TW201310618A - 用於改良器件開關性能的共源共閘電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提出的開關器件包括低壓常閉電晶體和控制電路，嵌在一個公共晶片內。該器件包括電晶體的源極、閘極和汲極電極，以及一個或多個輔助電極。汲極電極在晶片的一個表面上，電晶體就形成在該晶片上，而其餘的電極都位於相反面的表面上。一個或多個輔助電極提供到控制電路的電接觸，控制電路電連接到其他電極中的一個或多個電極。

Description

用於改良器件開關性能的共源共閘電路
本發明一般涉及一種用於開關轉換電路的半導體元器件，更確切的說，本發明的實施例是關於用於改良器件開關性能的共源共閘場效應管。
許多電路涉及使用Baliga對(即共源共閘/複合器件)，在工作時進行開關轉換。第1A和1B圖所示的原理圖，圖示說明其中一種共源共閘器件。共源共閘/複合器件101包括一個與高壓常開器件103串聯的低壓常閉器件105。在下文中，共源共閘器件、複合器件以及封裝將交互地用於描述上述器件。低壓常閉器件105含有閘極107、源極111以及汲極109。作為示例，但不作為局限，低壓器件可以是一種金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)。高壓常開器件103也含有閘極113、源極117以及汲極115。作為示例，但不作為局限，高壓常開器件可以是一種結型閘極場效應管(JFET)或異質結型場效應管(HFET)。高壓常開器件103的閘極113電連接到低壓常閉器件105的源極111，高壓常開器件103的源極117電連接到低壓常閉器件105的汲極109。作為示例，下文將涉及與JFET串聯的MOSFET。
共源共閘器件在電路圖中是作為一個單獨的開關器件發揮性能。當MOSFET 105上沒有載入閘極偏壓時，由於低壓MOSFET 105上沒有建立起電壓，因此器件101不能傳導電流，常開JFET 103的閘極反向偏置。JFET 103的汲極117上的正電壓，直接出現在低壓FET的汲極上，使它的閘極113反向偏置。一旦反向偏壓足以嵌制JFET103，那麼所有的進一步所加的電壓都支援汲極和源極之間的高壓JFET。當MOSFET閘極107上載入正電壓時，關於源極111，MOSFET 105開啟。由於電勢勢壘已經除去，因此該短路將JFET的閘極113繞行到JFET的源極117，使電流從JFET的源極117流至JFET的汲極115。
共源共閘/複合器件的某些屬性並不理想。正是在這一前提下，提出了本發明的各種實施例。
是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。
本發明提供了一種開關器件，包括：一個低壓常閉場效應電晶體，具有四個或多個電極，包括一個源極電極、一個汲極電極、一個閘極電極以及一個或多個輔助電極，其中汲極電極在晶片的一個表面上，低壓常閉場效應電晶體形成在該晶片上，同時每個剩餘電極都位於晶片上另一個相對的表面上，一個或多個輔助電極提供到控制電路的電接觸，控制電路電連接到一個或多個其他電極上，其中控制電路就位於低壓常閉場效應電晶體所形成的晶片中。
上述的開關器件，其中，控制電路為一個外部閘極電阻電路，外部閘極電阻電路的組成為一個與二極體串聯的低阻抗電阻器，以及一個並聯的較高阻值的電阻，其中外部閘極電阻電路的二極體部分的陽極端，連接到低壓常閉場效應電晶體的源極端。
上述的開關器件，還包括一個高壓常開電晶體，該電晶體具有一個源極電極、一個汲極電極以及一個閘極電極，其中這三個電極中的任意一個都位於一個附加晶片的表面上，高壓常開電晶體的閘極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的輔助電極，高壓常開電晶體的源極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極電極。
上述的開關器件，其中，控制電路是一個外部閘極電阻電路，該外部閘極電阻電路包括一個二極體，以及一個獨立的並與該二極體並聯的電阻，其中外部閘極電阻電路的二極體部分的陽極端直接連接到低壓常閉場效應電晶體的源極端。
上述的開關器件，還包括一個高壓常開電晶體，該電晶體具有一個源極電極、一個汲極電極以及一個閘極電極，其中這三個電極中的任意一個都位於一個附加晶片的表面上，高壓常開電晶體的閘極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的輔助電極，高壓常開電晶體的源極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極電極。
上述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體在比高壓常開電晶體更高的飽和電流下工作。
上述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體的汲極電極安裝在高壓常開器件的源極電極上，使汲極電極和源極電極構成一個電連接。
上述的開關器件，其中，高壓常開電晶體是一個結型閘極場效應電晶體(JFET)、一個HFET(異質結場效應電晶體)或MOSFET(金屬半導體場效應電晶體)。
上述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體是金屬-氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)器件。
