CN102460708A - 具有非负温度系数的宽带隙双极可关断闸流管和相关控制电路 - Google Patents

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Abstract

一种电子器件，包括具有阳极、阴极和栅极端子的宽带隙闸流管，和具有基极、集电极和发射极端子的宽带隙双极晶体管。所述双极晶体管的发射极端子直接耦接到所述闸流管的阳极端子，从而所述双极晶体管和所述闸流管串联。所述双极晶体管和所述闸流管限定了宽带隙双极功率开关器件，其构造为在非导通状态和导通状态之间切换，该导通状态允许电流在对应于所述双极晶体管的集电极端子的第一主端子和对应于所述闸流管的阴极端子的第二主端子之间流动，以响应于施加到所述双极晶体管基极端子的第一控制信号和施加到所述闸流管栅极端子的第二控制信号。还讨论了相关的控制电路。

Description

具有非负温度系数的宽带隙双极可关断闸流管和相关控制电路
美国政府利益的声明
本发明是在美国陆军研究实验室合同号No.W911NF-04-2-0022的政府支持下开发的。政府对本发明具有特定权利。
技术领域
本发明涉及功率半导体器件，并且更具体地，涉及包括功率开关器件的装置和电路。
背景技术
功率器件广泛用于传递大电流并支撑高电压。现代功率器件一般由单晶硅半导体材料制造。功率器件的一种类型是闸流管。闸流管是一种双稳态功率半导体器件，其可从非导通的“关”状态切换到导通的“开”状态，反之亦然。例如闸流管、高功率双极结晶体管(“HPBJT”)，或功率金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)的功率半导体器件为能够控制或通过大量电流并阻断高电压的半导体器件。
闸流管已为人所熟知，其一般具有三个端子：阳极、阴极和栅极。当在闸流管栅极端子处接收到电流脉冲时可激励闸流管以便在其阳极及阴极端子之间传导电流。更具体地，可通过横跨栅极和阴极施加短路电流脉冲来接通闸流管。一旦闸流管接通，栅极可失去其关断器件的控制力。可通过横跨阳极和阴极施加反向电压来实现关断。然而，专门设计的栅极可关断闸流管(“GTO”)通常由反向栅极脉冲来关断。GTO闸流管通常由某些触发输入来开始传导，并且随后其以二极管的形式工作。
闸流管是一种在瞬时电流、di/dt和dv/dt性能方面都非常稳定的器件。常规硅闸流管的正向电压(VF)降为大约1.5V到2V，而对某些功率更高的器件而言，大约为3V。因此，闸流管可控制或通过大电流并且有效地阻断高电压(即，电压开关)。
闸流管的两个参数是内建电势(built-in potential)(这是用来制造闸流管的半导体材料的带隙的特性)和比接通电阻(specific on-resistance)(即，器件接通时在线性区中横跨器件阳极和阴极的电阻)。闸流管的比接通电阻通常是尽可能地小，以便对于施加到闸流管上的给定电压，按单位面积提供大的电流。对于给定的额定电流，比接通电阻越小，正向电压(VF)降越小。给定半导体材料的最小VF为其内建电势(电压)。
某些常规闸流管可由硅(Si)或砷化镓(GaAs)制造，例如可控硅整流器(“SCR”)。然而，由硅或砷化镓形成的闸流管可能具有某些由Si或GaAs材料本身带来的性能限制，例如少数载流子寿命和漂移区的厚度。对比接通电阻影响最大的因素是闸流管的低掺杂厚漂移区的电阻。在例如MOSFET的多数载流子器件中，比接通电阻由掺杂浓度和轻掺杂的漂移层厚度确定。在少数载流子(或双极)器件中，载流子，即电子和空穴被注入该漂移层，并显著降低比接通电阻。这种效应也称为电导率调制。闸流管的额定电压增大时，通常漂移区厚度增加而漂移区的掺杂减少。对于有效的电导率调制，要求少数载流子的寿命非常长。同时，由于漂移层体积的增大，存储在漂移层的载流子数量增多。因此，对于具有更高阻断额定电压的器件来说，消除进入漂移层中的载流子所需要的时间(其确定了切换时间和频率)可显著增大。
在功率器件方面所做的研发努力包括将碳化硅(SiC)器件用作功率器件。相对于硅，碳化硅具有较宽的带隙、较小的介电常数、较高的击穿场强度、较高的热导率和较高的饱和电子漂移速度。相比常规硅基功率器件，这些特性可允许碳化硅功率器件工作在更高的温度、更高的功率水平，并且具有更小的比接通电阻和更高的切换频率。对碳化硅器件相比硅器件所具有的优势的理论分析可在Bhatnagar等人发表在IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.40，1993，pp.645-655上的、题为“Comparison of6H-SiC，3C-SiC and Si for PowerDevices”的公开中找到。
发明内容
根据本发明的某些实施方式，电子器件包括具有阳极、阴极和栅极端子的宽带隙闸流管，和具有基极、集电极和发射极端子的宽带隙双极晶体管。双极晶体管的发射极端子耦合到闸流管的阳极端子。双极晶体管和闸流管限定了混合或单片的宽带隙双极功率开关器件。宽带隙双极功率开关器件构造为在非导通状态和导通状态之间切换，其中，导通状态允许电流在双极晶体管的集电极端子和闸流管的阴极端子之间流动以响应于施加到双极晶体管的基极端子的第一控制信号和响应于施加到闸流管栅极端子的第二控制信号。
在某些实施方式中，电子器件可进一步包括控制电路，其构造为产生所述第一及第二控制信号、将所述第一控制信号提供给所述闸流管的栅极端子及将所述第二控制信号提供给所述双极晶体管的基极端子，以便将所述双极功率开关器件切换到导通状态，使得负载电流在所述双极晶体管的集电极端子和所述闸流管的阴极端子之间流动。还可将所述控制电路构造成将所述闸流管的栅极端子耦接到所述双极晶体管的集电极端子，使得所述负载电流被换向到所述闸流管的栅极端子，以便将所述双极功率开关器件切换到非导通状态。
