CN112151533A - 一种双向导电的功率半导体器件结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双向导电的功率半导体器件结构，通过四个功率二极管的相互连接，实现了使非对称的功率开关器件达成双向耐压及双向导电的目的。与传统的共漏极MOS对管结构对比，不仅能够降低器件总面积，提高集成度，降低成本，还能降低器件总体导通电阻，降低导通功耗。并且，二极管支路的存在，还能再电路两端电压过高、MOSFET出现击穿时提供分流支路，降低MOSFET烧毁的风险。在电池管理系统等需要双向耐压、双向导电的场合有着巨大的应用前景。

Description

一种双向导电的功率半导体器件结构
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，主要涉及一种双向导电的功率半导体器件结构。
背景技术
功率MOS器件作为功率集成电路及功率管理电路的核心功率器件，有着非常广泛的应用，然而，常用功率MOS器件的漏源非对称结构导致的功率MOS器件单向耐压、单向导电的特性限制了功率MOS器件的应用。
在诸如BMS(电池管理系统)等需要双向耐压，双向导电的场合，单个功率MOS器件无法满足需求，传统的解决方案是将两个功率MOS器件漏极短接，串联使用，从而达到双向耐压，双向导电的目的。然而，这种方案一方面需要两个大面积的功率MOS器件，增加了成本，降低了系统集成度；另一方面，两个功率MOS器件串联也极大地增大了电路的导通电阻，增大了电路损耗。
发明内容
本发明针对常用功率MOS器件的漏源非对称结构导致的功率MOS器件单向耐压、单向导电的特性限制了功率MOS器件的应用的问题，提供一种双向导电的功率半导体器件结构。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种双向导电的功率半导体器件结构，包括：
四个参数相同的功率二极管D1、D2、D3、D4以及一个功率MOSFET器件M1，且每个功率二极管反向击穿电压小于功率MOSFET器件M1或与功率MOSFET器件M1相等；功率二极管D1的阳极与功率二极管D4的阴极相连，构成电路的第一个输入/输出端口S1；功率二极管D1的阴极、功率二极管D2的阴极以及功率MOSFET器件M1的漏极三者相连；功率二极管D3的阳极、功率二极管D4的阳极以及功率MOSFET器件M1的源极三者相连；功率二极管D2的阳极与功率二极管D3的阴极相连，构成电路的第二个输入/输出端口S2；功率MOSFET器件M1的栅极构成电路的控制端G。
作为优选方式，四个功率二极管D1、D2、D3、D4是开启电压低于0.7V的低开启电压恒流二极管。
作为优选方式，低开启电压恒流二极管结构包括：第一导电类型衬底01，位于第一导电类型衬底01之上的第二导电类型外延层02，位于第二导电类型外延层02表面的第一导电类型阱区03，位于第一导电类型阱区03中的第一导电类型阴极接触区04和第二导电类型阴极接触区05，位于第二导电类型外延层02和第一导电类型阱区03上表面的第二导电类型沟道注入区06，位于第二导电类型外延层02和第二导电类型沟道注入区06上表面的栅介质层07，位于栅介质层07上方的栅极多晶硅08，覆盖整个恒流二极管元胞表面的阴极金属接触10，位于第一导电类型衬底01下表面的阳极金属接触20。
作为优选方式，四个功率二极管D1、D2、D3、D4是肖特基二极管。
作为优选方式，功率MOSFET器件是VDMOS器件或是LDMOS器件；是N沟道器件或是P沟道器件；是增强型MOSFET或是耗尽型MOSFET。
作为优选方式，功率MOSFET器件替换为IGBT器件。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种双向导电的功率半导体器件结构，使用一个普通的单向耐压功率半导体器件和四个功率二极管达成了双向耐压、双向导电的目的，不仅能够降低器件总面积，提高集成度，降低成本，还能降低器件总体导通电阻，降低导通功耗。并且，二极管支路的存在，还能在电路两端电压过高、MOSFET出现击穿时提供分流支路，降低MOSFET烧毁的风险。在电池管理系统等需要双向耐压、双向导电的场合有着巨大的应用前景。
附图说明
图1传统的漏极短接功率MOS器件结构图；
图2传统的漏极短接功率MOS器件等效电路；
图3本发明提出的双向导电的功率半导体器件结构；
图4本发明提出的双向导电的功率半导体器件结构电流方向1；
图5本发明提出的双向导电的功率半导体器件结构电流方向2；
图6实施例2对应的双向导电的功率半导体器件结构；
图7实施例3所用低开启电压恒流二极管结构、电路符号及典型电学特性；
图8实施例4对应的双向导电的功率半导体器件结构；
图9实施例6对应的双向导电的功率IGBT器件电路架构。
01为第一导电类型衬底，02为第二导电类型外延层，03为第一导电类型阱区，04为第一导电类型阴极接触区，05为第二导电类型阴极接触区，06为第二导电类型沟道注入区，07为栅介质层，08为栅极多晶硅，10为阴极金属接触，20为阳极金属接触。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案
实施例1：
如图3所示的一种双向导电的功率半导体器件结构，四个参数相同的功率二极管D1、D2、D3、D4以及一个功率MOSFET器件M1，且每个功率二极管反向击穿电压小于功率MOSFET器件M1或与功率MOSFET器件M1相等；功率二极管D1的阳极与功率二极管D4的阴极相连，构成电路的第一个输入/输出端口S1；功率二极管D1的阴极、功率二极管D2的阴极以及功率MOSFET器件M1的漏极三者相连；功率二极管D3的阳极、功率二极管D4的阳极以及功率MOSFET器件M1的源极三者相连；功率二极管D2的阳极与功率二极管D3的阴极相连，构成电路的第二个输入/输出端口S2；功率MOSFET器件M1的栅极构成电路的控制端G。
在本实施例中，当S1接高电位，S2接低电位时，电流流向如图4所示，当S2接高电位，S1接低电位时，电流流向如图5所示。由此可以看到，无论哪边接高电位，MOS管上总是漏端接高电位，源端接低电位，电路能够正常耐压和开启，MOS管也不需要额外设计就能够达到双向耐压、双向导电的目的。
