專利名稱：脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)雙向電子開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)，即一種能夠在單個控制脈沖的控制下開啟其應(yīng)用的交流電壓的幾個半波時間的開關(guān)。這種雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)然后可以通過應(yīng)用一個新的脈沖后關(guān)閉，并保持關(guān)閉直到接收到一個新的開啟脈沖。
背景技術(shù)：
第一類的雙向開關(guān)是由三端可控硅型(triac-type)開關(guān)或其它與硅可控整流器(thyristor)相關(guān)的雙向開關(guān)構(gòu)成的。這些器件共同的特點是可由一個脈沖開啟一給定的半波長時間，然后當通過的電流下降至一預(yù)定的閾值時自動關(guān)閉，該閾值通常稱為保持電流iH。然后，在希望器件啟動的時候，對每一半波應(yīng)用一個新的脈沖，以重新開啟這樣的雙向開關(guān)。因此，這樣的開關(guān)不是雙穩(wěn)態(tài)的。
另一類雙向開關(guān)是由MOS器件或雙極性晶體管構(gòu)成的。對其控制端應(yīng)用一個信號時開關(guān)開啟。但是這樣的控制信號必須連續(xù)保持以保持開關(guān)的開啟。這種晶體管型的器件是不能用脈沖控制的。
現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了在電路中利用其中的半導體器件和無源器件來獲得一個脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)。但是，這樣的電路相對復雜，通常需要相關(guān)的幾個半導體器件和幾個無源器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是以基本上單片的形式制造這樣的脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)。
為了實現(xiàn)這個目的，本發(fā)明提供了一種脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)的雙向開關(guān)，該開關(guān)包括
一個單片的半導體電路，由一個少量摻雜的N型襯底構(gòu)成，襯底的后表面涂有金屬涂層，其中包括·一個具有選通端的豎直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)；·第一和第二硅控整流器(thyristor)結(jié)構(gòu)，其陽極形成在前表面，第一硅控整流器的陽極區(qū)域還包括附加P型區(qū)；·一金屬層，分別連接至豎直雙向器件的主前表面和第二硅控整流器的陽極；一個電容器，分別連接至第一硅控整流器的陽極和第二硅控整流器的附加P型區(qū)；一個用于短路電容器的開關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，單片半導體電路包括一個N型襯底；還包括前表面上第一P型區(qū)，其中還形成了對應(yīng)于該雙向開關(guān)的第一主電極的一個第二N型區(qū)；第二P型區(qū)，對應(yīng)于第一硅控整流器的陽極；第三P型區(qū)，對應(yīng)于第二硅控整流器的陽極，其中還包含一個附加N型區(qū)；后表面上一個P型層；在該P型層中有N型區(qū)，該N型區(qū)在該雙向器件上表面包含一個N型區(qū)的位置處被中斷。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一個選通觸點與第一P型區(qū)以及該P型區(qū)中的N型區(qū)相連，所述雙向開關(guān)是三端可控硅型的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，開關(guān)包括一個隔離層，該隔離層連接上表面至下P型區(qū)表面，并且其上表面包含一個N型區(qū)，該N型區(qū)與一個選通端相連，所述雙向開關(guān)是ACS型的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該雙向開關(guān)的后表面電極與交流電壓相連，前表面電極接地。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該雙向開關(guān)的前表面電極接地，前表面電極與交流電壓相連。


