CN104242888A - 闸流晶体管,触发闸流晶体管的方法和闸流晶体管电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闸流晶体管，包括：第一传导类型的第一区域；邻接第一区域的第二传导类型的第二区域；邻接第二区域的第一传导类型的第三区域；第二传导类型的第四区域，所述第四区域包括第一分节和与第一分节分离的第二分节，该第一分节和第二分节分别邻接第三区域；电连接到第一分节和第三区域的电阻元件；邻接第一区域的第一触点；邻接第一分节的第二触点；和邻接第二分节并与第二触点分离的触发触点。本发明还公开了一种触发该种闸流晶体管的方法，包括使用一个或多个该种闸流晶体管的电路。
Description
技术领域
本发明涉及闸流晶体管，触发闸流晶体管的方法和闸流晶体管电路。
背景技术
闸流晶体管是双稳态元件稳定元素，由被配置在PNPN布置中的两个相互感应的PNP和NPN双极晶体管组成，它可以从关闭状态被触发到一个极低欧姆的开启状态。传统的正电流被用于NPN型晶体管的基极，为了触发装置。
为了一些应用，特别是那些闸流晶体管操作在高正电压的应用中，需要能够通过负电流触发该闸流晶体管。已知的方法是通过向NPN型晶体管的基极提供负电流负电流来触发装置。另一个已知的方法是通过向NPN型晶体管的射极提供负电流来触发装置。
配置用于这样的已知的负电流触发方法的装置可能遭受一个或多个不利影响，例如各个曲型的制造工艺扩展的非稳态击穿电压不同，过度的触发电流和增加的电压降导致在开启状态的消散增加。
发明内容
按照一个方面，提供一种闸流晶体管包括：第一传导类型的第一区域；邻接第一区域的第二传导类型的第二区域；邻接第二区域的第一传导类型的第三区域；第二传导类型的第四区域，所述第四区域包括第一分节和与第一分节分离的第二分节，该第一分节和第二分节分别邻接第三区域；电连接到第一分节和第三区域的电阻元件；邻接第一区域的第一触点；邻接第一分节的第二触点；和邻接第二分节并与第二触点分离的触发触点。
因此，依据这个方面，向第四区域的第二分节提供触发电流，但是这可能不符合流过第四区域的的第一分节的要求。单独设计或者控制主电流传送路径的阻抗是可能的，包括第四区域的第一分节，它与该触发触点和触发电流的需要无关或者有一个相关的简化的依赖性。通过提供与第一分节分离的第二分节，该两个分节可能是不同的电偏压的。因此，第一分节和第二分节通常是电分离的，特别的是它们之间有一定程度和级别的电绝缘。他们可能是宽的物理上的距离间隔，或者是电隔离，例如通过结隔离。
该闸流晶体管包括连接到第一分节和第三区域的电阻元件。该电阻器可能将第三区域接地。该电阻器用于阻止该第三区域浮动，否则它的电压可能与第一分节一起下降。它通常用于保持偏压接近于第二分节并补充必要的基极电流。它可能与装置的余下部分成为一整体，或者提供为单独的连接元件。
在实施例中，该第一分节和第二分节是各自被第四区域围绕的。因此，该节可能是通过在该第四区域的距离间隔来实现电分离。例如，它们在n井中可能是物理学的与/和电隔离的。
在实施例中，闸流晶体管包括与电阻的元件并联的二极管，并且该二极管连接与第二分节和第三区域两者之间。这样的二极管也许已经具有通过第三区域限制负电压的效果。这样的二极管可能是可能与装置的余下部分成为一整体，或者作为单独的连接元件提供。
在实施例中，第一传导类型是P型，第二传导类型是N型。在实施例中，第一电触点是阳极，第二触点是阴极。
在实施例中，第二区域是第一基极区，第三区域是第二基极区，第一基极区包括相对轻掺杂漂移区，第二基极区是相对重掺杂的，第一基极区的长度比第二基极区的长度长。
根据另一个方面，提供有驱动器，该驱动器包括前述的闸流晶体管和控制器，该控制器被配置为向闸流晶体管的触发触点提供负触发电流。
