專利名稱：可變柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及包含它的電氣和電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，且更具體地，涉及一種高效率、低發(fā)射 (emission)的FET，所述FET可以通過使用金屬-絕緣體相變(MIT)器件或熱敏電阻器來改變FET的柵極電壓從而穩(wěn)定地運(yùn)行。
背景技術(shù)：
例如晶體管之類的電子元件是三端子器件并且典型地充當(dāng)開關(guān)。晶體管分為由 pn結(jié)構(gòu)成的雙極性晶體管和用作電容器的FET。設(shè)計(jì)用于高速信號(hào)放大的FET已經(jīng)普遍地用作電氣和電子設(shè)備前端的DC到DC轉(zhuǎn)換器、DC開關(guān)器件和射頻(RF)信號(hào)放大器。然而， FET具有的主要問題在于，在源極和漏極之間的導(dǎo)電層中產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到柵極絕緣體，從而導(dǎo)致源極和漏極之間的溝道電流減小。由于上述問題，在FET中可能難以放大高速信號(hào)。因而，為了在FET中實(shí)現(xiàn)高速放大，需要外圍器件(例如，溫度傳感器、存儲(chǔ)器和數(shù)字到模擬(D-A)轉(zhuǎn)換器)、用于控制外圍器件的微處理器和被編程用來操作外圍器件的復(fù)雜系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種可變柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)以及包含所述可變柵極FET的電氣和電子設(shè)備，該可變柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)設(shè)計(jì)用來當(dāng)FET的溫度降低時(shí)，抑制由于熱量造成的源極和漏極之間電流的減小。根據(jù)本發(fā)明一方面，提供了一種可變柵極FET包含F(xiàn)ET ；和柵極控制器件，其附著到所述FET的表面或發(fā)熱部分并且連接到所述FET的柵極端子，從而變更柵極端子的電壓。 源極和漏極之間的溝道電流由所述柵極控制器件來控制，當(dāng)FET的溫度增加到預(yù)定溫度以上時(shí)，所述柵極控制器件變更柵極端子的電壓。柵極控制器件可以包含金屬-絕緣體相變(MIT)器件，其在臨界溫度處產(chǎn)生突變的MIT。所述MIT器件可以包含MIT膜和接觸所述MIT膜的兩個(gè)電極膜，在所述MIT膜中在臨界溫度處引起突變的MIT。作為所述兩個(gè)電極膜之一的第一電極膜可以連接到所述柵極端子，而作為所述兩個(gè)電極膜中的另外一個(gè)的第二電極膜可以連接到控制電壓源或地。所述FET具有連接到驅(qū)動(dòng)電壓源的漏極電極、連接到驅(qū)動(dòng)器件的源極電極、和共同連接到柵極電壓源和所述MIT器件的柵極。所述柵極控制器件可以包含熱敏電阻器，其電阻隨著溫度的增加而減小。所述熱敏電阻器具有兩個(gè)端子，其中的一個(gè)連接到所述FET的柵極，而另一個(gè)端子連接到控制電壓源或地。
所述FET和所述柵極控制器件可以被封裝到一個(gè)芯片中。所述可變柵極FET可以進(jìn)一步包含用于傳導(dǎo)在所述FET中產(chǎn)生的熱量的熱傳導(dǎo)介質(zhì)。替換地，所述FET和所述柵極控制器件可以被單獨(dú)地封裝并裝配到一起，從而通過所述熱傳導(dǎo)介質(zhì)傳導(dǎo)熱量。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種電氣和電子設(shè)備，其包含驅(qū)動(dòng)器件和至少一個(gè)上述的可變柵極FET，所述可變柵極FET控制向所述驅(qū)動(dòng)器件供應(yīng)的電流。所述柵極控制器件可以包含在臨界溫度處引起突變的MIT的MIT器件，或者其電阻隨著溫度的增加而減小的熱敏電阻器。所述MIT器件或所述熱敏電阻器的一個(gè)端子可以連接到所述FET的柵極，而其另一個(gè)端子可以連接到控制電壓源或地。所述電氣和電子設(shè)備可以包含多個(gè)排列成陣列以形成FET陣列器件的可變柵極 FET，其每一個(gè)都連接到柵極控制器件。所述電氣和電子設(shè)備可以包含射頻(RF)信號(hào)放大器、DC到DC(DC-DC)轉(zhuǎn)換器件、用于電源的開關(guān)器件、用于微處理器中高速信號(hào)處理的開關(guān)器件、發(fā)光器件(LED)控制開關(guān)器件、用來控制電子裝置和設(shè)備的電源的、對(duì)鋰(Li)離子電池充電的、控制顯示器中的像素的、控制存儲(chǔ)單元和放大聲學(xué)設(shè)備中的聲學(xué)和音頻信號(hào)的開關(guān)器件、光電繼電器 (photo relay)和光學(xué)開關(guān)中的至少一個(gè)，其中使用了所述可變柵極FET。