双向功率开关制造技术

技术编号:14027852 阅读:76 留言:0更新日期:2016-11-19 12:39
一种双向功率开关包括三个部件。每个部件包括具有交替的传导类型的三个半导体区域的堆叠,并且在三个半导体区域中的第一个半导体区域具有与第一半导体区域的类型相反的类型。第一部件和第二部件的第一半导体区域具有相同的传导类型并且第一部件和第三部件的第一半导体区域具有相反的传导类型。第一部件的第一半导体区域被连接到第二部件和第三部件的控制区域。第二部件和第三部件的第一半导体区域被连接到第一开关端子,第一部件、第二部件和第三部件的第三半导体区域被连接到第二开关端子,并且第一部件的控制区域被连接到第三开关端子。

【技术实现步骤摘要】
优先权要求本申请要求在2015年5月5日递交的专利号为15/54010的法国专利申请的优先权,其整体通过引用的方式以法律允许的最大程度并入于此。
本公开内容涉及双向功率开关
技术介绍
已经提供了许多类型的双向功率开关。这样的开关例如在与负载的串联连接中使用,该负载将在提供交流电流(AC)电源电压(例如,主电源电压)的端子之间被供电以控制向负载供应的功率。在已知的双向功率开关当中,可以提到三端双向可控硅(triac),其是很常用的并且具有相对廉价的优点。然而三端双向可控硅受限于其控制端子仅使得能够控制其从关断状态到导通阶段的开关,从导通状态到关断阶段的开关在流过三端双向可控硅的电流下降到阈值之下时自然地发生。已经提供了基于MOS或者双极性晶体管的各种解决方案以形成可控制以被导通和关断的双向功率开关。然而这样的开关是相对昂贵的。另外,这样的开关的控制可能要求相对复杂的电路。还已经在近期由申请人提供的在Rizk等人的文章“A vertical bidirectional bipolar power switch(BipAC)for AC mains applications,16th European Conference on Power Electronics and Applications(EPE'14-ECCE Europe),2014”(其通过引用并入)中的可控制以被导通和关断的双向功率开关。将关于图1在后文更详细地描述这样
的开关的结构和操作。存在可控制以被导通和关断的双向功率开关的需要,这一开关克服了现有开关的所有或者部分缺点。
技术实现思路
为了实现这一目标,实施例提供了一种双向功率开关,包括第一、第二和第三部件,每个部件包括:具有交替的传导类型的第一、第二和第三半导体区域的堆叠,以及具有与第一半导体区域的类型相反的类型的、被布置在第一区域中的半导体控制区域,其中:第一部件和第二部件的第一区域具有相同的传导类型并且第一部件和第三部件的第一区域具有相反的传导类型;第一部件的第一区域被连接到第二部件和第三部件的控制区域;第二部件和第三部件的第一区域被连接到开关的第一导电端子;第一部件、第二部件和第三部件的第三区域被连接到开关的第二导电端子;并且第一部件的控制区域被连接到开关的控制端子。根据实施例,所述第一部件的第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域分别是P型、N型和P型的。根据实施例,所述第一部件的半导体表面比所述第二部件和所述第三部件的半导体表面小。根据实施例,所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件分别被形成在三个不同的半导体芯片中。根据实施例,所述三个芯片被组装在同一保护封装中。根据实施例,所述三个芯片被组装在三个不同的保护封装中。根据实施例,一方面所述第一部件和所述第二部件,并且在另一方面所述第三部件,被分别形成在被组装在同一保护封装中的两个不同的半导体芯片中。根据实施例,所述保护封装包括被分别连接到所述开关的所述第一传导端子和所述第二传导端子以及所述控制端子的三个外部连接端子。根据实施例,所述第一部件和所述第二部件的第二半导体区域具有在从7x1013到4x1014原子/cm3的范围中的掺杂水平以及在从150到250μm的范围中的厚度,并且所述第三部件的第二半导体区域具有在从7x1013到4x1014原子/cm3的范围中的掺杂水平并且具有在从150到250μm的范围中的厚度。附图说明将在下面对具体实施例的非限制性描述中结合附图详细论述前述和其他的特征和优点,其中:图1是示意性地图示双向功率开关的截面图。图2是双向功率开关的实施例的简化视图;并且图3是图2的双向功率开关的备选实施例的简化顶视图。具体实施方式在不同的附图中已经用相同的附图标记来表示相同的元件,并且各附图也不是按比例的。在下面的描述中,在限定诸如“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等的绝对位置的术语时,或者在限定诸如“水平”、“垂直”等的方向的术语时,其参照附图的定位,应当理解,在实际中所描述的部件可以被不同地定向。除非另外指定,表述“约”、“近似”或“在……的数量级”时,其意思是在20%以内,优选地到10%以内。在本公开内容中,双向功率开关的意思是对于电流和电压双向的开关,其在关断状态中能够承受相对高的电压,例如大于100V并且在600V或更大数量级的电压。这里更具体地考虑了通过参考到其主要端子或者功率导电端子中的仅一个端子的单个栅极端子可以被控制为关断和导通双向功率开关。图1是示意性地图示在上文提到的Rizk等人的文章中描述的类型的双向功率开关100的示例的截面图。开关100是包括交替传导类型的三个半导体区域或层102、104
和106的垂直堆叠的单片式部件。在此示例中,下方区域106是P型的,从区域106的上表面延伸到区域102的下表面的中间区域104是N型的,并且上方区域102是P型的。中间区域104相对于上方和下方区域102和106是相对高掺杂的。在所示示例中,中间区域104比上方和下方区域102和106厚。作为示例,开关100从轻掺杂的N型半导体衬底(例如,硅衬底)形成,上方和下方区域102和106通过相应地从衬底的上表面和从下表面的P型掺杂剂元素的注入或扩散来形成。开关100在上方区域102在上部还包括通过区域102与中间区域104绝缘的控制区域108,该控制区域108具有与区域102相反的传导类型(即,所示示例中的N型),并且具有比中间区域104高的掺杂水平。控制区域108从区域102的上表面垂直地延伸,并且向下延伸到小于区域102的深度的一定深度。在顶视图中,控制区域108仅占据区域102、104和106的堆叠的表面的一部分。作为示例,控制区域108(在顶视图中)占据小于一半并优选地小于四分之一的区域102、104和106的堆叠的表面。在所示示例中,控制区域108沿着区域102、104和106的堆叠的一边来定位。区域108(在顶视图中)可以由多个区域形成,诸如其基极和发射极区域总体上交错的双极性功率晶体管。开关100包括(在未由层108占据的区域102的部分的层面处)与区域102的上表面接触的第一主电极或功率传导电极a1。开关100还包括与区域106的下表面接触的第二主电极或功率传导电极a2。开关100还包括与控制区域108的上表面接触的控制电极g。图1的开关100的导通(闭合)通过在其参考端子a1的控制端子g上施加负电流来获得,这导致在区域102和108之间形成的PN结的正向偏置。然后将控制区域108的电子注入到区域102中。这些电子中的一部分到达区域104,从而形成基极电流,该基极电流导致由区域102、104和106形成的垂直NPN双极性晶体管的导通。更具体地,如果在开关的主端子a1和a2之间的电压是正的(Va2–Va1
>0,Va2和Va1相应地表示端子a1的电势和端子a2的电势),则将空穴从区域106注入到区域104中,这些空穴中的一部分在区域104中重新结合,其余由区域102收集。如果在开关的主端子a1和a2之间的电压是负的(Va2–Va1<0),则将空穴从区域102注入到104中。这些空穴中的一部分在区域104中重本文档来自技高网
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双向功率开关

