CN100416829C - 金属-绝缘-金属场效应管 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电压控制的大功率开关管，属电力电子器件。原理上与真空管，MOSFET、SIT一样，都是利用栅极静电场夹断导电沟道，所不同的是本发明改用金属导体作导电沟道。因此，它具有易控制、开关动作快，导通电阻非常小的特点，特别适合电力系统应用。与结构上分阳极分栅极配合的，工作在行波方式的驱动电路，不但可降低对驱动电路的要求，而且使各栅的相应电压处在跟踪阳极电压变化的自举状态，可以确保绝缘介质膜始终工作在安全电压之下，同时成倍成倍的提高整个器件的工作电压。此外，可以用制造电容的方法制造MIMFET也是本发明的长处。

Description

金属-绝缘-金属场效应管

本发明是一种电压控制的大功率开关管，属电力电子器件。原理上与真空管，MOSFET、SIT一样，都是利用栅极静电场夹断导电沟道，所不同的是本发明改用金属导体作导电沟道。因此，它具有易控制、开关动作快，导通电阻非常小的特点，特别适合电力系统应用。金属-绝缘-金属场效应管的英文字头缩写为MIMFET。

与本发明的原理上相近的已往电子器件有：真空三极管、功率场效应管(MOSFET)和静电感应晶体管(SIT)等。真空三极管的栅极G，处于阳极A和阴极K之间，阳极加有正电压，栅极加负电压。稀疏的栅极缝隙可以穿越电子，为电子管内部由阴极向阳极流动的电子流的导电沟道。当栅极加上比较大的负电压时，负栅极所产生的强大负电场(对电子为排斥力)将迫使由阴极出来的电子返回阴极，一个也穿越不了栅极缝隙。此时阳极电流I_a＝0，称之导电沟道被栅压所夹断。真空管具有高耐压的优势，但阳极电流太小，满足不了电力系统的需要。近几十年发明了半导体，并不断创造出各种以半导体替代真空作导电沟道的电力电子器件。但半导体材料的电阻率还比较大，也即MOSFET、SIT等仍存在着沟道电阻小不下来的毛病，或半导体功率器件总有1～3V的导通压降，若该半导体导电沟道上流过几百乃至几千安培电流时，沟道的热损耗就太大了。

本发明的思路和目的是以金属导体替代半导体作导电沟道，并在结构上作了巧妙安排，使栅极仍能利用静电场夹断金属导电沟道，真正做出适合电力系统高压大功率要求的，沟道电阻又非常小的理想开关。

上述目的，可以通过下列图文的详细描述得以确证。

图一，为本发明的原理结构和符号，其中1为作导电沟道用的金属薄膜(铋、锑、高阻合金——它们的共同特性是载流子密度N＝10¹⁷～10¹⁹cm^-3，电阻率ρ＝10^-4～10^-5Ω·cm，载流子迁移率μ特高，因为ρ＝1/eNμ。以下简称沟道金属)。2为良导体薄膜，分割成A、A₁、A₂、A₃、和K。只有A和K有外引线，分别作阳极A及阴极K。3为高介电常数高介电强度的绝缘薄膜。4为控制栅极(也为金属)，都有外引线，分别为G₁、G₂、G₃、G₄、。图二为外接控制电路后的工作原理图。图中E_a、E_g、E_g1分别为高压正电压源和栅极控制电压源，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈为电阻，R_L为阳极负载，D₁、D₂、D₃为高压稳压管，T₁、T₂、T₃为MOS功率管，K+K-为控制开关。

我们先来看图一(a)的A₃、K、G₄局部，这是常见的FET结构也是MIMFET的基本单元。若在G₄上加上正电压(相对于K或A₃)，则该静电场将在沟道金属1的④区域感应出较多的电子，这将进一步减少④区域的沟道电阻(在没有外加电压，即Ug4＝0时沟道电阻本来就小，沟道是导通的)。反之，我们若在G₄上加负电压，则④区的电子就会减少，该区的沟道电阻将增加。如果G₄上的负电压加到足以使④区的自由电子全部被排斥光的程度，则④区变成绝缘区，A₃与K就不通了。这就是MIMFET基本单元的工作原理。从图一(a)我们不难看出，整个结构实际上是由4个MIMFET基本单元(即AG₁A₁、A₁G₂A₂、A₂G₃A₃、A₃G₄K)串联起来的。若有必要，串联个数还可增加。

现在我们来讨论使④区自由电子全部排光的条件。先设沟道金属1为铋(其电阻率P＝116×10^-6Ω·cm，该电阻率比铜高，却比半导体低得多；每单位体积的电子数N＝2.7×10¹⁷cm^-3，实际为半金属。顺便说一下，S_i的电子迁移率不足二千而Bi的迁移率却是二十万)，其厚度为0.5μm。那么0.5μm×1cm×1cm的薄膜内共有电子电荷Q_Bi＝e×N×0.5μm×1cm²＝1.6×10^-19×2.7×10¹⁷×0.5×10^-4＝2.16×10^-6库仑。再设某绝缘膜厚度为1μm，介电常数ε＝100，则1cm²面积的电容量C＝ε₀εs/d＝8.85×10^-12×100×10^-4/10^-6＝8.85×10^-8法。若该电容能加500V电压而不击穿，则该电容器的最大电荷Q_max＝CU_max＝8.85×10^-8×500＝4.425×10^-5库仑。比较Q_max和Q_Bi，可得Q_max≥20Q_Bi，也就是只要在电容上加25V左右的负电压就可排光铋薄膜内全部自由电子，使之变成绝缘体。通过上述讨论，我们可以发现要使Q_max增大(即栅极的控制作用增大)的关键是寻找介电常数大介电强度高的绝缘膜。比如若能找到介电常数ε＝3000而介电强度仍能达到5×10⁶V/cm的材料，则Qmax还能增加二个量级，使本发明能选择的沟道材料由高电阻向中电阻金属扩展。沟道导通电阻也更接近零。

