CN101960593B - 包括金属绝缘体转变装置的高电流控制电路、以及包括该高电流控制电路的系统 - Google Patents

包括金属绝缘体转变装置的高电流控制电路、以及包括该高电流控制电路的系统 Download PDF

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Abstract

提供了一种包括金属绝缘体转变(MIT)装置(100)的高电流控制电路、和包括该高电流控制电路的系统，使得可以通过小尺寸的高电流控制电路来控制和切换高电流，并且可以解决热生成问题。该高电流控制电路包括：MIT装置，连接到电流驱动装置(500)，并且在预定的转变电压处经历突变MIT；以及切换控制晶体管(400)，连接在该电流驱动装置和该MIT装置之间，并且控制该MIT装置的开关切换。通过包括该金属绝缘体转变(MIT)装置，该高电流控制电路切换向该电流驱动装置输入或从该电流驱动装置输出的高电流。同样，该MIT装置与防热晶体管一起构成MIT-TR复合装置(1000)，该防热晶体管防止热生成并连接到该MIT装置。

Description

包括金属绝缘体转变装置的高电流控制电路、以及包括该高电流控制电路的系统
技术领域
本发明涉及一种金属绝缘体转变(MIT)装置，且更具体地，涉及一种包括该MIT装置的电路，其能够利用低温热来控制高电流，这是因为当高电流流经晶体管时，在该晶体管中生成高温热。
背景技术
传统上，为了控制和切换高电流(例如，具有大约106A/cm2的电流密度的电流)，已经使用了功率半导体晶体管。然而，通常，半导体具有大约102到大约104A/cm2的电流密度，因而难以通过使用半导体晶体管来切换高电流。相应地，采用半导体的功率半导体晶体管利用其最大区域而在高于100℃的温度上进行操作，由此生成高温热。
图1是用于通过使用传统的半导体晶体管10来控制高电流的电路的示意图。
参考图1，传统的半导体晶体管10串联连接到电流驱动装置20，从而控制电流驱动装置20的高电流，并且向传统半导体晶体管10的基极端子施加控制脉冲，从而控制电流驱动装置20中的高电流。这里，电阻器R1 30连接到电流驱动装置20，以调整输入到电流驱动装置20的电流，并且电阻器R2 40连接到传统半导体晶体管10的基极端子，以调整向传统半导体晶体管10的基极端子施加的控制脉冲电压的电压。
在用于通过使用传统半导体晶体管10来控制高电流的电路的情况下，在传统半导体晶体管10中生成高温热(如上所述)，并因而，通常形成用于热辐射的热辐射板，以解决该高温热的问题。
因而，由于高温热问题导致功率半导体晶体管招致高封装成本，并且由于包括热辐射板等而导致功率半导体晶体管具有大尺寸。作为结果，由于功率半导体晶体管的大尺寸导致迫使使用这种功率半导体晶体管的电气和电子系统具有大尺寸，并也招致高成本。相应地，越来越需要开发一种用于控制和切换高电流、而无需使用半导体晶体管并且在可允许的电流电平方面没有受到材料属性限制的装置或方法。
发明内容
技术问题
本发明提供了一种包括金属绝缘体转变(MIT)装置的高电流控制电路、和包括该高电流控制电路的系统，使得可以通过小尺寸的高电流控制电路来控制和切换高电流，并因而，可以解决如上所述的在传统半导体晶体管中导致的热生成问题。
技术解决方案
根据本发明的一方面，提供了一种包括MIT装置的高电流控制电路，该MIT装置用于切换向电流驱动装置输入或从电流驱动装置输出的高电流，该高电流控制电路包括：该MIT装置，连接到该电流驱动装置，并且在预定的转变电压处经历突变MIT；以及切换控制晶体管，连接在该电流驱动装置和该MIT装置之间，并且控制该MIT装置的开关切换。
该MIT装置可以与防热晶体管一起构成MIT-TR复合装置，该防热晶体管防止热生成并连接到该MIT装置，并且该防热晶体管可以是作为NPN型双极型晶体管和PNP型双极型晶体管之一的双极型晶体管，或者可以是作为P-MOS晶体管、N-MOS晶体管、和C-MOS晶体管之一的金属氧化物半导体(MOS)晶体管。
当该防热晶体管是双极型晶体管时，该MIT装置的第一电极、该MIT装置的第二电极、该双极型晶体管的发射极电极可以分别连接到该双极型晶体管的集电极电极、该双极型晶体管的基极电极、和地，并且该MIT装置的第一电极和该双极型晶体管的集电极电极可以连接到该电流驱动装置和该切换控制晶体管，并且该MIT装置的第二电极和该双极型晶体管的基极电极可以经由用于保护该MIT装置的MIT电阻器而连接到地。
当该防热晶体管是MOS晶体管时，该MIT装置的第一电极、该MIT装置的第二电极、和该MOS晶体管的源极电极可以分别连接到该MOS晶体管的漏极电极、该MOS晶体管的栅极电极、和地，并且该MIT装置的第一电极和该MOS晶体管的漏极电极可以连接到该电流驱动装置和该切换控制晶体管，并且该MIT装置的第二电极和该MOS晶体管的栅极电极可以经由用于保护该MIT装置的MIT电阻器而连接到地。