根据另一个方面，提供一种LED照明电路，包括驱动器和多个LED灯带，具有与闸流晶体管并联的LED开关式灯带，该闸流晶体管被配置为向开关式LED灯带提供旁路电路。
根据另一个方面，提供一种闸流晶体管的方法，该闸流晶体管包括与阳极相邻的第一区域，分别是第一基极区和第二基极区的第二区域和第三区域，与阴极相邻的第四区域，该第四区域包括第一分节和第二分节，该方法包括，通过从与第二分节电连接的触发触点引入负电流来触发闸流晶体管，并通过停止引入该负电流来断开该闸流晶体管。
在实施例中，该方法进一步包括通过连接第二分节到第三区域来断开闸流晶体管。因此，通过使第二分节与第三区域短路，尤其是在相当于短路两个区域之间的电阻的应用中，该装置可能被关断。
这些及其他方面会在以下实施例中描述。
附图说明
图1示出了以不同形状描绘的普通的闸流晶体管；
图2示出了传统的闸流晶体管装置的剖面示意图；
图3示出了如图2所示的传统闸流晶体管装置的等电势曲线；
图4示出了闸流晶体管在导通状态和断开状态的电流电压特性曲线；
图5示出了触发闸流晶体管的常规配置，图5(a)是正电流，5(b)和5(c)是负触发电流；
图6示出了传统闸流晶体管和根据实施例的闸流晶体管在导通状态下的消散曲线；
图7示出了根据实施例的闸流晶体管，图7(a)是模块模式，图7(b)电路图模式；
图8示出了根据其他实施例的闸流晶体管的电路图；
图9示出了根据实施例的闸流晶体管的部分带的平面图；和
图10示出了根据实施例的举例应用。
具体实施方式
图1显示了以各种不同的方式描述的普通的闸流晶体管，该闸流晶体管是PNPN装置，如图1(a)所示包括四个区域110，120，130和140，各自被掺杂为具有p，n，p和n传导类型。传统的，区域110被称作第一射极，区域120和130分别是第一和第二基极区，区域140被称作第二射极区域。第一射极110与阳极触点112邻接，第二射极与阴极触点142邻接。闸流晶体管有栅极，或触发触点132，传统的正触发器闸流晶体管中，栅极，或触发触点132通常连接到第二基极区130。
如图1(b)可以看出，可以把闸流晶体管看作相互作用的PNP和NPN双极晶体管对。第一PNP晶体管包括区域110，120和130，分别作为射极，基极和集电极，而第二NPN晶体管包括区域120，130和140，分别作为集电极、基极和射极。图1(c)显示了二个双极晶体管闸流晶体管结合的闸流晶体管，通过用于双极晶体管的传统的电路信号来描写，图1(d)显示了相同的装置，该装置使用了用于闸流晶体管的传统的电路符号。栅触点132作为外接触点，而在第二晶体管的集电极和第一晶体管的基极之间的内部连接122并不作为到该装置的外接触点。
图2示出了传统的闸流晶体管装置的剖面示意图。图3显示了同样的装置在断开状态和接近故障状态下的电场。第一和第二射极区分别表示为210和240，第一和第二基极区分别表示为220和230。区域212，222，232和242分别设有触点。图上也显示了场极电板224。结构上，该装置类似于标准高电压NDMOS装置，扩展的，非常低掺杂n漂移区形成PNP型晶体管的基极。通过有源器件下的氧化物结构250来提供高度电绝缘，n漂移区提供跨PNP型晶体管的电绝缘。与包括n漂移区域的PNP型晶体管的基极区的长度相比，NPN型晶体管的基极区是由相对窄的主体扩散区230提供的。一般的，该区域可能小于1μm，而n漂移区域的长度一般是40到60μm。
图3显示了相同的结构，并在上面添加了等电势线310，312，314等。图中的条件相当于450V高侧，在231V阳极-阴极偏压下，即该装置两侧电压总共681V。
图4显示了闸流晶体管在阻断状态(粗体点线410)和导通状态(粗体虚线420)的电流电压特性。在非导通状态，闸流晶体管在反向击穿电压VBR和正向击穿电压VBO之间呈现很高的电阻(非常缓的IV曲线)。在导通状态，闸流晶体管在正向偏压(也就是第一象限)呈现很低的电阻(非常陡的IV曲线)。该阻断状态对应了栅极或者触发电流IG。该图显示了IG从0(IG＝0)增加到大电流(IG＞＞0)的转换。触发一般受到正基极电流IG进入NPN型晶体管(在该栅结点)的影响。
