晶體管體控制電路和集成電路的制作方法
【專利摘要】公開了晶體管體控制電路和集成電路。集成電路包括用于控制雙向功率晶體管的體的晶體管體控制電路。所述晶體管體控制電路包括可連接到體端子和第一電流端子之間的開關，其具有用于控制流動通過所述開關的電流的控制端子。所述開關的所述控制端子被連接到交流AC電容性分壓器。所述AC電容性分壓器被連接到所述控制終并且被布置成控制所述開關，以根據所述第一電流端子和所述第二電流端子之間的電壓來切換所述體端子的電壓。所述集成電路還包括被連接到所述晶體管體控制電路的雙向功率晶體管。
【專利說明】
晶體管體控制電路和集成電路
技術領域
[0001 ]本發明涉及晶體管體控制電路和集成電路。
【背景技術】
[0002] 雙向開關切換通過其傳傳導極的高電流，同時阻止施加到傳傳導極的高電壓。雙 向開關被用于各種電氣系統。規定典型的雙向開關指定用于提供高電流，其范圍可以從幾 安培的最大電流至數百安培，這取決于特定切換和應用，同時阻止相對高的電壓，例如至少 25V電壓而不擊穿。
[0003] 雙向開關通常使用機電開關或例如功率晶體管的半導體器件配置來實現。然而， 標準功率晶體管在一個方向上沒有技術上有意義的阻斷電壓，從而使得它們成為單向器 件。因此，當前雙向開關通常使用兩個分離串聯耦合的功率MOSFET來實現。分離MOSFET在分 離半導體管芯上形成，并且經常被容納于分離封裝內，這導致了高制造成本并且在電路板 上占用的大面積。當分離MOSFET管芯位于單個封裝并與引線接合互連時，在電路板上占用 的面積將減小，但對于許多應用來說制造成本仍然過高。
[0004] 美國專利7282406,7297603,7537970,7910409,8101969 和 8530284 都公開了具有 在相同電路上集成的若干不同晶體管的集成電路，包括用于電池充電保護的P溝道雙向溝 槽功率晶體管。該晶體管包括兩個垂直溝槽，其中體存在于所述垂直溝槽之間。體通過高電 壓區與該體上方和下方的載流電極隔開，所述高電壓區具有比電極摻雜濃度低的摻雜濃 度。然而，這種雙向溝槽功率晶體管具有由體和高電壓區所形成的固有寄生雙極晶體管。此 外，它不適合使用高電壓的操作（例如，至少20或更高，例如高達40V或更高）和/或高電流 (例如尚于1mA，尚達IA或更尚）。
[0005] 美國專利8101969公開了一種體偏置開關，其包括并聯連接到雙向溝槽功率晶體 管的native (原生)二極管的兩個MOSFET JOSFET與雙向溝槽功率晶體管被集成在相同的管 芯。當（漏極電壓和源極電壓當中）漏極電壓是最高電壓時，體被引用到源極電壓，以及反之 亦然，當源電壓是最高電壓時，體被引用到漏極電壓。然而，由于MOSFET的柵極被直接分別 直接連接到漏極和源極，所以該偏置開關帶有使MOSFET過壓損壞的風險。因此，在雙向晶體 管的最大漏極-源極電壓超過MOSFET的擊穿電壓的情況下，后者風險不可逆轉地進行損壞。
【發明內容】
[0006] 正如隨附權利要求中所描述的，本發明提供了晶體管體控制電路和集成電路。
[0007] 本發明的特定實施例在從屬權利要求中被陳述。
[0008] 根據下文中描述的實施例，本發明的這些或其它方面將會很明顯并且被闡述。
【附圖說明】
[0009] 根據附圖，僅僅通過舉例的方式，本發明的進一步細節、方面和實施例將被描述。 在附圖中，相似的參考符號被用于表示相同或功能相似的元素。為了簡便以及清晰，附圖中 的元素不一定按比例繪制。
[0010]圖1示意性地顯示了雙向功率晶體管的一個實施例的一個例子的截面圖。
[0011] 圖2顯示了適合于圖1例子的晶體管體控制電路的第一例子的電路圖。
[0012] 圖3顯示了適合于圖1例子的晶體管體控制電路的第二例子的電路圖。
[0013] 圖4顯示了適合于圖1例子的晶體管體控制電路的第三例子的電路圖。
[0014] 圖5顯示了包括了功率晶體管和晶體管體控制電路的集成電路的一個例子的圖 表。
[0015] 圖6顯示了說明了不具有晶體管體控制電路的雙向功率晶體管的模擬電流-電壓 特性的圖表。
[0016] 圖7顯示了說明了具有晶體管體控制電路的雙向功率晶體管的模擬電流-電壓特 性的圖表。
【具體實施方式】
[0017] 由于本發明說明的實施例可能大部分是通過使用本領域所屬技術人員所熟知的 電子元件和電路被實施，為了對本發明基本概念的理解以及認識不混淆或偏離本發明所教 之內容，細節不會在比上述所說明的認為有必要的程度大的任何程度上進行解釋。
[0018] 圖1顯示了雙向功率晶體管100的一個例子。圖1所示的功率晶體管100是雙向晶體 管，正如在下面更詳細解釋的，它可以支持高能量，即源自源極朝向漏以及反之亦然的高電 流和/或高電壓。功率晶體管例如可以具有大于IA的電流最大值，例如IOA或更大，例如100A 或更大，例如至少200A，和/或至少25V的正漏極-源極擊穿電壓，例如50V或更大，以及至少 25V的負漏極-源極擊穿電壓，例如30V或更大，例如50V或更大，例如100V或更大，例如300V 或更大。