该切换控制晶体管可以是作为NPN型双极型晶体管和PNP型双极型晶体管之一的双极型晶体管，或者可以是作为P-MOS晶体管、N-MOS晶体管、和C-MOS晶体管之一的MOS晶体管。例如，当该切换控制晶体管是NPN型双极型晶体管时，可以利用在该电流驱动装置和该MIT-TR复合装置之间的公共集电极结构来连接该NPN型双极型晶体管，或者可以利用在该电流驱动装置和该MIT-TR复合装置之间的公共发射极结构来连接该NPN型双极型晶体管。
具有预定电阻值的电阻器可以连接在该NPN型双极型晶体管的基极电极和该脉冲功率源之间。
该MIT装置可以包括MIT薄膜，该MIT薄膜根据包括温度、压力、电压、和电磁波的物理属性的变化而经历突变MIT。例如，该MIT薄膜可以由二氧化钒(VO2)所形成。其间，可以将该MIT-TR复合装置和该切换控制晶体管集成并封装为小尺寸芯片。
根据本发明的另一方面，提供了一种高电流控制电路系统，由以阵列结构而整体地排列或布置的多个单位电路所形成，其中该单位电路中的每一个对应于高电流控制电路，该高电流控制电路包括MIT装置、连接到该MIT装置的防热晶体管、和连接在该MIT装置和该防热晶体管之间的切换控制晶体管。
根据本发明的另一方面，提供了一种电气和电子系统，包括所述高电流控制电路。
该MIT装置可以与防热晶体管一起构成MIT-TR复合装置，该防热晶体管防止热生成并连接到该MIT装置；并且该电气和电子系统可包括：电流驱动系统；蓄电池，用于向该电流驱动系统供应功率；第一MIT装置，串联连接在该电流驱动系统和该蓄电池之间，并且在转变电压处经历突变MIT；以及所述MIT-TR复合装置，与该蓄电池并联连接。
该蓄电池可以是锂离子电池，该MIT装置可以在预定临界温度或更高温度处经历突变MIT，并且当该锂离子电池的温度超过该预定临界温度时，该MIT-TR复合装置可以对该锂离子电池的电荷放电，以防止该锂离子电池的爆炸。
该MIT装置可以与防热晶体管一起构成MIT-TR复合装置，该防热晶体管防止热生成并连接到该MIT装置；并且该电气和电子系统可包括：电流驱动系统；蓄电池，用于向该电流驱动系统供应功率；正温度系数(PTC)装置，串联连接在该电流驱动系统和该蓄电池之间，并且阻断到该电流驱动系统的过电流；以及该MIT-TR复合装置，与该蓄电池并联连接。
该MIT装置可以在临界温度或更高温度处经历突变MIT，该PTC装置可以在临界温度处阻断电流，并且当该蓄电池的温度超过该临界温度时，该PTC装置可以阻断到电流驱动系统的电流供应，并且该MIT-TR复合装置可以对该蓄电池的电荷放电，从而可以防止该蓄电池的爆炸。
该电气和电子系统可以对应于包括需要电流控制的移动电话、笔记本计算机、开关电源、和电动机控制控制器的系统。
有益效果
根据本发明实施例的包括MIT装置的高电流控制电路和包括该高电流控制电路的系统可以有效地防止热生成，并且可以同时控制高电流。同样，热辐射板不是必须的，并因而可能实现小尺寸的高电流控制电路。
因而，代替使用功率半导体晶体管的传统高电流控制电路，根据本发明实施例的包括MIT装置的高电流控制电路可以有效地执行高电流控制。相应地，可以将根据本发明实施例的包括MIT装置的高电流控制电路有益地应用于需要电流控制的各种电气和电子系统，包括笔记本计算机、开关电源、和电动机控制控制器。
附图说明
通过参考附图来详细描述本发明的示范实施例，本发明的上面以及其他特征和优点将变得更加明显，其中：
图1是用于通过使用传统的半导体晶体管来控制高电流的电路的示意图；
图2A和图2B分别对应于具有水平结构的金属绝缘体转变(MIT)装置的截面图和平面图；
图3A是示出了通过向由二氧化钒(VO2)形成的MIT装置施加电压来生成的突变MIT的曲线图；
图3B是由VO2形成的MIT装置的电阻对温度的曲线图；
图4A和图4B分别是包括MIT装置和晶体管的MIT-TR复合装置(composite device)的等效电路图；
图5是根据本发明实施例的包括图4A的MIT-TR复合装置和切换控制晶体管的高电流控制电路的电路图；
图6是根据本发明另一实施例的包括MIT-TR复合装置和切换控制晶体管的高电流控制电路的电路图；
图7是其中将图5的高电流控制装置中的MIT-TR复合装置和切换控制晶体管集成为一个芯片的高电流控制集成装置的截面图；
图8A和图8B是示出了通过向图5的切换控制晶体管的基极电极输入具有1kHz和300kHz频率的脉冲而获得的测试数据的曲线图；
图9是根据本发明另一实施例的使用MIT-TR复合装置从而防止锂离子电池的爆炸的电路的示意图；以及
图10是其中用正温度系数(PTC)装置来替换图9的用于阻断电流的MIT装置M2的电路的示意图。
具体实施方式
现在，将参考其中示出了本发明示范实施例的附图来更全面地描述本发明。贯穿说明书中，将理解，当将元件称为处于另一元件“上”时，它可以直接地处于该另一元件“上”，或者也可以存在居间元件。在附图中，为了清楚而夸大了层的厚度和区段。附图中同样的附图标记表示同样的元件，并因而将省略它们的描述。其间，本领域的普通技术人员将理解，其中使用本发明中的术语，而不脱离如以下权利要求所限定的本发明的精神和范围。在以下描述中，由于公知的功能或构造将以不必要的细节而使本发明模糊，所以不描述它们。
图2A和图2B分别对应于具有水平结构的金属绝缘体转变(MIT)装置100的截面图和平面图。
