制晶體管400。MIT裝置100包括絕緣膜140、MIT薄膜120、和兩者都 接觸MIT薄膜120和絕緣膜140而形成的兩個MIT電極130a和130b。防熱晶體管200包括分別接觸諸如在襯底110中形成的基極區210、發射極區 220、和集電極區230之類的有源區的基極電極215、發射極電極225、和集電極電極235。絕 緣膜140形成在襯底110上，并且基極、發射極、和集電極電極215、225、和235分別通過穿 透絕緣膜140來接觸基極區、發射極區、和集電極區210、220、和230。與防熱晶體管200相似的，切換控制晶體管400包括分別接觸對應有源區410、 420、和430的基極電極415、發射極電極425、和集電極電極435。 其間，用于高電流控制電路的集成裝置具有將電極連接在其中的結構。即，MIT裝 置100的MIT電極130b連接到防熱晶體管200和切換控制晶體管400的集電極電極235 和435，并且MIT裝置100的MIT電極130a連接到防熱晶體管200的基極電極215。此外， 防熱晶體管200和切換控制晶體管400的發射極電極225和425連接到地。當用于高電流 控制電路的集成裝置用于電流控制時，電流驅動裝置500連接到MIT裝置100的MIT電極 130b,并且脈沖功率源連接到切換控制晶體管400的基極電極415。參考圖7，在行方向上布置防熱晶體管200和切換控制晶體管400。然而，考慮到 形成有源區、和電極連接，可以在列方向上(即，以朝向紙表面的向下方向)、彼此平行地形 成防熱晶體管200和切換控制晶體管400的每個有源區。然而，MIT裝置100、防熱晶體管 200、和切換控制晶體管400的位置不限于此，并且可以變化。其間，各自連接到MIT-TR復 合裝置1000的MIT電阻器300、或切換控制晶體管400的晶體管電阻器440也可以形成在 襯底110上。如圖7所圖示的，可以將圖7的用于高電流控制電路的集成裝置制造并封裝為具 有其中集成了裝置的結構，并因而可以將其容易地連接到電流驅動裝置，從而控制電流驅 動裝置的高電流。圖7的用于高電流控制電路的集成裝置可以有效地防止熱生成，可以控 制高電流，并且可以不需要熱輻射板，使得可以容易地將圖7的用于高電流控制電路的集 成裝置實現為小尺寸芯片。
圖8A和圖8B是示出了通過向圖5的切換控制晶體管400的基極電極輸入具有 IkHz和300kHz頻率的脈沖而獲得的測試數據的曲線圖。這里，用于測試的MIT裝置具有 以下尺度，其中VO2薄膜的厚度是lOOnm，電極之間的距離是5 μ m，并且VO2薄膜的寬度是 3 μ m0在圖8Α中的曲線圖的左上角處示出了 MIT裝置的布局。此外，圖8Α的曲線圖對應 于其中向切換控制晶體管400輸入的脈沖的頻率是IkHz的情況，而圖8Β的曲線圖對應于 其中向切換控制晶體管400輸入的脈沖的頻率是300kHz的情況。參考圖8A和圖8B，MIT裝置經歷突變MIT的電流是7. 4mA,并且電流密度J近似 等于 2.47X 106A/cm2 (即，J — 2.47 x IO6 A/cm2 )。其間，使用了 電阻器 ^ = 300 Ω、 MIT電阻器R2 = IkQ、和晶體管電阻器R3 = IOkQ (參見圖5)。圖8Α和圖8Β的曲線圖中 的粗實線指示了到切換控制晶體管400的基極電極的輸入電壓，而細實線指示了來自MIT 裝置的電極的輸出電流。當MIT裝置的溫度超過70°C時，包括VO2薄膜的MIT裝置發生故障或者不能執行 切換操作。然而，參考圖8A和圖8B，明顯的是，成功地執行了切換操作，這意味著MIT裝置 的溫度保持在70°C以下。