[0019] 圖2-4顯示了適合于切換體103的電路。正如使用圖6和7中的IV特征所說明的，漏 極到源極方向中的擊穿電壓表示為BVdss，相反方向表示為BVr，當體103被主動地切換到源 極或漏極電壓時，相比于電位浮動的體，雙向晶體管將在兩個方向表現出更高的擊穿電壓。 這在環境溫度(25攝氏度)時都可觀察到并且在升高的溫度（175攝氏度）時變得更加顯著。 因此，晶體管體控制電路允許改善擊穿電壓。
[0020]圖2-4所示的晶體管體控制電路包括第一和第二開關Ml，M2,例如場效應晶體管， 其在切換模式中操作并且可連接在體端子B和雙向功率晶體管的第一、第二電流端子D，S中 相應端子之間。流動開關Ml，M2的電流可以通過例如開關Ml，M2的柵極的相應控制端子來控 制。第一開關的控制端子被連接到第一交流電流或瞬態(下文稱為AC)電容性分壓器210并 且第二開關的控制端子被連接到第二AC電容性分壓器22(LAC電容性分壓器210,220被連接 到晶體管的電流端子D，S，正如所示，AC電容性分壓器210，220被連接在電路200的相應接觸 件201，203之間，其中該接觸件可連接到電流端子D，S。當在操作中，AC電容性分壓器210， 220根據第一電流端子和第二電流端子之間電壓，控制開關Ml，M2,以將體端子的電壓切換 到第一電流端子或第二電流端子。因為在開關M1，M2的控制端子處，所施加的電壓僅僅是電 流端子D，S之間電壓一小部分，所以AC電容性分壓器降低了開關Ml，M2被施加到電流端子D， S的過高電壓所損壞的風險。
[0021]返回參照圖1，其中顯示的雙向功率晶體管的例子包括第一電流端子105(例如漏 極），和第二電流端子101(例如源極）。經過第一漂移區104、體103和第二漂移區102,在第一 電流端子105和第二電流端子101之間存在電通路。通過給電極B，D，G，Sh和S施加合適信號 和功率，該電通路可選擇性地被啟用或禁用，以允許電流在第一方向（例如從第一電流端子 到第二電流端子)流動，或在相反于第一方向的第二方向中流動，其中所述電極B，D，G，Sh和 S被連接到功率晶體管的部件101、103、105、107、108。
[0022]功率晶體管100包括第一電流電極，例如在本例子中的漏極電極D，它被連接到功 率晶體管100的第一電流端子105，例如漏極。第二電流電極S，例如源極電極，被連接到如圖 所示的功率晶體管的第二電流端子101，例如源極。柵極或控制電極G被連接到功率晶體管 100的控制端子，例如柵極108。如圖1中的例子所示，半導體產品還包括可連接到外部電源 以及功率晶體管100的體103的體電極B。提供了分離屏蔽電極Sh，經由分離屏蔽電極Sh，屏 蔽板107的電壓可以與其它電極的電壓和/或電流分離地被控制。然而，第二電流電極S替代 地可以連接到每個功率晶體管100的屏蔽板107，正如圖1中虛線所表示的，因此屏蔽板的電 壓耦合于第二電流端子。
[0023]在圖1中，顯示了截面圖以解釋雙向功率晶體管的雙向操作，但是很明顯該晶體管 具有伸長的類似指狀件的形狀，并且不同的電極可能連接到適合于特定實施方案的指狀件 的位置處的相應元件，并且不一定在圖1中所示的部分處，例如體103可以在指狀件的相對 端處被連接到體電極B，源極101在指狀件的相對端處被連接到源極電極S，以及在指狀件中 間的位置等等。
[0024]很明顯，圖1只顯示了單一晶體管或"單元"，并且實際的半導體產品可以包括多個 這些單元的布置。根據特定實施方案，該產品可以包括合適布置(例如，2維矩陣)的數十，數 百，數千或更多的單元并且并聯連接，以形成單一功率晶體管器件。該產品例如可以根據申 請人的共同未決的國際專利申請PCT/IB2013/002209來實施，其全部內容通過引用的方式 并入到此處。在該產品包含多個單元的情況下，每個不同的單元的端子可以被連接到電極， 以允許不同的單元被同時控制，從而通過層堆疊而從第一電流端子101到第二電流端子105 傳傳導流，反之亦然。半導體產品中存在的每個電極或饋送B，D，G，Sh和S可連接到外部電 路，例如電源或控制邏輯電路，圖中未顯示。電極和饋送以及外部電路之間的連接可以以任 何常規方式提供，所以沒有進一步詳細描述。