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可變柵極FET以及包含所述可變柵極FET的電氣和電子設(shè)備被設(shè)計(jì)用來取決于在FET中產(chǎn)生的熱量的數(shù)量，使用MIT器件或熱敏電阻器來變更施加到 FET柵極的電壓。這樣，雖然FET的源極和漏極之間的電流可以增加，但是FET的溫度可以減小，由此提供了 FET的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，作為高速、高功率、低發(fā)射的開關(guān)元件，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可變柵極FET 可以用在開關(guān)器件(例如，RF信號(hào)放大器、DC-DC轉(zhuǎn)換器件、用于電源的開關(guān)器件、用于微處理器中高速信號(hào)處理的開關(guān)器件、LED控制開關(guān)器件、用來控制電子裝置和設(shè)備的電源的、 對(duì)鋰離子電池充電的、控制顯示器中的像素的、控制存儲(chǔ)單元和放大聲學(xué)設(shè)備中的聲學(xué)和音頻信號(hào)的開關(guān)器件、光電繼電器和光學(xué)開關(guān))中。此外，所述可變柵極FET可以有效地應(yīng)用于品種繁多的包含所述可變柵極FET的電氣和電子設(shè)備，例如移動(dòng)電話、筆記本和其它計(jì)算機(jī)、以及存儲(chǔ)器。


本發(fā)明的上述以及其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將通過參考附圖詳細(xì)地描述其示范實(shí)施例而變得更明顯，其中圖1是用來解釋N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的運(yùn)行的基本電路圖；圖2是圖1電路中不同柵極電壓Ves值下的漏極電流Id相對(duì)源極-漏極電壓Vds 的曲線圖；圖3是不同柵極電壓Ves值下的圖1電路中FET表面溫度相對(duì)源極-漏極電流Ids 的曲線圖；圖4是包含根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可變柵極FET的電氣和電子設(shè)備的電路圖；圖5是包含根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的可變柵極FET的電氣和電子設(shè)備的電路圖；圖6A和6B是可以用在圖4或5的可變柵極FET中的金屬-絕緣體相變(MIT)器件的剖面圖，并且圖6C是圖6B的MIT器件的平面圖7是由二氧化釩(VO2)構(gòu)成的MIT器件的電阻相對(duì)溫度的曲線圖；圖8是用以測(cè)量相對(duì)于輸入正弦波的輸出電壓的改變的圖4的修改電路圖；圖9A和9B圖示了代表輸入電壓和在圖8電路中測(cè)量的輸出電壓的信號(hào)波形；圖10是在圖8電路中測(cè)量的、相對(duì)于Vmit的改變的最大和最小輸出電壓的曲線圖；圖11是在圖8電路中測(cè)量的、相對(duì)于I MIT的改變的最大和最小輸出電壓的曲線圖；圖12A和12B圖示了代表在已經(jīng)經(jīng)過電容器之后在圖8電路中測(cè)量的輸出電壓的信號(hào)波形；圖13是包含根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的可變柵極FET的電氣和電子設(shè)備的電路圖；圖14是包含根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的可變柵極FET的電氣和電子設(shè)備的電路圖；圖15A和15B是可用在圖13或14所示的可變柵極FET中的熱敏電阻器的剖面圖；圖16是熱敏電阻器的電阻相對(duì)溫度的曲線圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的封裝到一個(gè)封裝體(package)的可變柵極FET的平面圖；以及圖18A和18B分別是具有封裝到單獨(dú)封裝體并裝配在一起的柵極控制器件和FET 的、根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可變柵極FET的剖面圖和平面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參考附圖來更全面地描述本發(fā)明，在所述附圖中示出了本發(fā)明的示范實(shí)施例。將理解的是，當(dāng)一元件被稱作在另一元件“之上”時(shí)，它可以直接在所述另一元件之上， 或者還可以存在中間元件。在所述附圖中，元件的厚度和尺寸被放大以便于解釋和清晰，并且與描述不相關(guān)的元件部分被省略。