換言之，可以理解，通過防熱晶體管200來防止MIT裝置的自加 熱，使得MIT裝置成功地執行切換操作，并且同時將其溫度維持在70°C以下。最后，圖5的高電流控制電路可以使用具有比傳統半導體晶體管的結構 簡單得多的結構的MIT裝置，由此利用低溫熱來成功地切換高電流(電流密度 J N 2.47 χ IO6 A/cm2)。其間，與在20kHz至150kHz處使用的傳統切換裝置相比，使 用根據本發明實施例的MIT裝置的高電流控制電路即使在IMHz或更高頻率處也可以執行 高電流切換操作。因而，根據本發明實施例的MIT開關可以執行關于IMHz或更高的高頻率 的切換操作，使得可以有效地采用MIT開關作為商用開關。可以將根據本發明實施例的這種高電流控制電路有益地應用于需要電流控制的 各種電氣和電子系統，包括筆記本計算機、開關電源、和電動機控制控制器。圖9是根據本發明另一實施例的使用MIT-TR復合裝置1000從而防止鋰離子電池 600的爆炸的電路的視圖。參考圖9，根據當前實施例的電路包括MIT-TR復合裝置1000、鋰離子電池600、電 流驅動系統500a、和用于阻斷電流的MIT裝置M2700。該電路與圖5的實施例的區別在于 用鋰離子電池600和電流驅動系統500a來分別替換功率源和電流驅動裝置500，并且用于 阻斷電流的MIT裝置M2700串聯連接在鋰離子電池600和電流驅動系統500a之間。這里， 電阻器R 300a對應于圖5的MIT電阻器R2300。在當前實施例中，該電路包括鋰離子電池 600 ；然而本發明不限于此，并因而，可以使用其他電池。這里，用于阻斷電流的MIT裝置M2700具有4V或更低的轉變電壓。因而，當向用 于阻斷電流的MIT裝置M2700施加比4V轉變電壓更高的電壓時，用于阻斷電流的MIT裝置 M2700經歷突變MIT并具有金屬特性，由此用作導線，高電流可以經由所述導線而流動。其間，在MIT-TR復合裝置1000中包括的MIT裝置MllOO在預定的臨界溫度處經 歷突變MIT。因而，除了 MIT裝置MllOO在臨界溫度處、而不在轉變電壓處經歷突變MIT之 外，MIT-TR復合裝置1000執行與圖4A的MIT-TR復合裝置1000相似的功能。例如，當周圍 溫度(即，鋰離子電池600或導線的溫度)上升到臨界溫度以上時，在圖9的MIT-TR復合 裝置1000中包括的MIT裝置MllOO經歷突變MIT，使得MIT-TR復合裝置1000對電流進行旁路，從而保護鋰離子電池600，并且MIT-TR復合裝置1000中的MIT裝置200防止了 MIT 裝置MllOO的自加熱。現在，將描述具有上述配置的電路的功能。當將鋰離子電池600充滿電時，它具有 4V的電壓。這里，串聯連接在充滿電的鋰離子電池600和電流驅動系統500a之間的用于 阻斷電流的MIT裝置M2700經歷突變MIT，操作為金屬，并因而可以用作導線。其間，當周 圍溫度或導線溫度由于某些外部改變而超過MIT裝置MllOO的臨界溫度(例如，70°C)時， 在MIT-TR復合裝置1000中包括的MIT裝置MllOO操作為對鋰離子電池600中的電荷突然 放電，由此防止鋰離子電池600的爆炸。利用電荷的這個突然放電，鋰離子電池600的電壓 下降，使得用于阻斷電流的MIT裝置M2700返回到操作為絕緣體，從而阻斷到電流驅動系統 500a的電流供應。圖10是其中用正溫度系數(PTC)裝置800來替換圖9的用于阻斷電流的MIT裝 置M2700的電路的視圖。