上述的開關器件，其中，控制電路包括一個電容器，控制電路連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極端。
上述的開關器件，其中，還包括一個具有形成在附加晶片上的源極電極、汲極電極以及閘極電極的高壓常開電晶體，其中汲極電極在附加晶片的一個表面上，其他電極在附加晶片相對的表面上，其中高壓常開電晶體的閘極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的輔助電極，高壓常開電晶體的源極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極電極。
上述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體在比高壓常開電晶體更高的飽和電流下工作。
上述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體所在的晶片安裝在附加晶片上，使低壓常閉場效應電晶體的汲極端，直接電接觸到高壓常開電晶體的源極電極。
上述的開關器件，其中，高壓常開電晶體是結型閘極場效應電晶體(JFET)、異質結場效應電晶體(HFET)或金屬半導體場效應電晶體(MOSFET)。
上述的開關器件，其中，控制電路包括兩個或多個相反極性的二極體串聯，第一個二極體的陽極電連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極電極，第二個二極體的陽極電連接到低壓常閉場效應電晶體的閘極電極。
上述的開關器件，其中，這兩個二極體都是齊納二極體。
上述的開關器件，其中，這兩個二極體為背對背齊納二極體，集成在低壓常閉場效應電晶體內並位於低壓常閉場效應電晶體的閘極電極和汲極電極之間。
上述的開關器件，其中，控制電路包括一個二極體箝位，集成在低壓常閉場效應電晶體內並位於低壓常閉場效應電晶體的閘極電極和汲極電極之間。
上述的開關器件，還包括一個具有源極電極、汲極電極以及閘極電極的高壓常開電晶體，形成在附加晶片上，其中汲極電極在附加晶片的一個表面上，其他電極在附加晶片相反面的表面上，其中高壓常開電晶體的閘極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的源極電極，高壓常開電晶體的源極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極電極。
上述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體在比高壓常開電晶體更高的飽和電流下工作。
上述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體所在的晶片安裝在附加晶片上，使低壓常閉場效應電晶體的汲極端，直接電接觸到高壓常開電晶體的源極電極。
上述的開關器件，其中，高壓常開電晶體是結型閘極場效應電晶體(JFET)。
上述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體是金屬-氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。
上述原有技術的共源共閘器件，即低壓常閉場效應電晶體與高壓常開場效應電晶體串聯，具有某種非最優的開啟和斷開特性。第1C和1D圖分別表示這種複合器件的開啟和斷開動作。當前所討論的這種具體的複合器件包括金屬-氧化物-半導體場效應電晶體(MOSFET)(即低壓常閉器件)與結型閘極場效應電晶體(JFET)(即高壓常開器件)串聯。
在第1C圖中，表示的是半導體器件封裝的開啟動作。作為時間的函數，上圖中的點線表示當前JFET電流的動作(Id(JFET))，上圖中的虛線表示JFET汲極-源極電壓(Vds(JFET))的動作。在第1C圖中的下圖中，作為時間的函數，點線表示JFET閘極-源極電壓(Vgs(JFET))；實線表示MOSFET汲極-源極電壓(Vds(MOS))；虛線表示MOSFET閘極-源極電壓(Vgs(MOS))。開啟時，共源共閘器件的運行可以分成5個不同的時間段(即A、B、C、D和E)，用於表示開啟時產生的不同的動作特點。
在A時間段內，MOSFET閘極電壓Vgs(MOS)充電至閾值電壓(Vth)。由於在這段時間內，MOSFET的汲極保持恒定，因此JFET閘極-源極電壓(Vgs(JFET))仍然反向偏置，例如在-20V。在B時間段內，MOSFET汲極電壓Vds(MOS)開始下降，同時MOSFET閘極電壓Vgs(MOS)仍然保持穩定(即處於其平穩電壓值(VGP))。當MOSFET汲極電壓Vds(MOS)下降時，JFET閘極-源極電壓Vgs(JFET)也下降(此時是指Vgs(JFET)的絕對值下降)，降至其夾斷電壓(Vpinch)。
在C時間段內，JFET閘極-源極電壓Vgs(JFET)緩慢下降(指的是其絕對值下降)，取決於JFET的Rg*Cgs時間常數，其中Rg為閘極電阻，Cgs為閘極-源極電容。當JFET電流上升時，MOSFET閘極電壓Vgs(MOS)稍稍增大，使JFET增大的電流也可以流經低壓MOSFET。當電流達到它最終的工作值IOP時，該時間段終止。在D時間段內，JFET閘極-源極電壓Vgs(JFET)保持在負偏壓，僅使電流IOP通過，即JFET米勒平臺生效。這局限了JFET內部閘極電阻產生的電壓，反之又局限了用於釋放JFET米勒電容的閘極電流。在這個時間段內，JFET上的汲極-源極電壓Vds(JFET)下降。