本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點將在下面的非限制性的特定實施例中結(jié)合附圖進行詳細描述。其中圖1是本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)的第一實施例的簡化剖視圖。
圖2至4示出了圖1中的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)的各種運行狀態(tài)。
圖5是本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)的第二實施例的簡化剖視圖。
圖6和7是本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)的第二實施例的替換方案的簡化剖視圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)主要包括一個在半導體襯底1和電容C基礎(chǔ)上形成的單片半導體器件或電路。
該豎直半導體器件包括一個中央部分，對應(yīng)于一個豎直三端可控硅器件TR，一個左邊部分，對應(yīng)于第一豎直硅控整流器Th1，一個右邊部分，對應(yīng)于第二豎直硅控整流器Th2。
該單片半導體器件的下表面或后表面涂有金屬層，該金屬層與端口A2相連。后表面對應(yīng)于三端可控硅器件的主電極和第一和第二硅控整流器的陰極。三端可控硅器件的第二主電極A1、第一和第二硅控整流器的陽極、三端可控硅器件的選通端G1均位于前表面上。第一硅控整流器的陽極與電容C的一端相連，電容C的另一端接地。三端可控硅器件的第二主電極A1接地。第一主電極A2通過受控負載接交流電壓，例如50或60Hz。三端可控硅器件的選通可以通過端口G1實現(xiàn)。硅控整流器Th2的陽極接端口A1，也接地。硅控整流器Th2的陽極區(qū)包含一個與端點10相連的附加的N型區(qū)。開關(guān)SW與電容C并聯(lián)連接。端口G2可以控制開關(guān)SW。
如圖所示，該單片半導體器件形成在一個襯底1上。該襯底少量摻雜有N型物質(zhì)。襯底的后表面形成有一P型層2和N型層3。N型層3一般不在三端可控硅器件TR適當區(qū)域的前面出現(xiàn)，只出現(xiàn)在硅控整流器Th1的陽極區(qū)4和硅控整流器Th2的陽極區(qū)5的前面。
前表面上，形成在硅控整流器Th2的陽極5的附加區(qū)域標記為6。三端可控硅器件包括一個P型區(qū)7，該P型區(qū)中又形成了一個N型區(qū)8。區(qū)域7和8及硅控整流器Th2的陽極區(qū)5均涂有與端口A1相連的金屬層。金屬層覆蓋了附加區(qū)6，并與端點10相連。最后，金屬層覆蓋陽極區(qū)4，并且也連接到端子10。選通端G1與覆蓋了區(qū)域7的一部分和其中的N型區(qū)9的金屬層相連。
在解釋圖1的器件的運行前，應(yīng)該首先重溫一下雙向開關(guān)，例如一個三端可控硅器件的觸發(fā)模式的傳統(tǒng)的標識方法。三端可控硅器件運行于四種狀態(tài)Q1，Q2，Q3，Q4中的一種。選擇一個參考端，通常為接地端?？紤]另一端，這里是A2端的電壓及G1端的選通電壓的偏置。三端可控硅器件被觸發(fā)，處于以下狀態(tài)當A2端和G1端的電壓相對于A1端的電壓為正，處于第一狀態(tài)Q1；當A2端的電壓為正，G1端的電壓為負，處于第二狀態(tài)Q2；當A2端和G1端的電壓為負，處于第三狀態(tài)Q3；當A2端的電壓為負，G1端的電壓為正，處于第四狀態(tài)Q4。
現(xiàn)在考慮圖1所示的器件在對其選通端G1應(yīng)用一個脈沖以在選通端提取或插入一個電流后的運行情況。
首先應(yīng)該考慮，當控制本發(fā)明的開關(guān)開啟，電極A2相對于電極A1為正。這種情況下，對G1端應(yīng)用電壓將觸發(fā)該三端可控硅器件，使之處于狀態(tài)Q1或Q2。
然后，如圖2所示，電流通過三端可控硅器件TR從端口A2流向端口A1。電流還從端口A2通過一個PNP型的晶體管T1流向端點10，該晶體管T1由P型后表面層2、N型襯底1和P型區(qū)4構(gòu)成。然后對電容C充電，使其電壓等于端口A2和A1的工作電壓降減去晶體管T1的飽和電壓(VCEsat)。此后，電容必須在三端可控硅器件在考慮的半波運行期間充電至電壓電平大于0.6V。該電平很容易實現(xiàn)，因為一個三端可控硅器件的運行電壓降通常為1.5V，而PNP晶體管的飽和電壓通常為0.3V。PNP晶體管的增益必須足夠高，對應(yīng)于PNP晶體管的基極電流的三端可控硅器件中的主電流，也必須足以使晶體管達到飽和。另外，電容C的電容值必須足夠大，因為正如下面所示的，電容C中聚集的電荷將在下一半波啟動該三端可控硅器件。實際實施中，可以選擇4.7uF的電容C。應(yīng)該注意，在A2端的電壓相對于A1端為正的狀態(tài)運行期間，硅控整流器Th1和Th2是反向偏置并關(guān)閉的。
