專利名稱：脈沖型雙穩(wěn)態(tài)雙向電子開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)，即一種可以在單個(gè)的控制脈沖之后，為施加于其上的交流電壓的若干個(gè)半波保持打開狀態(tài)的開關(guān)。隨后，這一雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)使用新的脈沖來關(guān)閉，并且保持關(guān)閉狀態(tài)直到新的打開脈沖到達(dá)。
第一類的雙向開關(guān)由三端雙向可控硅開關(guān)(triac-typeswitches)或者其他涉及閘流管組件的雙向開關(guān)組成。這些元件的一個(gè)共同特征是它們在給定的半波內(nèi)通過使用一個(gè)脈沖打開，然后當(dāng)流過其中的電流下降到確定的門限以下時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，該門限通常被稱作保持電流iH。這樣，為了再次打開這個(gè)開關(guān)，就需要在每個(gè)半波的到來而需要打開開關(guān)的時(shí)候再次使用脈沖。因此，這種開關(guān)不是雙穩(wěn)態(tài)的。
另外一類的雙向開關(guān)由MOS元件或者雙極性晶體管元件組成，它們由加到其控制端上的信號打開，但是為了保持元件的打開狀態(tài)這個(gè)控制命令必須是連續(xù)保持的。所以這種晶體管類型的元件不能由脈沖控制。
在現(xiàn)有技術(shù)中，可以獲得由脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)的電路，這些電路涉及半導(dǎo)體元件和無源元件。但是，這樣的電路相對復(fù)雜并且通常需要多個(gè)半導(dǎo)體元件和多個(gè)無源元件的組合。
本發(fā)明的目的就是制造基本上是單片形式的脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)。
為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)和其他的目標(biāo)，本發(fā)明提供了一種脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)，它包括由輕微摻雜的(lightly-droped)N型基底構(gòu)成的單片半導(dǎo)體電路，該基底的后表面涂有連接到參考電壓的金屬化涂層，包括具有第一柵極端的垂直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)，它的位于前表面的主電極連接到負(fù)載并連接到交流電源上；水平的閘流管結(jié)構(gòu)，包括垂直雙向開關(guān)的上層，基底，在基底上形成的第一P型區(qū)域，及在第一區(qū)域內(nèi)形成的第二N型區(qū)域；連接到第一和第二區(qū)域之一的第二柵極，其中第一和第二區(qū)域中的另一個(gè)連接到參考電壓上；連接到第一柵極端和交流電源的電容；及用于使電容短路的開關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，單片半導(dǎo)體電路包括N型基底；在其前表面上垂直閘流管的第三P型陽極區(qū)域，這個(gè)第三區(qū)域包含第二垂直閘流管上的第四N型陰極區(qū)域，及形成柵極區(qū)域的第五N型區(qū)域；在其后表面上P型層；在這個(gè)P型層中，除了在形成垂直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)的第二閘流管的陽極位置之外，均是第六N型區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，水平開關(guān)結(jié)構(gòu)的第一區(qū)域一直延伸到絕緣壁(isolating wall)，絕緣壁將該區(qū)域連接到后表面。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該電子開關(guān)進(jìn)一步在單片上集成了用于使電容短路的開關(guān)。
前面所述的本發(fā)明的目標(biāo)、特性以及優(yōu)點(diǎn)將在下面的特定實(shí)施例的不受限制的說明中詳細(xì)討論，且下面的描述將結(jié)合附圖進(jìn)行說明，其中

圖1是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例中雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)簡化的橫截面圖；及圖2是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例中雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)簡化的橫截面圖。