在某些实施方式中，控制电路可包括构造为产生将所述双极晶体管切换到导通状态的第一控制信号的第一电压源，构造为产生将所述闸流管切换到导通状态的第二控制信号的第二电压源，构造为将所述第一电压源耦接到所述双极晶体管的基极端子以向其提供第一控制信号的第一开关元件，构造为将所述第二电压源耦接到所述闸流管的栅极端子以便向其提供第二控制信号的第二开关元件，和构造为将所述闸流管的栅极端子耦接到所述双极晶体管的集电极端子的第三开关元件。
在有些实施方式中，控制电路可包括耦接到所述闸流管的栅极端子的第一开关元件，构造为将第一控制信号提供给所述双极晶体管的基极端子且构造为切换所述第一开关元件以将第二控制信号提供给所述闸流管的栅极端子的反相驱动器器件，耦接在所述闸流管的栅极端子和所述双极晶体管的集电极端子之间的第二开关元件，和构造为切换所述第二开关元件以便将所述闸流管的栅极端子耦接到所述双极晶体管的集电极端子的非反相驱动器器件。
在有些实施方式中，所述第一开关元件可以是宽带隙金属氧化物半导体(MOS)晶体管，其具有耦接到所述闸流管的栅极端子的源/漏极端子和耦接到所述反相驱动器器件的输出的栅极端子。所述第二开关元件可以是宽带隙换向双极晶体管，其具有耦接到所述双极晶体管的集电极端子的集电极端子、耦接到所述闸流管的栅极端子的发射极端子，和耦接到所述非反相驱动器器件的输出的基极端子。
在有些实施方式中，控制电路可进一步包括光触发驱动器器件，其构造为响应于施加于其的光而提供输出信号。所述反相驱动器器件和非反相驱动器器件可耦接到所述光触发驱动器器件的输出。所述反相驱动器器件可构造为在光施加到所述光触发驱动器器件时，为所述双极晶体管的基极端子提供第一控制信号并且将所述MOS晶体管切换到导通状态以将第二控制信号提供给所述闸流管的栅极端子。非反相驱动器器件可构造为在光未施加到光触发驱动器器件时，将换向双极晶体管切换到导通状态以将第一双极晶体管的集电极端子耦接到所述闸流管的栅极端子。
在有些实施方式中，控制电路可进一步包括耦接在所述闸流管的栅极端子和所述双极晶体管的集电极端子之间的旁路级。可将所述旁路级构造为当所述双极晶体管的集电极端子和所述闸流管的阴极端子之间的电流超过预定水平时在其间传导电流，以便将所述双极功率开关器件切换到非导通状态。
在有些实施方式中，所述旁路极可包括齐纳二极管，其被构造为在所述双极晶体管的集电极和所述闸流管的栅极之间的电压降超过所述齐纳二极管的击穿电压时导通。在有些实施方式中，所述旁路级可包括若干串联在所述闸流管的栅极端子和所述双极晶体管的集电极端子之间的功率二极管。
在有些实施方式中，所述旁路级可进一步包括换向双极二极管，其具有耦接到所述双极晶体管的集电极端子的集电极端子、耦接到所述闸流管栅极端子的发射极端子、和耦接到所述齐纳二极管的基极端子。可将所述换向双极晶体管构造为响应所述齐纳二极管的导通而切换到导通状态，以为所述闸流管的栅极端子提供负载电流并且将所述双极功率开关器件切换到非导通状态。
在有些实施方式中，所述双极晶体管和所述闸流管可被包括在同一个封装中。所述闸流管的阳极和阴极端子之间的接通电阻(on-resistance)可随着所述闸流管的工作温度的上升而减小。所述双极晶体管的集电极和发射极端子之间的接通电阻可随着所述双极晶体管的工作温度的上升而增大。
在有些实施方式中，当各自的工作温度上升时，所述双极晶体管的接通电阻的增加可大于所述闸流管的电阻的减小。同样地，当所述双极功率开关器件的工作温度上升时，处于导通状态的所述双极功率开关器件的电阻可增大。
在有些实施方式中，当各自的工作温度上升时，所述双极晶体管的接通电阻的增加可基本相同于(similar to)所述闸流管的电阻的减小。同样地，当所述双极功率开关器件的工作温度上升时，处于导通状态的所述双极功率开关器件的电阻可基本上不变。
在有些实施方式中，所述双极功率开关器件可构造为在所述双极晶体管工作在活动区时提供电流饱和能力(capability)。
在有些实施方式中，所述双极晶体管可以是碳化硅双极结晶体管(BJT)，且所述闸流管可以是碳化硅栅极可关断闸流管(GTO)。
根据本发明的其他实施方式，封装的双极功率开关器件包括具有基极、集电极和发射极端子的宽带隙双极晶体管和具有阳极、阴极和栅极端子的宽带隙闸流管。所述闸流管的阳极端子耦接到所述双极晶体管的发射极端子。所述集电极端子对应于所述双极功率开关器件的第一主端子，而所述阴极端子对应于所述双极功率开关器件的第二主端子。双极功率晶体管构造为在非导通状态和导通状态之间切换，其中，导通状态允许电流在所述第一及第二主端子之间流动。所述功率晶体管具有非负的温度系数，其中，所述第一及第二主端子之间的电阻在所述双极功率开关器件的工作温度上升时并不减小。
在有些实施方式中，所述闸流管的阳极和阴极端子之间的接通电阻可随着所述闸流管工作温度的上升而减小。所述双极晶体管的集电极和发射极端子之间的接通电阻可随着所述双极晶体管的工作温度的上升而增大。
在有些实施方式中，当各自的工作温度上升时，所述双极晶体管的接通电阻的增加可大于所述闸流管的电阻的减小，以便提供正温度系数，其中，处于导通状态的所述双极功率开关器件的第一及第二主端子之间的电阻随着所述双极功率开关器件的工作温度的上升而增大。
在有些实施方式中，当各自的工作温度上升时，所述双极晶体管的接通电阻的增加可基本相同于所述闸流管的电阻的减小，以便提供近零的温度系数，其中，在导通状态的所述双极功率开关器件的第一及第二主端子之间的电阻随着所述双极功率开关器件的工作温度的上升而基本不变。
根据本发明的更进一步的实施方式，封装的双极可关断闸流管器件包括具有阳极、阴极和栅极端子的宽带隙栅极可关断闸流管(GTO)，和具有基极、集电极和发射极端子的宽带隙双极结晶体管(BJT)。BJT的发射极端子直接耦接到GTO的阳极端子。所述双极功率开关器件构造为在非导通状态和导通状态之间切换，其中，导通状态允许电流在BJT的集电极和GTO的阴极之间流动以响应于施加到BJT基极端子的第一控制信号和施加到GTO栅极端子的第二控制信号。
在有些实施方式中，所述GTO的阳极和阴极端子之间的接通电阻可随着所述GTO的工作温度的上升而减小，而所述BJT的集电极和发射极端子之间的接通电阻可随着所述BJT的工作温度的上升而增大。