最後，在E時間段內，當JFET閘極-源極電壓Vgs(JFET)放電到零左右時，完成電壓轉換，並且MOSFET閘極電壓Vgs(MOS)完成充電到所加的閘極電壓。因此，原有技術的複合器件具有相當低的開啟速度，尤其是當JFET閘極至汲極電容以及內部閘極電阻很高時，這種情況在寬頻隙半導體JFET中非常常見，在功率電路轉換中非常不希望出現這種情況。共源共閘器件很低的開啟速度，會使開關電路中的開啟傳導損耗很高，降低了工作效率。
與這種原有技術的複合器件的緩慢開啟速度相比，本發明裝置斷開速度非常快。第1D圖表示原有技術的複合共源共閘器件的斷開動作。第1D圖中的上圖表示作為時間的函數，JFET電流Id(JFET)的動作，以及JFET汲極-源極電壓Vds(JFET)的動作。第1D圖中的下圖表示作為時間的函數，JFET閘極-源極電壓Vgs(JFET)、MOSFET汲極-源極電壓Vds(MOS)以及MOSFET閘極-源極電壓Vgs(MOS)。斷開時，共源共閘器件的運行情況可以分成五個獨立的時間段(即A、B、C、D和E)，表示與斷開有關的不同的動作特點。
在A時間段內，MOSFET閘極放電至其平臺電壓VGP，同時JFET電壓保持基本不變。在B時間段內，MOSFET閘極仍然處於其平臺電壓，MOSFET汲極-源極電壓開始增大，一直增大到當JFET閘極-源極電壓到達僅能維持電流流經複合器件的值時停止。這通常稱為JFET的米勒平臺電壓。
在C時間段內，JFET閘極-源極電壓處於B時間段內達到的值，JFET米勒電容充電，JFET汲極-源極電壓開始增大。在這段時間內，MOSFET米勒電容也充電，MOSFET汲極-源極電壓增大。因此，即使JFET閘極-源極電壓保持不變，MOSFET汲極/JFET源極以及JFET閘極電壓升高。在這段時間內，JFET內部電阻將JFET閘極電壓分開，使JFET閘極電流，即JFET閘極電壓除以內部電阻，可以非常高。這反過來又使斷開dV/dt很快。
在D時間段內，JFET閘極-源極電壓趨於夾斷，JFET電流下降。JFET閘極電壓的高值，在JFET內產生很大的閘極電流，使JFET閘極-源極電容快速放電，產生很快的斷開dI/dt。這可能會在真實的電路中產生寄生振盪。因此，共源共閘器件具有很快的斷開速度，功率電路轉換中不希望有這種現象發生。原有技術的複合器件快速的斷開速度，是由於斷開時在JFET閘極處出現較大的電壓，驅使更高的電流流至內部閘極電阻，使JFET可以非常快速地開關，導致振盪、電磁干擾(FMI)問題以及電路故障。
要注意的是，開啟慢和斷開快的問題，所有含有低壓常閉器件與高壓常開器件串聯的共源共閘器件都存在，並不局限於MOSFET/JFET結構。然而，為了解釋說明，但並不作為局限，在討論解決與複合器件有關的動作問題時，本說明以MOSFET/JFET結構為重點。特別關注寬頻隙高壓器件，即具有較高的閘極-汲極電容(Cgd)以及較高的內部閘極電阻的器件。
解決開啟慢的一種方法包括，增大高壓常開場效應電晶體(例如JFET)的夾斷電壓(即較大的負斷開電壓)。第2A圖表示常開JFET器件的兩種變形的跨導曲線，每個JFET器件都具有不同的夾斷電壓。這些跨導曲線表示JFET器件電流(ID)作為JFET閘極-源極電壓(VGS)，每個器件具有不同的夾斷電壓。如果器件的工作電流為IOP，那麼對於不同的夾斷電壓和閾值電壓(即VP1和VP2)來說，JFET的閘極-源極上的導通狀態電壓降，將分別為VA1和VA2。由於對於具有相同米勒電容的各種器件來說，最大的JFET閘極電流為VA1/(Rg(JFET))或VA2/(Rg(JFET))，那麼具有較大的負夾斷的器件將開啟得更快。此處的Rg(JFET)為JFET內部閘極電阻。
通過增大夾斷電壓，共源共閘複合器件將具有更大的負電壓，用於驅使電流流至JFET的內部閘極電阻。JFET內部閘極電阻上較大的電壓降，最終將導致開啟速度更快。第2B和2C圖表示器件封裝的開啟動作和斷開動作，該器件封裝的JFET夾斷電壓為-10V。與原有技術的共源共閘器件的開啟動作相比，例如-5V夾斷電壓，對於具有相同的JFET內部閘極電阻的器件來說，第2B圖中複合器件的開啟速度得到了極大提升。然而，與原有技術的斷開動作相比，第2C圖中複合器件的斷開速度並沒有明顯改變。因此，提高JFET的夾斷電壓，解決了器件封裝的開啟等問題，但無法解決這種共源共閘器件快速斷開的問題。
一種提高開啟速度(同時同步降低斷開速度)的可選方法，包括調節高壓常開器件(例如JFET)的內部閘極電阻。JFET內部閘極電阻很高，會減慢複合器件的開啟速度，因此在開啟時，需要很低的JFET內部閘極電阻。然而，很低的JFET內部閘極電阻也會導致較快的斷開速度，因此在斷開時，需要很高的JFET內部閘極電阻。
實施例
第3A圖所示的原理電路圖，表示在考慮了上述原則的同時，解決了開啟慢/斷開快的問題。作為示例，但不作為局限，低壓常閉器件305可以是帶有閘極電極307、源極電極311以及汲極電極309的MOSFET。高壓常開器件303可以是帶有閘極電極313、源極電極317以及汲極電極315的JFET。儘管這個特殊的示例表示了MOSFET與JFET串聯，但是還必須指出，任何高壓常開器件與低壓常閉器件串聯的組合，都可以用於實現能解決開啟/斷開問題的相應的電路結構。
