共源共柵半導體設備制造技術

共源共柵功率半導體電路，具有位于GaN或SiC場效應晶體管（10）的源極和柵極之間的箝位電路，為共源共柵MOSFET晶體管提供雪崩保護。

Cascode semiconductor device

A cascode power semiconductor circuit has a clamping circuit between the source and gate of the GaN or SiC field effect transistor (10) to provide avalanche protection for cascode MOSFET transistors.

【技術實現步驟摘要】
共源共柵半導體設備
本專利技術涉及共源共柵半導體設備。特別是涉及到耗盡型晶體管，如氮化鎵(GaN)(如GaN高電子遷移率晶體管(HEMTs))或碳化硅(SiC)場效應晶體管。
技術介紹
本專利技術特別涉及GaN功率晶體管。基本的GaN功率半導體是耗盡型(常開)設備。這就帶來了一個問題，即GaN功率晶體管不能用于為無顯著電路修改的MOSFET晶體管設計的電路。在功率半導體的堆棧層中嘗試引入額外的層，以使該設備常關(從而可以與MOSFET互換)，與設備性能代償結合。已知在共源共柵(cascode)電路中提供具有MOSFET開關的GaN功率晶體管。把高電壓GaN開關與傳統低電壓硅MOSFET共源共柵結合起來是一種結合硅與GaN功率設備優點的可行的選擇。共源共柵開關的一個優點是可以使用現有標準的柵極驅動器，因為設備的驅動特性主要是由硅MOSFET定義的。因此，該設備可以被用來直接替換硅MOSFET或IGBT。1示出了已知的在共源共柵配置的常開型GaN晶體管(MGaN)和常關型硅MOSFET晶體管(Msi)串聯連接的方法。這種方法對于電力電子應用來說越來越普及，具有優秀設備性能的GaN和SiC功率半導體相比于硅開關正在興起。在圖1的標準的共源共柵結構中，只有功率MOSFET主動地被柵極驅動器控制，柵極驅動器產生柵極信號VGM。GaN開關MGaN是間接的通過硅MOSFET的Msi控制，因為MOSFET漏極源極電壓(drain-to-source)連接等于GaN源極柵極電壓(source-to-gate)。圖1所示電路存在的一個問題是低電壓額定功率MOSFET器件在雪崩的情況下不受保護。雪崩問題導致硅MOSFET的可靠性問題，這是由高漏極源極電壓引起的。雪崩或門隔離故障，也可能發生在GaN或SiC場效應晶體管中，由于高源極柵極電壓的原因。
技術實現思路
根據本專利技術，提供了一種權利要求中所定義的晶體管電路。根據一個方面，提供了共源共柵晶體管電路，包括：GaN或SiC場效應晶體管，該GaN或SiC場效應晶體管具有連接到高電源軌的漏極和連接到低電源軌的柵極；硅MOSFET，該硅MOSFET具有連接到GaN或SiC場效應晶體管的源極的漏極和連接到低電源軌的源極；和位于GaN或SiC場效應晶體管的源極和柵極之間的箝位電路。術語“共源共柵(cascode)”是用來表示兩個晶體管的溝道串聯連接。本專利技術的箝位電路使該電路被更廣泛應用在功率轉換的應用中，可防止由高漏極-源極電壓導致的穿過低電壓硅MOSFET的雪崩，防止由高源極-柵極電壓導致的GaN或SiC場效應晶體管的雪崩或柵極隔離擊穿。優選的，箝位電路相對于GaN或SiC場效應晶體管的柵極限制其源極的電壓，相當于相對于硅MOSFET的源極限制其漏極的電壓那樣。優選的，GaN或SiC場效應晶體管形成于第一高電壓集成電路中，硅MOSFET中形成于第二低電壓集成電路中，箝位電路形成于所述第一或第二集成電路中。這兩個集成電路在一起以定義完整的電路，它最好是一個三端子的電路封裝(端子是GaN或SiC場效應晶體管的漏極以及MOSFET的源極和柵極)。在另一個例子中，箝位電路可以是第三分立電路，它可以位于電路封裝的內部或外部。請注意，術語“集成電路(IC)”用于表示使用該特定的電路技術，并非表示必須提供多個組件。因此，術語“集成電路”是廣泛的，足夠包括作為分立元件封裝的單個晶體管。優選的，箝位電路包括二極管的電路，具有連接到GaN或SiC場效應晶體管的源極的陽極和連接到GaN或SiC場效應晶體管的柵極的陰極。因此，當GaN或SiC場效應晶體管的源極達到超過GaN或SiC場效應晶體管的柵極或MOSFET的源極的預定的電壓時，運行該電路。二極管電路優選的包括多個串聯的二極管。二極管的數量決定了二極管導電的整體的閾值電壓。GaN或SiC場效應晶體管優選的包括高電子遷移率晶體管，硅MOSFET晶體管優選的包括溝槽MOS晶體管。附圖說明圖1示出了公知的共源共柵電路；圖2示出了本專利技術的共源共柵電路的一個例子；圖3示出了如圖1的已知電路的性能特點；圖4示出了如圖2的電路的性能特點。具體實施方式下面將參照附圖詳細描述本專利技術的實施例。本專利技術提供了一種共源共柵功率半導體電路。新興的基于GaN和SiC(如MOSFET等)的電源開關常常有耗盡型(如常開)行為。因此，這些開關在大多數功率轉換器應用中不能使用，因為如果柵極不偏，它們就處于開啟狀態，會導致在應用中產生意外故障情況。實現自身安全的電源開關的常見的解決方案是：在共源共柵的配置中，結合使用常規的增強式(常關)電源開關與這些耗盡式(常開)電源開關。本專利技術提供一種位于GaN或SiC的場效應晶體管的源極和柵極之間的箝位電路，來提供防雪崩保護。圖2顯示了本專利技術的電路。該電路是三端子封裝。GaN或SiC場效應晶體管10的漏極DH連接到高電源軌，其就是電路封裝的漏極端子D；柵極GH連接到低電源軌，其就是電路封裝的源極端子S。GaN或SiC場效應晶體管10的源極SH連接到硅MOSFET12的漏極DM，MOSFET的源極SM連接到源極端子S。封裝的柵極端子G連接到MOSFFT的柵極GM。至此，該電路與圖1相同。GaN或SiC場效應晶體管10是高電壓集成電路14的一部分，MOSFET12是低電壓集成電路16的的一部分。因此在本實施例中，共源共柵電路是單獨封裝中的雙芯片的解決方案。如圖所示，箝位電路18設置在GaN或SiC場效應晶體管10的源極SH和柵極GH之間。在所示的示例中，箝位電路18是高電壓集成電路14的一部分。但是，它也可以是低電壓集成電路16(漏極端子和源極端子之間的)的一部分，或者是第三分立集成電路。它甚至可以存在于共源共源電路封裝之外。三引腳封裝兼容現有的功率半導體，如硅MOSFET或IGBT。附加的箝位電路18確保低電壓芯片16的電壓不超過設備的限額，低電壓芯片16可以是低電壓溝槽MOSFET，且位于節點DM和SM之間。以這種方式，可以防止雪崩電流通過MOSFET12，以及防止GaN或SiC場效應晶體管10由于高源極-柵極電壓導致的雪崩或柵極隔離擊穿。當斷開了整個電路，低電壓MOSFET的柵極將通過連接在節點G節點和S節點之間的柵極驅動器進行放電。一旦MOSFET柵極-源極電壓VGM達到閾值電平VthM時，硅MOSFET會關閉。其漏極-源極電壓VDM將會增大，而生成所需的負的柵極-源極電壓來斷開GaN／SiC高電壓晶體管。此時，節點DM／SH將成為浮置節點，低電壓MOSFET12兩端的電壓由下面的公式確定：正如所指出的，低電壓MOSFET兩端的峰值電壓依賴于：GaN或SiC場效應晶體管10的閾值電壓VthH；最大共源共柵漏極電壓VDH；兩個設備之間的電容比，特別涉及GaN或SiC場效應晶體管10的漏極源極電容CDSH，GaN或SiC場效應晶體管10的柵極源極電容CGSH，硅MOSFET的漏極源極電容CDSM和硅MOSFET晶體管的柵極漏極電容CGDM。例如，開關可設為VDH=600V，GaN或SiC場效應晶體管10的閾值電壓VthH=3V，使用額定電壓30V的硅MOSFET。為了確保硅MOSFET的漏極電壓VDM不超過限額VDM=30V，如果沒有本專利技術的箝位布置本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種共源共柵晶體管電路，其特征在于，包括：GaN或SiC場效應晶體管，該GaN或SiC場效應晶體管具有直接連接到高電源軌的漏極和直接連接到低電源軌的柵極；硅MOSFET，該硅MOSFET具有連接到GaN或SiC場效應晶體管的源極的漏極和連接到低電源軌的源極；和位于GaN或SiC場效應晶體管的源極和柵極之間的箝位電路(18)；所述箝位電路包括二極管電路，并配置為在正向偏置模式時分流電流，以箝位所述硅MOSFET的源極與漏極之間的電壓。

