[发明专利]功率半导体器件

说明书

本发明提供一种功率半导体器件，包括：具有单极传导结构和双极传导结构的半导体衬底，第一端子和第二端子。单极传导结构包括第一传导类型的第一区、第二区和第三区，其中，第二区的掺杂浓度低于第一区和第三区的掺杂浓度。双极传导结构包括与第一传导类型相反的第二传导类型的第四区、第二区和第五区。单极传导结构可操作以在第一端子和第二端子之间提供第一传导路径。双极传导结构可操作以在第一端子和第二端子之间提供第二传导路径。第一传导路径被配置为在功率半导体器件的导通状态期间，以第一频率接通和断开，并且第二传导路径被配置为在第一传导路径的断开阶段期间接通，在第一传导路径的导通阶段期间被断开。

技术领域

本发明涉及功率半导体器件。更具体地，但非排他地，本发明涉及用于功率电子应用的电源开关。

背景技术

功率半导体器件是用于功率电子应用的半导体器件。这种器件也被称为功率器件。通常，功率器件具有超过20V的额定电压(即，器件在其主端子之间的断开(OFF)状态下必须承受的电位差)，并且在其导通(ON)状态期间传导超过100mA。更常见的是，功率器件的额定值高于60V且高于1A。这些值使功率器件与低压器件很不同，低压器件的工作电压通常低于5V，传导电流通常低于1mA，更常见的是在μA或低于μA的范围内。功率器件和其他类型器件(例如低压或射频(RF)器件)之间的另一个区别是功率器件主要以大信号工作并且工作方式类似开关。在高压或功率放大器中发现了例外情况，其包括主要用于线性操作的专用功率晶体管。功率半导体器件在其导通状态下承载大约10A至3000A量级的电流，并且在其断开状态下阻断大约100V至10000V量级的电压并不罕见。通常使用的功率半导体器件包括功率二极管、半导体闸流管、双极结型晶体管(BJT)、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、以及绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

功率半导体器件通常用作功率电子应用中的开关或整流器。开关是可以形成或断开电路的电子器件。开关具有导通状态和断开状态，在导通状态期间电流可以流过开关，在断开状态期间电流不能流过开关。开关通常用于沿相同方向传导电流和阻断电压。换句话说，开关操作，使得在导通状态期间，电流从开关的第一端子流到第二端子，并且第一端子处的电位高于第二端子处的电位，并且在断开状态期间，开关能够承受施加在开关两端的电压，其中第一端子处的电位高于第二端子处的电位，而不会在第一端子和第二端子之间传导任何显著的电流。开关通常具有第三端子，其用作用于设置和切换开关的导通/断开状态的控制端子。在导通状态期间开关两端的电压降被称为开关的“导通状态电压”。导通状态电压由开关的配置和材料决定。优选地，导通状态电压应该尽可能低，以便降低功率损耗并提高开关效率。在导通状态下流过开关的电流应低于开关的额定电流，在断开状态下施加在开关两端的电压应低于开关的额定电压。否则，开关将面临崩溃的风险。

目前，在直流电压超过400V时切换负载，可选择MOSFET(特别是超级结MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极结晶体管(BJT)和高压半导体闸流管，以及新技术选项，如即将出现的碳化硅(SiC)FET和氮化镓(GaN)FET。这些现有的电源开关中的每一个都具有优点和缺点，因此针对不同类型的应用。

BJT是一种非常成熟的技术，制造起来相对便宜。此外，BJT可以在高电压下切换高电流负载，同时实现非常低的导通状态电压。然而，为了承载高电流，BJT必须具有相对大的基极电流，这需要单独的基极驱动电路和电源。此外，当BJT被驱动到饱和时，用于功率电子应用的BJT通常具有储存在基极中的大量电荷。储存的电荷限制了BJT的关闭时间，因此限制了其在开关应用中的操作频率。