為了同時實現開啟快與斷開慢，可以使用控制電路，例如外部閘極電阻電路319與低JFET內部閘極電阻相結合，來控制複合器件301的電壓和電流。外部閘極電阻電路319包括低阻抗電阻器323與二極體321串聯，然後一起與高阻抗電阻器325並聯。如圖示，外部閘極電阻電路319電連接在MOSFET源極311和JFET閘極313之間。
這種外部閘極電阻電路319使電流在器件開啟時，穿過低阻抗電阻器/二極體組合321、323，使開啟速度更快。然而，當器件斷開時，二極體321阻止電流流經低阻抗電阻器323。取而代之的是，電流流經高阻抗電阻器325，從而使斷開發生在一個更加可控的速度上。
儘管第3A圖所示類型的複合器件可以用不同的方式實現，但是第3B圖和第3C圖所示的剖面圖和俯視圖，表示本發明的一個較佳實施例，將一個半導體晶片安裝在第二個半導體晶片上，利用單片工藝製備這種組合。帶有源極電極311、汲極電極309、閘極電極307以及輔助電極327的低壓常閉器件(例如MOSFET)305，由帶有源極電極317、汲極電極315以及閘極電極313的高壓常開器件(例如JFET)303承載。MOSFET的汲極電極309直接位於JFET的源極電極317上方。接觸的這兩個點直接相互耦合，從而消除了接觸的那兩個點之間的電感，並且不再需要接線。
輔助電極327提供到外部閘極電阻電路319的一個接觸點，外部閘極電阻電路319可以直接形成在與MOSFET器件305相同的晶片中。JFET器件303的閘極電極313可以電連接到MOSFET 305的輔助電極327上，以構成複合器件301。然而，原有技術在JFET的閘極313和MOSFET的源極311之間構成了短路，而第3A-3C圖所示的器件封裝在JFET的閘極313和外部閘極電阻電路319之間構成了電連接，外部閘極電阻319電連接到MOSFET的源極311上。
第3D圖所示的剖面圖，表示嵌有外部閘極電阻電路319的低壓常閉器件305。作為示例，但不作為局限，低壓器件305可以是一個帶有閘極區307、源極區311以及汲極區309的n-型MOSFET。外部閘極電阻電路319包括一個多晶矽二極體321以及高阻斷開多晶矽-電阻器325，它們的組合直接形成在n-型MOSFET中。可以設計二極體321的p+和n+區，以控制開啟電阻323。可以通過輔助墊327接入外部閘極電阻電路319。外部閘極電阻電路以及n-型MOSFET的動作如上所述。
第3E圖和第3F圖分別表示第3A-3D圖所示類型的改良型複合器件的開啟和斷開動作，第3A-3D圖所示類型的改良型複合器件構成了集成開關網路。這兩圖分別表示在開啟和斷開時，作為時間的函數，JFET電流(Id)的動作以及JFET汲極-源極電壓(Vds)的動作。與原有技術的共源共閘器件的開啟動作相比，構成集成開關的複合器件的開啟速度得到了極大地改善。如第3E圖所示，改良型器件具有更快的開啟速度，而且速度可控。與原有技術的共源共閘器件的斷開動作相比，構成集成開關網路的改良型複合器件的斷開速度也得到了極大地改善。如第3F圖所示，這種器件具有較原有器件慢得多的斷開速度，而且速度可控，無需考慮其他因素。
在本發明實施例的範圍內，降低改良型複合器件電流斷開速度(dI/dt)的另一種方法，為在低壓常閉器件的汲極和高壓常開器件的閘極之間，增加一個電容器。第4A圖表示這種複合器件的原理電路圖。作為示例，但不作為局限，低壓常閉器件405可以是帶有閘極電極407、源極電極411以及汲極電極409的MOSFET。高壓常開器件403可以是帶有閘極電極413、源極電極417以及汲極電極415的JFET。儘管這個特殊示例表示的是MOSFET與JFET串聯，但是必須指出，可以使用高壓常開器件與低壓常閉器件的任意組合，實現相應的結構。
如第4A圖所示，控制電路包括一個電容器419，電連接在MOSFET的汲極409和JFET的閘極413之間。由於JFET閘極電流用於變換電容器419，因此電容器419用於為複合器件401減緩電流變換的速度。這反過來會降低共源共閘器件401的斷開速度。
沒有被任意的操作原理所局限，在MOSFET的汲極409和JFET的閘極413之間引入電容器419，可以用下列兩種方法之一來控制複合器件401的開關速度。其一，電容器419可以減慢JFET 403中電流升高或降低的速度，這反過來會減慢複合器件401斷開的速度。其二，通常如果在電壓變化非常快的時候，複合器件401上發生高壓峰值，那麼在JFET汲極415和JFET閘極413之間巨大的耦合電容(即米勒電容)，會使器件401在應該斷開的時候意外開啟。這反過來會使複合器件401連接的電源短路。儘管如此，通過在MOSFET汲極409和JFET閘極413之間引入一個電容器419，高壓峰值就不會再使器件401意外開啟，而且還可以避免器件短路。
儘管可以用各種不同的方法實現這種複合器件，但是第4B圖和第4C圖所示的剖面圖和俯視圖，表示本發明的一個較佳實施例，將一個半導體晶片安裝在第二個半導體晶片上。帶有源極電極411、汲極電極409、閘極電極407以及輔助電極427的低壓常閉器件(例如MOSFET)405，由帶有源極電極417、汲極電極415以及閘極電極413的高壓常開器件(例如JFET)403承載。MOSFET的汲極電極409直接位於JFET的源極電極417上方。接觸的這兩個點直接相互耦合，從而消除了接觸的那兩個點之間的電感，並且不再需要接線。