图5显示了已知的用于触发闸流晶体管的方法，闸流晶体管显示为互连的PNP和NPN型晶体管510和520。触发一般受到正基极电流IG进入NPN型晶体管(在该栅结点)的影响。触发电流由粗体点线530表示。
在一些应用中，后面将更为详细的描述，用负电流触发闸流晶体管会优于用正电流。两个已知的用于这样的触发的装置分别由图5(b)和5(c)表示。
图5(b)描绘了PNP触发。在该触发方法中，从PNP电阻器的基极拉取负电流。因此在这结构中，闸流晶体管的栅触点与PNP型晶体管的基极相连。这种结构中，由于PNP具有非常宽的基极区域，因此它通常具有非常低的双极性。因而，触发电流的仅仅一小部分导致产生了到达阳极的孔。因为需要这些孔来开启NPN，所以该装置可能难以触发，特别是在低侧条件，也就是在该装置两侧没有大电压的时候。一般的，孔的数量可能非常少，以至于还需要浮动物使得在低侧条件也可以触发该装置。浮动物会导致非预期的和不可复现的显现。尽管如此，它还是可以使得在低侧条件达到高触发电流。
图5(c)描绘了射极触发。在这中结构中，通过拉取(触发)电流540(粗体点线显示)来引入NPN基极-射极结到正向偏压。该结构要求至少两个另外的元件：(1)一个另外的二极管550，使阴极被拉至负偏压和(2)连接到基极的电阻器555，来提供必要的基极电流。把整个阴极用作触发射极，导致了大触发电流。更进一步地，在主电流通路中增加二极管，导致电路两侧另外的大约0.7V电压降。该补充电压大大增加了消散。
图6描述了该消散。图6显示了300μm宽的射极触发器闸流晶体管在开启状态下阳极保持电流的测量(在纵坐标或者Y轴)，电压Vak(在横坐标或X轴)，根据传统的射极触发器结构的标为610，根据如下所述实施例的标为620。传统的射极触发器的一般的电压降大于3V，由于附加的二极管带来的额外的0.7V的电压降。根据实施例的设计，具有单独的触发栅极，下面将更详细地描述，显示了非常低的电压降和低的保持电流。
在实施例中，NPN中的n+射极被分成至少两个分节，或者区域，被发送到两个不同的接合焊盘。一般的，较大的射极会作为原有的阴极，而较小的射极会变为栅极。该节或者区域通常是空间隔离的，为了使它们在不同的偏压中被单独的电偏压。在典型的物理结构中，电绝缘可能是通过单独的定位该节来完成，使它们之间有充分的空间，在p井(p-well)中。该结构由图7(a)显示。该图显示了一种闸流晶体管，一般可能是PNPN结构，有四个区域。这些区域中的三个区域，是连接到阳极触点705的第一射极715、第一和第二基极区725和735，它们与传统的闸流晶体管结构(分别为110，120和130)相比较是没有大变化的。然而，第四区域铍分成两个分离的区域742和744。第一个区域或者叫做分节742通常作为传统的射极，并被连接到阴极触点795，第二个区域或者叫做分节744通常作为栅极，并被电连接到栅极触点745。
依据电路实现，根据实施例的等效电路由图7显示。有效的，分节射极把原来的NPN520分成两个并联的NPN720和720’。第一个传送主电流粗体虚线540)，而第二个单独用于触发和仅接收触发电流(粗体点线540’)。图中显示了区域715和725之间的电阻Rn，anode。这样的一种电阻可以保证该基极不是浮动的。图中示意性的显示了区域725和735之间的电阻Rn，drift。它代表了相对长漂移区的电阻。
在实施例中，通过电阻器755把NPN型晶体管的基极接地。一个相对高电阻值通常被用于实现特别低的保持电流，在实践中介于大概100欧到几百千欧之间。如果该电阻过小，保持电流就可能变的过大，这是不希望出现的。相反的，如果该电阻过大，特别如果是开路，该装置可以变成半浮动，从而导致电压脉冲尖峰和dV/dt的问题。更进一步地，使用过高电阻可能导致主体在触发期间被下拉到过度的负偏压，这也是不希望发生的。