在有些实施方式中，GTO可包括其上具有阴极端子的第一导电类型的衬底、与所述阴极端子相对在衬底上且与所述第一导电类型相反的第二导电类型的漂移层、位于所述漂移层上并且其上具有栅极端子的第一导电类型的基极层，和在所述基极层上并且其上具有阳极端子的第二导电类型的第一层。BJT可包括直接位于第二导电类型的所述第一层上并且其上具有发射极端子的第一导电类型的层，和在第一导电类型的所述层上的第二导电类型的第二层。所述第二层可包括在其中重掺杂的且其上具有集电极端子的第一导电类型的第一区，和在其其中重掺杂的且其上具有基极端子的第二导电类型的第二区。
在有些实施方式中，所述第一导电类型可以是n-型，而所述第二导电类型可以是p-型。衬底和其上的层可以是碳化硅。
附图说明
所包括的用于提供对本发明的进一步理解且并入和构成此申请一部分的附图阐述了本发明的特定实施例(一个或多个)，在图中：
图1-4为电路示意图，其显示了根据本发明某些实施方式的器件和/或电路。
图5和6为图表，其显示了根据本发明某些实施方式的器件的电流-电压(I-V)特性。
图7为图1器件的横截面示意图。
具体实施方式
下文参照附图更加全面地描述本发明，附图示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施并且不应被解释为对此处论述的实施例进行限定。相反，提供这些实施例使得本公开彻底且完整，并且将向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，将层和区的尺寸和相对尺寸放大。可以理解的是，当一个元件或一个层称作位于另一元件或层“上”、“连接”或“耦接”另一元件或层时，其可以直接位于其他元件或层“上”、“连接”或“耦接”其他元件或层，或者也可存在中间的元件或层。相反，当一个元件称作“直接”位于另一元件“上”或“直接连接”或“直接耦接”另一元件或层时，则不存在中间元件或层。正如这里使用的，术语“和/或”包括一个或多个关联列举项的任意和全部组合。全文中，相同的附图标记指代相同的元件。
将理解的是，虽然术语第一和第二在此处用于描述不同的区、层和/或部分，但是这些区、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅仅用于将一个区、层或部分与另一区、层或部分区分开。因此，下文所探讨的第一区、层或部分可以被称为第二区、层或部分，类似地，第二区、层或部分也可以被称为第一区、层或部分，而不偏离本发明的范围。
此外，相关术语，例如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”在这里可以用于描述如附图中所阐述的一个元件与另一元件的关系。将理解的是相关术语意在包含除了在附图中所示的方向之外的器件的不同方向。例如，如果将附图中的器件倒置，则描述为在其他元件“下部”侧的元件将定向为在其他元件的“上部”侧。因此，示例性术语“下部”可以依照附图的特定方向而既包括“下部”又包括“上部”的方向。类似地，如果将附图之一中的器件倒置，则描述为在其他元件“下面”或“之下”的元件将定向为在其他元件的“之上”。因此，示例性术语“下面”或“之下”可以既包括上面又包括下面的方向。
这里所使用的术语仅仅为了描述特定实施例，并不意味着对本发明进行限制。如这里所使用，单数形式“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文另外明确地指明。可进一步理解的是，术语“包括”和/或“包括了”用在本说明书中时，说明存在所指定的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或增加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。
除非另行定义，这里所使用的所有术语(包括技术和科学术语)都具有与本发明所属领域技术人员通常所理解的含义相同的含义。将进一步理解的是，这些术语，例如那些在通常使用的字典中所定义的术语，应当解释为具有与它们在本公开的上下文以及相关领域中的含义一致的含义，且不以理想化或过分形式的方式解释，除非在本文中明确如此限定。
现在参照附图，图1到4为显示本发明的各种实施方式的电路示意图。根据本发明的实施方式的晶体管和闸流管可由具有3C、2H、4H、6H和15R的多型(polytype)碳化硅制造，或由用于制造电子器件的多种III族氮化物材料中的任意一种制造。在所示的实施方式中，n+和n-区以及p+和p-区被分配以“+”和“-”以便以本领域普通技术人员好理解的方式来分别表示相同导电类型材料的不同掺杂浓度水平。正如这里所使用的，“+”和“-”标记并不必然表示材料一方面退化，或另一方面是半绝缘。可以例如铝或硼对p型碳化硅进行掺杂且可以例如氮或磷对n型碳化硅进行掺杂。可以例如镁对p型氮化物进行掺杂而以例如硅对n型氮化物进行掺杂。
正如本领域技术人员所知的，闸流管为四层锁定开关器件，其具有用于电流流动的阳极和阴极以及用于将器件从阻断状态切换到导通状态，或者从导通状态切换到阻断状态的栅极。施加到栅极的控制信号促使器件“锁”入“接通”或导通状态，其中，电流可在器件的阳极和阴极之间自由流动。即使在控制信号消除之后，器件仍保持在导通状态。与第一控制信号极性相反的第二控制信号将器件往回切换到“断开”或阻断状态。然而，专门设计的栅极可关断闸流管(“GTO”)通常由反向栅极脉冲来关断。GTO闸流管通常由某些触发输入来启动导通，且之后其相当于二极管。虽然下文更加详细地讨论了某种宽带隙闸流管设计，但是宽带隙闸流管的设计在本领域中是普遍已知的。例如，美国专利No.5539217描述了碳化硅(SiC)闸流管的设计和制造。这种碳化硅闸流管可呈现出优于相似的硅闸流管的已改善的功率能力。
本发明的某些实施方式可源自这样一种认识，即，常规闸流管由于固有接通电阻的差异可能很难并联实现，尤其是在工作温度升高时。特别地，有些常规SiC闸流管可具有负的温度系数(NTC)，其中，横跨器件的接通电阻(且因此，正向电压降VF)可随工作温度升高而减小。由于结温度升高，这种用于正向电压降的负温度系数可增大传导电流。这可导致电流集中在一个或并联的多个闸流管上，其可引起热耗散。