参考图2A，具有水平结构的MIT装置100包括衬底110、在衬底110上形成的MIT薄膜120、和包括第一和第二电极薄膜130a和130b的电极薄膜，所述第一和第二电极薄膜130a和130b形成在衬底110上，并且是MIT薄膜120的一部分，从而在MIT薄膜120的侧表面和上表面处彼此相对。即，第一电极薄膜130a和第二电极薄膜130b通过MIT薄膜120而彼此分开。
其间，还可以在衬底110上形成缓冲层，从而降低MIT薄膜120和衬底110之间的晶格失配。MIT薄膜120的电气特性根据物理属性(诸如，温度、压力、电压、和电磁波等)的变化而改变。例如，MIT薄膜120的电气特性在预定的转变电压或更高电压处、或者当向MIT薄膜120施加恒定的预定电压时在预定的临界温度或更高温度处急剧改变。即，MIT薄膜120在转变电压或更低电压处、或者在临界温度或更低温度处保持为绝缘体，但是当MIT薄膜120在转变电压或更高电压处、或者在临界温度或更高温度处生成突变MIT时，改变为金属。
已经在与MIT装置相关的韩国公布专利中公开了用于形成MIT薄膜120、电极薄膜130、和衬底110的材料和方法，并因而这里将省略其描述。其间，可以将MIT薄膜120形成为诸如陶瓷薄膜或单晶体薄膜之类的具有非常小尺寸的薄膜类型，并因而，可以将MIT装置110制造为具有微米(μm)尺寸的非常小的装置，并且可以获取低制造成本。
MIT装置100具有水平结构。然而，本发明不限于此，并因而MIT装置100也可以通过在衬底上顺序地形成第一电极薄膜、MIT薄膜、和第二电极薄膜而具有垂直结构。
图2B是图2A的MIT装置100的平面图。在图2B中，图示了用于形成MIT装置100的元件，即衬底100、MIT薄膜120、以及第一和第二电极薄膜130a和130b。如上所述，MIT装置100在转变电压或更高电压处、或者在临界温度或更高温度处经历突变MIT。这种转变电压或临界温度可以根据用于形成MIT装置100的元件的材料而变化，或者可以根据MIT装置100的结构而变化。例如，通过变更第一电极薄膜130a和第二电极薄膜130b之间的距离D，或者通过变更MIT薄膜120的宽度W，MIT装置100的转变电压或临界温度可以变化。
图3A是示出了通过向由二氧化钒(VO2)形成的MIT装置施加电压来生成的突变MIT的曲线图，其中水平轴指示向MIT装置施加的电压，而垂直轴指示在MIT装置中流动的电流密度(该曲线图的左垂直轴)和电流(该曲线图的右垂直轴)。
参考图3A，明显的是，MIT装置具有绝缘体特性，直到电压增加到大约10V为止，在所述10V处，MIT装置经历突变电流跳变，由此具有金属特性。因而，要理解，MIT装置的所测量的转变电压近似是10V。在MIT装置经历了突变MIT之后，具有金属特性的MIT装置遵循欧姆定律。这里，虚线是欧姆定律的线，其将遵循欧姆定律的电流-电压线延长到在MIT装置经历突变MIT之前的点，如图3A的曲线图所示的。
图3B是由VO2形成的MIT装置的电阻对温度的曲线图，其中水平轴以开氏温标来指示绝对温度，而垂直轴以欧姆(Ω)来指示电阻。此外，向MIT装置施加恒定的预定电压。
参考图3B，MIT装置在小于340K的温度处具有大于105Ω的电阻，由此具有绝缘体特性。然而，MIT装置在340K或大于340K的温度处经历突变的断续转变，从而具有金属特性和几十Ω的电阻。参考图3B，MIT装置在340K温度处经历突变MIT，并因而，要理解，MIT装置的临界温度近似是340K。
尽管在附图中没有示出，但是MIT装置可以经历来自其他物理属性(诸如，压力、电场、和电磁波)、以及由于向MIT装置施加的电压和温度而导致的突变MIT。然而，这些其他物理属性可能使本发明的构思模糊，并因而，这里将省略其详细描述。
图4A和图4B分别是包括MIT装置100和防热晶体管200和300的MIT-TR复合装置1000和1000a的等效电路图。
参考图4A，MIT-TR复合装置1000包括在转变电压处经历突变MIT的MIT装置100、和连接到MIT装置100的防热晶体管200。这里，MIT装置100连接在防热晶体管200的集电极电极和基极电极之间。其间，防热晶体管200的发射极电极连接到地。
具有这种结构的MIT-TR复合装置1000连接到电流驱动装置(未示出)，从而MIT装置100控制电流驱动装置的电流，并且防热晶体管200防止MIT装置100的自加热。其间，在其中MIT-TR复合装置1000用于电流控制的情况下，MIT电阻器(未示出)连接到其中防热晶体管200的基极电极和MIT装置100所共同连接到的节点。
现在，将详细地描述MIT-TR复合装置1000的功能。当向MIT装置100施加比转变电压更高的电压时，MIT装置100经历突变MIT，使得经由MIT装置100而流动高电流。即使在高电流流动的同时、向MIT装置100施加比转变电压更小的电压，MIT装置100的电气特性也不返回到绝缘体的电气特性，并且高电流连续地流动，使得MIT装置100的切换误差可能由于MIT装置100的自加热而发生。即，当经由MIT装置100而流动高电流时，MIT装置100自加热，由此导致滞后现象(hysteresis)。由于滞后现象防止了MIT装置100的切换，所以必须移除该滞后现象。