在一些实施例中，如图8所式，包括与阴极基极电阻器并联的二极管765。这可能提供更好的集成，特别是在不影响保持电流的情况下可限制基极电压值达到大约-0.7V。在图8所示的实施例的其他方面，类似于图7(b)所示。
图9示出了根据实施例的闸流晶体管的部分平面图。该视图显示了传统的用于阳极的大面积结合焊盘905，和用于阴极的结合焊盘995。阴极结合焊盘995依靠轨道995’被连接到射极的分节942，一般可能是金属轨道。虽然如图9所示，该节是间断的，在实践中他们依靠金属连接部连接。射极分节或者部分942是被连接到p+主体接触区域935的p井(PWELL)区域937围绕在内的。PWELL区域937，对应于图2的PW，也就是第二基极区230。P+主体区域935可能是依靠轨道930’被连接到触盘930，一般可能是金属轨道。触盘930可能是一外接触盘，或者在装置内部使用。触盘930因此对应于图2的KP触点232。特别的，电阻元件955可能把基极触盘932连接到结合焊盘995。该电阻元件955可能是作为单独的元件提供的，或者可能是寄生的结果。该电阻元件955可能有几百欧姆。另外，二极管965可能是连接在基极触盘930和阴极结合焊盘995之间。二极管965可能是被提供作为集成二极管的。在这种情况下，二极管965和电阻元件955被提供作为集成元件，可能不再需要接触基极触盘930，无论在哪种情况下，可以省略该焊盘。
除了射极分节或分节942之外，连接到阴极结合焊盘995的是单独的射极分节944，也被pwell区域围绕。射极分节944与射极分节942是空间分隔的，以致于通常将从那里实现电隔离。射极分节944通过轨道945’连接到触发触盘945上，一般可能是金属轨道。触发触盘945可能是通过电阻的元件被连接到阴极结合焊盘995。该电阻的元件可能是由单独的元件提供的，或者可能是寄生的结果。
在图9的实施例中，射极被分离为两个分节942和944。在其他的实施例中，射极可能包括更多的分节。这些一个或多个分节可能通过金属轨道被连接到阴极触盘995，在其他的实施例中，单独的触盘可能是为两个或更多的射极分节而设的。因此在实施例中，可能设有两个或更多的触发触盘945。特别是，在大电流闸流晶体管的情况下，也许复制该两个分节942和944是适当和方便的。这可能增强装置在开启状态的两侧的统一的触发。因此在高强度电流装置中，可能有两个或更多相关的触发触盘。应该注意图9只是示意性的，图9的区域的相对间距和尺寸被校准到便于理解。尤其是，说明性的实施例中，增加的主体区域可能是比显示的更加紧的包围在射极区域942和944周围，第二基极宽度(即区域942和944到主体注入边缘的距离)可能是比第一基极宽度小很多，即从区域935到区域942和944的距离。
没有限制的，根据实施例的闸流晶体可能在高电压应用中更方便。闸流晶体管便于大电流应用，是因为它们相对低的开启状态电阻。曲型的应用可能是高电压直流电源应用，有几百安培的电流并且达到或超过1kV。然而，闸流晶体管的应用不局限于这样的高强度电流。一个低电流应用的例子是LED照明电路，可能在1A或以下的电流下操作。因此根据实施例的用于电源开关的闸流晶体管可能在低于所谓的高侧条件下操作有效，并且通过负触发电流驱动该闸流晶体管是所期望实现的。这样一个应用的例子是如图10所示的多输出LED驱动电路。在这样的实施例的之前的例子中，通过NXP半导体公司的研发，在650V的击穿电压下驱动120mA的情况下是可用的。