如圖1所示，本發(fā)明所述的雙穩(wěn)態(tài)雙向開關(guān)包含單片的半導(dǎo)體元件或者電路，它由N型半導(dǎo)體基底1和電容C構(gòu)成。
單片的半導(dǎo)體元件在其左側(cè)部分包含由P型絕緣壁3包圍的、垂直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)以及開關(guān)的打開結(jié)構(gòu)。用于關(guān)閉該開關(guān)的組件在圖的右側(cè)部分顯示。
圖1的左側(cè)部分包括反向并聯(lián)連接兩個(gè)閘流管T1和T2的垂直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)。閘流管T1從其前表面到后表面以及從其陽極到其陰極包括P型區(qū)域4、基底1、P型區(qū)域5、及N型區(qū)域6。閘流管T2從其前表面到后表面以及從其陰極到其陽極包括N型區(qū)域7、P型區(qū)域4的一部分、N型基底1、及P型區(qū)域5的一部分。盡管這些區(qū)域沒有在圖中顯示，但是在采用中功率元件的情況下，這個(gè)雙向元件占據(jù)了大部分的元件表面區(qū)域，并且用于傳導(dǎo)一個(gè)重要的電流。圖中的其他元件的作用是打開和關(guān)閉開關(guān)。
上述的P型區(qū)域5一直延伸到元件的整個(gè)后表面或下表面。N型區(qū)域6除了在下表面上所要形成的閘流管T2的陽極位置之外，在元件的整個(gè)左側(cè)部分一直延伸到后表面。N型區(qū)域9也在上表面部分顯示，它位于每個(gè)P型阱的任意一側(cè)，通常用來形成溝道截?cái)鄥^(qū)域。這些溝道截?cái)鄥^(qū)域普遍涂有金屬化涂層，但是沒有在圖中顯示。
為了簡單起見，形成雙向垂直結(jié)構(gòu)的上述兩個(gè)閘流管T1、T2的組合被稱作三端雙向可控硅開關(guān)元件(triac)TR。
圖1左側(cè)部分所示的結(jié)構(gòu)還包括水平閘流管T3，T3從其陽極到其陰極包含P型區(qū)域4、基底1、在上表面形成的P型區(qū)域11、及在區(qū)域11中形成的N型區(qū)域12。
P型區(qū)域4還包含另一個(gè)N型區(qū)域13，它形成了三端雙向可控硅開關(guān)元件的柵極。
金屬化涂層M1覆蓋了閘流管T1的陽極區(qū)域4及閘流管T2的陰極區(qū)域7。金屬化涂層M2覆蓋了元件的整個(gè)后表面。形成了三端雙向可控硅開關(guān)元件的終端A2的金屬化涂層M2連接到例如地電壓的參考電壓。金屬化涂層M1形成了三端雙向可控硅開關(guān)元件的終端A1，它經(jīng)由負(fù)載L連接到交流電壓VAC，此時(shí)電流可以流過該負(fù)載或者不流過該負(fù)載。在P型區(qū)域4中形成的N型區(qū)域13涂有金屬化涂層M3，該涂層連接到電容C的第一端，電容的第二端連接到電路的節(jié)點(diǎn)N1，該節(jié)點(diǎn)通過電阻R1連接到交流電壓VAC。橫向閘流管T3的陰極12涂有金屬化涂層M5，該涂層連接到在絕緣壁3的上表面上形成的另一個(gè)金屬化涂層M5。橫向閘流管T3的柵極區(qū)域11涂有金屬化涂層M6，該涂層連接到柵極G1。
在解釋圖1所示裝置的操作之前，雙向開關(guān)的觸發(fā)模式的常規(guī)名稱，例如三端雙向可控硅開關(guān)元件，將被重新陳述。可以認(rèn)為三端雙向可控硅開關(guān)元件是在4個(gè)象限Q1，Q2，Q3，Q4中的一個(gè)或者另一個(gè)中操作的。通常選擇接地作為參考終端，并考慮其他終端電壓的極性，此處考慮終端A1，及柵極G1電壓的極性?？梢哉J(rèn)為當(dāng)三端雙向可控硅開關(guān)的終端A1和G1上的電壓相對于終端A2的極性為正時(shí)，它在第一象限Q1觸發(fā)。在第二象限Q2觸發(fā)時(shí)，終端A1上的電壓為正，終端G1上的電壓為負(fù)。在第三象限Q3觸發(fā)時(shí)，終端A1和G1上的電壓為負(fù)。最終在第四象限Q4觸發(fā)時(shí)，終端A1上的電壓為負(fù)，終端G1上的電壓為正。
圖1所示的結(jié)構(gòu)工作在第一象限，這就是說，當(dāng)電壓VAC相對于終端A2為正時(shí)，開關(guān)將被打開，而且此時(shí)加在柵極G1上的電壓為正，為了保證在控制脈沖到達(dá)的任何時(shí)候觸發(fā)該元件，就需要確?？刂泼}沖的持續(xù)時(shí)間要比交流電壓的半波持續(xù)時(shí)間要長，例如，如果交流電壓的頻率為50Hz，則控制脈沖的持續(xù)時(shí)間是10ms。
