JP6879572B2 - 切換え過渡時に更なるタイミング相を有するダブルベースバイポーラトランジスタの動作 - Google Patents
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Description
優先権が、2015年9月15日に出願された第62/218,978号から、また、2015年10月9日に出願された第62/239,815号に基づき主張され、両出願は参照により本願に組み込まれる。また、優先権は、(利用できる場合)同時係属中の国際公開第WO2016/081623号である国際出願から、ならびに、それを通して、2014年11月18日に出願された米国仮出願第62/081,474号(IPC−228−P)、2014年12月19日に出願された第62/094,435号(IPC−233−P)、2015年10月2日に出願された第62/236,492号(IPC−266−P)、及び2015年10月9日に出願された第62/239,815号(IPC−268−P)にも基づき主張される。
[背景技術]
本願は、ダブルベースバイポーラトランジスタならびにそれを含む回路及びシステムに関し、また、このようなトランジスタならびに回路及びシステムを動作させるための方法に関する。
出願第14/313,960号(現在、特許第9,029,909号として発行されており、参照により本願に組み込まれる)は、「B−TRAN」として知られる双方向バイポーラトランジスタ、及び、このようなトランジスタを動作させるための方法を開示した。更なる改良、適用形態、及び実装態様は、例えば、米国特許出願公開第2016−0141375号明細書、米国特許出願公開第2016/0173083号明細書、国際公開第2016−112395号明細書、及び米国特許出願公開第2016−0241232号明細書を含む、後続の同一出願人に所有されかつ同時係属中の特許出願において開示された。それらの特許出願の全ては、参照により組み込まれる。
[切換え過渡時に更なるタイミング相を有するダブルベースバイポーラトランジスタの動作]
本願は、革新の中でもとりわけ、B−TRAN型デバイスを動作させる方法に対する新規な改良、及び、これらの改良した方法を実施する新規な回路を教示する。本願はまた、革新の中でもとりわけ、前述した改良された動作を有するデバイスを組み込む回路及びシステムならびにこのような回路及びシステムを動作させるための方法を教示する。特に有益な特徴は、以下で述べるように、更なるプレターンオフタイミング相の導入である。この更なるタイミング相は、少数キャリアの数を減少させ、バイポーラ伝導のより高速なクエンチをもたらす。
開示されるベース駆動回路の幾つかは、この第2のプレターンオフタイミング相を非常に容易に提供する。その理由は、先の出願で開示されるベース駆動回路が、負のベース駆動を提供するためここで利用される電圧オフセットを提供した要素を既に含んでいたからである(NPNデバイスの場合。当然ながら、PNPデバイスにおいては極性が反転される)。
革新的な教示は、同様に、相レッグ(及び類似の構成)のより効率的なスイッチングを提供する。2つのトランジスタが2つの電源ラインの間で直列に接続されるときに、(スイッチング中に)ターンオフしているトランジスタが、その逆回復中により高速にターンオフすることになる:これは、相レッグの他のトランジスタを通過することになる電流を、そのトランジスタがターンオンしている間、減少させる。
開示される発明は、添付図面を参照して説明される。添付図面は、重要なサンプル実施形態を示し、参照により本明細書に組み込まれる。
本願の多数の革新的な教示を、(制限としてではなく例として)現在のところ好ましい実施形態を特に参照して行う。本願は、幾つかの発明について説明しており、以下の陳述のいずれも、全体として特許請求の範囲を制限するものとして考えられるべきではない。
図6は、B−TRANデバイス構造の例を示す。この図において、半導体ダイ610の両方の面は、バルク基板610との接合部を形成するエミッタ/コレクタ領域622を担持する。ベース接点領域632も、両方の面上に存在する。この例は、NPN構造を示しており、このため、エミッタ/コレクタ領域622はn型であり、ベース接点領域632はp型である。浅いn+接点ドーピング624は、(この例では、半導体ダイの2つの対向面上の)別個の端子EC1及びEC2から領域622へのオーミック接触を提供し、浅いp+接点ドーピング634は、(ダイの2つの対向面上の)別個の端子B1及びB2から領域632へのオーミック接触を提供する。この例において、誘電体充填トレンチ640は、ベース接点領域632とエミッタ/コレクタ領域622との間の横方向における分離を提供する。(エミッタ−ベース接合部とベース接点との間の直列抵抗を減少させるために、p型拡散領域が付加されてもよいことに留意されたい。)B−TRANは、既存の静的切換スイッチについて従来から利用可能であるよりも著しく良好な効率を提供することができる;例えば、1200V B−TRANは、99.9%の予想システム効率を有する。