貫穿本說明書和附圖，相似的附圖標(biāo)記標(biāo)示相似的元件。盡管在此使用了特定的術(shù)語(specific term)，但是它們是用來描述本發(fā)明的示范實(shí)施例，并非意欲限制如權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明的范圍。在本發(fā)明的說明書中，當(dāng)認(rèn)為已知的功能或構(gòu)造的一些解釋不必要地使本發(fā)明的本質(zhì)模糊時(shí)，它的詳細(xì)描述將被省略。圖1是用來解釋N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的運(yùn)行的基本電路圖。參考圖1，F(xiàn)ET 10 通常為三端子開關(guān)。FET 10通過調(diào)整從柵極電壓源Ve施加到柵極G的電壓來接通/關(guān)斷源極S和漏極D之間的溝道，并且從驅(qū)動(dòng)電壓源Vd向驅(qū)動(dòng)器件(未示出)供應(yīng)電流。盡管 FET可以分為N型FET和P型FET，但是所述FET 10為N型FET。在FET 10中，柵極電壓所感應(yīng)的電荷載流子因?yàn)樵礃O-漏極電壓的施加而流動(dòng)， 并且因此電流供應(yīng)到驅(qū)動(dòng)器件。可通過增加源極-漏極電壓而將FETlO用作功率FET，使得大的電流可以流動(dòng)。此外，F(xiàn)ET 10可以充當(dāng)高速開關(guān)器件，其在源極-漏極電壓低時(shí)，通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)臇艠O電壓來執(zhí)行高速開關(guān)。然而，在FET 10中，在高速開關(guān)期間在源極-漏極溝道層中產(chǎn)生熱量，并且其接著傳導(dǎo)到柵極絕緣體，因此造成源極S和漏極D之間溝道電流的減小。溝道電流的減小會(huì)造成驅(qū)動(dòng)器件故障。在這種情況下，<5)表示連接到FETlO而非驅(qū)動(dòng)器件的電流表。圖2是當(dāng)N-MOS IRF640 FET被用作FET 10時(shí)、圖1電路中不同柵極電壓Ves值下的漏極電流Id相對(duì)源極-漏極電壓Vds的曲線圖。參考圖2，隨著源極-漏極電壓Vds增加， 漏極電流Id增加。漏極電流Id增加的速率(即，曲線圖的斜率)也隨著柵極電壓Ves的增加而增加。然而，在5. 5V以上的柵極電壓Ves處，盡管柵極電壓Ves增加，但是漏極電流Id 僅僅略微增加。通過箭頭來指示出曲線圖上當(dāng)源極-漏極電壓Vds約為3. 7V時(shí)漏極電流Id 為2A的點(diǎn)。圖3是當(dāng)N-MOS IRF640 FET被用作FET 10時(shí)、不同柵極電壓Ves值下的圖1電路中FET的表面溫度T相對(duì)源極-漏極電流Ids的曲線圖。在這種情況下，源極-漏極電流 Ids被視為與圖2所示的漏極電流Id相同。參考圖3，F(xiàn)ET的表面溫度T隨著源極-漏極電流Ids的增加而增加。還可以看到隨著柵極電壓Ves增加，溫度-電流曲線向右側(cè)移動(dòng)。這意味著FET 10的表面溫度可以通過增加?xùn)艠O電壓Ves來降低。從在Y軸上70°C的溫度處沿X軸繪制的粗體黑箭頭可以看出，盡管由于施加增加的柵極電壓Ves造成源極-漏極電流 Ids增加，但是FET 10的表面溫度T保持不變。例如，在柵極電壓Ves為5. OV處的曲線A示出當(dāng)源極-漏極電流Ids約為2. OA時(shí)， FET 10的表面溫度要超過100°C。然而，當(dāng)柵極電壓Ves進(jìn)一步增加到5. 5V以上時(shí)，F(xiàn)ET 10 的表面溫度在源極-漏極電流為2. OA處降低到約為60°C。如圖2的曲線圖(其中盡管柵極電壓Ves進(jìn)一步增加到5. 5V以上，但是漏極電流Id的增加速率不再增加)中一樣，在5. 5V 以上的柵極電壓Ves處，溫度-電流曲線保持幾乎不變，而不再向右移動(dòng)。因而，參考圖3，通過增加施加到FET 10柵極電極的電壓，可以增加源極-漏極電流Ids，同時(shí)降低FET的表面溫度。圖4是包含根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可變柵極FET的電氣和電子設(shè)備的電路圖。參考圖4，所述電氣和電子設(shè)備可以包含可變柵極FET 1000和驅(qū)動(dòng)器件300。可變柵極FET 1000包含F(xiàn)ET 100和金屬-絕緣體相變(MIT)器件200，該金屬-絕緣體相變(MIT)器件 200連接到該FET 100的柵極G0所述FET 100具有連接到驅(qū)動(dòng)電壓源Vd的漏極D和連接到驅(qū)動(dòng)器件300的源極 S。此外，柵極電壓源Ve和MIT器件200可以通過結(jié)點(diǎn)(junction) A—起連接到FET 100的柵極G。