[0025] 功率晶體管100可用于控制電流流動。所示的功率晶體管例子例如可以用于下述 描述的操作功率晶體管的方法，雖然很明顯其它類型的雙向功率晶體管也可用于執行這樣 的方法并且所述功率晶體管可以用于其它方法。功率晶體管在第一方向或第二方（即雙向） 中間歇地操作。雙向功率晶體管可以是對稱的，其中正的和負的擊穿電壓具有相同絕對值， 或者是不對稱的，其中具有不同的值，這取決于特定實施方案。例如，取決于特定實施方案， 第一和/或第二漂移區的厚度可被調整，以獲得用于特定實施方案的擊穿電壓。對于非對稱 的晶體管，已經發現合適的正擊穿電壓處于負擊穿電壓的1.5倍與2倍之間，例如對于25V的 負擊穿電壓，正擊穿電壓是45V。
[0026] 現在將使用η型功率晶體管的例子，在操作中描述功率晶體管100的雙向性質。在 第一方向以及涉及接通功率晶體管100的情況下，正電壓（相對于源極)可以被施加到漏極 電極D。體電極B可以被連接到源極電極S，以便將體103電耦合于晶體管100的源極101，正如 參照圖2-4中所示的電路操作在下面更詳細解釋。隨后可以給屏蔽板提供比漏極電極低的 電壓(例如，如果漏極電極處于正電壓，則為OV或為源極電壓）以便為柵極屏蔽了施加給漏 極電極D的電壓。通過由外部柵極驅動器電路(未顯示)給柵極電極G施加正柵極-源極偏置 電壓，Vgs>0V，在位于體103與提供有柵極108的第一和第二溝槽106之間的界面處通過柵極 電介質導致了耗盡場效應。當柵極偏置電壓超過閾值電壓Vth時，沿著溝槽106和體103的界 面形成反轉傳導η層，它使從源極101注入的多數載流子導通并被漏極105收集。
[0027] 在關閉狀態，正電壓可以施加到漏極105。體103仍然可以電聯結到源極，因此受到 源極電位的影響。柵極偏置電壓可以被設置為最低電位，例如Vgs = 0V。第一耗盡層可以圍 繞由體103和第一漂移區104的界面形成的底部p-n結來形成。通過增加漏極-源極偏置電壓 Vds，耗盡層的第一空間電荷區可以增加到第一漂移區104的低摻雜底部部分。該區內的電 場從而增加并且當達到臨界場時，可以觀察到載流子碰撞電離的雪崩現象，從而導致上面 提到的反向偏置結的擊穿。
[0028] 在第二方向以及涉及開啟狀態的情況下，體電極可以被設置成使得漏極電位耦合 于體103,正如參照圖2-4中所示的電路操作在下面更詳細解釋。正電壓可以被施加到源極 101。在第二方向中，正偏置電壓，例如源極電壓，可以被提供給屏蔽板和相對于漏極105偏 置的柵極。這允許減少至少一部分第一漂移區104中的電場，從而相應地增加擊穿電壓。
[0029] 正柵極偏置電壓，Vgd>0V可以由外部柵極驅動器電路施加到柵極，從而導致耗盡 場效應沿著溝槽106的內側壁通過柵極電介質進入體。當柵極偏置電壓超過閾值電壓Vth 時，反轉傳導層可以沿著溝槽電介質和體的界面形成，它使從襯底102注入的多數載流子導 通并被源極101收集。
[0030] 在關閉狀態，正電壓可以施加到源極101。體103仍然可以電聯結到漏極的電位。柵 極-漏極偏置電壓Vgd可以設置為最低電位，即，Vgd = 0V。可以圍繞由體和第二漂移區102的 界面形成的頂部p-n結來形成第二耗盡層。通過增加漏極-源極偏置電壓VscU耗盡層的第二 空間電荷區可以增加到第二漂移區102的低摻雜頂部部分。該區內的電場從而增加并且當 達到臨界場時，可以觀察到載流子碰撞電離的雪崩現象，從而導致上面提到的反向偏置結 的擊穿，從而實施阻斷電壓。
[0031 ]在圖1的例子中，第一電流端子105在晶片襯底上形成。在襯底的底部(也被稱為背 偵D上，提供了金屬層110,其構成第一電流端子105的電極并且允許將第一電流端子105連 接到外部電壓或電流供應源。在襯底的頂側上提供合適圖案化和結構化的層堆疊，并且功 率晶體管100的其它部件例如通過諸如將堆疊連續圖案化、摻雜、沉積、蝕刻等等的工藝形 成。層堆疊的頂表面合適電介質材料的鈍化層109覆蓋。鈍化層109為功率晶體管100的其余 部分屏蔽了環境影響，例如氧化或其它方面。
[0032]層堆疊可以以適合于特定實施方案的任何方式來實現。在所示例子中，層堆疊102 包括第一傳導類型的基底材料的主體層(bulk layer)，其中多數電荷載流子的濃度等于第 一漂移區或第二漂移區的濃度。所述主體層上提供有一個或多個摻雜層，在其中摻雜不同 于基底材料，例如在傳導類型和/或多數電荷載流子的濃度方面。因此，在本例子中，層堆疊 102的層由相同的基底材料形成。所述主體層內的摻雜層例如可以包括下述組中的一個或 多個，所述組包括:體存在的第二傳導類型的埋層;第一傳導型的源極層，其中多數電荷載 流子的濃度比基底材料并且在其中存在第二電流端子，源極層通過存在第二漂移層的基底 材料的漂移層而與埋層分離;第一傳導型的漏極層，其中多數電荷載流子的濃度比基底材 料高并且在其中存在第一電流端子，漏極層通過存在第一漂移區的基底材料的漂移層與埋 層分離。然而，替代地，層堆疊可以包括不同基底材料的多個不同的層，例如在制造功率晶 體管的連續階段期間單獨地生長在彼此頂部上。
