CN104868890B - 半导体装置、ac/dc转换器、pfc电路和电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种半导体装置、交流/直流（AC/DC）转换器、功率因数校正（PFC）电路和电机驱动器，该半导体装置具有绝缘栅双极型晶体管（IGBT），所述绝缘栅双极型晶体管具有第一双极型晶体管（Q1）和第一场效应晶体管（NM1），所述第一双极型晶体管的基极连接所述第一场效应晶体管的漏极；其中，所述半导体装置还具有旁通路径，所述旁通路径的一端连接所述第一双极型晶体管的发射极，所述旁通路径的另一端连接所述第一双极型晶体管的基极，并且，所述绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时所述旁通路径的阻抗与所述绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时所述旁通路径的阻抗不同。

Description

半导体装置、AC/DC转换器、PFC电路和电机驱动器

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体装置以及具有该半导体装置的交流/直流（AC/DC）转换器、功率因数校正（PFC）电路和电机驱动器。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是由双极型晶体管（Bipolar Transistor）和金属氧化物场效应晶体管（Metal OxidationSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）组成的半导体功率器件，其兼具MOSFET的高输入阻抗和双极型晶体管的低导通压降两方面特性，被广泛应用于功率因数校正（Power Factor Correction,PFC）电路、电机驱动器（Motor Driver）、变频器、开关电源、照明电路、交流/直流（AC/DC）转换器等领域。

专利文献1（JP特开平6-104443）公开了一种横型IGBT器件，图1为专利文献1的横型IGBT的器件结构示意图，如图1所示，该横型IGBT器件包括基板1、外延层2、N阱3、基区4、集电区5、栅极绝缘膜6、栅极7、接触区域8和9、接触区域10和11、发射极12、集电极13、背面电极14，并且，通过连接线15将背面电极14和发射极12电连接，椭圆形虚线所示位置是IGBT中双极型晶体管Q1、Q2的位置。

图2是专利文献1的横型IGBT的等效电路图，其中，M1是IGBT中的MOS晶体管，C、E、G分别对应图1中IGBT的集电极13、发射极12和栅极7。需要说明的是，在图1、图2中，IGBT的集电区5实际上相当于双极型晶体管Q1、Q2的发射区，IGBT的集电极13实际上相当于双极型晶体管Q1、Q2的发射极。

根据图2的等效电路图可知，通过使芯片表面的电极与背面的电极短路，能够降低IGBT的导通电阻。上述将表面电极与背面电极短路的结构还能用于纵型IGBT，从而形成纵横混合结构。在纵横混合结构中，通过减小IGBT集电区的P型扩散面积，能够减少载流子，从而在IGBT关断时减少尾电流，以提高IGBT的开关速度。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

在现有技术中，通过减小集电区的P型扩散区的面积来提高IGBT的开关速度，但是，在现有技术中，在IGBT从导通状态切换到关断状态时，Q1、Q2的基极依然有电流流通，导致IGBT的集电极（相当于Q1、Q2的发射极）也有电流流通，因此，流过IGBT集电极的电流成为尾电流，导致IGBT的开关速度变慢。可见，在IGBT关断时，由于IGBT的集电区中不可避免地仍然存在载流子，所以会存在开关速度的极限。

本发明实施例提供一种半导体装置以及具有该半导体装置的交流/直流（AC/DC）转换器、功率因数校正（Power Factor Correction,PFC）电路和电机驱动器（MotorDriver），以提高IGBT的开关速度。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种半导体装置，具有绝缘栅双极型晶体管（IGBT），所述绝缘栅双极型晶体管具有第一双极型晶体管（Q1）和第一场效应晶体管（NM1），所述第一双极型晶体管的基极连接所述第一场效应晶体管的漏极，其特征在于，所述半导体装置还具有旁通路径，所述旁通路径的一端连接所述第一双极型晶体管的发射极，所述旁通路径的另一端连接所述第一双极型晶体管的基极，并且，所述绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时所述旁通路径的阻抗与所述绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时所述旁通路径的阻抗不同。

