[其他]MOS栅控横向晶闸管

说明书

本实用新型属于半导体器件领域，是一种新型结构的晶闸管。

现有的晶闸管采用纵向PNPN四层结构，是一种电流控制器件。它不能用低压的数字电路直接控制其导通，由于纵向结构晶闸管的三个电极不是从一个平面上引出，因此不利于实现电路集成化。

本实用新型的目的在于研制一种可以用低压数字电路控制导通，而且便于实现电路集成化的新型结构晶闸管。

本实用新型由PNPN四层结构组成，其特点在于组成晶闸管的PNPN层为横向结构，采用MOS管和双极型晶体管复合构成，MOS管的源、漏区和双极型晶体管的发射区及收集区组成横向晶闸管的四层结构，其中MOS管的漏区与双极型晶体管的基区为公用区。MOS栅控晶闸管可分为PMOS型和NMOS型两类，它们分别采用PMOS管和NPN双极型晶体管复合构成，或者采用NMOS管和PNP双极型晶体管复合构成。

本实用新型与现有技术相比，具有控制电路简单，制造方便等优点。由于晶闸管三个电极都从表面引出，它的输入阻抗高，采用电压控制，只要有MOS管的开启电压就能控制其导通，故可以通过介质隔离实现与常规CMOS低压逻辑控制电路集成化，有利于制造各种高压功率集成电路，用于马达驱动和工业控制等场合。

图1是PMOS栅控晶闸管的等效电路图。

图2是PMOS栅控晶闸管的剖面示意图。

本实用新型可以采取以下方式实施：一种高压PMOS栅控横向晶闸管，它由PMOS管和双极型NPN晶体管复合而成，其等效电路和剖面示意图如图1和图2所示。当PMOS栅控晶闸管的阳极A与阴极K之间加上正向电压，即A接地，K接负电位时，由于阳极A与衬底短路，J₁结（阳极与衬底间的P^＋N结）处于零偏，而J₃结（NPN晶体管的发射结）处于正偏，J₂结（NPN晶体管的收集结）则处于反偏，外加电压基本上降落在J₂结上。在J₂结击穿以前，通过晶闸管的电流只是J₂结的反向饱和电流，晶闸管呈现正向阻断状态。为了提高正向阻断能力，就要提高J₂结的反向击穿电压，除了采用高阻衬底材料（一般选电阻率为5～30Ω－cm）以外，还必须尽可能消除表面效应和PN结曲率半径对击穿电压的影响。本实用新型采取漂移区和场极板结构，即PMOS栅控管漏区和双极晶体管N^＋PN^－基区的公用区采用离子注入形成轻掺杂的P^－漂移区，而且在漂移区上面设置了延伸的源场极板。为了进一步提高晶闸管的正向阻断能力，还可以通过延伸MOS管的栅电极形成栅场极板。除了以上措施外，在图形设计中用曲率半径较大的半圆形或类似于运动场的弧形结构作为MOS管漏区和双极晶体管基区的公用区。PMOS管的沟道长度L取（10～20）微米，沟道宽长比W／L取（200～1000）；漂移区长度L_R取（50～70）微米，延伸源场极板长度L_sf＝L_s′f＋L_s″f取（30～40）微米，延伸多晶硅栅场极板长度L_s′f取（12～18）微米，L_s″f为源场极板大于栅场极板的长度。MOS管的栅采用多晶硅全掺磷；漂移区二次离子注入，第一次在整个漂移区注入（剂量为2×10¹²／cm²），第二次为栅场极板以外的漂移区注入（剂量为3×10¹²／cm²），结深为（4～5）微米；双极型N^＋PN^－晶体管的基区扩散结深为（10～15）微米，发射区扩散结深为（4～8）微米。选用衬底电阻率为（10～15）Ω－cm的（100）N型硅材料，采用硅栅PMOS和双极晶体管常规工艺即可制备出晶闸管，其反向阻断电压为350伏以上。