CN1481586A - 脉冲控制的双稳态双向电子开关 - Google Patents

脉冲控制的双稳态双向电子开关 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种脉冲控制的双稳态双向开关，该开关包括一个单片的半导体电路，该电路包括一个竖直双向开关结构(TR；ACS)，该电路还包括一个选通端(G1)；第一(Th1)和第二(Th2)硅控整流器结构，其阳极形成在前表面；第一硅控整流器的阳极区域还包括附加P型区(6)；及一金属层(A1；A2)，分别连接至竖直双向器件的主前表面和第二硅控整流器的阳极。该开关还包括一个电容器(C)，分别连接至第一硅控整流器的阳极和第二硅控整流器的附加P型区；及一个电容器短路开关(SW)。

Description

脉冲控制的双稳态双向电子开关
技术领域
本发明涉及双稳态双向开关，即一种能够在单个控制脉冲的控制下开启其应用的交流电压的几个半波时间的开关。这种双稳态开关然后可以通过应用一个新的脉冲后关闭，并保持关闭直到接收到一个新的开启脉冲。
背景技术
第一类的双向开关是由三端可控硅型(triac-type)开关或其它与硅可控整流器(thyristor)相关的双向开关构成的。这些器件共同的特点是可由一个脉冲开启一给定的半波长时间，然后当通过的电流下降至一预定的阈值时自动关闭，该阈值通常称为保持电流iH。然后，在希望器件启动的时候，对每一半波应用一个新的脉冲，以重新开启这样的双向开关。因此，这样的开关不是双稳态的。
另一类双向开关是由MOS器件或双极性晶体管构成的。对其控制端应用一个信号时开关开启。但是这样的控制信号必须连续保持以保持开关的开启。这种晶体管型的器件是不能用脉冲控制的。
现有技术中已经提出了在电路中利用其中的半导体器件和无源器件来获得一个脉冲控制的双稳态双向开关。但是，这样的电路相对复杂，通常需要相关的几个半导体器件和几个无源器件。
发明内容
本发明的目的是以基本上单片的形式制造这样的脉冲控制的双稳态双向开关。
为了实现这个目的，本发明提供了一种脉冲控制的双稳态的双向开关，该开关包括：
一个单片的半导体电路，由一个少量掺杂的N型衬底构成，衬底的后表面涂有金属涂层，其中包括：
·一个具有选通端的竖直双向开关结构；
·第一和第二硅控整流器(thyristor)结构，其阳极形成在前表面，第一硅控整流器的阳极区域还包括附加P型区；
·一金属层，分别连接至竖直双向器件的主前表面和第二硅控整流器的阳极；
一个电容器，分别连接至第一硅控整流器的阳极和第二硅控整流器的附加P型区；
一个用于短路电容器的开关。
根据本发明的一个实施例，单片半导体电路包括一个N型衬底；还包括
前表面上：
第一P型区，其中还形成了对应于该双向开关的第一主电极的一个第二N型区；
第二P型区，对应于第一硅控整流器的阳极；
第三P型区，对应于第二硅控整流器的阳极，其中还包含一个附加N型区；
后表面上：
一个P型层；
在该P型层中有N型区，该N型区在该双向器件上表面包含一个N型区的位置处被中断。
根据本发明的一个实施例，一个选通触点与第一P型区以及该P型区中的N型区相连，所述双向开关是三端可控硅型的。
根据本发明的一个实施例，开关包括一个隔离层，该隔离层连接上表面至下P型区表面，并且其上表面包含一个N型区，该N型区与一个选通端相连，所述双向开关是ACS型的。
根据本发明的一个实施例，该双向开关的后表面电极与交流电压相连，前表面电极接地。
根据本发明的一个实施例，该双向开关的前表面电极接地，前表面电极与交流电压相连。
附图说明
本发明的上述和其它目的、特征和优点将在下面的非限制性的特定实施例中结合附图进行详细描述。其中：
图1是本发明的双稳态双向开关的第一实施例的简化剖视图。
图2至4示出了图1中的双稳态双向开关的各种运行状态。
图5是本发明的双稳态双向开关的第二实施例的简化剖视图。
图6和7是本发明的双稳态双向开关的第二实施例的替换方案的简化剖视图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的双稳态双向开关主要包括一个在半导体衬底1和电容C基础上形成的单片半导体器件或电路。
该竖直半导体器件包括一个中央部分，对应于一个竖直三端可控硅器件TR，一个左边部分，对应于第一竖直硅控整流器Th1，一个右边部分，对应于第二竖直硅控整流器Th2。