根据本发明实施例的第二方面，其中，所述绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，所述旁通路径的阻抗变大；所述绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时，所述旁通路径的阻抗变小。

根据本发明实施例的第三方面，其中，所述旁通路径包括第二场效应晶体管（PM2），所述第二场效应晶体管为P沟道金属氧化物晶体管。

根据本发明实施例的第四方面，其中，所述第二场效应晶体管的漏极连接所述第一双极型晶体管的基极，所述第二场效应晶体管的源极连接所述第一双极型晶体管的发射极。

根据本发明实施例的第五方面，其中，所述第二场效应晶体管的栅极接地。

根据本发明实施例的第六方面，其中，所述半导体装置还具有串联于所述第二场效应晶体管的漏极和所述第一场效应晶体管的栅极之间的至少两个电容，所述第二场效应晶体管的栅极与所述至少两个电容的一个电极连接。

根据本发明实施例的第七方面，其中，所述第二场效应晶体管的漏极与所述第二场效应晶体管的背栅极连接。

根据本发明实施例的第八方面，其中，所述半导体装置还包括：第二双极型晶体管（Q2），所述第二双极型晶体管的发射极连接所述第一双极型晶体管的发射极，所述第二双极型晶体管的基极连接所述第一场效应晶体管的漏极。

根据本发明实施例的第九方面，提供一种交流/直流转换器，其包括如本发明实施例第一方面至第八方面任一项所述的半导体装置。

根据本发明实施例的第十方面，提供一种功率因数校正（Power FactorCorrection,PFC）电路，其包括如本发明实施例第一方面至第八方面任一项所述的半导体装置。

根据本发明实施例的第十一方面，提供一种电机驱动器（Motor Driver），其包括如本发明实施例第一方面至第八方面任一项所述的半导体装置。

本发明的有益效果在于：在IGBT的双极型晶体管的发射极和基极之间连接旁通路径，可以在IGBT关断时避免产生尾电流，提高IGBT的开关速度。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为专利文献1的横型IGBT的器件结构示意图；

图2是专利文献1的横型IGBT的等效电路图；

图3是本发明实施例1的半导体装置的等效电路图；

图4是本发明实施例2的半导体装置的一个等效电路图；

图5是本发明实施例2的半导体装置的器件结构的一个示意图；

图6是本发明实施例2的半导体装置的另一个等效电路图；

图7是本发明实施例2的半导体装置的器件结构的另一个示意图；

图8是本发明实施例2的半导体装置的又一个等效电路图；

图9是本发明实施例2的半导体装置的器件结构的又一个示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本发明的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，其表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，本发明不限于所描述的实施方式，相反，本发明包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

实施例1

图3是本发明实施例1的半导体装置的等效电路图。如图3所示，半导体装置300具有绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和旁通路径Z。

图3的虚线框部分所示为绝缘栅双极型晶体管，该绝缘栅双极型晶体管具有第一双极型晶体管Q1和第一场效应晶体管NM1，第一双极型晶体管Q1的基极b1连接第一场效应晶体管NM1的漏极d1。

如图3所示，在半导体装置300中，旁通路径Z的一端连接第一双极型晶体管Q1的发射极e1，旁通路径Z的另一端连接第一双极型晶体管Q1的基极b1，并且，在绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时旁通路径Z的阻抗Zon与绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时旁通路径Z的阻抗Zoff不同。由此减少了尾电流的产生，提高了该IGBT的开关速度。

此外，在图3中，C、E、G分别代表IGBT的集电极、发射极和栅极，其中，IGBT的集电极与第一双极型晶体管Q1的发射极e1是同一个电极。

在本发明实施例中，第一双极型晶体管Q1例如可以是PNP型晶体管，第一场效应晶体管NM1例如可以是N沟道MOS场效应晶体管，绝缘栅双极型晶体管IGBT例如可以是横型绝缘栅双极型晶体管。