[0033] 在圖1例子中，在堆疊102中存在垂直溝槽106,柵極被埋在其中，并且雙向功率晶 體管是雙向垂直溝槽場效應功率晶體管。在垂直方向上，每個垂直溝槽106從堆疊的頂層朝 向第一電流端子105延伸。在橫向方向上，功率晶體管由垂直溝槽限定。在下文中，最接近并 且面朝向體103的溝槽106的垂直側壁被稱為內側壁，并且面朝向遠離體的垂直側壁被稱為 外側壁。垂直溝槽106的內側壁橫向地限制電流，從而形成電流通路的橫向邊界。
[0034] 在所示例子中，第一和第二垂直溝槽106中的每個包括位于垂直溝槽106的第一部 分內的柵極電極108。柵極電極108通過柵極電介質與體103電隔離，在該例子中，柵極電介 質是通過作為溝槽的第一部分內的內側壁襯里的柵極電介質層形成的。柵電極108耦合于 體103,并且當合適電壓例如通過柵極電極被施加到柵極時，垂直傳導溝道在體103中形成。 當第一電流端子105位于相對于第二電流端子101的正電壓時，電流可以通過垂直溝道從第 一漂移區104向第二漂移區102流動，或當第二電流端子101位于相對于第一電流端子105的 正電壓時，反之亦然。
[0035]第一和第二垂直溝槽106在垂直方向上從第一漂移區104的上邊界之外的頂層延 伸，并且在平行于襯底頂表面的橫向方向上電隔離，并限定了第一漂移區104。由此，可以減 少晶體管100的意外擊穿的風險。在不束縛于理論的情況下，認為意外擊穿可以由其它功率 晶體管(例如相鄰單元)或器件中的電壓和/或電流事件導致。此外，認為通過在橫向方向上 隔離第一漂移區104,切換速度可以增加，這是由于當斷開時，即只有位于第一和第二垂直 溝槽106之間的那些區而不是整個漂移區時，柵極-漏極電容大幅度降低并且更少的電荷載 流子需要重組。
[0036] 垂直溝槽106還包括屏蔽板107。當電壓屏蔽板107相對于第一極性的第一電流端 子105的電壓被偏置時，屏蔽板107能夠在第一漂移區104中生成垂直積累層，例如，沿著溝 槽的內側壁，在第一漂移區104和垂直溝槽106之間的界面處。例如，在第一電流端子是η摻 雜半導體材料的情況下，當屏蔽板107被足夠正偏置時，可以生成積累層。在第一電流端子 是P摻雜半導體材料的情況下，當屏蔽板107被足夠負偏置時，可以生成積累層。在所示例子 中，在垂直方向上，積累層將通過整個第一漂移區而從體區103的底部界限延伸達到第一電 流端子105。因此，位于體和第一電流端子之間的傳導通路105可以以相對快速的方式建立。 然而，根據特定實施方案，在垂直方向上，積累層僅通過第一漂移區104的一部分延伸，例如 與體或第一電流端子間隔開。當屏蔽板相對于第二極性的第一電流端子被偏置時，體屏蔽 板107可以進一步局部減少一部分第一漂移區中的電場密度。例如，在第一電流端子是η摻 雜半導體材料的情況下，當屏蔽板107被足夠負偏置時，可獲得所述減少。例如，在第一電流 端子是η摻雜半導體材料的情況下，當屏蔽板107被足夠負偏置時，可獲得所述減少。因此， 由于第一漂移區中的過高電場能夠避免，所以意外擊穿可以降低，同時切換速度能夠改進， 這是因為通過創建積累層，通過漂移區的電流通路能夠更迅速地啟用。
[0037] 在所示示例中，屏蔽板107位于溝槽100的下部。該下部比第一部分更靠近第一電 流端子105。在該例子中，屏蔽板107是通過垂直溝槽106附加到第一漂移區104的橫向隔離。 然而，應當很明顯，屏蔽板107可以在沒有第一漂移區104的橫向隔離情況下被使用，并且第 一漂移區的橫向隔離可以在沒有屏蔽板情況下被使用。
[0038] 第一漂移區104和第二漂移區102可以以適合于特定實施方案的任何方式來實現。 第一和第二漂移區可以是具有第一類型多數電荷載流子的第一傳導類型，而體是具有與第 一類型相反的第二類型多數電荷載流子的第二傳導類型。例如，漂移區可以是η型半導體而 體是P型，或者反之亦然。
[0039] 在圖1例子中，第一漂移區104在橫向方向上在垂直溝槽之間延伸并且被垂直溝槽 106的內側壁限定。在垂直方向上，第一漂移區從體103的底部延伸直到襯底120的頂表面。 已發現厚度的合適下限為2微米或更大，例如5微米或更大，例如10微米或更大，并且合適上 限為10微米或更小，例如5微米或更小，例如2微米或更小。漂移區例如可以是單晶，并且通 過外延工藝在襯底上生長。漂移區可以與第一電流端子105是相同的材料，例如，Si，但具有 較低摻雜濃度。已發現合適摻雜劑為P或As，具有電阻率0.05歐姆*厘米或更大，例如0.1歐 姆*厘米或更大，例如0.2歐姆*厘米或更大。已發現合適上限為電阻率1歐姆*厘米或更小。 已發現特別有效電阻率平均為0.2歐姆*厘米，但是很明顯，取決于晶體管的所需擊穿電壓 以及整個漂移的摻雜濃度并不需要均勻，其它值也可以使用。