還應(yīng)注意，還存在一個響應(yīng)硅控整流器Th3，包括從Th3的陽極到陰極，連接至端口2的P型層2，N型襯底1，P型區(qū)5，N型區(qū)6(沒有短路孔)。該響應(yīng)硅控整流器的陰極柵對應(yīng)于P型區(qū)5并且接地。雖然該硅控整流器的陽極和陰極之間進行了適當?shù)钠?，但是在該運行狀態(tài)下仍然不能開啟，因為其陰極選通電壓這時為負或零(該選通陰極電壓應(yīng)該為正以開啟硅控整流器Th3)。
在正半波的終點，一旦三端可控硅器件的電流小于其保持電流IH，該三端可控硅器件趨于不再處于導電狀態(tài)。然而，端點10的電壓則更大于端口A1。假定襯底1中存在電荷，則側(cè)面的具有一個陽極P型區(qū)4和一個N型陰極區(qū)8并且連接于端口A1的PNPN硅控整流器開啟。也可以說，從端點10注入的電流使得三端可控硅器件TR中的電流保持大于該三端可控硅器件的保持電流IH。因此，在正半波的終點，在襯底的襯底和P型區(qū)7的連接處附近還存在電荷。
因此，如圖3所示，當電壓在端口A2反轉(zhuǎn)并且端口A2相對于端口A1的電壓為負時，在該方向偏置的硅控整流器Th1和Th2及三端可控硅器件由于襯底在電壓反轉(zhuǎn)期間剩余的電荷而開啟。電容C的端子10然后通過硅控整流器Th1負向充電，一旦該充電電平接近該三端可控硅器件的工作電壓差，硅控整流器Th1即停止。但是，硅控整流器Th2保持導通，電流在三端可控硅器件TR和硅控整流器Th2間分配。
在圖4所示的階段，假定端口A2的電壓重新變正。一旦端口A2上的電壓充分大于端口A1的電壓，上述的硅控整流器Th3開啟，電容C放電產(chǎn)生一個選通電流，該電流從P型區(qū)5流入N型區(qū)6。硅控整流器Th3的開啟在襯底中產(chǎn)生了電荷，使得三端可控硅器件TR開啟。圖2所示的階段的狀態(tài)重新發(fā)生，電容C再充電，端點10的電壓為正，以在應(yīng)用于端口A2的交流電壓的后續(xù)半波過程重復前面所述的步驟。
因此圖1示出的半導體器件和電容C集成為一個運行交流電的雙向開關(guān)。該開關(guān)可以由一個脈沖開啟，然后在電容C的充放電影響下無限制的保持開啟。
為了關(guān)閉開關(guān)，電容C必須放電，以避免三端可控硅器件TR在下一半波重新開啟。圖1的實施例中示出了一個與電容C并聯(lián)的受端口G2控制的開關(guān)SW。最好與開關(guān)SW串聯(lián)一個放電電阻。因此，一旦對G2端應(yīng)用一個關(guān)閉脈沖，電容C放電，三端可控硅器件在電流半波的終點關(guān)閉。該器件的運行可由一個單個的脈沖在端口G2進行控制，該脈沖最好具有相比于半波持續(xù)時間的可以忽略的持續(xù)時間。但是，開關(guān)SW最好在不希望三端可控硅器件TR重新開啟的時間內(nèi)保持關(guān)閉，以避免由于端 G1的不希望的脈沖影響而觸發(fā)該三端可控硅器件。實際上，在存在不希望的脈沖的情況下，三端可控硅器件可以開啟并在沒有短路的電容C的影響下保持開啟。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，如果要選擇一個器件，其開關(guān)SW在三端可控硅器件的關(guān)閉狀態(tài)期間保持關(guān)閉，那么當希望啟動開啟狀態(tài)時該開關(guān)SW應(yīng)該在對端口G1應(yīng)用一個脈沖之前立即關(guān)閉。也應(yīng)該注意，如果希望三端可控硅器件TR在選通端G1的控制的唯一影響下進行傳統(tǒng)的運行，開關(guān)SW可以保持開啟。
本發(fā)明的器件也可以在全周期控制下運行。如果刪除圖1所示的對應(yīng)于硅控整流器Th2的半導體部分，當該三端可控硅器件在第一或第二信號區(qū)被開啟，雖然端口A2相對于端口A1為正，一個在正半波開始的控制脈沖也將開啟三端可控硅器件，并在整個正半波期間保持。然后，在電容C的放電影響下，該導電狀態(tài)在接下去的負半波期間將保持，然后該三端可控硅器件才關(guān)閉。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，圖1的器件可以被修改，使其在負半波開啟后保持一個完整的周期。為了這個目的，例如可以大體上保持圖1的結(jié)構(gòu)，減小形成硅控整流器Th1的陽極的P型區(qū)4的表面積。這樣，晶體管T1(見圖2)就不能在負半波時使得電容C充分充電，但硅控整流器Th1可以在負半波時做到這點。