关于晶体管Q1、晶体管NM1以及IGBT的工作原理，可以参考现有技术，本发明实施例不再赘述。

在本发明实施例中，其阻抗例如可以满足如下条件：

当IGBT导通时，Zon变大，例如Zon=1KΩ，由此，旁通路径Z成为高阻抗路径；

当IGBT关断时，Zoff变小，例如Zoff=0.1Ω，由此，旁通路径Z成为低阻抗路径。

在本发明实施例中，旁通路径Z可以通过多种元件来实现，例如，场效应晶体管、或其他具有可变阻抗特性的元件，本发明实施例不限于此。

在本发明实施例中，旁通路径Z相当于与Q1的发射结Jbe并联，因此，当IGBT导通时，流过高阻抗的旁通路径Z的电流较低，从而不会从旁通路径Z提取载流子；当IGBT关断时，Zoff变小，因而旁通路径Z两端的电压降Vz较小，在Vz小于Q1的发射结Jbe的开启电压Vbe-on的情况下，发射结Jbe关闭，不会有载流子流经发射结Vbe，由此，避免尾电流的产生。

根据本发明实施例1的半导体装置，在IGBT的双极型晶体管的发射极和基极之间连接旁通路径，可以在IGBT关断时避免产生尾电流，提高IGBT的开关速度。

实施例2

本发明实施例2的半导体装置与实施例1的半导体装置结构相似，不同之处在于，在实施例2中，旁通路径Z可以包括第二场效应晶体管PM2。实施例2与实施例1相同部分的说明请参照实施例1，此处不再重复说明。

图4是本发明实施例2的半导体装置的一个等效电路图，如图4所示，第二场效应晶体管PM2漏极d2连接第一双极型晶体管Q1的基极b1，第二场效应晶体管PM2的源极s2连接第一双极型晶体管Q1的发射极e1。

在本发明实施例中，第二场效应晶体管PM2例如可以P沟道MOS场效应晶体管。

在本发明实施例中，第二场效应晶体管PM2的栅极g2可以接地。

在本发明实施例中，第二场效应晶体管PM2的漏极d2可以与第二场效应晶体管PM2的背栅极连接。

此外，在本发明实施例中，半导体装置还可以具有寄生的第二双极型晶体管Q2，其中，第二双极型晶体管Q2的发射极（未图示）可以连接第一双极型晶体管Q1的发射极e1，第二双极型晶体管Q2的基极（未图示）可以连接第一场效应晶体管NM1的漏极d1。

此外，如图3所示，在第二场效应晶体管NM1的源极S2和漏极d2之间，还可以具有寄生电阻R1。

图5是本发明实施例2的半导体装置的器件结构的一个示意图，图5所示的半导体装置500的器件结构能够实现图4的等效电路。需要说明的是，本发明实施例并不限于此器件结构，还可以采用其它的器件结构来实现图4的等效电路。

如图5所示，半导体装置500中构成IGBT的部分为：在半导体装置500的N型半导体层501表面，形成有发射极E、集电极C和栅极G；在N型半导体层501中，形成有P型阱502、P+区503、N+区504、P型阱区511、P型区512，其中，P+区503和N+区504与IGBT的发射极E电连接，P型区512与IGBT的集电极C电连接，P型阱区511构成晶体管Q1的发射区。半导体装置500与等效电路中晶体管Q1、Q2、NM1的对应关系表示在图5中，对于半导体装置500中构成IGBT的部分的具体说明，请参考现有技术，本发明实施例不再赘述。

在图5中，还可以包括形成在半导体层501中的N+区507和P+区508，以及形成在半导体层501表面的栅电极510，其中，栅电极510对应晶体管PM2的栅极g2，P型阱区511构成晶体管PM2的源极s2，P+区508构成晶体管PM2的漏极d2，并且，通过N+区507和P+区508电连接，将PM2的漏极d2与PM2的背栅极连接；此外，栅电极510可以接地。