下面我们来分析图二是怎样工作的。

先看双刀双掷开关置K+时的情况。当K+合上，则E_g1通过R₅对G₁电容进行充电，U_g1A电压不断上升，沟道①电阻不断下降，直至U_g1A＝E_g1，沟道①电阻减到最小，我们称之AA₁已导通。(实际上U_g1A＝0时，AA₁已导通，加上E_g1后，导通电阻更小了)与此同时，MOSFET管T₁导通，E_g1经R₅及T₁的导通电阻R_0n对G₂进行充电，直至U_g2A＝E_g1，沟道②又导通了。这样依次下来，沟道③沟道④都导通了，也就A和K导通了。总之本控电路是利用R₅、T₁T₂T₃与各对应的栅极电容C_g1C_g2C_g3C_g4所构成的延时特性，逐步把控制电压加到各个栅极G₁→G₂→G₃→G₄，与此同时沟道也依次导通①→②→③→④，而栅压都为E_g1。这种驱动方式(也可称行波驱动)可减轻驱动电路的负担。

再看控制开关置K-的情况。当K-合上，G₁电容上正电荷立即通过R₅、E_g放电，直到U_g1A＝-E_g，而-E_g正好能使沟道①区自由电子排光，沟道①截止，AA₁不通。(此时由于G₂、G₃、G₄上的正电荷未放电完，沟道②③④仍导通)，导致U_AA1电压随之上跳一个ΔU(比如上跳500V)，该上跳电压经E_g、R₅、使稳压管D₁击穿(其击穿电压为500V)，于是U_g2A＝-(E_g+500V)。此负压又使沟道②的自由电子排光，沟道②截止，A₁A₂不通。又导致U_A1A2上跳+500V，(U_AA2共上跳1000V)。这样依次下来，沟道③沟道④都相继截止，最后U_AK＝+Ea(如上所设为+2000V)。需要补充说明的是：由于MOS功率管T₁、T₂、T₃的栅路悬空，所以T₁、T₂、T₃都截止。另外，在D₂、D₃上分别并联有R₆、R₇且R₆＞R₇，可确保稳压管击穿次序为D1→D2→D3。还要说明的是：现在G₁、G₂、G₃、G₄上所加电压是不同的，依次各差500V，但G₁与A、G₂与A₁、G₃与A₂、G₄与A₃之间电位差却是相同的，都为-E_g。只要|E_g1|≤E_g就可保证绝缘膜的安全而不被击穿。大家知道，MOS功率管一般孪生有反向保护二极管，正好作为稳压管用。

综上所述，我们可以得出(1)采用本发明的材料和结构是可以做出实用的MIMFET的。导通沟道电阻远比半导体小是其最大优势，(2)所采用的分栅结构及各栅极依次延时加控制电压的驱动方式，不但减轻了驱动电路的负担，同时可以做到满足绝缘膜始终处于安全电压前堤下，成倍成倍地提高MIMFET的工作电压。为高压大功率创造了条件。(3)扩大电流容量就是扩大相应面积，可以采用制造电容的成熟技术和工艺如多层迭片式或卷绕式。我们可以享用电容生产所具有大生产、低成本的优势。当然采用纳米材料加工工艺可能会进一步降低制造难度和提高成品率。(4)除了上述的栅极上加正压可使沟道电阻减少，加负压使沟道电阻增大的控制方式之外。还可以选用只加负栅压使沟道截止的所谓常通型MIMFET，此时应用单位体积电子数在10¹⁹～10²¹/cm³的导电材料作沟道(即在满足所加负压能使其截止的先决条件下，考虑不加栅压的常通型沟道电阻越小越好)。

Claims (2)

1. 一种场效应管，其特征在于：

a、采用半金属特性的铋、锑、高阻合金替代半导体作场效应管的导电沟道；

b、场效应管采用薄膜，分阳极分栅极结构；分阳极是在作导电沟道用的金属薄膜外，增加良导体电极条；与分栅极结构配合，自动完成多个MIMFET基本单元的串联。

2. 一种场效应管驱动电路，其特征在于：

a、驱动电路是由阳极正电源Ea、负载电阻R_L、控制电压源Eg Eg₁、开关K+K-、电阻R₁R₂R₃R₄R₅R₆R₇R₈、场效应管T₁T₂T₃及稳压管D₁D₂D₃组成；

b、利用电阻R₅、T₁T₂T₃与各对应的栅极电容C_g1C_g2C_g3C_g4所构成的延时特性，各栅极将依次被加上控制电压，但各栅电容两端的最大充放电电压都为Eg。

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