所述MIT器件200具有兩個(gè)端子，其中一個(gè)連接到FET 100的柵極G，而另外一個(gè)連接到控制電壓源VMIT。所述電氣和電子設(shè)備可以進(jìn)一步包含電阻器400，該電阻器400布置在漏極D和驅(qū)動(dòng)電壓源Vd之間，并且降低其間的電壓并保護(hù)FET 100。盡管圖4中沒有示出，電阻器可以連接在柵極電壓源Ve和柵極G之間，以及在控制電壓源Vmit和MIT器件200的另一端子之間。此外，其它電阻器也可以添加到電氣和電子設(shè)備所需要的部分處；或者如果不需要它們，則可以省略。所述MIT器件200是兩端子器件，其在低于臨界溫度的溫度處充當(dāng)絕緣體，而在等于或高于臨界溫度的溫度處突變?yōu)榻饘佟IT器件200的結(jié)構(gòu)和特性將參考圖6A至6C和圖7在下面更詳細(xì)地描述?，F(xiàn)在，將描述根據(jù)本實(shí)施例的電氣和電子設(shè)備中可變FET 1000的運(yùn)行。如前所述，在高速開關(guān)之后產(chǎn)生的熱量會(huì)積聚并造成源極S和漏極D之間溝道電流的減小。然而，在這種情況下，所述熱量接著傳導(dǎo)到MIT器件200，以使MIT器件200轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?。這樣，控制電壓源Vmit上的電壓經(jīng)由結(jié)點(diǎn)A而施加到 Τ 100的柵極G，從而FET 100的柵極電壓增加。當(dāng)FET 100的柵極電壓增加，如圖3的曲線圖所示，源極-漏極電流將增加。就是說， 發(fā)熱所造成的電流減小通過由于柵極電壓增加而造成的電流的增加來補(bǔ)償，使得施加到驅(qū)動(dòng)器件300上的電流將不存在實(shí)質(zhì)的減少。因此，驅(qū)動(dòng)器件300可以穩(wěn)定運(yùn)行。此外，隨著源極-漏極電流的增加，源極-漏極溝道層的溫度將降低。如以上通過Y軸上70°C處的粗體黑箭頭所指示的，這是因?yàn)楸M管由于施加增加的柵極電壓造成源極-漏極電流增加，但是溫度幾乎保持恒定。表1示出了設(shè)計(jì)為圖4所示的電路中的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果，其中IRF 640FET被用作 FET 100，電阻器400具有5 Ω的電阻，并且通過使用熱風(fēng)器(heat gun)來向MIT器件200 加熱。表 權(quán)利要求
1.一種可變柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，包括FET ；知柵極控制器件，其附著到所述FET的表面或發(fā)熱部分并且連接到所述FET的柵極端子， 從而變更柵極端子的電壓，其中所述FET的源極和漏極之間的溝道電流由所述柵極控制器件來控制，當(dāng)所述FET 的溫度增加到預(yù)定溫度以上時(shí)，所述柵極控制器件變更柵極端子的電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的可變柵極FET，其中所述柵極控制器件包括金屬-絕緣體相變 (MIT)器件，其在臨界溫度處產(chǎn)生突變的MIT。
3.如權(quán)利要求2所述的可變柵極FET，其中所述MIT器件包括MIT膜和接觸所述MIT 膜的兩個(gè)電極膜，所述MIT膜在臨界溫度處產(chǎn)生突變的MIT，并且其中所述MIT器件具有堆疊型結(jié)構(gòu)，其中至少兩個(gè)電極膜在所述MIT膜插入其中的情況下堆疊起來，或者所述MIT器件具有水平型結(jié)構(gòu)，其中至少兩個(gè)電極膜布置在所述MIT膜的兩側(cè)。
4.如權(quán)利要求2所述的可變柵極FET，其中所述MIT器件包括MIT膜和接觸所述MIT 膜的兩個(gè)電極膜，所述MIT膜在臨界溫度處產(chǎn)生突變的MIT，并且其中作為所述兩個(gè)電極膜中的一個(gè)的第一電極膜連接到所述柵極端子，而作為所述兩個(gè)電極膜中的另一個(gè)的第二電極膜連接到控制電壓源和地中的一個(gè)。
5.如權(quán)利要求4所述的可變柵極FET，其中當(dāng)所述FET的溫度增加到臨界溫度之處或以上時(shí)，所述MIT膜從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?，并且來自所述控制電壓源的電壓和地電壓中的一個(gè)被施加到所述柵極端子。
6.如權(quán)利要求4所述的可變柵極FET，其中所述FET具有連接到驅(qū)動(dòng)電壓源的漏極端子、連接到驅(qū)動(dòng)器件的源極端子、和共同連接到柵極電壓源和所述MIT器件的所述柵極端子。