在本发明的实施例中，可以调整栅电极510下方的栅极氧化膜509的厚度，从而调整晶体管PM2的阈值电压Vth。例如，可以设置较厚的栅极氧化膜509，从而使PM2的阈值电压Vth满足|Vth|＞5V。

在本发明的实施例中，当IGBT的栅极G为高电平时，IGBT处于导通状态，集电极C的电压为Vsat，在Vsat＜5V的情况下，PM2的栅极510与IGBT集电极C之间的电压差不足5V，因此，PM2断开，呈现高阻抗；当IGBT的栅极G为低电平时，IGBT处于关断状态，集电极C的电压为电源电压，例如电源电压为500V，因此，PM2的栅极510与IGBT集电极C之间的电压差大于5V，PM2导通，呈现低阻抗，使得晶体管Q1的发射结Jbe截止，从而没有电流流经Q1的发射区和IGBT的集电极C，使开关速度变快。

此外，在本发明的实施例中，由于在器件结构上不便于将PM2的源极S2与背栅极连接，因此，选择将PM2的漏极d2与PM2的背栅极连接。由于PM2的动作范围在PNP晶体管的开启电压（例如，0.6V）以下，因此，将PM2的漏极d2与PM2的背栅极连接，并不会使寄生的PNP三极管导通，从而能够避免寄生三极管效应。

在本发明的实施例中，还可以在半导体层501的表面形成场极板，该场极板例如可以是电容型场极板。如图5所示，场极板可以由多个电极505和多个氧化层506形成，其中，多个电极505可以按上下层设置，上下层电极之间可以具有氧化层（未图示），下层电极与半导体层501的表面之间可以设置氧化层506。

在本发明的实施例中，如图5所示，场极板可以形成在IGBT的栅极G和晶体管PM2的漏极D2之间，由此，能够在晶体管PM2的漏极和IGBT的栅极G之间形成串联的至少两个电容。在图5中，N+区507和P+区508可以连接到场极板的一个电极506。

图6是本发明实施例2的半导体装置的另一个等效电路图，图6的半导体装置600与图4的半导体装置500具有相似的等效电路，区别在于，图6的晶体管PM2的栅极g2连接到串联于晶体管PM2的漏极和IGBT的栅极G之间至少两个电容的一个电极上，其中，串联的该至少两个电容可以是场极板形成，具体形成方式可参考对图5的说明，此处不再赘述。此外，虽然图6仅示出了两个电容C1、C2，但是本发明实施例并不限于此，例如，可以串连3个、4个、5个或更多电容。

在本发明的实施例中，该串联的电容可以起到分压的作用，由此，将栅极g2连接到串联电容的中间电极，能够缓和栅极g2与IGBT集电极C之间的电压差，例如，在IGBT关断的状态下，IGBT的集电极C的电源电压为500V，如果将g2接地，g2与集电极C之间的电压差为500V，而在将g2连接到电容C1、C2的中间极板的情况下，g2与集电极C之间的电压差可能会降至300V，从而缓和了g2与集电极C之间的电压差。

图7是本发明实施例2的半导体装置的器件结构的另一个示意图，图7的半导体装置700对应图6的等效电路图。在图7中，栅极510与场极板的一个电极505电连接，从而能够缓和栅极510与IGBT集电极C之间的电压差。

图8是本发明实施例2的半导体装置的另一个等效电路图，图8的半导体装置800与图6的半导体装置600具有相似的等效电路，区别在于，如图8所示，半导体装置800的等效电路中不具有晶体管Q2。由此，可以避免寄生晶体管Q2对半导体装置开关动作的影响。

图9是本发明实施例2的半导体装置的器件结构的另一个示意图，图9的半导体装置900对应图8的等效电路图。在图9中，通过在半导体层501的下部形成N型埋层513，可以阻断第二双极型晶体管Q2的通路，从而避免在半导体装置中形成寄生晶体管Q2。