本发明的实施方式提供了双极功率开关器件，其包括宽带隙闸流管和串联的宽带隙双极晶体管。这种宽带隙器件包括由宽带隙材料制成的有源半导体层，例如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和/或其他III族氮化物材料。特别地，本发明的实施方式提供了SiC闸流管，其具有至少一个与闸流管阳极端子串联的SiC双极结晶体管(BJT)。与常规SiC闸流管相比，在这里又称为双极可关断闸流管(“BTO”)的这种结构可提供增强的操作特性。
特别地，根据本发明的实施方式的双极功率开关器件通过将宽带隙BJT与宽带隙闸流管串联来为正向电压降VF提供近零的温度系数(例如，使得横跨器件的接通电阻不会因工作温度的升高而显著改变)或甚至正的温度系数(PTC)(例如，使得横跨器件的接通电阻因工作温度升高而增大)。例如，可特别选择SiC BJT(其对于正向电压降具有正温度系数)来减小SiC闸流管的负温度系数，并且可提供横跨BTO主端子的近零或甚至微正的温度系数。更特别地，当SiCBJT工作在饱和区时，其充当电阻，并且可对正向电压降提供正的温度系数。因此，根据本发明的实施方式的双极功率开关器件可更方便地并行，因为正向电压降可随着温度的升高而增大，从而促进电流在并联的器件中的分配更平均。
此外，根据本发明的某些实施方式的双极功率开关器件可在SiCBJT工作在活动区时提供电流饱和性能。电流饱和性能可保护这种器件不受接通期间浪涌电流，和/或短路故障情况时过冲(over shooting)的损害。根据本发明的某些实施方式的双极功率开关器件也可为饱和电流提供负温度系数。
根据本发明的某些实施方式的双极功率开关器件也可以相对高的速度开关。例如，根据本发明的某些实施方式的BTO可以比常规SiC闸流管关断地更快，因为SiC BJT可用于以相对高的速度关断SiC闸流管的阳极电流。同样地，包括齐纳二极管和/或若干串联功率二极管的旁路级可用于将阳极电流转向闸流管栅极端子，以关断闸流管。由于没有栅极介电薄膜，根据本发明的某些实施方式的双极功率开关器件也可工作在相对高的温度。
图1为示意图，其显示了根据本发明的某些实施方式的双极功率开关器件或“BTO”100。现在参照图1，BTO 100包括宽带隙双极晶体管(图1中示意为SiC BJT射极跟随器105)，其与宽带隙闸流管(图1中示意为SiC GTO 110)串联以提供伪栅-阴放大器(pseudocascode)对。具体地，SiC GTO 110包括栅极端子110g、阴极端子110c和阳极端子110a。SiC BJT 105包括基极端子105b、集电极端子105c和发射极端子105e。SiC BJT 105的发射极端子105e直接耦合到SiC GTO 110的阳极端子110a。SiC BJT 105的集电极105c耦合到和/或提供BTO的阳极端子(这里也称为第一主端子)100a，而SiC GTO110的阴极110c耦接到和/或提供BTO 100的阴极端子(这里也称为第二主端子)100c。基极端子105b和栅极端子110g为BTO 100提供控制端子。BJT 105和GTO 110可设置在同一封装中，并且可根据它们的具体温度系数和/或其他特性来选择，以提供具有非负温度系数和/或其他期望特性的封装的BTO 100。尽管这里参照碳化硅器件进行了描述，将理解到的是BJT 105和/或GTO 110也可由其他宽带隙半导体材料制造，例如，正如在此所描述的专利文献中的任意一篇中所描述的。同样地，虽然图1显示了npn-型BJT 105和p-型闸流管110，将理解到的是，在某些实施方式中也可使用pnp-型BJT和n-型闸流管。
将相应的控制信号施加到基极105b和栅极110g端子就可将BTO100从非导通状态(其中，电流并不在阳极100a和阴极100b之间流动)切换到导通状态(其允许电流在阳极100a和阴极100c之间流动)。更具体地，将控制信号施加到栅极110g导致SiC GTO 110“锁”成导通或“接通”状态，其允许电流在阳极100a和阴极110c之间流动。类似地，向基极105b施加控制信号导致SiC BJT 105接通，从而使电流在集电极105c端子和发射极105e端子之间流动。具体地，施加到基极105b的控制信号足以使BJT 105工作在饱和区，例如，在该区基极电流IB的变化对集电极电流Ic的影响很小。正如类似的电流水平可分别提供给基极105b和栅极110g以激活BJT 105和GTO 110成为导通状态，控制电路也可用于为BJT 105的基极105b和GTO 110的栅极110g生成并提供控制信号。
图2为示意图，其显示了根据某些实施方式的用于驱动图1的BTO 100的示例性电路。现参考图2，控制电路200包括电压源210、耦接到BJT 105的基极105b的缓冲放大器或驱动器205，和耦接在BJT 105的集电极105c和GTO 110的栅极110g之间的旁路级(图2中示意为齐纳二极管215)。BJT 105的集电极105c(例如，BTO 100的阳极端子100a)接地230，而GTO的阴极110c耦接电源电压Vcc 220的负输出端。将旁路级构造为在GTO 110的栅极110g和BJT 105的集电极105c之间的电压降超过齐纳二极管215的击穿电压时导通，以提供故障电流限制特性。尽管在图2中参照齐纳二极管215进行了图示，但是在某些实施方式中也可使用其他元件(例如，一个或多个串联功率二极管)来实现旁路级。
图3更加详细地显示了根据某些实施方式的用于驱动BTO 100的示例电路300。用于控制BTO 100的控制电路300包括两个阳极参考电压源V1 310和V2 320、四个开关301-304，和一个旁路级，其在图3中通过电压箝位二极管(或齐纳二极管)D1 315来实现。V1 310为基极105c提供驱动SiC BJT 105的控制信号。V2 320为栅极110g提供驱动SiC GTO 110的控制信号。箝位二极管D1 315具有击穿电压Vz，其大于由V2 320所提供的电压。