为了防止MIT装置100的自加热，即为了防止滞后现象，防热晶体管200连接到MIT装置100。更具体地，在MIT装置100经历突变MIT之前，由于发射极电极和基极电极之间的小电压差，所以防热晶体管200处于截止状态中。换言之，由于主要向MIT装置100施加高电压，所以仅仅向MIT电阻器施加低电压，使得发射极电极和基极电极之间的电压差不能超过临界电压。然而，当MIT装置100经历突变MIT时，MIT装置100的电气特性改变到金属特性，使得高电流经由MIT装置100而流动，向MIT装置100施加低电压，而向MIT电阻器施加高电压。即，向基极电极施加高电压。因而，防热晶体管200导通，并且电流流过防热晶体管200。相应地，流过MIT装置100的电流降低。同样，由于电流降低，所以MIT装置100的电气特性返回到绝缘体特性，并因而，防热晶体管200返回到截止状态。
以这种方式，通过包括在转变电压处经历突变MIT的MIT装置100和防止MIT装置100的自加热的防热晶体管200，MIT-TR复合装置1000可以防止MIT装置100的自加热，并且可以经由MIT装置100的切换来有效地控制电流驱动装置。
在上面，基于MIT装置100的转变电压来描述了MIT-TR复合装置1000。然而，MIT-TR复合装置1000也可以基于临界温度来执行相同的功能，并且在所述情况下，MIT-TR复合装置1000可以用作用于电流驱动装置的保护电路，如稍后将参考图9A和图9B而描述的。
在本实施例中，将NPN型双极型晶体管用作防热晶体管200；然而，本发明不限于此，并因而可以将PNP型双极型晶体管用作MIT-TR复合装置1000的防热晶体管200。
参考图4B，MIT-TR复合装置1000a与图4A的MIT-TR复合装置1000相似，但是MIT-TR复合装置1000a的区别在于代替双极型晶体管而将金属氧化物半导体(MOS)晶体管用作防热晶体管300。其间，可以将P-MOS晶体管、N-MOS晶体管或C-MOS晶体管中的任何一种用作MOS晶体管。
当用防热晶体管300的栅极电极、漏极电极、和源极电极来分别替换图4A的防热晶体管200的基极电极、集电极电极、和发射极电极时，所述装置之间的连接与图4A的防热晶体管200中的连接相同。即，MIT装置100连接在防热晶体管300的漏极电极和栅极电极之间，并且防热晶体管300的源极电极连接到地。其间，当MIT-TR复合装置1000a连接到电流驱动装置(未示出)时，漏极电极和MIT装置100的一个电极连接到电流驱动装置，并且栅极电极和MIT装置100的另一电极连接到MIT电阻器(未示出)。
基于前述连接的MIT-TR复合装置1000a的功能与图4A的MIT-TR复合装置1000中的功能相同。
图5是根据本发明实施例的包括MIT-TR复合装置1000和切换控制晶体管400的高电流控制电路的电路图。
参考图5，根据当前实施例的高电流控制电路包括图4的MIT-TR复合装置1000、和用于控制MIT-TR复合装置1000的开关(on-off)切换的切换控制晶体管400。在本实施例中，高电流控制电路包括MIT-TR复合装置1000；然而，本发明不限于此，并因而高电流控制电路也可以包括图4B的MIT-TR复合装置1000a。
MIT-TR复合装置1000的一端连接到电流驱动装置500和切换控制晶体管400，而MIT-TR复合装置1000的另一端经由MIT电阻器装置R2 300而连接到地。这里，电流驱动装置500可以是继电器、发光二极管、蜂鸣器等。其间，用于调整电流的电阻器R1 510串联连接在电流驱动装置500和用于供应功率电压Vcc的功率源之间。
根据当前实施例的切换控制晶体管400可以是NPN型双极型晶体管和PNP型双极型晶体管之一，或者可以是P-MOS晶体管、N-MOS晶体管或C-MOS晶体管之一。
在本实施例中，将NPN型双极型晶体管用作切换控制晶体管400。切换控制晶体管400具有公共集电极的结构，其中MIT-TR复合装置1000和电流驱动装置500共同地连接到切换控制晶体管400的集电极电极。即，具有这种公共集电极结构的切换控制晶体管400的发射极电极连接到地，而切换控制晶体管400的基极电极连接到用于控制切换的脉冲功率源。其间，晶体管电阻器R3 440连接在切换控制晶体管400的基极电极和脉冲功率源之间。
现在，将描述如上所述地连接的高电流控制电路的操作。
在根据当前实施例的高电流控制电路中，当向MIT-TR复合装置1000中的MIT装置100施加的电压比用于生成突变MIT的转变电压更高时，MIT装置100经历突变MIT，使得高电流ICC(＞IMIT)流动。通过允许流动或阻断切换控制晶体管400的集电极电流IC，高电流控制电路控制电流驱动装置500的高电流。这里，IMIT指示了MIT装置100要经历突变MIT所需要的临界电流。因而，当集电极电流IC＝0安培时(即，当由于切换控制晶体管400处于截止状态、所以集电极电流IC等于0安培时)，发生ICC＞IMIT，使得MIT装置100经历突变MIT，并且高电流流经MIT装置100。当集电极电流IC等于预定的值时(即，当由于切换控制晶体管400改变到导通状态、所以集电极电流IC流过切换控制晶体管400时)，发生ICC-IC＜IMIT，使得MIT装置100不经历突变MIT，并且阻断了高电流朝向MIT装置100的流动。相应地，阻断了电流驱动装置500的高电流的流动。