[0040] 正如在例子中，第二漂移區102可以具有與第一漂移區104基本相同的特性。在該 例子中，第二漂移區的厚度比第一漂移區的要少得多，但該厚度可以或多或少相同，取決于 雙向功率晶體管的所需擊穿電壓。已發現合適厚度為1微米或更大，例如1.5微米。
[0041] 第一電流端子105和第二電流端子101可以以適合于特定實施方案的任何方式來 實現。在該例子中，在朝向第一電流端子105的堆疊頂部的垂直方向上，第一電流端子105位 于第二電流端子101下面。在所示的例子中，第一和第二電流端子101，105與漂移區102,104 具有相同的第一傳導類型并且與體103的傳導類型相反。第一電流端子105中的多數電荷載 流子的濃度比第一漂移區104內高。第二電流端子101中的多數電荷載流子的濃度比第二漂 移區102內高。電流端子例如可以被摻雜或以其它方式提供有電阻率，該電阻率比漂移區的 電阻率至少小1個數量級。
[0042] 在該例子中，第一電流端子105是提供有與第一漂移區211相同類型的摻雜劑(例 如η型摻雜或p型摻雜)但是有更高濃度的半導體材料。這使得相比于第一漂移區104,第一 電流端子105是高度傳導的。例如，摻雜濃度可以比漂移區內的至少高2.5個數量級，已發現 3個數量級或跟大是特別有效的。第一電流端子105可以是任何合適類型的襯底，例如具有〈 1〇〇>取向的單-晶Si襯底，并且摻雜有合適摻雜劑，例如在N摻雜電流端子的情況下是砷 (As)，以獲得小于ImiIli 0hm/com(毫歐姆/com)的電阻率，例如小于0.005歐姆/厘米，例如 0.03歐姆*厘米或更小。
[0043] 第二電流端子101可以以適合于特定實施方案的任何方式來實現，并且與第一電 流端子105的結構類似，但是在傳導率和摻雜濃度方面不同，例如有具有高出1個數量級的 摻雜濃度。在該例子中，第二電流端子101被形成為在橫向方向上在溝槽106的內側壁之間 以及在垂直方向上在第二漂移層102和層堆疊的頂表面(在該例子中被鈍化層109覆蓋)之 間層的頂層區域。然而，取決于特定實施，第二電流端子101可以被實施在頂層之上，例如通 過在層堆疊上在垂直溝槽106內側壁之間的橫向方向上的區域內局部形成或沉積合適材 料。
[0044] 體103可以以適合于特定實施方案的任何方式來實現。在所示示例中，體是在橫向 方向上由垂直溝槽106的內側壁限定以及在垂直方向上被限定在由第二漂移區的底部以及 第一漂移區的頂部之間。體103在垂直溝槽106之間橫向延伸。體103在第一電流端子105和 第二電流端子101之間垂直延伸。由此在垂直方向上，第一漂移區104在體103和第一電流端 子105之間延伸，而在垂直方向上，第二漂移區102在體103和第二電流端子101之間延伸。體 例如可以由摻雜有合適摻雜劑(例如，如果電流端子101，105是η型，則為p型摻雜劑)的半導 體材料，例如，Si形成。已發現合適摻雜劑為硼，例如Bn。已發現合適濃度為比第一電流端子 105的濃度小2個數量級。
[0045] 如上所述，如果體103的電壓被主動地控制，而不是浮動，那么擊穿電壓就增加。參 照圖2-4中所示的體控制電路的例子，開關Ml，M2由AC電容性分壓器控制，使得當是一個是 打開時，另一個是閉合的，并且相應地體1〇3(當電路被連接到雙向功率晶體管)被設置為第 一電流端子的電壓或第二電流端子的電壓，更具體地設置到第一或第二電流端子的最低電 壓。
[0046] 參照圖2的例子，通過使用相應地包括至少兩個電容器(：1，02;03,04的鏈210,220 的AC電容性分壓器，體103例如可以被切換。所述鏈的一端可以被連接到接觸件201，203中 的相應一個，以分別接收第一電流端子105和第二端子101的電壓。所述鏈的另一端可以被 連接到相應開關Ml，M2的控制端子以設置到該的電壓，從而控制開關狀態為導通（閉合)或 非導通(打開）。節點的電壓是接觸件201，203之間電壓的分數并且通過選擇合適的電容比 (即在該例子中，是C1/C2和C3/C4的合適的值），如果在接觸件201處的電壓相對于接觸件 203的電壓為正時，開關Ml可以隨后被切換到例如閉合，并且如果在接觸件201處的電壓相 對于接觸件203的電壓為負時，被切換到打開。同樣，如果在接觸件201處的電壓相對于接觸 件203的電壓為正時，開關M2可以隨后被切換到例如打開，并且如果在接觸件201處的電壓 相對于接觸件203的電壓為負時，被切換到閉合。
[0047] 參照圖3的例子，AC電容性分壓器210,220可能都包括可連接到晶體管的相應電流 端子的串聯連接的電阻器Rl，R2和至少兩個串聯連接的電容性元件。電容性元件之間的節 點可以被連接到控制端子，并形成分配電壓節點。