图10显示了LED照明电路1000，包括系统驱动器1010，用于驱动多个LED灯带1022，1024，1026和1028。灯带被布置为“指向电源”的结构，以致于它们响应于即时电源电压，依次连接或断开。如图显示，LED灯带是串联排列的。系统驱动器1010包括电流源1032，1034，1036和1038，用于提供灯带电流STR1。STR4也显示了。然而系统驱动器1010还包括三个闸流晶体管1042，1044和1046。闸流晶体管排列以致能短路LED灯带中的个别个，分别为1022、1024和1026。
电源和闸流晶体管是通过控制器1050控制的。系统控制器还包括高电压供电单元1064，从干线1070提供整流功率补给。
作为操作的简单例子，考虑到LED灯带各自需要60V的电压来操作的情况，把照明电路连接到230V，50Hz，峰值电压为325V的主电源。主电源在等于零的情况，灯带均不可用。5ms后电源电压到达大约60V，第一LED灯带1028被连接。这时，需要短路或旁路剩余三个LED灯带，通过闭合闸流晶体管1042、1044和1046的方法。大约12ms后，电源电压到达大约120V，这时闸流晶体管1046断开，以致于LED灯带1026不再被旁路，而是被接通。一旦电源电压到达180V，旁路LED灯带1024的闸流晶体管1044被关断来消除短路，最后一旦电源电压到达240V，旁路LED灯带1022的闸流晶体管1042被断开。所有的LED灯带现在都是可操作的，并在主循环的最高电压部分期间持续操作。随着电压开始下降，闸流晶体管被闭合，以相反的顺序，即1042、1044，然后1046，为了连续的旁路越来越多的灯带。
这样的应用是非限制的，比如相对大电流应用的例子，其中闸流晶体管应用在高侧，并受益于负触发电流。
词语“包括”并不排除其他元件的存在，“一个”也并不排除多个，单一处理器或其他模块可以实现多个功能，不应该理解为对权利要求的限制。
Claims (10)
1.一种闸流晶体管，其特征在于，包括：
第一传导类型的第一区域；
邻接第一区域的第二传导类型的第二区域；
邻接第二区域的第一传导类型的第三区域；
第二传导类型的第四区域，所述第四区域包括第一分节和与第一分节分离的第二分节，该第一分节和第二分节分别邻接第三区域；
电连接到第一分节和第三区域的电阻元件；
邻接第一区域的第一触点；
邻接第一分节的第二触点；和
邻接第二分节并与第二触点分离的触发触点。
2.如权利要求1所述的闸流晶体管，其特征在于，所述第一分节和第二分节各自被第四区域围绕。
3.如前述任一项权利要求所述的闸流晶体管，其特征在于，进一步包括与电阻元件电并联的二极管，并且该二极管连接于第二分节和第三区域之间。
4.如前述任一项权利要求所述的闸流晶体管，其特征在于，其中第一传导类型是p型，第二传导类型是n型。
5.如前述任一项权利要求所述的闸流晶体管，其特征在于，其中第一触点是阳极，第二触点是阴极。
6.如权利要求5所述的闸流晶体管，其特征在于，所述第二区域是第一基极区，第三区域是第二基极区，第一基极区包括相对轻掺杂漂移区，第二基极区是相对重掺杂的，第一基极区的长度比第二基极区的长度长。
7.一种驱动器，其特征在于，包括控制器和如前述任一项权利要求所述的闸流晶体管，该控制器被配置为向闸流晶体管的触发触点提供负触发电流。
8.一种LED照明电路，其特征在于，包括如权利要求7所述的驱动器和多个LED灯带，具有与闸流晶体管并联的LED开关式灯带，该闸流晶体管被配置为在使用中为开关式LED灯带提供旁路电路。
9.一种操作闸流晶体管的方法，其特征在于，该闸流晶体管包括与阳极相邻的第一区域，分别是第一基极区和第二基极区的第二区域和第三区域，与阴极相邻的第四区域，该第四区域包括分离的第一分节和第二分节，该方法包括：
通过拉取来自与第二分节电连接的触发触点的负电流来触发所述闸流晶体管。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括通过电连接第二分节到第三区域来断开闸流晶体管。
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