最后，通过切换控制晶体管400的开关控制来控制MIT装置100上的开关控制，即突变MIT的生成和不生成。利用向切换控制晶体管400的基极电极输入的脉冲电压来执行切换控制晶体管400的开关控制。换言之，当向其基极电极输入高电压时，切换控制晶体管400导通，而当向其基极电极输入低电压时，切换控制晶体管400截止。
其间，根据当前实施例的MIT-TR复合装置1000包括防热晶体管200，从而防止MIT装置100的自加热。因而，MIT装置100可以平滑地执行切换操作，而不生成热。例如，由于传统的半导体晶体管具有热生成的问题，所以在20至150kHz处将传统半导体晶体管用作切换装置。然而，在根据当前实施例的MIT-TR复合装置1000中包括的MIT装置100即使在1MHz或更高频率处也可以执行切换操作，由此能够有效地用作商用开关。在其中MIT装置100生成低温热的情况下，可以代替MIT-TR复合装置1000来单独地使用MIT装置100，而无需防热晶体管200。
图6是根据本发明另一实施例的包括MIT-TR复合装置1000和切换控制晶体管400a的高电流控制电路的电路图。
参考图6，当前实施例的高电流控制电路与图5的实施例的高电流控制电路相似，但是当前实施例的高电流控制电路的区别在于当前实施例的高电流控制电路使用具有公共发射极结构的NPN型双极型晶体管作为切换控制晶体管400a。相应地，将具有公共发射极结构的切换控制晶体管400a的发射极电极共同地连接到电流驱动装置500和MIT-TR复合装置1000，用于供应预定电压Vcc的功率源连接到切换控制晶体管400a的集电极电极，并且用于控制切换的脉冲功率源连接到切换控制晶体管400a的基极电极。其间，晶体管电阻器R3440连接在切换控制晶体管400a的基极电极和脉冲功率源之间。
现在，将描述如上所述地连接的高电流控制电路的操作。
在当前实施例的高电流控制电路中，当不在包括于MIT-TR复合装置1000中的MIT装置100中生成突变MIT的低电流ICC流经MIT装置100时，即，当小于临界电流的低电流ICC(Icc＜IMIT)流过MIT装置100时。通过允许预定的发射极电流IE流向切换控制晶体管400a的发射极电极，高电流控制电路允许MIT装置100经历突变MIT。换言之，当发射极电流IE＝0安培时(即，当由于切换控制晶体管400a处于截止状态、所以发射极电流IE等于0安培时)，发生IMIT＞ICC，使得MIT装置100不经历突变MIT，并且阻断了高电流朝向MIT装置100的流动。当发射极电流IE等于预定的值时(即，当由于切换控制晶体管400a改变到导通状态、所以发射极电流IE流过发射极电极时)，发生IMIT≤Icc+IE，使得MIT装置100经历突变MIT，并且高电流流过MIT装置100。
最后，当前实施例的高电流控制电路按照与图5的实施例的高电流控制电路相反的方式来进行操作。即，当切换控制晶体管400a导通时，高电流流经MIT装置100，并且当切换控制晶体管400a截止时，阻断了高电流朝向MIT装置100的流动。相应地，控制了电流驱动装置500的高电流的流动。
图7是其中将图5的高电流控制装置中的MIT-TR复合装置1000和切换控制晶体管400集成为一个芯片的高电流控制集成装置的截面图。
参考图7，图5的高电流控制电路可以具有其中将MIT-TR复合装置1000和切换控制晶体管400集成在衬底110上作为一个芯片的结构。在下文中，将高电流控制集成装置称为“用于高电流控制电路的集成装置”。
用于高电流控制电路的集成装置包括一起形成在衬底110上的MIT装置100、防热晶体管200、和切换控制晶体管400。MIT装置100包括绝缘膜140、MIT薄膜120、和两者都接触MIT薄膜120和绝缘膜140而形成的两个MIT电极130a和130b。
防热晶体管200包括分别接触诸如在衬底110中形成的基极区210、发射极区220、和集电极区230之类的有源区的基极电极215、发射极电极225、和集电极电极235。绝缘膜140形成在衬底110上，并且基极、发射极、和集电极电极215、225、和235分别通过穿透绝缘膜140来接触基极区、发射极区、和集电极区210、220、和230。
与防热晶体管200相似的，切换控制晶体管400包括分别接触对应有源区410、420、和430的基极电极415、发射极电极425、和集电极电极435。
其间，用于高电流控制电路的集成装置具有将电极连接在其中的结构。即，MIT装置100的MIT电极130b连接到防热晶体管200和切换控制晶体管400的集电极电极235和435，并且MIT装置100的MIT电极130a连接到防热晶体管200的基极电极215。此外，防热晶体管200和切换控制晶体管400的发射极电极225和425连接到地。当用于高电流控制电路的集成装置用于电流控制时，电流驱动装置500连接到MIT装置100的MIT电极130b，并且脉冲功率源连接到切换控制晶体管400的基极电极415。