为了将BTO 100接通到导通状态，关闭开关301和303，并打开开关302和304。关闭开关301会将基极105b连接到V1 310的正输出端。作为射极跟随器(也称为“共集电极”)，应该将SiC BJT 105的基极105b拉到高于集电极电势，以将SiC BJT 105置入饱和状态。V1 310用于提供该电压，并且具有大于SiC BJT 105的基极-到-发射极电压降VBE的额定电压。例如，在某些实施方式中，V1 310可配置为提供大约3V到大约3.5V的电压。V1 310也配置为调节施加到SiCBJT 105的基极电流IB。关闭开关303会将SiC GTO 110的栅极110g连接到V2 320的负输出端，这导致SiC GTO 110从阻断或非导通的状态转变为导通状态。V2 320的额定电压也设定为稍高于SiC GTO110的阳极-到-栅极结的正向电压的值。例如，在某些实施方式中，V2 330可配置为提供大约3V到大约3.5V的电压。V2 320也配置为调节施加到SiC GTO 110的栅极电流IG。同样地，当BJT 105和GTO110都切换到导通状态时，负载电流可在BTO 100的阳极端子100a和阴极端子100c之间流动。
为了关断BTO 100成为阻断或非导通状态，打开开关301和303，并关闭开关302和304。开关301的打开和开关302的关闭将SiC BJT105的基极105b连接到V2 320的负端，从而关断SiC BJT 105。开关303的打开和开关304的关闭将SiC GTO 110的栅极110g连接到BTO100的阳极100a。因此，负载电流转换为从BTO阳极100a到GTO栅极110g。这将使得SiC GTO 110的阳极-到-栅极结反偏，从而导致SiC GTO 110快速关断。
仍然参照图3，根据本发明的某些实施方式的包括BTO 100的控制电路300提供了故障电流限制特性。特别地，SiC BJT 105保持在硬饱和，只要其集电极电流Ic低于SiC BJT 105的基极电流IB和电流增益β的乘积。一旦不再满足这个标准，SiC BJT 105进入其活动区并且将电流限制为基极电流IB和电流增益β的乘积。这导致SiC BJT 105的集电极-到-发射极电压VCE迅速增大，并且因此，SiC GTO栅极-到-SiC BJT集电极的电压也以相应的速度增大。栅极110g和集电极105c之间的电压降上升直到它超过箝位二极管D1 315的击穿电压VZ，在该点，箝位二极管D1 315开始导通。箝位或击穿电压VZ大于V2 320提供的电压，其阻止箝位二极管D1 315在正常工作时导通。结合SiCBJT 105的集电极-到-发射极电压VCE的增大以及通过箝位二极管D1315将SiC BJT 105的集电极105c箝位到SiC GTO栅极110g，就可促使SiC GTO 110的阳极-到-栅极结反向偏置。这迫使负载电流转换为从BTO阳极100a到GTO栅极110g，其快速地关断SiC GTO 110，从而中断了故障电流。
根据本发明的某些实施方式的示例性控制电路400的另一个例子显示在图4中。如图4中所示，控制电路400使用BJT Q2 425作为SiC GTO 110的换向元件。现在参照图4，当BTO 100处于导通状态时，负载电流从BTO 100的阳极端子100a，经过SiC BJT Q1 105和SiC GTO 110，并且流到BTO 100的阴极端子100c。电路400的其余部分用于控制SiC GTO 110和SiC BJT Q1 105。特别地，控制电路400包括提供隔离的接通/关断信号的光触发驱动器401(包括光发射二极管或其他光源401a和反相驱动器401b)、反相驱动器INV 402和非反相驱动器BUF 403、为SiC GTO 110提供接通栅极电流的低压n-型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管404及电阻R1 405，和用于在故障情况和换向期间箝位SiC GTO栅极110g的旁路级(包括BJT Q2 425和齐纳二极管D1 415)。BTO 100包括栅-阴放大器SiC BJT Q1 105和SiC GTO 110。BTO 100的阴极端子100c耦接到电压源Vcc 220的负端子。两个浮动DC电压源，V1′410和V2′420(其以BTO 100的接地阳极端子100a作为参考)用于提供电源。
如下文要详细描述的图4的例示性控制电路400的工作基于下述实施。特别地，驱动电压的参考点或地230为BTO 100的阳极端子100a。反相驱动器INV 402和非反相驱动器BUF 403的输出为BTO100的阳极端子100a提供正与负参考电势。电压从+V1′(高)摆动到-V2′(低)，其中，V1′410和V2′420提供的电压分别可与图3的电压源V1 310和V2 320提供的电压类似。电压源V1′410所提供的电压大小和反相驱动器INV 402及非反相驱动器BUF 403的电流源能力在很多(如果不是全部)集电极电流条件下足以将SiC BJT Q1 105和BJT Q2 425的发射极拉到阳极电势。电压源V2′420所提供的电压大小和NMOS晶体管404的电流能力在很多(如果不是全部)负载电流条件下足以接通SiC GTO 110(当SiC BJT Q1 105导通时)。适当的电流限制被设置在反相驱动器INV 402、非反相驱动器BUF 403和NMOS晶体管404的输出上，以允许在很多(如果不是全部)工作条件下进行安全运行。
仍然参照图4，BTO 100的阻断或非导通状态描述如下。当SiCGTO 110处于阻断或非导通状态并且光源401a并未提供触发光触发驱动器401的光时，反相驱动器INV 402的输出电压为-V2′，而非反相驱动器BUF 403的输出电压为+V1′。因此，SiC BJT Q1 105和NMOS晶体管404处于“关断”或阻断状态，且BJT Q2 425处于“接通”或导通状态。这就有效地将SiC GTO栅极110g连接到BTO阳极100a，从而提供了稳定的阻断状态，这种状态对电压随时间的变化(dV/dt)具有相对高的抗扰性。