參考圖10，該電路代替使用圖9的用于阻斷電流的MIT裝置M2700而使用PTC裝 置800，并且PTC裝置800的功能與用于阻斷電流的MIT裝置M2700的功能相似。即，當周 圍溫度或導線溫度由于某些外部改變而超過MIT裝置MllOO的臨界溫度(例如，70°C)時， 在MIT-TR復合裝置1000中包括的MIT裝置MllOO操作為對鋰離子電池600中的電荷突然 放電，由此防止鋰離子電池600的爆炸。其間，當周圍溫度上升時，PTC裝置800的電阻增 加，使得阻斷到電流驅動系統500a的電流供應。根據本發明實施例的包括MIT裝置的高電流控制電路和包括該高電流控制電路 的系統可以有效地防止熱生成，并且可以同時控制高電流。此外，熱輻射板不是必須的，并 因而可能實現小尺寸的高電流控制電路。因而，代替使用功率半導體晶體管的傳統高電流控制電路，根據本發明實施例的 包括MIT裝置的高電流控制電路可以有效地執行高電流控制。相應地，可以將根據本發明 實施例的包括MIT裝置的高電流控制電路有益地應用于需要電流控制的各種電氣和電子 系統，包括筆記本計算機、開關電源、和電動機控制控制器。盡管已經參考本發明的示范實施例而具體示出并描述了此發明，但是本領域的普 通技術人員將理解，可以在其中做出形式和細節上的各種改變，而不脫離由所附權利要求 限定的本發明的精神和范圍。應僅以描述性意義而不應為了限制目的來考慮所述示范實施 例。因此，本發明的范圍并非由本發明的詳細描述、而是由所附權利要求進行限定，并且該 范圍內的所有差異將被理解為包括在本發明中。發明模式產業適應性本發明涉及一種金屬絕緣體轉變(MIT)裝置，且更具體地，涉及一種包括該MIT裝 置的電路，其能夠利用低溫熱來控制高電流，這是因為當高電流流過晶體管時，在該晶體管 中生成高溫熱。根據本發明實施例的包括MIT裝置的高電流控制電路和包括該高電流控制 電路的系統可以有效地防止熱生成，并且可以同時控制高電流。此外，熱輻射板不是必須 的，并因而可能實現小尺寸的高電流控制電路。
權利要求
一種包括MIT(金屬絕緣體轉變)裝置的高電流控制電路，該MIT裝置用于切換向電流驅動裝置輸入或從電流驅動裝置輸出的高電流，該高電流控制電路包括所述MIT裝置，連接到該電流驅動裝置，并且在預定的轉變電壓處經歷突變MIT；以及切換控制晶體管，連接在所述電流驅動裝置和所述MIT裝置之間，并且控制該MIT裝置的開關切換。
2.根據權利要求1的高電流控制電路，其中該MIT裝置與防熱晶體管一起構成MIT-TR 復合裝置，該防熱晶體管防止熱生成并連接到該MIT裝置，并且該防熱晶體管是作為NPN型 雙極性晶體管和PNP型雙極性晶體管之一的雙極性晶體管，或者是作為P-MOS (金屬氧化物 半導體)晶體管、N-MOS晶體管、和C-MOS晶體管之一的MOS晶體管。
3.根據權利要求2的高電流控制電路，其中該防熱晶體管是雙極性晶體管，該MIT裝置的第一電極、該MIT裝置的第二電極、該雙極性晶體管的發射極電極分別連 接到該雙極性晶體管的集電極電極、該雙極性晶體管的基極電極、和地，并且該MIT裝置的第一電極和該雙極性晶體管的集電極電極連接到該電流驅動裝置和該 切換控制晶體管，并且該MIT裝置的第二電極和該雙極性晶體管的基極電極經由用于保護 該MIT裝置的MIT電阻器而連接到地。
4.根據權利要求2的高電流控制電路，其中該防熱晶體管是MOS晶體管，該MIT裝置的第一電極、該MIT裝置的第二電極、和該MOS晶體管的源極電極分別連接 到該MOS晶體管的漏極電極、該MOS晶體管的柵極電極、和地，并且該MIT裝置的第一電極和該MOS晶體管的漏極電極連接到電流驅動裝置和切換控制晶 體管，并且該MIT裝置的第二電極和該MOS晶體管的柵極電極經由用于保護該MIT裝置的 MIT電阻器而連接到地。