7.如權(quán)利要求2所述的可變柵極FET，其中所述MIT器件包括MIT膜和接觸所述MIT 膜的兩個(gè)電極膜，所述MIT膜在臨界溫度處產(chǎn)生突變的MIT，并且其中所述MIT膜由VO2構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的可變柵極FET，其中所述柵極控制器件包括熱敏電阻器，其電阻隨著溫度的增加而減小。
9.如權(quán)利要求8所述的可變柵極FET，其中所述熱敏電阻器具有兩個(gè)端子，其中的一個(gè)連接到所述柵極端子，而另一個(gè)端子連接到控制電壓源和地中的一個(gè)。
10.如權(quán)利要求1所述的可變柵極FET，其中所述FET是N型或P型，并且其中所述FET能夠包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和金屬氧化物半導(dǎo)體(M0Q晶體管中的一個(gè)。
11.如權(quán)利要求1所述的可變柵極FET，其中所述FET和所述柵極控制器件封裝到一個(gè)芯片中。
12.如權(quán)利要求1所述的可變柵極FET，還包括用于傳導(dǎo)在所述FET中產(chǎn)生的熱量的熱傳導(dǎo)介質(zhì)，其中所述FET和所述柵極控制器件被單獨(dú)封裝并裝配在一起，以通過所述熱傳導(dǎo)介質(zhì)傳導(dǎo)熱量。
13.一種電氣和電子設(shè)備，包括驅(qū)動(dòng)器件；和至少一個(gè)如權(quán)利要求1所述的可變柵極FET，用于控制供應(yīng)給所述驅(qū)動(dòng)器件的電流。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述柵極控制器件包括MIT器件，其在臨界溫度處產(chǎn)生突變的MIT。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述柵極控制器件包括MIT膜和接觸所述MIT膜的兩個(gè)電極膜組成，在所述MIT膜中在臨界溫度處產(chǎn)生突變的MIT，并且其中作為所述兩個(gè)電極膜中的一個(gè)的第一電極膜連接到所述柵極端子，而作為所述兩個(gè)電極膜中的另一個(gè)的第二電極膜連接到控制電壓源和地中的一個(gè)。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中所述FET具有連接到驅(qū)動(dòng)電壓源的漏極端子、連接到驅(qū)動(dòng)器件的源極端子、和共同連接到柵極電壓源和所述MIT器件的所述柵極端子。
17.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述柵極控制器件包括熱敏電阻器，其電阻隨著溫度的增加而減小。
18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述熱敏電阻器具有兩個(gè)端子，其中的一個(gè)連接到所述柵極端子，而另一個(gè)端子連接到控制電壓源和地中的一個(gè)。
19.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中多個(gè)可變柵極FET排列成陣列以形成FET陣列器件，其中的每一個(gè)都連接到柵極控制器件。
20.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，包括射頻(RF)信號(hào)放大器、DC到DC(DC-DC)轉(zhuǎn)換器件、用于電源的開關(guān)器件、用于微處理器中高速信號(hào)處理的開關(guān)器件、發(fā)光器件(LED)控制開關(guān)器件、用來控制電子裝置和設(shè)備的電源的、對(duì)鋰(Li)離子電池充電的、控制顯示器中的像素的、控制存儲(chǔ)單元和放大聲學(xué)設(shè)備中的聲學(xué)和音頻信號(hào)的開關(guān)器件、光電繼電器和光學(xué)開關(guān)中的至少一個(gè)，其中使用了所述可變柵極FET。
全文摘要
提供了一種可變場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)以及包含所述可變柵極FET的電氣和電子設(shè)備，該可變場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)設(shè)計(jì)用來當(dāng)FET的溫度降低時(shí)，抑制由于熱量造成的源極和漏極之間電流的減小。所述可變柵極FET包括FET；和柵極控制器件，其附著到所述FET的表面或發(fā)熱部分并且連接到所述FET的柵極端子，從而變更柵極端子的電壓。所述源極和漏極之間的溝道電流由所述柵極控制器件來控制，當(dāng)所述FET的溫度增加到預(yù)定溫度以上時(shí)，所述柵極控制器件變更柵極端子的電壓。
文檔編號(hào)H01L29/772GK102290438SQ201110165308
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者金俸準(zhǔn), 金鉉卓 申請(qǐng)人:韓國電子通信研究院