[利点]
開示される革新は、種々の実施形態において、少なくとも以下の利点の1つ又は複数を提供する。しかし、これらの利点の全てが、開示される革新のそれぞれから得られるわけではなく、利点のこのリストは、種々の特許請求される発明を制限するものではない。
・より高速のターンオフ;
・減少したスイッチング損失;
・損失が減少した相レッグ;
・パワー変換システムにおける改善された効率
必ずしも全てではないが幾つかの実施形態によれば、ダブルベース双方向パワーバイポーラトランジスタを動作させるための方法及びシステムが提供される。2つのタイミング相が、ターンオフに遷移するために使用される。2つのタイミング相とは、すなわち、各ベースがその最も近いエミッタ/コレクタ領域に短絡されるタイミング相、及び、負の駆動がエミッタ側ベースに印加されて、バルク基板内の少数キャリアの数を減少させる第2のタイミング相である。ダイオードは、負のベース駆動が印加されている間、逆ターンオンを防止する。
[改変例及び変形例]
当業者に認識されるように、本願で述べる革新的な概念は、非常に広い範囲の用途にわたって改変され、また変更される可能性があり、したがって、特許される主題の範囲は、与えられる特定の例示的な教示のいずれの教示によっても制限されない。添付の特許請求の範囲の精神及び広い範囲内に入る全てのこのような代替例、改変例、及び変形例を包含することが意図される。
Claims (21)
- バルクベース領域を備えるp型半導体ダイの対向面上に2つの別個のn型エミッタ/コレクタ領域及び前記ダイの前記対向面上に2つの別個のp型ベース接点領域を有する双方向バイポーラパワートランジスタを動作させるための方法であって、
1)トランジスタ−ONタイミング相において、最小電圧降下が所望されるときに、前記エミッタ/コレクタ領域のいずれであれ、その瞬間により大きな正であるエミッタ/コレクタ領域に最も近い前記ベース接点領域の第1のベース接点領域を、バイポーラ伝導を引き起こす電圧にバイアスすることであって、それにより、前記2つのエミッタ/コレクタ領域間の電圧降下を減少させる、バイアスすること、及び、その後、
2)第1のプレターンオフタイミング相において、前記ベース接点領域のそれぞれを前記エミッタ/コレクタ領域のそれぞれ最も近いエミッタ/コレクタ領域に短絡させることであって、それにより、前記2つのエミッタ/コレクタ領域間の電圧降下を増加させる、短絡させること、及び、その後、
3)第2のプレターンオフタイミング相において、第2のベース接点領域を最も近いエミッタ/コレクタ領域に対して負にバイアスすることであって、それにより、前記バルクベース領域において少数キャリア濃度を減少させる、負にバイアスすること
を含む方法。 - ステップ3)は、ステップ2)が有するより短い継続時間を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記半導体ダイはシリコンである、請求項1に記載の方法。
- ダブルベース双方向バイポーラパワートランジスタに接続され、請求項1に記載の方法を実施するように構成される、ゲート駆動回路。
- ダブルベース双方向バイポーラパワートランジスタに接続され、請求項1に記載の方法を実施するように構成され、負のベース駆動の期間中に逆伝導のターンオンを阻止するために接続されるショットキーバリアダイオードを含む、ゲート駆動回路。
- p型半導体ダイの対向面上に2つの別個のn型エミッタ/コレクタ領域及び前記ダイの前記対向面上に2つの別個のp型ベース接点領域を有する双方向バイポーラパワートランジスタを動作させるための方法であって、前記エミッタ/コレクタ領域の第1のエミッタ/コレクタ領域が、前記エミッタ/コレクタ領域の第2のエミッタ/コレクタ領域より大きな正であるときに、
0)ダイオード−ONタイミング相において、前記ベース接点領域の第1のベース接点領域を、前記第1のベース接点領域に最も近い前記第1のエミッタ/コレクタ領域に短絡させることであって、それにより、前記2つのエミッタ/コレクタ領域間の伝導を始動させる、短絡させること、及び、その後、
1)トランジスタ−ONタイミング相において、最小電圧降下が所望されるときに、前記第1のベース接点領域を、バイポーラ伝導を引き起こす電圧にバイアスすることであって、それにより、前記2つのエミッタ/コレクタ領域間の電圧降下を減少させる、バイアスすること、及び、その後、
2)第1のプレターンオフタイミング相において、前記ベース接点領域のそれぞれを前記エミッタ/コレクタ領域のそれぞれ最も近いエミッタ/コレクタ領域に短絡させることであって、それにより、前記2つのエミッタ/コレクタ領域間の電圧降下を増加させる、短絡させること、及び、その後、
3)第2のプレターンオフタイミング相において、第2のベース接点領域を前記第2のエミッタ/コレクタ領域に対して負にバイアスすること、及び、その後、