輔助電極427提供到外部閘極電阻電路419的一個接觸點，外部閘極電阻電路419可以直接形成在MOSFET器件405中。在一個具體的裝置中，JFET器件403的閘極電極413必須電連接到MOSFET的輔助電極427上，以構成複合器件401。然而，原有技術在JFET的閘極414和MOSFET的源極411之間構成了短路，但改良的器件封裝在JFET的閘極413和電容器419之間構成了電連接，電容器419電連接到MOSFET的汲極409上。
第4D圖所示的剖面圖，表示嵌有電容器的低壓常閉器件。作為示例，但不作為局限，低壓器件405可以是一個帶有閘極區407、源極區411以及汲極區409的n-型MOSFET。電容器419與MOSFET汲極409串聯。通過增大或減小電容器在MOSFET器件內包圍的面積，可以分別升高或降低電容器419的電容。可以通過輔助電極327接入電容器319。電容器以及n-型MOSFET的動作如上所述。
然而，降低這種複合器件斷開速度的另一種方法包括，增加一個含有齊納箝位(即背對背齊納二極體)的控制電路。第5A圖所示的原理電路圖，表示依據本發明的一個實施例，這種複合器件的一個示例。作為示例，但不作為局限，低電壓常閉器件505可以是一個帶有閘極電極507、源極電極511以及汲極電極509的MOSFET。高壓常開器件503可以是一個帶有閘極電極513、源極電極517以及汲極電極515的JFET。儘管這個具體示例是MOSFET與JFET串聯，但是必須指出，高壓常開器件與低壓常閉器件串聯的任意組合都可以用以下結構實現，從而解決斷開問題。
當原有技術的複合器件501斷開時，如果過多的電流流經低壓MOSFET 505，那麼會出現三個潛在問題。第一個問題是，在JFET內部閘極電阻RG(JFET)上產生非常大的反向電壓，導致原有技術的複合器件斷開過快。第二個可能發生的問題是，低壓MOSFET 505可以反復陷入雪崩擊穿，而造成器件損壞。第三個可能因電壓過量發生的問題是，JFET的閘極-源極速度可能會超出等級標準，導致高壓器件的損壞。
為了避免這三個問題，MOSFET上產生的反向電壓應限制在MOSFET的擊穿電壓以下，並且在JFET的閘極-源極速度等級標準之內。通過在MOSFET中引入齊納箝位519，器件501可以完全控制MOSFET的汲極-源極電壓，而無需將MOSFET 505逼入雪崩擊穿。齊納箝位519位於MOSFET的閘極507和汲極509之間，通過限制最大電壓，用於減慢器件過快的斷開，最大電壓可能在JFET內部閘極電阻RG(JFET)上下降。
儘管可以用各種不同的方法實現這種複合器件501，但是第5B圖和第5C圖所示的剖面圖和俯視圖，表示本發明的一個較佳實施例，將一個半導體晶片安裝在第二個半導體晶片上。帶有源極電極511、汲極電極509、閘極電極507以及可選的輔助電極527的低壓常閉器件(例如MOSFET)505，由帶有源極電極517、汲極電極515以及閘極電極513的高壓常開器件(例如JFET)503承載。在特定的實施例中，齊納二極體箝位519可以直接集成在低壓MOSFET的閘極507和汲極509之間。在這種實施例中，完全可以省去輔助電極527，JFET閘極513可以直接連接到低壓MOSFET源極511，因此低壓MOSFET 505可以是三端器件。然而，集成的齊納二極體箝位519也可以與第3A圖所示類型的集成二極體-電阻器結構，或第4A圖所示類型的集成電容器結構共同使用。因此，低壓MOSFET 505仍然可以是一個含有輔助端527的四端器件。MOSFET 505的汲極電極509直接位於JFET 503的源極電極517上方。接觸的這兩個點直接相互耦合，從而消除了接觸的那兩個點之間的電感，並且不再需要接線。
齊納箝位519可以直接製備在MOSFET器件505內。作為示例，但不作為局限，MOSFET汲極509、齊納箝位519以及MOSFET閘極507之間的連接，可以利用單片工藝，進而無需任何外部接線，在MOSFET 505內製備。
作為示例，第5D圖表示低壓MOSFET 505的剖面圖，其中閘極至汲極箝位519以背對背多晶矽二極體的形式，單片集成。多個多晶矽二極體518以背對背串聯，一端連接到閘極電極507，另一端連接到輔助電極527。如第5D圖所示，輔助電極527穿過半導體襯底510以及外延層506，電連接到MOSFET 505的汲極509上，MOSFET 505形成在外延層506上。如果MOSFET上的電壓足夠高的話，那麼可以設計背對背二極體，在MOSFET汲極-源極雪崩之前擊穿。在這種情況下，穿過G-D齊納二極體的電流，之後必須在外部電路中流經閘極電阻。閘極電阻上的電壓降將開啟MOSFET通道，僅足以維持MOSFET汲極電流，將MOSFET汲極-源極電壓局限于齊納擊穿的值與MOSFET閘極-源極電壓之和。由於不再使MOSFET陷入雪崩擊穿，因此避免了因寄生雙極開啟造成MOSFET損壞的可能性。在本領域中已有許多技術在功率MOSFET內獲得較小的擊穿區域，同時將擊穿電流限制在不易受損的區域內。
第5E圖表示一種不同類型的箝位，此次集成在汲極509和源極511之間的MOSFET 505內。在一個閘極溝槽底部延伸的深P+植入區520，用於形成一個PN結，帶有N-外延層506形成在襯底510上，以便鉗制汲極-源極電壓。深P+植入區520通過多個接觸開口，連接到源極金屬511上。通過控制深P+區520的深度和摻雜結構，可以調節PN結的擊穿電壓。由於雪崩電流被局限在這個區域內，並且該區域是二極體，因此可以避免因寄生雙極開啟而造成MOSFET損壞。根據雪崩電流的振幅，連接到深P+區520的接觸開口的數量，可以成比例地增加。第5D和5E圖中所示的實施例，實現了限制低壓MOSFET上最大電壓的目的，從而也限制了常開JFET閘極-源極上的最大電壓。