[0048] AC電容性分壓器210,220所連接的開關Ml，M2的電容性部分可以用作AC電容性電 壓的電容性元件。在該例子中，開關Ml，M2是場效應晶體管（（FET)，在該例子中是在耗盡模 式中操作的η型，并且FET的柵極和體之間的固有電容被用作分壓器的電容性元件，所述分 壓器位于（在該例子中）源極接觸件203和用于第一開關Ml的分配電壓節點之間，以及位于 漏極接觸件201和用于第二開關Ml的分配電壓節點之間。由此，避免了在該電路中需要附加 電容性元件，當它被實現為集成電路時，因為電容器占據了相對大量的管芯表面，這尤其允 許減小電路的尺寸。
[0049] 圖4例子中的AC電容性分壓器在還具有被用作另一個電容性元件的二極管D1，D2。 該二極管通過其陰極被連接到電阻器Rl，R2以及通過其陽極被連接到分配電壓節點。因此， 當連接到第二開關M2的二極管Dl處于反向時，即在源極接觸件203的電壓為高時，第二開關 M2的柵極將接收分配電壓Vg2，所述Vg2與柵極電容和二極管電容之比成比例，更確切地說：
[0050]
[0051] 其中Vciut為功率晶體管的漏極和源極之間的電壓（即電源電壓0)并且
I晶體 管輸入電容或第二晶體管M2&
,當二極管Dl處于正向模式時（即源極接觸件203 的電壓為低），二極管的電容是高的，并且柵極將接收低于閾值電壓的電壓。在這方面，應注 意。處于反向的二極管電容主要是結電容，而處于正向模式時，二極管電容是高的，因為由 于耗盡層變窄并且高得多的擴散電容被添加到這里，所以該結電容增加。因此，AC電容性分 壓器具有的分配比率取決于電源電壓的極性而變化。
[0052]相對于漏極接觸件201，第一開關Ml以相似的方式操作，這取決于二極管D2的模式 (正向或反向）。因此，當連接到第一開關Ml的二極管D2處于反向時，即漏極接觸件201的電 壓是高的時，第一開關Ml的柵極將接收與柵極電容和二極管電容Cd2之比成比例，更確 切地說：
[0053]
[0054]其中，上標1表示第一開關Ml。當二極管D2處于正向模式時（即漏極接觸件201的電 壓是低的），二極管的電容是高的，并且柵極將接收低于閾值電壓的電壓。
[0055]很明顯，二極管Dl，D2的電容的合適值可以被設置，以選擇二極管的合適尺寸。在 實際例子中，在擊穿電壓大致相似于圖7的情況下，當功率晶體管具有大約45V的漏極-源極 擊穿電壓BVdss時，二極管D2具有大約35V的擊穿電壓BV，而對于大約30V的反向擊穿電壓 BVr，二極管Dl具有17V的BV，該二極管D2和二極管Dl已經顯示出有效地保護了開關Ml，M2， 同時避免二極管擊穿。
[0056]參照圖4，晶體管體控制電路200還可以包括鉗位電路230，用于將開關Ml，M2的控 制端子相對于體端子B鉗位到低于控制端子的擊穿電壓。在圖4的例子中，鉗位電路230包括 齊納二極管Zl，Z2,所述齊納二極管Zl，Z2通過其陽極彼此連接，而通過陰極連接到開關Ml， M2中的相應一個。齊納二極管Zl，Z2將開關Ml，M2的控制端子相對于其陽極鉗位，而齊納二 極管Zl，Z2的陽極轉而通過二極管D3相對于體接觸件202被鉗位，其中二極管D3的陰極被連 接到體接觸件，而陽極被連接到齊納二極管的陽極。齊納二極管的擊穿電壓加上二極管D3 的正向電壓被選擇為低于開關Ml，M2的擊穿電壓，即在開關是低于柵極氧化物擊穿電壓 BVox的FET的情況下。例如，當柵極氧化物擊穿電壓BVox是8V時，鉗位電壓可以是5V。
[0057]另外，通過下拉電阻器R3，R4，開關Ml，M2的控制端子被連接到體接觸件202，這防 止了控制端子的電壓浮動，從而確保開關始終處于所限定的狀態。
[0058]現在參照圖5，集成電路240的例子包括雙向功率晶體管和晶體管體控制電路。在 本例子中，晶體管體控制電路如4圖所實現。然而，很明顯集成電路可能使用另一種類型的 晶體管體控制電路，例如圖2或3中的那些。為了簡單起見，只顯示了單一的雙向功率晶體 管，但很明顯，這可能包括被連接以作為單一功率晶體管操作的多個功率晶體管單元的布 置。如圖5所示，雙向功率晶體管具有能夠經由柵極G被打開或閉合的晶體管T和固有二極 管，所述固有二極管的公共陽極連接電流端子，并且它們的陽極連接到晶體管的體。晶體管 T的體通過體端子B連接到體控制電路的體接觸件202,通過第一電流或漏極端子D連接到漏 極接觸件201和IC接觸管腳243,從而允許第一電流端子被連接到外部電源或信號源。晶體 管的第二電流或源極端子S被連接到控制電路的源極接觸件203和IC接管腳244,從而允許 第二電流端子被連接到例如被功率晶體管1 〇〇所驅動的負載。