BTO 100从阻断状态到导通状态的转换如下。当光源401a提供光从而触发光触发驱动器401以提供接通信号时，反相驱动器INV 402的输出变为+V1′，而非反相驱动器BUF 403的输出变为-V2′。因此，BJT Q2 425关断，而SiC BJT Q1 105和NMOS晶体管404则接通。由于SiC BJT Q1 105处于导通状态，因此SiC GTO 110的阳极110a紧紧地连接到BTO 100的阳极端子100a。这就促使电流从DC电压源V2′420经过NMOS晶体管404流到电阻器R1 405，进入到SiC GTO110的栅极110g，流过SiC GTO 110的阳极110a并返回DC电压源V2′420。该动作正向偏置了SiC GTO 110的栅极110g，其中，栅极电流IG由电阻器R1405的电阻限制。这就将BTO 100置入导通状态，且负载电流在阳极端子100a和阴极端子100c之间流动。在此期间，可偏置NMOS晶体管404以将其漏极电极限定为适于驱动SiC GTO栅极110g的水平。
BTO 100在导通状态下的工作如下所述。负载电流流入BTO 100的阳极端子100a，进入到SiC BJT Q1 105的集电极105c中并流出其发射极105e，流入到SiC GTO 110的阳极110a并流出其阴极110c，并流出BTO 100的阴极端子100c。SiC BJT Q1 105和SiC GTO 110串联以降低SiC GTO 110的阳极-到-阴极电压降。特别地，SiC BJT 105具有正的温度系数，其中，集电极-到-发射极电压降VCE随着工作温度的升高而增大。同样地，可基于用于正向电压降的正温度系数及基于SiC GTO 110的负温度系数，对本发明某些实施方式的各封装BTO100中的SiC BJT Q1 105进行特定选择，以减小和/或有效地抵消SiCGTO 110的负温度系数，甚至可在某些实施方式中为BTO 100提供正温度系数。SiC GTO 110的负温度系数可使常规SiC GTO中的平行阵列中的静态电流共享(share)变得困难。因此，通过将SiC BJT Q1 105与SiC GTO 110串联，BTO 100可具有非负(例如，接近零或甚至正的)的温度系数，根据本发明的某些实施方式，其可使电流分配变得均衡，并且使BTO的并行变得我。
BTO 100从导通状态到阻断状态的转换如下。当触发光触发驱动器401的光不是由光源401a提供时，反相驱动器INV 402的输出变为-V2′，而非反相驱动器BUF 403的输出变为+V1′。因此，SiC BJT Q1105和NMOS晶体管404关断，而BJT Q2 425则接通。随着SiC BJTQ1 105处于非导通状态，SiC GTO 110的阳极110a与BTO 100的阳极端子100a断开。随着BJT Q2 425处于导通状态而NMOS晶体管404处于非导通状态，SiC GTO 110的栅极110g从电压源V2′420断开并连接到BTO 100的阳极端子100a。据此，负载电流的方向变换为从阳极端子100a流入SiC GTO 110的栅极110g，致使SiC GTO 110快速关断。
图4所示的本发明的实施方式也可提供过电流特性，其在负载电流超过预定值时关断SiC GTO 110。更具体地，SiC BJT Q1 105提供的集电极电流Ic可由其基极电流IB和其电流增益β的乘积确定。当该值被超过时，SiC BJT Q1 105进入其线性区并开始充当恒流源。因此，SiC BJT Q1 105的集电极-到-发射极电压VCE可快速增大，这导致BTO阳极端子100a和SiC GTO栅极110g之间的电压增大。当阳极-到-栅极电压降超过齐纳二极管D1 415的击穿电压时，二极管D1 415将导通，从而导致BJT Q2 425将栅极电压箝位到预定水平。当故障电流增大时，横跨SiC BJT Q1 105的集电极-到-发射极电压VCE将进一步增大，从而反向偏置SiC GTO 110的阳极-到-栅极结并使SiC GTO关断，中断负载电流。可选择BJT Q2 425在其处对SiC GTO 110的栅极110g进行箝位的电压，以防止损坏控制电路400。
正如前面参照图4所讨论的，可将SiC BJT Q1 105选择为在导通状态支持连续满负载电流，并且在阻断状态支持电压V2′。导通期间，横跨SiC BJT Q1 105的集电极-到-发射极电压降VCE应保持足够低，以便正向偏置SiC GTO 110的阳极-到-栅极结。也可将BJT Q2 425选择为在导通状态(例如，在SiC GTO 110换向期间)支持满负载电流，并且在阻断状态时支持电压V2′。导通期间，横跨BJT Q2 425的集电极-到-发射极电压降VCE应小于V2′，从而减小和/或防止对NMOS晶体管404的可能损坏。
图5和6为显示根据本发明的某些实施方式的BTO的电流-电压(I-V)特性的图表。特别地，图5和6显示了根据本发明的某些实施方式的包括10kV SiC GTO和1600V SiC BJT的SiC BTO的正向I-V特性。如图5所示，这种结构提供了正的温度系数，因为BTO的接通电阻随着温度的升高而增大。特别地，当工作温度升高时，BTO的接通电阻增大(由横跨BTO的电压降的增大来表示)，如线505(室温)、510(大约100℃)、515(大约150℃)和520(大约200℃)所示。图6显示了根据本发明的某些实施例的SiC BTO在工作温度升高时提供电流饱和能力，如线605(室温)和线610(大约200℃)所示。
图7是示意根据本发明的某些实施方式的SiC BTO 100的横截面视图，其包括在相同衬底上的双极晶体管105和闸流管110。在某些实施方式中，上文中详细描述的双极晶体管105和闸流管110可由n型4H碳化硅层52制造和/或随后设置在n型4H碳化硅层52上。SiC双极晶体管描述在例如美国专利No.4,945,394中，而SiC闸流管描述在例如美国专利5,539,217中，在此以参引的方式将其整体并入。
