[发明专利]MOS栅基极开关四极管

说明书

技术领域

本发明属于半导体功率开关器件领域，尤其与用绝缘栅控制大电流的四端子功率开关器件有关。 

本发明包括用MOS栅开关功率双极器件小的基极电流从而达到开关其大的输出电流这一总构思下的以下紧密相关的子发明：单一沟道MOS栅基极开关四极晶体管；互补沟道MOS栅基极开关四极晶体管；单一沟道MOS栅基极开关四极晶闸管；互补沟道MOS栅基极开关四极晶闸管。 

背景技术

功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管(功率MOSFET)，绝缘栅双极晶体管(Insulatcd Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)，MOS栅晶闸管(MOS-Gated Thyristor，简称MGT)等用MOS栅控制大电流的三端半导体功率开关器件的发明，被认为是电力电子器件领域的重大革命。近年来，人们开始注意研发MOS栅控制大电流的四端子功率开关器件。已经研制並生产出了四端子发射极开关双极晶体管(Emitter-Switched Bipolar Transistor，简称ESBT)，並表现出了很多诱人的优良功率开关器件特性。 

半导体功率器件的工作主要表现为大电流的流动和对该大电流流动的控制两方面。从参与电流输运的载流子种类角度将器件分为双极器件(电子和空穴两种载流子都参与电流的输运)及单极器件(只有一种载流子参与电流的输运)。另一方面，从对电流流动的控制角度将器件分为电流控制型器件(或称为电流驱动型器件)及电压控制型器件(或称为电压驱动型器件)。 

在功率开关应用中，不同的半导体功率器件具有不同的优点和缺点。 

双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)(简称双极晶体管)是电流控制型双极器件。在大注入情况下，高阻集电区中基极/集电极结附近有大量超过集电区掺杂浓度的注入载流子，产生高阻区中靠近集电极结附近一边的电导调制效应(单边电导调制效应)。因此，双极晶体管与场效应器件(不存在电导调制效应)相比有低的饱压降，或者说有低的开态比导通电阻，因而具有大的电流密度传导能力。但是，引起电导调制效应的过剩载流子在器件关断时不能很快移去，使其开关时间较长，开关速度较慢。双极晶体管更重要的缺点在于它是电流控制型器件。开态时，它要求驱动电路提供持续地大的开态基极电流(I_b)on进入基极，以维持大输出电流的开态；关态时，它要求驱动电路提供持续的零基极电流(I_b)off，以维持零输出电流的关态；它还要求驱动电路在高频率的开关动作时提供的基极电流能够在大基极电流(I_b)on与零基极电流(I_b)off之间快速转换。这些要求使双极晶体管的驱动电路复杂且昂贵。 

晶闸管也是电流控制型双极器件。开态时，在它的高阻漂移区中两边都有大量超过高阻 漂移区掺杂浓度的载流子注入，在高阻区中形成双边电导调制效应，因而具有比双极晶体管更大的电流密度传导能力。相应地，其开关速度更慢。它也要求很复杂且昂贵的驱动电路。 

功率MOSFET是电压控制型单极器件。开态时，它的高阻漂移区中不存在电导调制效应，因而其导通电阻大，其结果是它的电流密度传导能力比双极晶体管和晶闸管小。但因为没有少子存储效应而具有高的开关频率。功率MOSFET最大的优点是其MOS栅的高输入阻抗电压控制特性。实际上，它的MOS栅结构在栅电极与有源沟道之间形成了一个电容器。只需通过栅电极对栅电容进行充电和放电，即可实现对器件的开通和关断，因此只要求比双极晶体管和晶闸管简单得多的驱动电路。 

基于双极器件和MOSFET器件的上述特征，人们自然想到：如果用具有电导调制效应的双极型器件(双极晶体管和晶闸管)输运大电流，並用具有高输入阻抗的MOS栅控制这一大电流的流动，构成一种组合器件，应当具有显著优于单一双极器件或MOSFET器件的功率开关器件特性。