4)前記第2のベース接点領域を前記第2のエミッタ/コレクタ領域に短絡させることであって、それにより、前記トランジスタをターンオフしたままにする、短絡させること
を含む方法。 - ステップ3)がステップ2)より短い継続時間を有する、請求項6に記載の方法。
- 前記半導体ダイはシリコンである、請求項6に記載の方法。
- ダブルベース双方向バイポーラパワートランジスタに接続され、請求項6に記載の方法を実施するように構成される、ゲート駆動回路。
- ダブルベース双方向バイポーラパワートランジスタに接続され、請求項6に記載の方法を実施するように構成され、負のベース駆動の期間中に逆伝導のターンオンを阻止するために接続されるショットキーバリアダイオードを含む、ゲート駆動回路。
- 第2の導電型バルクベース領域によって分離される別個の場所の2つの第1の導電型エミッタ/コレクタ領域、及び、相互に離れた場所で前記バルクベース領域に接続する2つの別個の第2の導電型ベース接点領域を有する双方向バイポーラトランジスタを動作させるための方法であって、
1)トランジスタ−ONタイミング相において、最小電圧降下が所望されるときに、前記エミッタ/コレクタ領域のいずれであれ、外部印加電圧極性によって決定されるコレクタとして働くような位置にあるエミッタ/コレクタ領域に対して、前記ベース接点領域の第2のベース接点領域に比べて近い前記ベース接点領域の第1のベース接点領域を、バイポーラ伝導を引き起こす電圧にバイアスすることであって、それにより、前記2つのエミッタ/コレクタ領域間の電圧降下を減少させる、バイアスすること、及び、その後、
2)第1のプレターンオフタイミング相において、前記ベース接点領域のそれぞれを前記エミッタ/コレクタ領域のそれぞれ最も近いエミッタ/コレクタ領域に短絡させること、及び、その後、
3)第2のプレターンオフタイミング相において、第2のベース接点領域を、ステップ1)にて前記第1のベース接点領域に印加される極性と逆の極性でバイアスすることであって、それにより、前記バルクベース領域内の少数キャリア濃度を減少させる、逆の極性でバイアスすること、及び、その後、
4)前記デバイスをターンオフすること
を含む方法。 - 前記第1の導電型がn型である、請求項11に記載の方法。
- ステップ3)がステップ2)より短い継続時間を有する、請求項11に記載の方法。
- 前記双方向バイポーラトランジスタが半導体ダイを備え、該半導体ダイがシリコンである、請求項11に記載の方法。
- ダブルベース双方向バイポーラパワートランジスタに接続され、請求項11に記載の方法を実施するように構成される、ゲート駆動回路。
- ダブルベース双方向バイポーラパワートランジスタに接続され、請求項11に記載の方法を実施するように構成され、負のベース駆動の期間中に逆伝導のターンオンを阻止するために接続されるショットキーバリアダイオードを含む、ゲート駆動回路。
- バルクベース領域を備えるp型半導体ダイの対向面上に2つの別個のn型エミッタ/コレクタ領域及び前記ダイの前記対向面上に2つの別個のp型ベース接点領域を有する双方向バイポーラパワートランジスタを動作させるための方法であって、
1)トランジスタ−ONタイミング相において、最小電圧降下が所望されるときに、前記エミッタ/コレクタ領域のいずれであれ、その瞬間により大きな正であるエミッタ/コレクタ領域に最も近い前記ベース接点領域の第1のベース接点領域を、バイポーラ伝導を引き起こす電圧にバイアスすることであって、それにより、前記2つのエミッタ/コレクタ領域間の電圧降下を減少させる、バイアスすること、及び、その後、
2)第1のプレターンオフタイミング相において、前記ベース接点領域のそれぞれを前記エミッタ/コレクタ領域のそれぞれ最も近いエミッタ/コレクタ領域に短絡させることであって、それにより、前記2つのエミッタ/コレクタ領域間の電圧降下を増加させる、短絡させること、及び、その後、
3)第2のプレターンオフタイミング相において、前記ベース接点領域の第2のベース接点領域を最も近いエミッタ/コレクタ領域に対して負にバイアスすることであって、それにより、前記バルクベース領域において少数キャリア濃度を減少させる、負にバイアスすること、及び、
ステップ3)中に、ステップ1)の方向と逆の方向に伝導をターンオンする傾向があるであろう電流を阻止するためにダイオードを使用すること
を含む方法。 - ステップ3)がステップ2)より短い継続時間を有する、請求項17に記載の方法。
- 前記半導体ダイがシリコンである、請求項17に記載の方法。
- ダブルベース双方向バイポーラパワートランジスタに接続され、請求項17に記載の方法を実施するように構成される、ゲート駆動回路。
- ダブルベース双方向バイポーラパワートランジスタに接続され、請求項17に記載の方法を実施するように構成され、負のベース駆動の期間中に逆伝導のターンオンを阻止するために接続されるショットキーバリアダイオードを含む、ゲート駆動回路。
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