如图7中所示，根据某些实施方式的BTO 100包括n-型层52。触部100c/110c设置在n-型层52上，并且为BTO 100和GTO 110两者提供阴极端子。p-型漂移层54设置在n-型层52上，n-型基极层56设置在p-型漂移层54上。GTO 110的栅极触部110g设置在n-型基极层56的重掺杂n+区57上。p-型层58设置在n-型基极层56上，n-型层60设置在p-型层58上。触部105e和110a设置在n-型层60和p-型层58上，以分别作为BJT 105的发射极端子和GTO 110的阳极端子。p-型层62设置在n-型层60上。p-型层62包括重掺杂的p+区63和重掺杂的n+区64。BJT 105的基极触部105b设置在重掺杂的p+区63上，而触部100a/105c设置在重掺杂的n+区64上，以作为BTO 100的阳极端子和BJT 105的集电极端子。
因此，n-型区64、p-型层62和n-型层60限定了SiC BJT 105。p+区63上的触部105b提供了BJT 105的基极端子，n+区64上的触部100a/105c提供了BJT 105的集电极端子(和BTO 100的阳极端子)，n-型层60上的触部105e提供了BJT的发射极端子。同样，p-型层58、n-型基极层56、p-型漂移层54和n-型层52限定了SiC GTO 110。N-型基极层56上的触部110g提供了GTO 110的栅极端子，p-型层58上的触部110a提供了GTO 110的阳极端子，而n-型层52上的触部100c/110c提供GTO 110的阴极端子(和BTO 100的阴极端子)。提供BJT发射极的n-型层60直接位于提供GTO阳极的p-型层58上，这样，BJT 105和GTO 110串联。
如上文参照图1-7所描述的本发明的实施方式可通过双极晶体管105和闸流管110的单片集成或混合组合来得到。正如这里所使用的，“混合”双极功率开关器件可指单个双极晶体管105和单个闸流管110的栅-阴放大器构造和/或其他组合。“单片”双极功率开关器件可指双极晶体管105和闸流管110两者在同一半导体芯片和/或衬底中制造的器件。根据本发明某些实施方式的封装的双极功率开关器件可包括双极晶体管105和闸流管110的单片和混合组合两者。
尽管参照特定附图描述了上述实施方式，将被理解的是，本发明的某些实施方式可包括附加的和/或中间层、结构或元件，和/或可删除特定层、结构或元件。更一般地，前文是对本发明的示意性说明并且不应被解释为对其进行限制。尽管描述了本发明的数个示例性实施例，但是本领域的技术人员很容易意识到，在实质上不偏离本发明的新型教导和优点的情况下，在示例性实施方式中进行许多修改是可能的。因此，所有这些修改意在被包括在如权利要求所限定的本发明的范围内。因此，应理解的是，前文是对本发明的示意性说明并且不应被解释为限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例的修改以及其他实施例意在被包括于所附权利要求的范围内。本发明由具有在其中包括了权利要求的等同物的下文的权利要求所限定。

Claims (25)

1.一种电子器件，包括：
具有阳极、阴极和栅极端子的宽带隙闸流管；和
具有基极、集电极和发射极端子的宽带隙双极晶体管，所述双极晶体管的发射极端子耦合到所述闸流管的阳极端子，
其中，所述双极晶体管和所述闸流管限定宽带隙双极功率开关器件，所述宽带隙双极功率开关器件构造为在非导通状态和导通状态之间切换，使得电流在所述双极晶体管的集电极端子和所述闸流管的阴极端子之间流动，以响应于施加到所述双极晶体管基极端子的第一控制信号及响应于施加到所述闸流管栅极端子的第二控制信号。
2.如权利要求1所述的电子器件，进一步包括：
控制电路，其构造为产生所述第一及第二控制信号，将所述第一控制信号提供给所述闸流管的栅极端子，及将所述第二控制信号提供给所述双极晶体管的基极端子，以便将所述双极功率开关器件切换到导通状态使得负载电流在所述双极晶体管的集电极端子和所述闸流管的阴极端子之间流动，
其中，还将所述控制电路构造成将所述闸流管的栅极端子耦接到所述双极晶体管的集电极端子，使得所述负载电流被换向到所述闸流管的栅极端子，以将所述双极功率开关器件切换到非导通状态。
3.如权利要求2所述的电子器件，其特征在于，所述控制电路包括：
第一电压源，其构造为产生将所述双极晶体管切换到导通状态的所述第一控制信号；
第二电压源，其构造为产生将所述闸流管切换到导通状态的所述第二控制信号；
第一开关元件，其构造为将所述第一电压源耦接到所述双极晶体管的基极端子以向其提供所述第一控制信号；
第二开关元件，其构造为将所述第二电压源耦接到所述闸流管的栅极端子以向其提供所述第二控制信号；和
第三开关元件，其构造为将所述闸流管的栅极端子耦接到所述双极晶体管的集电极端子。
4.如权利要求2所述的电子器件，其特征在于，所述控制电路包括：
耦接到所述闸流管的栅极端子上的第一开关元件；
反相驱动器器件，其构造为将所述第一控制信号提供给所述双极晶体管的基极端子，且构造为切换所述第一开关元件以将所述第二控制信号提供给所述闸流管的栅极端子；
耦接在所述闸流管的栅极端子和所述双极晶体管的集电极端子之间的第二开关元件；和
非反相驱动器器件，其构造为切换所述第二开关元件以将所述闸流管的栅极端子耦接到所述双极晶体管的集电极端子。
5.如权利要求4所述的电子器件，其特征在于：
所述第一开关元件包括宽带隙金属氧化物半导体(MOS)晶体管，其具有耦接到所述闸流管的栅极端子的源/漏极端子和耦接到所述反相驱动器器件的输出的栅极端子；和
所述第二开关元件包括宽带隙换向双极晶体管，其具有耦接到所述双极晶体管的集电极端子的集电极端子、耦接到所述闸流管的栅极端子的发射极端子，和耦接到所述非反相驱动器器件的输出的基极端子。
6.如权利要求5所述的电子器件，其特征在于，所述控制电路进一步包括：
光触发驱动器器件，其构造为响应于施加到其的光而提供输出信号，
其中，所述反相驱动器器件和非反相驱动器器件耦接到所述光触发驱动器器件的输出，