[0059]其中所示的集成電路240包括兩個在其上提供有相應電路的塊241，242,更具體地 包括在其上提供有雙向功率晶體管的功率管芯242,以及在其上提供有控制雙向功率晶體 管的控制電路的控制管芯241。在這個例子中，只有體控制電路被顯示在控制管芯241上，但 其它控制電路也可以存在，例如在特定條件例如過載、過溫度、短路等等變得活動并且控制 雙向功率晶體管在避免永久性損壞晶體管的狀態下操作的控制電路。AC電容性分壓器允許 使用控制管芯，它具有的最大柵極-源極電壓低于在兩個方向上跨越功率晶體管的源極-漏 極的最大電壓，同時避免了損壞開關Ml，M2的風險，從而相應地實現對控制管芯241的特性 的各種各樣的選擇。
[0060] 在前面的說明中，參照本發明實施例的特定例子已經對本發明進行了描述。然而， 很明顯各種修改和變化可以在不脫離附屬權利要求中所陳述的本發明的寬范圍精神及范 圍的情況下被做出。
[0061] 例如，垂直溝槽106可以以適合于特定實施的任何方式來實現，并且具有任何合適 的形狀、大小和配置。例如，溝槽可以沒有屏蔽板或者溝槽可以提供有更多屏蔽板，例如在 柵極上方提供有屏蔽板。此外，在圖1的三個例子中，第一和第二垂直溝槽106是非常深的溝 槽，其從層堆疊的頂部延伸到第一電流端子105,即在該例子中的襯底。然而，垂直溝槽可以 不那么深，例如延伸直到第一電流端子105的頂表面，例如溝槽的底部，接觸提供有層堆疊 的襯底。同樣，垂直溝槽可以在第一電流端子105稍微靠上的地方終止，例如在比垂直漂移 層106的中部更靠近襯底頂表面的垂直位置，或者數學表達為dtrenchM). 75ddrift，其中 dtrench表示漂移區內溝槽的深度，ddrift表示漂移區內的垂直厚度。此外，垂直溝槽例如 可以以任何合適的方式用電極和電介質填充。
[0062] 此外，本發明所描述的半導體襯底可以是任何半導體材料或材料的組合，例如砷 化鎵、硅鍺、硅、單晶硅等等，以及上面的組合。
[0063]而且，在描述和權利要求中的術語"前面"、"后面"、"頂部"、"底部"、"上面"、"下 面"等等，如果有的話，是用于描述性的目的并且不一定用于描述永久性的相對位置。應了 解術語的這種用法在合適的情況下是可以互換的以便本發明所描述的實施例例如，能夠在 其它方向而不是本發明所說明的或在其它方面進行操作。例如，圖1所示的晶體管可以用于 相對于附圖中所示是倒立或旋轉的位置，其中不影響其操作。
[0064] 又如，在一個實施例中，說明的例子可以被作為位于單一集成電路上的電路或在 相同器件內的電路被實現。例如，圖4例子中的功率管芯242和控制管芯241可以被實現為單 一集成電路封裝中的分離塊，使用例如接合線或其它連接技術被連接。或者，所述例子可以 作為任何數量的分離集成電路或以合適的方式彼此互連的分離器件被實現。例如，控制管 芯241上的控制電路可以被提供在集成電路封裝之外，其中功率管芯242位于該封裝內，或 者控制電路包括至少兩個分離組件，例如安裝在印刷電路板內的組件。
[0065] 然而，其它修改、變化和替代也是可能的。說明書和附圖相應地被認為是從說明性 的而不是嚴格意義上來講的。
[0066] 在權利要求中，放置在括號之間的任何參考符號不得被解釋為限定權利要求。單 詞"包括"不排除其它元素或隨后在權力要求中列出的那些步驟的存在。此外，本發明所用 的"a"或"an"被限定為一個或多個。并且，在權利要求中所用詞語如"至少一個"以及"一個 或多個"不應該被解釋以暗示通過不定冠詞"a"或"an"引入的其它權利要求元素限定任何 其它特定權利要求。所述特定權利要求包括這些所介紹的對發明的權利元素，所述權利元 素不僅僅包括一個這樣的元素。即使當相同權利要求中包括介紹性短語"一個或多個"或 "至少一個"以及不定冠詞，例如"a"或"an"。使用定冠詞也是如此。除非另有說明，使用術語 如"第一"以及"第二"是用于任意差分這些術語描述的元素的。因此，這些術語不一定表示 時間或這些元素的其它優先次序。某些措施在相互不同的權利要求中被列舉的事實并且不 表示這些措施的組合不能被用于獲取優勢。
【主權項】
1. 一種用于控制雙向功率晶體管的體的晶體管體控制電路，包括： 第一開關，所述第一開關可連接在所述雙向功率晶體管的體端子和第一電流端子之 間，包括用于控制流動通過所述第一開關的電流的控制端子； 第二開關，所述第二開關可連接在所述雙向功率晶體管的所述體端子和第二電流端子 之間，包括用于控制流動通過所述第二開關的電流的控制端子； 所述第一開關的所述控制端子被連接到第一交流電流AC電容性分壓器，以及所述第二 開關的所述控制端子被連接到第二AC電容性分壓器;所述AC電容性分壓器被連接到所述第 一控制端子和所述第二電流端子，并且被布置成控制所述第一開關和所述第二開關，以根 據所述第一電流端子和所述第二電流端子之間的電壓來將所述體端子的電壓切換到所述 第一電流端子或所述第二電流端子。2. 根據權利要求1所述的電路，其中所述AC電容性分壓器都包括可連接到所述晶體管 的相應電流端子的串聯連接的電阻器和串聯的至少兩個電容性元件，位于所述電容性元件 之間的節點被連接到所述控制端子。