當(dāng)在橫向閘流管T3的終端G1上施加了柵極脈沖時(shí)，閘流管T3由柵極脈沖打開。電流將經(jīng)由閘流管T3及絕緣壁從終端A1流到終端A2。一旦閘流管T3的導(dǎo)通性建立起來，載流子將注入基底1，并打開已被適當(dāng)偏置的垂直閘流管T1。在垂直閘流管T1導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，電容C由加在節(jié)點(diǎn)N1上的正電壓充電。
在閘流管T1由于其中流過零交叉電流而關(guān)閉時(shí)，電容C通過垂直閘流管T2的柵極提供電流。需要說明的是，柵極金屬化涂層M3不僅覆蓋了N型區(qū)域13，也覆蓋了靠近P型阱4的區(qū)域。當(dāng)閘流管T2打開的時(shí)候，電容C以和前面所述的偏置相反的偏置充電，即節(jié)點(diǎn)N1上的電壓是負(fù)電壓。在下一個(gè)半波到來時(shí)，這次閘流管T1由電容C放電得到的柵極電流打開。
這樣，一旦由輔助閘流管T3的柵極G1上的信號完成了初始觸發(fā)，由T1、T2構(gòu)成的三端雙向可控硅開關(guān)元件將在每個(gè)半波到達(dá)時(shí)受到電容向其柵極放電的影響而重新開啟。
一旦元件被打開，為了終止操作，電容C必須被放電。為了達(dá)到此目的，需要提供用于使電容短路的任何一種開關(guān)。在圖1的右側(cè)部分顯示了由水平閘流管T4及垂直閘流管T5以集成方式形成的此類開關(guān)的一個(gè)例子。這一結(jié)構(gòu)包含了在P型阱22處形成的N型區(qū)域21，以及在P型阱24處形成的N型區(qū)域23。區(qū)域21由上述的金屬化涂層M5，區(qū)域22涂有連接到柵極終端G2的金屬化涂層M7覆蓋。區(qū)域23和24涂有連接到節(jié)點(diǎn)N1的金屬化涂層M8。這樣就可以得到橫向的NPNP閘流管T4，它包括區(qū)域22-1-24-23，及垂直的PNPN閘流管T5，它包括區(qū)域24-1-5-6。N型區(qū)域6在位于后表面的垂直閘流管的下方延伸，并和存在于圖左側(cè)部分的N型區(qū)域6同時(shí)形成。
為了關(guān)閉開關(guān)，必須在正半波的持續(xù)時(shí)間內(nèi)在終端G2上施加正電壓，這將觸發(fā)橫向閘流管T4，然后觸發(fā)垂直閘流管T5，后者通過將節(jié)點(diǎn)N1或者電極A2接地使電容C放電。
本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)可以有多種改變和改進(jìn)的方案，尤其是可以在不同象限得到觸發(fā)的方案。
圖2顯示了這樣的一個(gè)替代方案的例子，它可以在象限Q2或Q3中打開時(shí)操作(而不僅限于圖1的實(shí)施例中僅在象限Q1的情況)。
在圖2中，與圖1中相同的元件由相同的附圖標(biāo)記指定。包含閘流管T1和T2的主三端雙向可控硅開關(guān)元件和圖1中的完全相同。但是在這種情況下，用于打開這一結(jié)構(gòu)的橫向閘流管具有P型區(qū)域11，它延伸到阱3，并和阱3相互連續(xù)。可以看出這樣的結(jié)構(gòu)在終端G1上施加負(fù)脈沖的時(shí)候觸發(fā)，在此種情況下，終端G1不是柵極而是閘流管T3的陰極。和區(qū)域11相對應(yīng)的柵極通過絕緣壁3接地。當(dāng)終端G1上的電壓和地電壓相比足夠小時(shí)，柵極電流打開區(qū)域11和區(qū)域12之間的連接。當(dāng)閘流管T3被適當(dāng)偏置的時(shí)候(在象限Q2)，閘流管T3觸發(fā)并打開閘流管T1。當(dāng)閘流管T3被反向偏置的時(shí)候，區(qū)域11和區(qū)域12之間的連接導(dǎo)通，此時(shí)載流子將注入基底，這將直接打開閘流管T2。
在排列在圖右側(cè)部分的關(guān)閉結(jié)構(gòu)中，區(qū)域22和絕緣壁3是連續(xù)的。
本發(fā)明可能會(huì)有很多其他的改變或者修正，尤其考慮到主垂直雙向電源元件的修改及輔助打開或者關(guān)閉元件的替代實(shí)施例時(shí)，這些改變或者修正可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易地實(shí)現(xiàn)。此外，這樣的結(jié)構(gòu)可以在倒置所有導(dǎo)通類型的時(shí)候形成。
涉及本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)雙向部件可以在硅晶片中單獨(dú)形成，或者隸屬于包含相同類型的其他部件的通用結(jié)構(gòu)，正如例如在本發(fā)明所參考的美國專利文本6,075,277中所描述的。
權(quán)利要求