本發(fā)明的開關(guān)在狀態(tài)Q1或Q2時，也就是在A2端的電壓相對于A1端為正時的開啟控制前面已經(jīng)進行了描述。在狀態(tài)Q3或Q4，也就是當A2端的電壓相對于A1端為負時，系統(tǒng)實際上等同于圖3中的描述。選通端G1的動作產(chǎn)生初始開啟，然后硅控整流器Th1和Th2開啟，電容C充電以啟動一個操作，該操作持續(xù)前面所述的運行。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是，本發(fā)明的開關(guān)狀態(tài)(開或關(guān))可以在任何時間確定。如果在一個周期期間(20ms)，電壓超過了0.2V，可知開關(guān)開啟，則有足夠的時間來測量通過電容的電壓?？梢悦?0ms與±0.2V閾值電壓比較一次。在50Hz周期性電壓保持的情況下，20及10ms等值是給定的。但如果應(yīng)用于本發(fā)明的開關(guān)的頻率大于50Hz，例如通常用于盎格魯撒克遜國家的60Hz電壓，這些值可以適當?shù)母淖儭?br> 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種變化、修改及改進。尤其是，開關(guān)SW可以集成在襯底1的一個隔離部分。應(yīng)該注意，該開關(guān)可以是一個低電壓開關(guān)，因為穿過電容C兩端的最常見的電壓是1至3V。因此，很容易將該電容與一個簡單集成的低造價低電壓開關(guān)聯(lián)系起來。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是選通端G1和G2均接地。這些選通端的控制信號相對于地被參照，因此可以由低電壓信號容易的實現(xiàn)。
本發(fā)明的開關(guān)使用簡單，因為可以在運行的任意階段Q1至Q4的任意狀態(tài)下啟動。同理，也可以在任意時刻關(guān)閉。
該器件可以通過優(yōu)化PNP晶體管T1(圖2)來實現(xiàn)特定的需要。
在各P型區(qū)之間的上表面上的N型區(qū)11已經(jīng)表示在圖1中。這些N型區(qū)是可選的，通常起到信道終止區(qū)的作用，以避免表面電流泄漏。
另一方面，功率三端可控硅器件的表面積可以減小，因為輔助硅控整流器Th2實現(xiàn)了三端可控硅器件的一個操作偏置端(端口A2相對于端口A1為負)的功能。
在本發(fā)明的另一可選實施例中，可以使用雙向開關(guān)而不是三端可控硅器件，例如使用一個具有對應(yīng)于后表面金屬層的參考電極的雙向開關(guān)，選通端相對于參考電極受控。這樣的器件，表示為ACS(商標名由STM微電子公司注冊)，在申請?zhí)枮?034381(B3073)的美國專利申請中進行了特別的描述。
本發(fā)明對這樣的器件的應(yīng)用見圖5，圖5在端口A1和A2的中間部分示出了一個豎直雙向ACS器件。硅控整流器Th1包括從其陽極至陰極，P型區(qū)4、襯底1、P型區(qū)7及N型區(qū)8。硅控整流器Th2包括從其陽極至陰極，P型區(qū)5、襯底1、P型區(qū)7及N型區(qū)8。該器件的兩邊或附近形成了側(cè)面硅控整流器Th1和Th2。此時，A1表示主后表面端口，該端口接地。A2表示主前表面端口，該端口通過一個負載接交流電壓。該豎直雙向器件的啟動由電極G1實現(xiàn)，該電極連接至形成在隔離層23的一個P型外延22中的一個N型區(qū)21，該隔離層23穿過半導體的極板并與后表面P型層2保持連續(xù)。如前所述，電容C在該豎直器件的初始啟動之后對每一偏置切換都保持器件處于開啟狀態(tài)。電容C的一端接地，另一端接硅控整流器Th1的陽極和形成在硅控整流器Th2的陽極層5中的N型區(qū)6。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，系統(tǒng)的運行類似于之前的描述。此時硅控整流器Th1和Th2是側(cè)面硅控整流器。圖2中所示的豎直PNP晶體管T1等同于一個水平PNP晶體管T2，其發(fā)射極對應(yīng)于該豎直雙向器件的P型區(qū)，其基極對應(yīng)于N型襯底1，其集電極對應(yīng)于側(cè)面硅控整流器Th1的P型陽極區(qū)4。
為了確定圖5所示的雙向開關(guān)的開啟或關(guān)閉狀態(tài)，可以如前面實施例一樣在所使用的交流電壓的半波或一個周期期間確定電容C是充電還是放電。在該實施例中，在隔離層的另一側(cè)可以使用一個檢測器件，該隔離層在由功率器件(B4438)導入一個大電流時被載體穿過。
圖6和7示出了圖5所示器件的替換實施例，這些替換實施例主要是對晶體管T2的集電極(硅控整流器Th1的陽極區(qū))進行修改。在這兩個實施例中，陽極區(qū)由一個P型注入(drive-in)進行了擴展，以增大晶體管的增益。