3. 根據權利要求2所述的電路，其中所述第一 AC電容性分壓器或第二AC電容性分壓器 中的至少一個包括二極管，所述二極管的陰極被連接到所述電阻器，并且所述二極管的陽 極被連接到所述節點。4. 根據任何一項前述權利要求所述的電路，其中對于所述第一 AC電容性分壓器或第二 AC電容性分壓器中的至少一個，所述分壓器所連接的所述開關的電容性部分形成了連接所 述控制端子和所述相應電流端子的所述AC電容性分壓器的電容性元件。5. 根據任何一項前述權利要求所述的電路，還包括鉗位電路，所述鉗位電路用于將所 述控制端子相對于所述體端子鉗位到低于所述控制端子的擊穿電壓。6. -種包括雙向功率晶體管的集成電路，所述集成電路包括： 晶體管體控制電路，所述晶體管體控制電路用于控制雙向功率晶體管的體，所述晶體 管體控制電路包括： 第一開關，所述第一開關可連接在所述雙向功率晶體管的體端子和第一電流端子之 間，包括用于控制流動通過所述第一開關的電流的控制端子； 第二開關，所述第二開關可連接在所述雙向功率晶體管的所述體端子和第二電流端子 之間，包括用于控制流動通過所述第二開關的電流的控制端子； 所述第一開關的所述控制端子被連接到第一交流電流AC電容性分壓器，以及所述第二 開關的所述控制端子被連接到第二AC電容性分壓器;所述AC電容性分壓器被連接到所述第 一控制端子和所述第二電流端子，并且被布置成控制所述第一開關和所述第二開關，以根 據所述第一電流端子和所述第二電流端子之間的電壓來將所述體端子的電壓切換到所述 第一電流端子或所述第二電流端子； 所述集成電路還包括雙向功率晶體管，所述雙向功率晶體管通過體連接到所述體端 子，通過所述第一電流端子連接到漏極端子，并且通過第二電流端子連接到源極端子。7. 根據權利要求6所述的集成電路，其中所述雙向功率晶體管包括： 具有襯底頂表面的襯底； 在所述襯底頂表面上方延伸的層堆疊，在其中存在第一垂直溝槽和第二垂直溝槽，每 個所述垂直溝槽在垂直方向上從所述堆疊的頂層朝著所述襯底延伸； 電通路，所述電通路能夠被選擇性地啟用或禁用，以允許電流在所述漏極端子和所述 源極端子之間的第一方向或相反于所述第一方向的第二方向上流動，所述電通路包括： 其中所述漏極端子在所述垂直方向上位于所述源極端子下方，并且所述源極端子位于 所述頂層之上或上方；以及所述體在所述第一垂直溝槽和第二垂直溝槽之間橫向延伸并且 在所述漏極端子和所述源極端子之間垂直延伸； 所述電通路包括:所述體;第一漂移區，所述第一漂移區在所述垂直方向上在所述體和 所述漏極端子之間延伸；以及，第二漂移區，所述第二漂移區在所述垂直方向上在所述體和 所述源極端子之間延伸。8. 根據權利要求6-7中任何一項所述的集成電路，其中所述AC電容性分壓器都包括可 連接到所述晶體管的相應電流端子的串聯連接的電阻器和串聯的至少兩個電容性元件，位 于所述電容性元件之間的節點被連接到所述控制端子。9. 根據權利要求8所述的集成電路，其中所述第一 AC電容性分壓器或第二AC電容性分 壓器中的至少一個包括二極管，所述二極管的陰極被連接到所述電阻器，并且所述二極管 的陽極被連接到所述節點。10. 根據權利要求6-9中任何一項所述的集成電路，其中對于所述第一 AC電容性分壓器 或第二AC電容性分壓器中的至少一個，所述分壓器所連接的所述開關的電容性部分形成了 連接所述控制端子和所述相應電流端子的所述AC電容性分壓器的電容性元件。11. 根據權利要求6-10中任何一項所述的集成電路，還包括鉗位電路，所述鉗位電路用 于將所述控制端子相對于所述體端子鉗位到低于所述控制端子的擊穿電壓。12. 根據權利要求11所述的集成電路，其中對于所述第一開關或所述第二開關中的至 少一個，還包括位于所述控制端子和所述體端子之間的電阻器。13. 根據權利要求6-12中任何一項所述的集成電路，其中所述雙向功率晶體管具有至 少25V的擊穿電壓，以及所述第一開關或第二開關具有低于IOV的擊穿電壓。14. 根據權利要求6-13中任何一項所述的集成電路，其中所述雙向功率晶體管具有從 所述漏極端子到所述源極端子的至少40V的擊穿電壓，以及在從所述源極端子到所述漏極 端子的相反方向具有至少25V的擊穿電壓。15. 根據權利要求6-14中任何一項所述的集成電路，其中所述AC電容性分壓器具有的 分配比率根據跨越所述AC電容性分壓器的電壓的極性而變化。
【文檔編號】H03K17/08GK105915200SQ201610098979
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月23日
【發明人】葉夫根尼·斯特凡諾夫, 愛德華·丹尼斯·德弗萊薩特, 休伯特·米歇爾·格朗德里
【申請人】飛思卡爾半導體公司