参考图7，在行方向上布置防热晶体管200和切换控制晶体管400。然而，考虑到形成有源区、和电极连接，可以在列方向上(即，以朝向纸表面的向下方向)、彼此平行地形成防热晶体管200和切换控制晶体管400的每个有源区。然而，MIT装置100、防热晶体管200、和切换控制晶体管400的位置不限于此，并且可以变化。其间，各自连接到MIT-TR复合装置1000的MIT电阻器300、或切换控制晶体管400的晶体管电阻器440也可以形成在衬底110上。
如图7所图示的，可以将图7的用于高电流控制电路的集成装置制造并封装为具有其中集成了装置的结构，并因而可以将其容易地连接到电流驱动装置，从而控制电流驱动装置的高电流。图7的用于高电流控制电路的集成装置可以有效地防止热生成，可以控制高电流，并且可以不需要热辐射板，使得可以容易地将图7的用于高电流控制电路的集成装置实现为小尺寸芯片。
图8A和图8B是示出了通过向图5的切换控制晶体管400的基极电极输入具有1kHz和300kHz频率的脉冲而获得的测试数据的曲线图。这里，用于测试的MIT装置具有以下尺度，其中VO2薄膜的厚度是100nm，电极之间的距离是5μm，并且VO2薄膜的宽度是3μm。在图8A中的曲线图的左上角处示出了MIT装置的布局。此外，图8A的曲线图对应于其中向切换控制晶体管400输入的脉冲的频率是1kHz的情况，而图8B的曲线图对应于其中向切换控制晶体管400输入的脉冲的频率是300kHz的情况。
参考图8A和图8B，MIT装置经历突变MIT的电流是7.4mA，并且电流密度J近似等于2.47×106A/cm2(即，
Figure GSB00000472752000131
)。其间，使用了电阻器R1＝300Ω、MIT电阻器R2＝1kΩ、和晶体管电阻器R3＝10kΩ(参见图5)。图8A和图8B的曲线图中的粗实线指示了到切换控制晶体管400的基极电极的输入电压，而细实线指示了来自MIT装置的电极的输出电流。
当MIT装置的温度超过70℃时，包括VO2薄膜的MIT装置发生故障或者不能执行切换操作。然而，参考图8A和图8B，明显的是，成功地执行了切换操作，这意味着MIT装置的温度保持在70℃以下。换言之，可以理解，通过防热晶体管200来防止MIT装置的自加热，使得MIT装置成功地执行切换操作，并且同时将其温度维持在70℃以下。
最后，图5的高电流控制电路可以使用具有比传统半导体晶体管的结构简单得多的结构的MIT装置，由此在低温热的情况下来成功地切换高电流(电流密度
Figure GSB00000472752000132
)。其间，与在20kHz至150kHz处使用的传统切换装置相比，使用根据本发明实施例的MIT装置的高电流控制电路即使在1MHz或更高频率处也可以执行高电流切换操作。因而，根据本发明实施例的MIT开关可以执行关于1MHz或更高的高频率的切换操作，使得可以有效地采用MIT开关作为商用开关。
可以将根据本发明实施例的这种高电流控制电路有益地应用于需要电流控制的各种电气和电子系统，包括笔记本计算机、开关电源、和电动机控制控制器。
图9是根据本发明另一实施例的使用MIT-TR复合装置1000从而防止锂离子电池600的爆炸的电路的示意图。
参考图9，根据当前实施例的电路包括MIT-TR复合装置1000、锂离子电池600、电流驱动系统500a、和用于阻断电流的MIT装置M2700。该电路与图5的实施例的区别在于用锂离子电池600和电流驱动系统500a来分别替换功率源和电流驱动装置500，并且用于阻断电流的MIT装置M2700串联连接在锂离子电池600和电流驱动系统500a之间。这里，电阻器R 300a对应于图5的MIT电阻器R2300。在当前实施例中，该电路包括锂离子电池600；然而本发明不限于此，并因而，可以使用其他电池。
这里，用于阻断电流的MIT装置M2 700具有4V或更低的转变电压。因而，当向用于阻断电流的MIT装置M2 700施加比4V转变电压更高的电压时，用于阻断电流的MIT装置M2 700经历突变MIT并具有金属特性，由此用作导线，高电流可以经由所述导线而流动。
其间，在MIT-TR复合装置1000中包括的MIT装置M1 100在预定的临界温度处经历突变MIT。因而，除了MIT装置M1 100在临界温度处、而不在转变电压处经历突变MIT之外，MIT-TR复合装置1000执行与图4A的MIT-TR复合装置1000相似的功能。例如，当周围温度(即，锂离子电池600或导线的温度)上升到临界温度以上时，在图9的MIT-TR复合装置1000中包括的MIT装置M1 100经历突变MIT，使得MIT-TR复合装置1000对电流进行旁路，从而保护锂离子电池600，并且MIT-TR复合装置1000中的MIT装置200防止了MIT装置M1 100的自加热。
现在，将描述具有上述配置的电路的功能。当将锂离子电池600充满电时，它具有4V的电压。这里，串联连接在充满电的锂离子电池600和电流驱动系统500a之间的用于阻断电流的MIT装置M2 700经历突变MIT，操作为金属，并因而可以用作导线。其间，当周围温度或导线温度由于某些外部改变而超过MIT装置M1 100的临界温度(例如，70℃)时，在MIT-TR复合装置1000中包括的MIT装置M1 100操作为对锂离子电池600中的电荷突然放电，由此防止锂离子电池600的爆炸。利用电荷的这个突然放电，锂离子电池600的电压下降，使得用于阻断电流的MIT装置M2 700返回到操作为绝缘体，从而阻断到电流驱动系统500a的电流供应。
