[发明专利]BJT辅助的改进型GTO结构、控制方法及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种BJT辅助的改进型GTO结构、控制方法及制备方法。

背景技术

现代电力电子技术经过三十多年的发展已经成为一个涉及领域广阔的独立而日趋成熟的重要学科，其无论对传统工业的改造还是对高新技术产业的发展都有着至关重要的作用。它涉及的应用领域涵盖了国民经济的各个工业部门，是21世纪的重要关键技术之一。电力电子器件是电力电子技术的重要基础，是应用电力电子技术进行电能变换和控制的核心元件。电力电子器件经过几十年的发展已经逐步成熟，尤其是Si基电力电子器件的发展已经达到了Si材料的理论极限，为了发展更高性能的电力电子器件。

当前国际上普遍采用SiC和GaN作为Si的替代材料来获得更高性能的电力电子器件。然而，虽然SiC和GaN材料具有较宽的禁带，更适合做高压器件，但是本征载流子浓度低，内建电势较高，导致其制备的单个PN结的正向导通压降也很大，达2.8V。GTO广泛应用于高压大电流的大功率系统中，其半元胞结构参见图2且伏安特性曲线参见图4，但GTO的正向导通压降较大，尤其是宽禁带的GTO器件，其开启电压达到2.8V，使功率器件的正向导通损耗较大。BJT通常用于中小功率系统中，具有开关速度快等优点，BJT的增益有限，导通大电流时需要较大的基极注入电流，导致驱动损耗大，其半元胞结构参见图1且伏安特性曲线参见图3，因此，现有的电力电子器件中没有既适用于小电流又适用于大电流的宽应用范围的器件，无法适应负载变化较大的系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种BJT辅助的改进型GTO结构、控制方法及制备方法，功耗低且开关速度快，能够满足在小电流工作模式(BJT模式)和大电流工作模式(GTO模式)之间切换，一方面有利于减小了器件的功率损耗，另一方面有效提高了原有的GTO的开关速度，因此该器件适用于负载变化大的电力电子系统。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种BJT辅助的改进型GTO结构，GTO器件是通过工艺单片集成的方式将门极关断晶闸管GTO和双极结型晶体管BJT进行并联集成的半导体器件；

并联的GTO与BJT共享电极，且所述电极包括阴极、阳极及门极。

进一步的，所述GTO为P型门极关断晶闸管，所述BJT为PNP型双极结型晶体管，且P型GTO与PNP型BJT并联。

进一步的，由并联的P型GTO与PNP型BJT组成的所述器件包括：

依次连接的P型集电区、N型基区、P型漂移区、N型发射区及P型发射区；

且P型集电区为所述器件的阳极，N型基区中包括所述GTO结构的门极，N型发射区及P型发射区均为所述器件的阴极。

进一步的，所述GTO为N型门极关断晶闸管，所述BJT为NPN型双极结型晶体管，且N型GTO与NPN型BJT并联。

进一步的，由并联的N型GTO与NPN型BJT组成的所述器件包括：

依次连接的N型发射区、P型基区、N型漂移区、P型集电区及N型集电区；

且N型发射区为所述器件的阴极，P型基区中包括所述器件的门极，P型集电区及N型集电区均为所述器件的阳极。

一方面，本发明提供了一种所述的GTO结构的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

根据施加在所述器件的阳极和阴极之间正偏置电压的变化，控制所述器件以所述BJT的工作模式导通，或者以所述BJT与GTO共同开启的工作模式进行导通。

进一步的，所述根据施加在所述器件的阳极和阴极之间正偏置电压的变化，控制所述器件以所述BJT的工作模式导通，或者以所述BJT与GTO共同开启的工作模式进行导通，包括：

步骤1.在所述器件的阳极和阴极之间加上正偏置电压，使得所述器件处于正向阻断状态；

步骤2.在门极和阴极之间施加正偏置电压且正向偏置电压低于GTO的开启电压，所述BJT开启工作模式，使得所述器件以所述BJT的工作模式导通；

步骤3.在流过所述器件的电流增大使得所述器件阳极和阴极两端的所述正偏置电压等于或高于GTO的开启电压，所述GTO开启工作模式，并与所述BJT同时工作。

进一步的，所述方法还包括：

在所述器件的门极和阴极之间施加反偏置电压，流经所述器件的门极电流为负电流，使得所述器件关断。

另一方面，本发明提供了一种所述的GTO结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：