5.根據權利要求2的高電流控制電路，其中所述切換控制晶體管是作為NPN型雙極性 晶體管和PNP型雙極性晶體管之一的雙極性晶體管，或者是作為P-MOS晶體管、N-MOS晶體 管、和C-MOS晶體管之一的MOS晶體管。
6.根據權利要求5的高電流控制電路，其中該切換控制晶體管是NPN型雙極性晶體管，并且利用在該電流驅動裝置和該MIT-TR復合裝置之間的公共集電極結構來連接該NPN型 雙極性晶體管，或者利用在該電流驅動裝置和該MIT-TR復合裝置之間的公共發射極結構 來連接NPN型雙極性晶體管。
7.根據權利要求6的高電流控制電路，其中，當利用該公共集電極結構來連接該NPN型 雙極性晶體管時，將該NPN型雙極性晶體管的發射極電極連接到地，并且將用于控制切換 的脈沖功率源連接到該NPN型雙極性晶體管的基極電極。
8.根據權利要求6的高電流控制電路，其中，當利用該公共發射極結構來連接該NPN型 雙極性晶體管時，將該NPN型雙極性晶體管的集電極電極連接到具有預定電壓的電壓源， 并且將用于控制切換的脈沖功率源連接到該NPN型雙極性晶體管的基極電極。
9.根據權利要求7的高電流控制電路，其中具有預定電阻值的電阻器連接在該NPN型 雙極性晶體管的基極電極和該脈沖功率源之間。
10.根據權利要求2的高電流控制電路，其中該防熱晶體管是雙極性晶體管，該MIT裝置的第一電極、該MIT裝置的第二電極、該雙極性晶體管的發射極電極分別連接到該雙極性晶體管的集電極電極、該雙極性晶體管的基極電極、和地，以及該MIT裝置的第一電極和該雙極性晶體管的集電極電極連接到該電流驅動裝置和該 切換控制晶體管，并且該MIT裝置的第二電極和該雙極性晶體管的基極電極經由用于保護 該MIT裝置的MIT電阻器而連接到地；并且其中該切換控制晶體管是NPN型雙極性晶體管，以及利用在該電流驅動裝置和該 MIT-TR復合裝置之間的公共集電極結構來連接該NPN型雙極性晶體管，或者利用在該電流 驅動裝置和該MIT-TR復合裝置之間的公共發射極結構來連接該NPN型雙極性晶體管。
11.根據權利要求2的高電流控制電路，其中該防熱晶體管是MOS晶體管，該MIT裝置的第一電極、該MIT裝置的第二電極、和該MOS晶體管的源極電極分別連接 到該MOS晶體管的漏極電極、該MOS晶體管的柵極電極、和地，以及該MIT裝置的第一電極和該MOS晶體管的漏極電極連接到該電流驅動裝置和該切換控 制晶體管，并且該MIT裝置的第二電極和該MOS晶體管的柵極電極經由用于保護該MIT裝 置的MIT電阻器而連接到地；并且其中該切換控制晶體管是NPN型雙極性晶體管，并且利用在該電流驅動裝置和該 MIT-TR復合裝置之間的公共集電極結構來連接該NPN型雙極性晶體管，或者利用在該電流 驅動裝置和該MIT-TR復合裝置之間的公共發射極結構來連接該NPN型雙極性晶體管。
12.根據權利要求1的高電流控制電路，其中該MIT裝置包括MIT薄膜，該MIT薄膜根 據包括溫度、壓力、電壓、和電磁波的物理屬性的變化而經歷突變MIT。
13.根據權利要求12的高電流控制電路，其中該MIT薄膜由二氧化釩(VO2)形成。
14.根據權利要求2的高電流控制電路，其中將該MIT-TR復合裝置和該切換控制晶體 管集成并封裝為小尺寸芯片。
15.一種高電流控制電路系統，由以陣列結構而整體地排列或布置的多個單位電路所 形成，其中該單位電路中的每一個對應于高電流控制電路，該高電流控制電路包括MIT裝 置、連接到該MIT裝置的防熱晶體管、和連接在該MIT裝置和該防熱晶體管之間的切換控制 晶體管。