【技术保护点】
一种双向功率开关,包括:第一部件、第二部件和第三部件,其中每个部件包括:第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域的堆叠,所述第一半导体区域到所述第三半导体区域具有交替的传导类型;并且具有与所述第一区域的传导类型相反的传导类型并且被布置在所述第一区域中的半导体控制区域,其中:所述第一部件和所述第二部件的第一半导体区域具有相同的传导类型并且所述第一部件和所述第三部件的第一半导体区域具有相反的传导类型;所述第一部件的第一半导体区域被连接到所述第二部件和所述第三部件的半导体控制区域;所述第二部件和所述第三部件的第一半导体区域被连接到所述开关的第一导电端子;所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件的第三半导体区域被连接到所述开关的第二导电端子;并且所述第一部件的半导体控制区域被连接到所述开关的控制端子。

【技术特征摘要】
2015.05.05 FR 15540101.一种双向功率开关,包括:第一部件、第二部件和第三部件,其中每个部件包括:第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域的堆叠,所述第一半导体区域到所述第三半导体区域具有交替的传导类型;并且具有与所述第一区域的传导类型相反的传导类型并且被布置在所述第一区域中的半导体控制区域,其中:所述第一部件和所述第二部件的第一半导体区域具有相同的传导类型并且所述第一部件和所述第三部件的第一半导体区域具有相反的传导类型;所述第一部件的第一半导体区域被连接到所述第二部件和所述第三部件的半导体控制区域;所述第二部件和所述第三部件的第一半导体区域被连接到所述开关的第一导电端子;所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件的第三半导体区域被连接到所述开关的第二导电端子;并且所述第一部件的半导体控制区域被连接到所述开关的控制端子。2.根据权利要求1所述的开关,其中所述第一部件的第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域分别是P型、N型和P型的。3.根据权利要求1所述的开关,其中所述第一部件的半导体表面比所述第二部件和所述第三部件中的每个部件的半导体表面小。4.根据权利要求1所述的开关,其中所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件分别被形成在三个不同的半导体芯片中。5.根据权利要求4所述的开关,其中所述三个芯片被组装在同一保护封装中。6.根据权利要求5所述的开关,其中所述保护封装包括被分别连接到所述开关的所述第一传导端子和所述第二传导端子以及所述控制端子的三个外部连接端子。7.根据权利要求4所述的开关,其中所述三个芯片被组装在三个不同的保护封装中。8.根据权利要求1所述的开关,其中所述第一部件和所述第二部件被形成在第一半导体芯片上,并且其中所述第三部件被形成在第二半导体芯片中,并且其中所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片被组装在同一保护封装中。9.根据权利要求8所述的开关,其中所述保护封装包括被分别连接到所述开关的所述第一传导端子和所述第二传导端子以及所述控制端子的三个外部连接端子。10.根据权利要求1所述的开关,其中所述第一部件和所述第二部件的第二半导体区域具有在从7x1013到4x1014原子/cm3的范围中的掺杂水平以及在从150到250μm的范围中的厚度,并且其中所述第三部件的第二半导体区域具有在从7x1013到4x1014原子/cm3的范围中的掺杂水平并且具有在从150到250μm的范围中的厚度。11.一种功率开关,包括:三个半导体区域的第一堆叠,所述三个半导体区域具有交替的传导类...

【专利技术属性】
技术研发人员:Y·阿格
申请(专利权)人:意法半导体图尔公司
类型:发明
国别省市:法国;FR

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