实施例2
如图6所示，本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：四个功率二极管D1、D2、D3、D4是开启电压低于0.7V的低开启电压恒流二极管。
本实施例的工作原理与实施例1基本相同，区别在于：采用开启电压较低的低开启电压恒流二极管能够降低电路在该结构上的压降，从而降低回路在该结构上的电压损失和功耗。
实施例3
本实施例与实施例2的结构基本相同，不同之处在于，所述低开启电压恒流二极管典型结构、电路符号及典型电学特性如图7所示，其结构包括：第一导电类型衬底01，位于第一导电类型衬底01之上的第二导电类型外延层02，位于第二导电类型外延层02表面的第一导电类型阱区03，位于第一导电类型阱区03中的第一导电类型阴极接触区04和第二导电类型阴极接触区05，位于第二导电类型外延层02和第一导电类型阱区03上表面的第二导电类型沟道注入区06，位于第二导电类型外延层02和第二导电类型沟道注入区06上表面的栅介质层07，位于栅介质层07上方的栅极多晶硅08，覆盖整个恒流二极管元胞表面的阴极金属接触10，位于第一导电类型衬底01下表面的阳极金属接触20。
本实施例的工作原理与实施例2基本相同，区别在于：采用栅极与发射极短接的耗尽型IGBT构成的低开启电压恒流二极管能够显著降低二极管的开启电压和电流能力。
实施例4
如图8所示，本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：四个功率二极管D1、D2、D3、D4是肖特基二极管。
本实施例的工作原理与实施例1基本相同，区别在于：采用肖特基二极管能够降低电路在该结构上的压降，降低该结构上的电压损失和功耗。
实施例5
本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：功率MOSFET器件既可以是VDMOS器件，也可以是LDMOS器件，既可以是N沟道器件，也可以是P沟道器件，既可以是增强型MOSFET，也可以是耗尽型MOSFET。
本实施例的工作原理与实施例1基本相同，区别在于：可以根据实际需求选择不同类型的功率MOSFET器件。
实施例6
如图9所示，本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：功率MOSFET器件替换为IGBT器件。
本实施例的工作原理与实施例1基本相同，区别在于：采用IGBT器件能够降低器件面积、降低器件导通电阻。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种双向导电的功率半导体器件结构，其特征在于包括：
四个参数相同的功率二极管D1、D2、D3、D4以及一个功率MOSFET器件M1，且每个功率二极管反向击穿电压小于功率MOSFET器件M1或与功率MOSFET器件M1相等；功率二极管D1的阳极与功率二极管D4的阴极相连，构成电路的第一个输入/输出端口S1；功率二极管D1的阴极、功率二极管D2的阴极以及功率MOSFET器件M1的漏极三者相连；功率二极管D3的阳极、功率二极管D4的阳极以及功率MOSFET器件M1的源极三者相连；功率二极管D2的阳极与功率二极管D3的阴极相连，构成电路的第二个输入/输出端口S2；功率MOSFET器件M1的栅极构成电路的控制端G。
2.根据权利要求1所述的一种双向导电的功率半导体器件结构，其特征在于：
四个功率二极管D1、D2、D3、D4是开启电压低于0.7V的低开启电压恒流二极管。
3.根据权利要求2所述的一种双向导电的功率半导体器件结构，其特征在于：
所述低开启电压恒流二极管包括以下结构：第一导电类型衬底(01)，位于第一导电类型衬底(01)之上的第二导电类型外延层(02)，位于第二导电类型外延层(02)表面的第一导电类型阱区(03)，位于第一导电类型阱区(03)中的第一导电类型阴极接触区(04)和第二导电类型阴极接触区(05)，位于第二导电类型外延层(02)和第一导电类型阱区(03)上表面的第二导电类型沟道注入区(06)，位于第二导电类型外延层(02)和第二导电类型沟道注入区(06)上表面的栅介质层(07)，位于栅介质层(07)上方的栅极多晶硅(08)，覆盖整个恒流二极管元胞表面的阴极金属接触(10)，位于第一导电类型衬底(01)下表面的阳极金属接触(20)。
4.根据权利要求1所述的一种双向导电的功率半导体器件结构，其特征在于：
四个功率二极管D1、D2、D3、D4是肖特基二极管。
5.根据权利要求1所述的一种双向导电的功率半导体器件结构，其特征在于：
功率MOSFET器件是VDMOS器件或是LDMOS器件；是N沟道器件或是P沟道器件；是增强型MOSFET或是耗尽型MOSFET。
6.根据权利要求1所述的一种双向导电的功率半导体器件结构，其特征在于：
功率MOSFET器件替换为IGBT器件。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108172610A (zh) * 2017-12-27 2018-06-15 电子科技大学 一种具有内置镇流电阻的高压igbt器件
CN110518545A (zh) * 2019-08-30 2019-11-29 西南交通大学 基于双向限流模块的混合式高压直流断路器
CN111478294A (zh) * 2020-03-31 2020-07-31 广东福德电子有限公司 双向h桥igbt固态断路器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108172610A (zh) * 2017-12-27 2018-06-15 电子科技大学 一种具有内置镇流电阻的高压igbt器件
CN110518545A (zh) * 2019-08-30 2019-11-29 西南交通大学 基于双向限流模块的混合式高压直流断路器
CN111478294A (zh) * 2020-03-31 2020-07-31 广东福德电子有限公司 双向h桥igbt固态断路器

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