【技術特征摘要】
2012.11.23 EP 12194083.71.一種共源共柵晶體管電路，其特征在于，包括：GaN或SiC場效應晶體管，該GaN或SiC場效應晶體管具有直接連接到高電源軌的漏極和直接連接到低電源軌的柵極；硅MOSFET，該硅MOSFET具有連接到GaN或SiC場效應晶體管的源極的漏極和連接到低電源軌的源極；和位于GaN或SiC場效應晶體管的源極和柵極之間的箝位電路(18)；所述箝位電路包括二極管電路，并配置為在正向偏置模式時分流電流，以箝位所述硅MOSFET的源極與漏極之間的電壓。2.根據權利要求1所述的電路，其特征在于，所述箝位電路相對于GaN或SiC場效應晶體管的柵極限制其源極的電壓，以及相對于硅MOSFET的源極限制其漏極的電壓。3.根據權利要求1或2所述的電路，其特征在于，GaN或SiC場效應晶體管形成于第一高電壓集成電路中，硅MOSFET形成于第二低電壓集成電路中，箝位電路形成于第一高電壓集成電路或第二低電壓集成電路中。4.根據權利要求1或2所述的電路，其特征在于，GaN或SiC場效應...

【專利技術屬性】
技術研發人員：羅斯·馬塞厄斯，簡·雄斯基，魯特爾·菲利普，
申請(專利權)人：安世有限公司，
類型：發明
國別省市：荷蘭,NL