1.脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)類型雙向電子開關(guān)，包括由輕微摻雜的N型基底(1)形成的單片半導(dǎo)體電路，該基底具有后表面(A2)，其上涂有連接到參考電壓金屬化涂層，包括具有第一柵極(M3)的垂直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)(T1，T2)，并且其位于前表面的主電極(A1)連接到負(fù)載并連接到交流電源；水平的閘流管結(jié)構(gòu)(T3)包括垂直雙向開關(guān)的上層(4)，基底(1)，在基底中形成的第一P型區(qū)域(11)，及在第一區(qū)域中形成的第二N型區(qū)域(12)；連接到第一和第二區(qū)域之一的第二柵極(G1)，第一和第二區(qū)域中的另一個(gè)連接到參考電壓；連接到第一柵極(M3)和交流電源(VAC)的電容(C)；及用于使電容短路的開關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，其中單片半導(dǎo)體電路包括N型基底(1)；在其前表面上垂直閘流管(T1)的第三P型陽極區(qū)域(4)，這個(gè)第三區(qū)域包含第二垂直閘流管(T2)的第四N型陰極區(qū)域(7)，以及形成柵極區(qū)域的第五N型區(qū)域(13)；在其后表面上P型層(5)；在這個(gè)P型層中，除了在形成垂直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)的第二閘流管的陽極位置之外，均是第六N型區(qū)域(6)。
3.脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)類型雙向電子開關(guān)，包括由輕微摻雜的P型基底(1)形成的單片半導(dǎo)體電路，該基底具有后表面(A2)，其上涂有連接到參考電壓金屬化涂層，包括具有第一柵極(M3)的垂直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)(T1，T2)，并且其位于前表面的主電極(A1)連接到負(fù)載并連接到交流電源；水平的閘流管結(jié)構(gòu)(T3)，包括垂直雙向開關(guān)的上層(4)，基底(1)，在基底中形成的第一N型區(qū)域(11)，及在第一區(qū)域形成的第二P型區(qū)域(12)；連接到第一和第二區(qū)域之一的第二柵極(G1)，第一和第二區(qū)域中的另一個(gè)連接到參考電壓；連接到第一柵極(M3)和交流電源(VAC)的電容(C)；及用于使電容短路的開關(guān)。
4.如權(quán)利要求3所述的電子開關(guān)，其中單片半導(dǎo)體電路包括P型基底(1)；在其前表面上垂直閘流管(T1)的第三N型陽極區(qū)域(4)，這個(gè)第三區(qū)域包含第二垂直閘流管(T2)的第四P型陰極區(qū)域(7)，及形成柵極區(qū)域的第五P型區(qū)域(13)；在其后表面上N型層(5)；在這個(gè)N型層中，除了形成垂直雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)的第二閘流管的陽極位置之外，均是第六P型區(qū)域(6)。
5.如權(quán)利要求1或3所述的電子開關(guān)，其中水平開關(guān)結(jié)構(gòu)的第一區(qū)域(11)一直延伸到絕緣壁(3)，該絕緣壁將此區(qū)域連接到后表面。
6.如權(quán)利要求1或3所述的電子開關(guān)，進(jìn)一步在單片上集成了用于使電容短路的開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明涉及脈沖控制的雙穩(wěn)態(tài)雙向電子開關(guān)，它包含由基底(1)形成的單片半導(dǎo)體電路，該基底的后表面(A2)上涂有接地的金屬化涂層。所述電路包含具有第一柵極(M3)的垂直雙向開關(guān)(T1，T2)，并且其位于前表面的主電極(A1)連接到負(fù)載并連接到交流電源；水平的閘流管(T3)，它包括垂直雙向開關(guān)的上層(4)，第一P型區(qū)域(11)，及在第一區(qū)域中形成的第二N型區(qū)域(12)；連接到第一和第二區(qū)域之一的第二柵極(G1)，其中第一和第二區(qū)域中的另一個(gè)接地；連接到第一柵極(M3)和交流電源(VAC)的電容(C)。
文檔編號H01L29/747GK1483223SQ0182144
公開日2004年3月17日 申請日期2001年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月29日
發(fā)明者索非·基蒙尼特, 弗朗克·杜克羅斯, 杜克羅斯, 索非 基蒙尼特 申請人:St微電子公司