除了具有不良的開啟/斷開特點以外，原有技術的複合器件用於代替功率電路中的絕緣閘雙極電晶體(IGBT)也表現不佳，尤其是當負載短路時，IGBT開啟到較大的電壓，導致一段時間內很高的電流和電壓。當檢測到這種情況時，IGBT必須在幾毫秒後安全斷開。IGBT是一種三端功率半導體器件，將MOSFET單純的閘極-驅動的特點與雙極電晶體的高電流、低飽和電壓的特點相結合。如果低壓器件上產生過多的壓力，發生短路現象時，用作IGBT的複合器件可能會被損壞。
第6圖表示共源共閘器件部分的Id-Vds曲線，其中低壓常閉場效應電晶體為MOSFET，高壓常開場效應電晶體為JFET。如圖所示，MOSFET具有的飽和電流高於JFET。這會使JFET飽和，當發生短路時，大部分的電壓積聚到JFET上，而不是MOSFET上。由於設計高壓JFET可以承受高壓，因此當發生這種短路現象時，必須使JFET中的功率耗散占主要地位。尤其是當JFET為寬頻隙半導體器件時，具有可以在損壞前，控制較高級別的功率耗散以及結溫度的性能。
為了控制功率耗散，使它在JFET中占主要地位，必須使JFET在比MOSFET更小的電流下飽和，從而在意外開啟時，大部分的壓降在JFET上，僅一小部分壓降在MOSFET上。這可以通過控制MOSFET和JFET的跨導來完成。例如通過增大晶胞密度，並且利用短通道長度，可以使MOSFET的跨導最大化。閘極氧化物厚度可以滿足閘極-源極速度要求所需的最小值，閾值電壓可以遠低於閘極驅動電壓。可以通過控制器件的夾斷電壓，以及通過控制器件相關的晶胞間距以及通道長度，來控制JFET的跨導。
原有技術的複合器件遇到的另一個問題是共源共閘的二極體恢復。有時當複合器件連接到電感負載時，電流可能開始以相反的方向流動一段時間。在共源共閘器件中，器件有效的體二極體為低壓常閉場效應電晶體體二極體與常開JFET串聯，後面的動作與多子電阻器類似。在傳導時，提供良好的低二極體壓降。然而，直到低電壓二極體從反向電流中恢復時，共源共閘器件才能開始阻擋電壓。
因此，來自于低壓常閉場效應電晶體中的高積累電荷(或共源輸出電容Coss)的高反向恢復電流Irm，將在共源共閘器件中引起相當大的恢復損耗。帶有低積累電荷的低Coss器件，作為低壓常閉場效應電晶體，可以很好地詮釋這個問題。第7A圖表示共源共閘器件的恢復動作隨它的Coss值的變化情況。如圖所示，帶有低Coss值的器件比高Coss值的器件恢復得更快，而且來自反向電流的峰值恢復電流Irm更低。
要注意的是，為了使複合二極體在二極體恢復模式下開始阻擋電壓，一旦低壓MOSFET體二極體恢復，那麼常開JFET必須快速斷開。如果斷開電路設計得過慢，那麼JFET斷開的時滯會導致反向恢復時間以及電流產生不能承受的猛增。當設計器件用於通常發生體二極體恢復的電路時，斷開不應過於緩慢。最大的斷開速度與可承受的振盪能級以及EMI性能相匹配，是一種良好的設計方式。
第7B圖表示具有低Coss值的低壓常閉器件的剖面圖。低壓器件705是一個帶有閘極區707、源極區711以及汲極區709的n-型場效應電晶體。許多可變數都是和為這種低壓常閉器件維持很低的Coss值相關。很厚的底部氧化物或TBO有助於降低Coss。同樣地，很大的晶胞密度會使PN結的面積減小，產生較低的Coss值。而且，在形成接觸的地方刻蝕除去p+接觸植入(參見圖中新的標注)與低壓MOSFET共用的底部，並用p-淺植入區719代替該部分，接觸形成的這種方式降低了植入效率以及積累電荷，產生較低的IRM值。此外，反摻雜半導體區721在p-植入區719下面的區域，可用於進一步降低Coss值。
許多不同的低壓場效應電晶體都具有低Coss值，但不是所有的都能完美解決上述問題。SRFET(集成肖特基二極體的FET)對於共源共閘二極體恢復非常適合，但是熱漏電問題將使共源共閘器件在高溫下產生很高的汲極-源極漏電，造成斷開狀態功率損耗，也可能當利用外部電源給器件加熱時，漏電快速升高，產生熱逃逸，削弱短路動作。然而，如第7B圖所示的帶有接觸區的金屬-氧化物半導體器件，也稱為SDMOS(智慧二極體MOS)，注入效率很低，漏電體二極體很低，非常適用於良好的共源共閘二極體恢復，以及解決原有技術相關的其他所有問題。SDMOS具有很低的注入效率、較低的漏電，以及很少的積累電荷，所有的特點都適用於快速共源共閘二極體恢復。
2007年12月21日存檔的共同轉讓的美國專利申請號12/005,130，以及2009年2月12日安荷‧叭剌等人發表的美國專利申請號公開號2009/0065861，題為《帶有低注入二極體的MOS器件》詳細介紹了第7B圖所示類型的低壓常閉器件及其他，特此引用這兩項專利的全文，以作參考。
儘管已經參照具體的較佳示例，對本發明做了詳細介紹，但是仍然可能存在其他示例。例如，雖然在所述的具體的實施例中，低壓常閉器件為MOSFET，高壓常開器件為JFET，但是本領域的技術人員應明確，也可以使用其他類型的電晶體。因此，所附的申請專利範圍的意圖及範圍，不應局限于文中的較佳示例。相反地，本發明的範圍應由所附的申請專利範圍及其全部等效內容決定。
除非特別聲明，否則本說明書中的所有可選件(包括任意附屬的申請專利範圍、摘要以及附圖)都可以用目的相同、等價或類似的可選件代替。因此，除非特別聲明，所述的每個可選件僅僅是一系列等價或類似可選件的其中之一。任何可選件(無論首選與否)，都可與其他任何可選件(無論首選與否)組合。
101．．．共源共閘/複合器件
103．．．高壓常開器件
105．．．低壓常閉器件
107、113．．．閘極