在圖6中，該注入(drive-in)區(qū)標記為25，并連接一個下表面形成的另一P型注入?yún)^(qū)26。注入?yún)^(qū)26的下表面被一個氧化物層27覆蓋，以將P型區(qū)4-25-26與接地電極A1隔離。
在圖7中，只形成了注入?yún)^(qū)25。
另外，圖6和圖7示出了對圖5的各種細節(jié)的修改。尤其是，為簡化表示，選通區(qū)G1示于圖的左邊而不是右邊。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改變和修改，尤其是涉及對主要的豎直雙向功率器件的修改及對輔助器件Th1和Th2的其它的變化。
本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)雙向器件可以在一個硅極板上獨立形成或與其它同類器件共同組成一個通用結(jié)構(gòu)，正如美國專利6075277(B2578)中所描述的。
權(quán)利要求
1.一種脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)，包括一個單片的半導體電路，由一個少量摻雜的N型襯底(1)構(gòu)成，襯底的后表面涂有金屬涂層(A2)，其中包括·一個具有選通端(G1)的豎直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)(TR；ACS)；·第一(Th1)和第二(Th2)硅控整流器結(jié)構(gòu)，它們的陽極形成在前表面，第一硅控整流器的陽極區(qū)域還包括附加P型區(qū)(6)；·一金屬層(A1；A2)，連接至豎直雙向器件的主前表面和第二硅控整流器的陽極；一個電容器(C)，連接至第一硅控整流器的陽極和第二硅控整流器的附加N型區(qū)；一個電容器短路開關(guān)(SW)。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)，其中該單片半導體電路包括一個N型襯底(1)；以及前表面上第一P型區(qū)(7)，其中包含一個對應(yīng)于該雙向開關(guān)的第一主電極(A1；A2)的第二N型區(qū)(8)；第二P型區(qū)(4)，對應(yīng)于第一硅控整流器的陽極；第三P型區(qū)(5)，對應(yīng)于第二硅控整流器的陽極，其中還包含一個附加N型區(qū)(6)；后表面上一個P型層(2)；在該P型層中，有N型區(qū)(3)，該N型區(qū)(3)在該雙向器件的上表面包含一個N型區(qū)的位置處被中斷。
3.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)，其特征在于一個選通觸點連接在第一P型區(qū)(7)上并與該第一P型區(qū)中的N型區(qū)(9)相連，所述雙向開關(guān)是三端可控硅型的。
4.如權(quán)利要求2所述的開關(guān)，其特征在于該開關(guān)包括一個隔離層，該隔離層連接上表面至下P型區(qū)表面(2)，該隔離層在其上表面包含一個N型區(qū)(21)，該N型區(qū)與一個選通端相連，所述雙向開關(guān)是ACS型的。
5.如權(quán)利要求3所述的開關(guān)，其特征在于該雙向開關(guān)的后表面電極與交流電壓相連，前表面電極接地。
6.如權(quán)利要求4所述的開關(guān)，其特征在于該雙向開關(guān)的前表面電極接地，前表面電極與交流電壓相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)，該開關(guān)包括一個單片的半導體電路，該電路包括一個豎直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)(TR；ACS)，該電路還包括一個選通端(G1)；第一(Th1)和第二(Th2)硅控整流器結(jié)構(gòu)，其陽極形成在前表面；第一硅控整流器的陽極區(qū)域還包括附加P型區(qū)(6)；及一金屬層(A1；A2)，分別連接至豎直雙向器件的主前表面和第二硅控整流器的陽極。該開關(guān)還包括一個電容器(C)，分別連接至第一硅控整流器的陽極和第二硅控整流器的附加P型區(qū)；及一個電容器短路開關(guān)(SW)。
文檔編號H01L29/747GK1481586SQ0182107
公開日2004年3月10日 申請日期2001年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月21日
發(fā)明者讓－米歇爾·西蒙尼特, 讓-米歇爾 西蒙尼特 申請人:St微電子公司