其中，所述反相驱动器器件构造为在光施加到所述光触发驱动器器件时，为所述双极晶体管的基极端子提供所述第一控制信号，并且将所述MOS晶体管切换到导通状态以将所述第二控制信号提供给所述闸流管的栅极端子，
以及其中，非反相驱动器器件构造为在光未施加到所述光触发驱动器器件上时，将所述换向双极晶体管切换到导通状态以将第一双极晶体管的集电极端子耦接到所述闸流管的栅极端子。
7.如权利要求2所述的电子器件，其特征在于，所述控制电路进一步包括：
耦接在所述闸流管的栅极端子和所述双极晶体管的集电极端子之间的旁路级，所述旁路级构造为当所述双极晶体管的集电极端子和所述闸流管的阴极端子之间的电流超过预定水平时在其间传导电流，以便将所述双极功率开关器件切换到非导通状态。
8.如权利要求7所述的电子器件，其特征在于，所述旁路极包括齐纳二极管，其被构造为在所述双极晶体管的集电极和所述闸流管的栅极之间的电压降超过所述齐纳二极管的击穿电压时导通。
9.如权利要求8所述的电子器件，其特征在于，所述旁路级进一步包括换向双极二极管，其具有耦接到所述双极晶体管的集电极端子的集电极端子、耦接到所述闸流管栅极端子的发射极端子、和耦接到所述齐纳二极管的基极端子，
其中，所述换向双极晶体管构造为响应所述齐纳二极管的导通而切换到导通状态从而为所述闸流管的栅极端子提供负载电流，并且将所述双极功率开关器件切换到非导通状态。
10.如权利要求7所述的电子器件，其特征在于，所述旁路级包括多个串联在所述闸流管的栅极端子和所述双极晶体管的集电极端子之间的功率二极管。
11.如权利要求1所述的电子器件，其特征在于，所述双极晶体管和所述闸流管被包括在同一个封装中，其中，所述闸流管的阳极和阴极端子之间的接通电阻随着所述闸流管的工作温度的上升而减小，其中，所述双极晶体管的集电极和发射极端子之间的接通电阻随着所述双极晶体管的工作温度的上升而增大。
12.如权利要求11所述的电子器件，其特征在于，在各自的工作温度上升时，所述双极晶体管的接通电阻的增加大于所述闸流管的电阻的减小，使得在导通状态的所述双极功率开关器件的电阻随着所述双极功率开关器件的工作温度的上升而增大。
13.如权利要求11所述的电子器件，其特征在于，当各自的工作温度上升时，所述双极晶体管的接通电阻的增加基本相同于所述闸流管的电阻的减小，使得在导通状态的所述双极功率开关器件的电阻随着所述双极功率开关器件的工作温度的上升而基本不变。
14.如权利要求1所述的电子器件，其特征在于，所述双极功率开关器件构造为在所述双极晶体管工作在活动区时提供电流饱和能力。
15.如权利要求1所述的电子器件，其特征在于，所述双极晶体管包括碳化硅双极结晶体管(BJT)，且其中所述闸流管包括碳化硅栅极可关断闸流管(GTO)。
16.一种封装的双极功率开关器件，包括：
具有基极、集电极和发射极端子的宽带隙双极晶体管，所述集电极端子对应于所述双极功率开关器件的第一主端子；和
具有阳极、阴极和栅极端子的宽带隙闸流管，所述闸流管的阳极端子耦接到所述双极晶体管的发射极端子，而所述阴极端子对应于所述双极功率开关器件的第二主端子，
其中，所述双极功率晶体管构造为在非导通状态和导通状态之间切换，使得电流在所述第一及第二主端子之间流动，并且其中所述双极功率晶体管在导通状态具有横跨所述第一及第二主端子的非负温度系数。
17.如权利要求16所述的器件，其特征在于，所述闸流管的阳极和阴极端子之间的接通电阻随着所述闸流管的工作温度的上升而减小，以及其中所述双极晶体管的集电极和发射极端子之间的接通电阻随着所述双极晶体管的工作温度的上升而增大。
18.如权利要求17所述的器件，其特征在于，当各自的工作温度上升时，所述双极晶体管的接通电阻的增加大于所述闸流管的电阻的减小，使得所述双极功率开关器件在导通状态具有横跨所述第一及第二主端子的正温度系数。
19.如权利要求17所述的器件，其特征在于，当各自的工作温度上升时，所述双极晶体管的接通电阻的增加基本相同于所述闸流管的电阻的减小，使得所述双极功率开关器件在导通状态时具有横跨所述第一及第二主端子的近零的温度系数。
20.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述双极晶体管包括碳化硅双极结晶体管(BJT)，且其中所述闸流管包括碳化硅栅极可关断闸流管(GTO)。
21.一种封装的双极可关断闸流管器件，包括：
具有阳极、阴极和栅极端子的宽带隙栅极可关断闸流管(GTO)；和
具有基极、集电极和发射极端子的宽带隙双极结晶体管(BJT)，所述BJT的发射极端子直接耦接到所述GTO的阳极端子，
其中，所述双极功率开关器件构造为在非导通状态和导通状态之间切换，所述导通状态允许电流在所述BJT的集电极和所述GTO的阴极之间流动以响应于施加到所述BJT基极端子的第一控制信号和施加到所述GTO栅极端子的第二控制信号。
22.如权利要求21所述的器件，其特征在于，所述GTO的阳极和阴极端子之间的接通电阻随着所述GTO的工作温度的上升而减小，且其中所述BJT的集电极和发射极端子之间的接通电阻随着所述BJT的工作温度的上升而增大。
23.如权利要求21所述的器件，其特征在于，所述GTO包括：
其上具有阴极端子的第一导电类型的衬底；
在所述衬底上与所述阴极端子相对且与所述第一导电类型相反的第二导电类型的漂移层；
位于所述漂移层上并且其上具有所述栅极端子的第一导电类型的基极层；和
在所述基极层上并且其上具有所述阳极端子的第二导电类型的第一层，
以及其中，所述BJT包括：
直接位于第二导电类型的所述第一层上并且其上具有所述发射极端子的第一导电类型的层；和
在第一导电类型的所述层上的第二导电类型的第二层，所述第二层包括在其中重掺杂且其上具有所述集电极端子的第一导电类型的的第一区，和在其中重掺杂且其上具有所述基极端子的第二导电类型的第二区。
24.如权利要求23所述的器件，其特征在于，所述第一导电类型包括n-型，所述第二导电类型包括p-型。
25.如权利要求23所述的器件，其特征在于，所述衬底和其上的层包括碳化硅。
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