图10是其中用正温度系数(PTC)装置800来替换图9的用于阻断电流的MIT装置M2 700的电路的示意图。
参考图10，该电路代替使用图9的用于阻断电流的MIT装置M2 700而使用PTC装置800，并且PTC装置800的功能与用于阻断电流的MIT装置M2 700的功能相似。即，当周围温度或导线温度由于某些外部改变而超过MIT装置M1 100的临界温度(例如，70℃)时，在MIT-TR复合装置1000中包括的MIT装置M1 100操作为对锂离子电池600中的电荷突然放电，由此防止锂离子电池600的爆炸。其间，当周围温度上升时，PTC装置800的电阻增加，使得阻断到电流驱动系统500a的电流供应。
根据本发明实施例的包括MIT装置的高电流控制电路和包括该高电流控制电路的系统可以有效地防止热生成，并且可以同时控制高电流。此外，热辐射板不是必须的，并因而可能实现小尺寸的高电流控制电路。
因而，代替使用功率半导体晶体管的传统高电流控制电路，根据本发明实施例的包括MIT装置的高电流控制电路可以有效地执行高电流控制。相应地，可以将根据本发明实施例的包括MIT装置的高电流控制电路有益地应用于需要电流控制的各种电气和电子系统，包括笔记本计算机、开关电源、和电动机控制控制器。
尽管已经参考本发明的示范实施例而具体示出并描述了此发明，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在其中做出形式和细节上的各种改变，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。应仅以描述性意义而不应为了限制目的来考虑所述示范实施例。因此，本发明的范围并非由本发明的详细描述、而是由所附权利要求进行限定，并且该范围内的所有差异将被理解为包括在本发明中。
发明模式
产业适应性
本发明涉及一种金属绝缘体转变(MIT)装置，且更具体地，涉及一种包括该MIT装置的电路，其能够利用低温热来控制高电流，这是因为当高电流流过晶体管时，在该晶体管中生成高温热。根据本发明实施例的包括MIT装置的高电流控制电路和包括该高电流控制电路的系统可以有效地防止热生成，并且可以同时控制高电流。此外，热辐射板不是必须的，并因而可能实现小尺寸的高电流控制电路。

Claims (23)

1.一种包括MIT(金属绝缘体转变)装置的高电流控制电路，该MIT装置用于切换向电流驱动装置输入或从电流驱动装置输出的高电流，该高电流控制电路包括：
所述MIT装置，连接到该电流驱动装置，并且在预定的转变电压处经历突变MIT；以及
切换控制晶体管，连接在所述电流驱动装置和所述MIT装置之间，并且控制该MIT装置的开关切换。
2.根据权利要求1的高电流控制电路，其中该MIT装置与防热晶体管一起构成MIT-TR复合装置，该防热晶体管防止热生成并连接到该MIT装置，并且该防热晶体管是作为NPN型双极型晶体管和PNP型双极型晶体管之一的双极型晶体管，或者是作为P-MOS(金属氧化物半导体)晶体管、N-MOS晶体管、和C-MOS晶体管之一的MOS晶体管。
3.根据权利要求2的高电流控制电路，其中该防热晶体管是双极型晶体管，
该MIT装置的第一电极、该MIT装置的第二电极、该双极型晶体管的发射极电极分别连接到该双极型晶体管的集电极电极、该双极型晶体管的基极电极、和地，并且
该MIT装置的第一电极和该双极型晶体管的集电极电极连接到该电流驱动装置和该切换控制晶体管，并且该MIT装置的第二电极和该双极型晶体管的基极电极经由用于保护该MIT装置的MIT电阻器而连接到地。
4.根据权利要求2的高电流控制电路，其中该防热晶体管是MOS晶体管，
该MIT装置的第一电极、该MIT装置的第二电极、和该MOS晶体管的源极电极分别连接到该MOS晶体管的漏极电极、该MOS晶体管的栅极电极、和地，并且
该MIT装置的第一电极和该MOS晶体管的漏极电极连接到电流驱动装置和切换控制晶体管，并且该MIT装置的第二电极和该MOS晶体管的栅极电极经由用于保护该MIT装置的MIT电阻器而连接到地。
5.根据权利要求2的高电流控制电路，其中所述切换控制晶体管是作为NPN型双极型晶体管和PNP型双极型晶体管之一的双极型晶体管，或者是作为P-MOS晶体管、N-MOS晶体管、和C-MOS晶体管之一的MOS晶体管。
6.根据权利要求5的高电流控制电路，其中该切换控制晶体管是NPN型双极型晶体管，并且
利用在该电流驱动装置和该MIT-TR复合装置之间的公共集电极结构来连接该NPN型双极型晶体管，或者利用在该电流驱动装置和该MIT-TR复合装置之间的公共发射极结构来连接NPN型双极型晶体管。
7.根据权利要求6的高电流控制电路，其中，当利用该公共集电极结构来连接该NPN型双极型晶体管时，将该NPN型双极型晶体管的发射极电极连接到地，并且将用于控制切换的脉冲功率源连接到该NPN型双极型晶体管的基极电极。