16.一種電氣和電子系統，包括根據權利要求1的高電流控制電路。
17.根據權利要求16的電氣和電子系統，其中該MIT裝置與防熱晶體管一起構成 MIT-TR復合裝置，該防熱晶體管防止熱生成并連接到該MIT裝置；并且該電氣和電子系統包括電流驅動系統；蓄電池，用于向該電流驅動系統供應功率；第一 MIT裝置，串聯連接在該電流驅動系統和該蓄電池之間，并且在轉變電壓處經歷 突變MIT ；以及該MIT-TR復合裝置，與該蓄電池并聯連接。
18.根據權利要求17的電氣和電子系統，其中該蓄電池是鋰離子電池，該MIT裝置在預 定臨界溫度或更高溫度處經歷突變MIT，并且當該鋰離子電池的溫度超過該預定臨界溫度 時，該MIT-TR復合裝置對該鋰離子電池的電荷放電，以防止該鋰離子電池的爆炸。
19.根據權利要求18的電氣和電子系統，其中該MIT-TR復合裝置包括用于保護該MIT 裝置的MIT電阻器，并且該防熱晶體管是作為NPN型雙極性晶體管和PNP型雙極性晶體管之一的雙極性晶體 管，或者是作為P-MOS晶體管、N-MOS晶體管、和C-MOS晶體管之一的MOS晶體管。
20.根據權利要求19的電氣和電子系統，其中該防熱晶體管是雙極性晶體管，該MIT裝置的第一電極、該MIT裝置的第二電極、該雙極性晶體管的發射極電極分別連 接到該雙極性晶體管的集電極電極、該雙極性晶體管的基極電極、和地，并且該MIT裝置的第一電極和該雙極性晶體管的集電極電極連接到該蓄電池和該第一 MIT 裝置，并且該MIT裝置的第二電極和該雙極性晶體管的基極電極經由該MIT電阻器而連接 到地。
21.根據權利要求16的電氣和電子系統，其中該MIT裝置與防熱晶體管一起構成 MIT-TR復合裝置，該防熱晶體管防止熱生成并連接到該MIT裝置；以及該電氣和電子系統包括電流驅動系統；蓄電池，用于向該電流驅動系統供應功率；PTC(正溫度系數)裝置，串聯連接在該電流驅動系統和該蓄電池之間，并且阻斷到該 電流驅動系統的過電流；以及該MIT-TR復合裝置與該蓄電池并聯連接。
22.根據權利要求21的電氣和電子系統，其中該MIT裝置在臨界溫度或更高溫度處 經歷突變MIT，該PTC裝置在臨界溫度上阻斷電流，并且當該蓄電池的溫度超過該臨界溫度 時，該PTC裝置阻斷到電流驅動系統的電流供應，并且該MIT-TR復合裝置對該蓄電池的電 荷放電，由此防止該蓄電池的爆炸。
23.根據權利要求16的電氣和電子系統，其中該電氣和電子系統對應于包括需要電流 控制的移動電話、筆記本計算機、開關電源、和電動機控制控制器的系統。
全文摘要
提供了一種包括金屬絕緣體轉變(MIT)裝置(100)的高電流控制電路、和包括該高電流控制電路的系統，使得可以通過小尺寸的高電流控制電路來控制和切換高電流，并且可以解決熱生成問題。該高電流控制電路包括MIT裝置，連接到電流驅動裝置(500)，并且在預定的轉變電壓處經歷突變MIT；以及切換控制晶體管(400)，連接在該電流驅動裝置和該MIT裝置之間，并且控制該MIT裝置的開關切換。通過包括該金屬絕緣體轉變(MIT)裝置，該高電流控制電路切換向該電流驅動裝置輸入或從該電流驅動裝置輸出的高電流。同樣，該MIT裝置與防熱晶體管一起構成MIT-TR復合裝置(1000)，該防熱晶體管防止熱生成并連接到該MIT裝置。
文檔編號H01L49/00GK101960593SQ200980106941
公開日2011年1月26日 申請日期2009年2月27日 優先權日2008年2月28日
發明者尹善真, 金俸準, 金鉉卓 申請人:韓國電子通信研究院