根据本发明实施例2的半导体装置，在IGBT的双极型晶体管的发射极和基极之间连接包括第二场效应晶体管的旁通路径，可以在IGBT关断时避免产生尾电流，提高IGBT的开关速度；此外，通过将第二场效应晶体管的栅极连接由场极板所形成的串联电容的电极，能够缓和第二场效应晶体管栅极和IGBT集电极之间的电压差；此外，通过在半导体装置中形成埋层，可以避免形成寄生晶体管。

实施例3

本发明实施例3还提供一种交流/直流（AC/DC）转换器，该交流/直流（AC/DC）转换器包括如实施例1-2所述的半导体装置。

由于在实施例1和实施例2中，已经对该半导体装置进行了详细说明，其内容被合并于此，在此不再赘述。

根据本发明实施例的交流/直流转换器，能够提高该半导体装置内部的IGBT的开关速度，进而提高交流/直流转换器的性能。

实施例4

本发明实施例4还提供一种功率因数校正（Power Factor Correction,PFC）电路，该功率因数校正（Power Factor Correction,PFC）电路包括如实施例1-2所述的半导体装置。

由于在实施例1和实施例2中，已经对该半导体装置进行了详细说明，其内容被合并于此，在此不再赘述。

根据本发明实施例的功率因数校正（PFC）电路，能够提高该半导体装置内部的IGBT的开关速度，进而提高功率因数校正（PFC）电路的性能。

实施例5

本发明实施例5还提供一种电机驱动器（Motor Driver），该电机驱动器（MotorDriver）包括如实施例1-2所述的半导体装置。

由于在实施例1和实施例2中，已经对该半导体装置进行了详细说明，其内容被合并于此，在此不再赘述。

根据本发明实施例的电机驱动器，能够提高该半导体装置内部的IGBT的开关速度，进而提高电机驱动器的性能。

以上结合具体的实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本发明的精神和原理对本发明做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种半导体装置，具有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，所述绝缘栅双极型晶体管具有第一双极型晶体管(Q1)和第一场效应晶体管(NM1)，所述第一双极型晶体管的基极连接所述第一场效应晶体管的漏极，

其特征在于，所述半导体装置还具有旁通路径，所述旁通路径的一端连接所述第一双极型晶体管的发射极，所述旁通路径的另一端连接所述第一双极型晶体管的基极，

并且，所述绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时所述旁通路径的阻抗与所述绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时所述旁通路径的阻抗不同，其中，

所述绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，所述旁通路径的阻抗变大；

所述绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时，所述旁通路径的阻抗变小。

2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述旁通路径包括第二场效应晶体管(PM2)，所述第二场效应晶体管为P沟道金属氧化物晶体管。

3.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，

所述第二场效应晶体管的漏极连接所述第一双极型晶体管的基极，

所述第二场效应晶体管的源极连接所述第一双极型晶体管的发射极。

4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，

所述第二场效应晶体管的栅极接地。

5.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，

所述半导体装置还具有串联于所述第二场效应晶体管的漏极和所述第一场效应晶体管的栅极之间的至少两个电容，

所述第二场效应晶体管的栅极与所述至少两个电容的中间电极连接。

6.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，

所述第二场效应晶体管的漏极与所述第二场效应晶体管的背栅极连接。

7.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体装置还包括：

第二双极型晶体管(Q2)，所述第二双极型晶体管的发射极连接所述第一双极型晶体管的发射极，所述第二双极型晶体管的基极连接所述第一场效应晶体管的漏极。

8.一种交流/直流(AC/DC)转换器，其包括如权利要求1-7任意一项所述的半导体装置。

9.一种功率因数校正(PFC)电路，其包括如权利要求1-7任意一项所述的半导体装置。

10.一种电机驱动器，其包括如权利要求1-7任意一项所述的半导体装置。