8.根据权利要求6的高电流控制电路，其中，当利用该公共发射极结构来连接该NPN型双极型晶体管时，将该NPN型双极型晶体管的集电极电极连接到具有预定电压的电压源，并且将用于控制切换的脉冲功率源连接到该NPN型双极型晶体管的基极电极。
9.根据权利要求7的高电流控制电路，其中具有预定电阻值的电阻器连接在该NPN型双极型晶体管的基极电极和该脉冲功率源之间。
10.根据权利要求2的高电流控制电路，其中该防热晶体管是双极型晶体管，
该MIT装置的第一电极、该MIT装置的第二电极、该双极型晶体管的发射极电极分别连接到该双极型晶体管的集电极电极、该双极型晶体管的基极电极、和地，以及
该MIT装置的第一电极和该双极型晶体管的集电极电极连接到该电流驱动装置和该切换控制晶体管，并且该MIT装置的第二电极和该双极型晶体管的基极电极经由用于保护该MIT装置的MIT电阻器而连接到地；并且
其中该切换控制晶体管是NPN型双极型晶体管，以及利用在该电流驱动装置和该MIT-TR复合装置之间的公共集电极结构来连接该NPN型双极型晶体管，或者利用在该电流驱动装置和该MIT-TR复合装置之间的公共发射极结构来连接该NPN型双极型晶体管。
11.根据权利要求2的高电流控制电路，其中该防热晶体管是MOS晶体管，
该MIT装置的第一电极、该MIT装置的第二电极、和该MOS晶体管的源极电极分别连接到该MOS晶体管的漏极电极、该MOS晶体管的栅极电极、和地，以及
该MIT装置的第一电极和该MOS晶体管的漏极电极连接到该电流驱动装置和该切换控制晶体管，并且该MIT装置的第二电极和该MOS晶体管的栅极电极经由用于保护该MIT装置的MIT电阻器而连接到地；并且
其中该切换控制晶体管是NPN型双极型晶体管，并且利用在该电流驱动装置和该MIT-TR复合装置之间的公共集电极结构来连接该NPN型双极型晶体管，或者利用在该电流驱动装置和该MIT-TR复合装置之间的公共发射极结构来连接该NPN型双极型晶体管。
12.根据权利要求1的高电流控制电路，其中该MIT装置包括MIT薄膜，该MIT薄膜根据包括温度、压力、电压、和电磁波的物理属性的变化而经历突变MIT。
13.根据权利要求12的高电流控制电路，其中该MIT薄膜由二氧化钒(VO2)形成。
14.根据权利要求2的高电流控制电路，其中将该MIT-TR复合装置和该切换控制晶体管集成并封装为小尺寸芯片。
15.一种高电流控制电路系统，由以阵列结构而整体地排列或布置的多个单位电路所形成，其中该单位电路中的每一个对应于高电流控制电路，该高电流控制电路包括MIT装置、连接到该MIT装置的防热晶体管、和连接在该MIT装置和该防热晶体管之间的切换控制晶体管。
16.一种电气和电子系统，包括根据权利要求1的高电流控制电路。
17.根据权利要求16的电气和电子系统，其中该MIT装置与防热晶体管一起构成MIT-TR复合装置，该防热晶体管防止热生成并连接到该MIT装置；并且
该电气和电子系统包括：
电流驱动系统；
蓄电池，用于向该电流驱动系统供应功率；
第一MIT装置，串联连接在该电流驱动系统和该蓄电池之间，并且在转变电压处经历突变MIT；以及
该MIT-TR复合装置，与该蓄电池并联连接。
18.根据权利要求17的电气和电子系统，其中该蓄电池是锂离子电池，该MIT装置在预定临界温度或更高温度处经历突变MIT，并且当该锂离子电池的温度超过该预定临界温度时，该MIT-TR复合装置对该锂离子电池的电荷放电，以防止该锂离子电池的爆炸。
19.根据权利要求18的电气和电子系统，其中该MIT-TR复合装置包括用于保护该MIT装置的MIT电阻器，并且
该防热晶体管是作为NPN型双极型晶体管和PNP型双极型晶体管之一的双极型晶体管，或者是作为P-MOS晶体管、N-MOS晶体管、和C-MOS晶体管之一的MOS晶体管。
20.根据权利要求19的电气和电子系统，其中该防热晶体管是双极型晶体管，
该MIT装置的第一电极、该MIT装置的第二电极、该双极型晶体管的发射极电极分别连接到该双极型晶体管的集电极电极、该双极型晶体管的基极电极、和地，并且
该MIT装置的第一电极和该双极型晶体管的集电极电极连接到该蓄电池和该第一MIT装置，并且该MIT装置的第二电极和该双极型晶体管的基极电极经由该MIT电阻器而连接到地。
21.根据权利要求16的电气和电子系统，其中该MIT装置与防热晶体管一起构成MIT-TR复合装置，该防热晶体管防止热生成并连接到该MIT装置；以及
该电气和电子系统包括：
电流驱动系统；
蓄电池，用于向该电流驱动系统供应功率；
PTC(正温度系数)装置，串联连接在该电流驱动系统和该蓄电池之间，并且阻断到该电流驱动系统的过电流；以及
该MIT-TR复合装置与该蓄电池并联连接。
22.根据权利要求21的电气和电子系统，其中该MIT装置在临界温度或更高温度处经历突变MIT，该PTC装置在临界温度上阻断电流，并且当该蓄电池的温度超过该临界温度时，该PTC装置阻断到电流驱动系统的电流供应，并且该MIT-TR复合装置对该蓄电池的电荷放电，由此防止该蓄电池的爆炸。
23.根据权利要求16的电气和电子系统，其中该电气和电子系统对应于包括需要电流控制的移动电话、笔记本计算机、开关电源、和电动机控制控制器的系统。
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