109、115．．．汲極
111、117．．．源極
301．．．複合器件
303．．．高壓常開器件
305．．．低壓常閉器件
307、313．．．閘極電極
311、317．．．源極電極
309、315．．．汲極電極
319．．．外部閘極電阻電路
321．．．二極體
323．．．低阻抗電阻器
325．．．高阻抗電阻器
327．．．輔助電極
401．．．複合器件
403．．．高壓常開器件
405．．．低壓常閉器件
407、413．．．閘極電極
411、417．．．源極電極
409、415．．．汲極電極
419．．．電容器
427．．．輔助電極
501．．．複合器件
503．．．高壓常開器件
505．．．低電壓常閉器件
506．．．外延層
510．．．半導體襯底
507、513．．．閘極電極
511、517．．．源極電極
509、515．．．汲極電極
518．．．多晶矽二極體
519．．．齊納箝位
520．．．深P+植入區
527．．．輔助電極
705．．．低壓器件
707．．．閘極區
711．．．源極區
709．．．汲極區
719．．．p-淺植入區
721．．．反摻雜半導體區
第1A圖所示的電路圖表示原有技術的共源共閘器件，其低壓常閉器件與高壓常開器件串聯。
第1B圖表示原有技術的共源共閘器件的剖面圖，其低壓常閉器件與高壓常開器件串聯。
第1C圖表示原有技術的共源共閘器件的開啟動作。
第1D圖表示原有技術的共源共閘器件的斷開動作。
第2A圖表示常開器件的跨導曲線，每個常開器件都具有不同的夾斷電壓。
第2B圖表示依據本發明的一個實施例，夾斷電壓增大後共源共閘器件的開啟動作。
第2C圖表示依據本發明的一個實施例，夾斷電壓增大後共源共閘器件的斷開動作。
第3A圖表示依據本發明的一個實施例，帶有外部閘極電阻電路的共源共閘器件的電路圖。
第3B和3C圖所示的剖面圖和俯視原理圖，表示依據本發明的一個實施例，帶有外部閘極電阻的共源共閘器件集成在低壓FET內。
第3D圖所示的剖面原理圖，表示依據本發明的一個實施例，集成外部閘極電阻電路的共源共閘器件的低壓常閉部分。
第3E圖表示依據本發明的一個實施例，帶有外部閘極電阻電路的共源共閘器件的開啟動作。
第3F圖表示依據本發明的一個實施例，帶有外部閘極電阻電路的共源共閘器件的斷開動作。
第4A圖表示依據本發明的一個實施例，帶有電容器的共源共閘器件的電路圖。
第4B和4C圖所示的剖面圖和俯視圖，表示依據本發明的一個實施例，集成在低壓FET內的帶有電容器的共源共閘器件。
第4D圖所示的剖面原理圖表示依據本發明的一個實施例，集成電容器的共源共閘器件的低壓常閉部分。
第5A圖所示的電路圖表示依據本發明的一個實施例，帶有齊納箝位的共源共閘器件。
第5B和5C圖所示的俯視圖和剖面原理圖，表示依據本發明的一個實施例，集成在低壓FET內帶有齊納箝位的共源共閘器件。
第5D圖表示配置在低壓FET閘極和汲極之間的箝位元電路的剖面圖。
第5E圖表示分別配置在低壓FET汲極和源極之間的箝位元電路的剖面圖。
第6圖表示共源共閘器件的Id-Vds曲線，其中低壓常閉場效應電晶體為MOSFET，高壓常開場效應電晶體為JFET。
第7A圖表示共源共閘器件的隨其Coss值的恢復動作。
第7B圖所示的剖面原理圖，表示低壓常閉器件的一個示例，用於表示很低的Coss值。
303．．．高壓常開器件
305．．．低壓常閉器件
307、313．．．閘極電極
311、317．．．源極電極
309、315．．．汲極電極
327．．．輔助電極

Claims (23)

  1. 一種開關器件，包括：一個低壓常閉場效應電晶體，具有四個或多個電極，包括一個源極電極、一個汲極電極、一個閘極電極以及一個或多個輔助電極，其中汲極電極在晶片的一個表面上，低壓常閉場效應電晶體形成在該晶片上，同時每個剩餘電極都位於晶片上另一個相對的表面上，一個或多個輔助電極提供到控制電路的電接觸，控制電路電連接到一個或多個其他電極上，其中控制電路就位於低壓常閉場效應電晶體所形成的晶片中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的開關器件，其中，控制電路為一個外部閘極電阻電路，外部閘極電阻電路的組成為一個與二極體串聯的低阻抗電阻器，以及一個並聯的較高阻值的電阻，其中外部閘極電阻電路的二極體部分的陽極端，連接到低壓常閉場效應電晶體的源極端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的開關器件，還包括一個高壓常開電晶體，該電晶體具有一個源極電極、一個汲極電極以及一個閘極電極，其中這三個電極中的任意一個都位於一個附加晶片的表面上，高壓常開電晶體的閘極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的輔助電極，高壓常開電晶體的源極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極電極。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的開關器件，其中，控制電路是一個外部閘極電阻電路，該外部閘極電阻電路包括一個二極體，以及一個獨立的並與該二極體並聯的電阻，其中外部閘極電阻電路的二極體部分的陽極端直接連接到低壓常閉場效應電晶體的源極端。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的開關器件，還包括一個高壓常開電晶體，該電晶體具有一個源極電極、一個汲極電極以及一個閘極電極，其中這三個電極中的任意一個都位於一個附加晶片的表面上，高壓常開電晶體的閘極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的輔助電極，高壓常開電晶體的源極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極電極。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體在比高壓常開電晶體更高的飽和電流下工作。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體的汲極電極安裝在高壓常開器件的源極電極上，使汲極電極和源極電極構成一個電連接。
  8. 如申請專利範圍第4項所述的開關器件，其中，高壓常開電晶體是一個結型閘極場效應電晶體(JFET)、一個HFET(異質結場效應電晶體)或MOSFET(金屬半導體場效應電晶體)。
  9. 如申請專利範圍第4項所述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體是金屬-氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)器件。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的開關器件，其中，控制電路包括一個電容器，控制電路連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極端。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的開關器件，還包括一個具有形成在附加晶片上的源極電極、汲極電極以及閘極電極的高壓常開電晶體，其中汲極電極在附加晶片的一個表面上，其他電極在附加晶片相對的表面上，其中高壓常開電晶體的閘極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的輔助電極，高壓常開電晶體的源極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極電極。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體在比高壓常開電晶體更高的飽和電流下工作。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體所在的晶片安裝在附加晶片上，使低壓常閉場效應電晶體的汲極端，直接電接觸到高壓常開電晶體的源極電極。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的開關器件，其中，高壓常開電晶體是結型閘極場效應電晶體(JFET)、異質結場效應電晶體(HFET)或金屬半導體場效應電晶體(MOSFET)。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的開關器件，其中，控制電路包括兩個或多個相反極性的二極體串聯，第一個二極體的陽極電連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極電極，第二個二極體的陽極電連接到低壓常閉場效應電晶體的閘極電極。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的開關器件，其中，這兩個二極體都是齊納二極體。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的開關器件，其中，這兩個二極體為背對背齊納二極體，集成在低壓常閉場效應電晶體內並位於低壓常閉場效應電晶體的閘極電極和汲極電極之間。
  18. 如申請專利範圍第15項所述的開關器件，其特徵在於，控制電路包括一個二極體箝位，集成在低壓常閉場效應電晶體內並位於低壓常閉場效應電晶體的閘極電極和汲極電極之間。
  19. 如申請專利範圍第15項所述的開關器件，還包括一個具有源極電極、汲極電極以及閘極電極的高壓常開電晶體，形成在附加晶片上，其中汲極電極在附加晶片的一個表面上，其他電極在附加晶片相反面的表面上，其中高壓常開電晶體的閘極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的源極電極，高壓常開電晶體的源極電極電連接到低壓常閉場效應電晶體的汲極電極。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體在比高壓常開電晶體更高的飽和電流下工作。
  21. 如申請專利範圍第19項所述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體所在的晶片安裝在附加晶片上，使低壓常閉場效應電晶體的汲極端，直接電接觸到高壓常開電晶體的源極電極。
  22. 如申請專利範圍第19項所述的開關器件，其中，高壓常開電晶體是結型閘極場效應電晶體(JFET)。
  23. 如申請專利範圍第1項所述的開關器件，其中，低壓常閉場效應電晶體是金屬-氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
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