该单片半导体器件的下表面或后表面涂有金属层，该金属层与端口A2相连。后表面对应于三端可控硅器件的主电极和第一和第二硅控整流器的阴极。三端可控硅器件的第二主电极A1、第一和第二硅控整流器的阳极、三端可控硅器件的选通端G1均位于前表面上。第一硅控整流器的阳极与电容C的一端相连，电容C的另一端接地。三端可控硅器件的第二主电极A1接地。第一主电极A2通过受控负载接交流电压，例如50或60Hz。三端可控硅器件的选通可以通过端口G1实现。硅控整流器Th2的阳极接端口A1，也接地。硅控整流器Th2的阳极区包含一个与端点10相连的附加的N型区。开关SW与电容C并联连接。端口G2可以控制开关SW。
如图所示，该单片半导体器件形成在一个衬底1上。该衬底少量掺杂有N型物质。衬底的后表面形成有一P型层2和N型层3。N型层3一般不在三端可控硅器件TR适当区域的前面出现，只出现在硅控整流器Th1的阳极区4和硅控整流器Th2的阳极区5的前面。
前表面上，形成在硅控整流器Th2的阳极5的附加区域标记为6。三端可控硅器件包括一个P型区7，该P型区中又形成了一个N型区8。区域7和8及硅控整流器Th2的阳极区5均涂有与端口A1相连的金属层。金属层覆盖了附加区6，并与端点10相连。最后，金属层覆盖阳极区4，并且也连接到端子10。选通端G1与覆盖了区域7的一部分和其中的N型区9的金属层相连。
在解释图1的器件的运行前，应该首先重温一下双向开关，例如一个三端可控硅器件的触发模式的传统的标识方法。三端可控硅器件运行于四种状态Q1，Q2，Q3，Q4中的一种。选择一个参考端，通常为接地端。考虑另一端，这里是A2端的电压及G1端的选通电压的偏置。三端可控硅器件被触发，处于以下状态：当A2端和G1端的电压相对于A1端的电压为正，处于第一状态Q1；当A2端的电压为正，G1端的电压为负，处于第二状态Q2；当A2端和G1端的电压为负，处于第三状态Q3；当A2端的电压为负，G1端的电压为正，处于第四状态Q4。
现在考虑图1所示的器件在对其选通端G1应用一个脉冲以在选通端提取或***一个电流后的运行情况。
首先应该考虑，当控制本发明的开关开启，电极A2相对于电极A1为正。这种情况下，对G1端应用电压将触发该三端可控硅器件，使之处于状态Q1或Q2。
然后，如图2所示，电流通过三端可控硅器件TR从端口A2流向端口A1。电流还从端口A2通过一个PNP型的晶体管T1流向端点10，该晶体管T1由P型后表面层2、N型衬底1和P型区4构成。然后对电容C充电，使其电压等于端口A2和A1的工作电压降减去晶体管T1的饱和电压(VCEsat)。此后，电容必须在三端可控硅器件在考虑的半波运行期间充电至电压电平大于0.6V。该电平很容易实现，因为一个三端可控硅器件的运行电压降通常为1.5V，而PNP晶体管的饱和电压通常为0.3V。PNP晶体管的增益必须足够高，对应于PNP晶体管的基极电流的三端可控硅器件中的主电流，也必须足以使晶体管达到饱和。另外，电容C的电容值必须足够大，因为正如下面所示的，电容C中聚集的电荷将在下一半波启动该三端可控硅器件。实际实施中，可以选择4.7uF的电容C。应该注意，在A2端的电压相对于A1端为正的状态运行期间，硅控整流器Th1和Th2是反向偏置并关闭的。
还应注意，还存在一个响应硅控整流器Th3，包括：从Th3的阳极到阴极，连接至端口2的P型层2，N型衬底1，P型区5，N型区6(没有短路孔)。该响应硅控整流器的阴极栅对应于P型区5并且接地。虽然该硅控整流器的阳极和阴极之间进行了适当的偏置，但是在该运行状态下仍然不能开启，因为其阴极选通电压这时为负或零(该选通阴极电压应该为正以开启硅控整流器Th3)。
在正半波的终点，一旦三端可控硅器件的电流小于其保持电流IH，该三端可控硅器件趋于不再处于导电状态。然而，端点10的电压则更大于端口A1。假定衬底1中存在电荷，则侧面的具有一个阳极P型区4和一个N型阴极区8并且连接于端口A1的PNPN硅控整流器开启。也可以说，从端点10注入的电流使得三端可控硅器件TR中的电流保持大于该三端可控硅器件的保持电流IH。因此，在正半波的终点，在衬底的衬底和P型区7的连接处附近还存在电荷。
因此，如图3所示，当电压在端口A2反转并且端口A2相对于端口A1的电压为负时，在该方向偏置的硅控整流器Th1和Th2及三端可控硅器件由于衬底在电压反转期间剩余的电荷而开启。电容C的端子10然后通过硅控整流器Th1负向充电，一旦该充电电平接近该三端可控硅器件的工作电压差，硅控整流器Th1即停止。但是，硅控整流器Th2保持导通，电流在三端可控硅器件TR和硅控整流器Th2间分配。
在图4所示的阶段，假定端口A2的电压重新变正。一旦端口A2上的电压充分大于端口A1的电压，上述的硅控整流器Th3开启，电容C放电产生一个选通电流，该电流从P型区5流入N型区6。硅控整流器Th3的开启在衬底中产生了电荷，使得三端可控硅器件TR开启。图2所示的阶段的状态重新发生，电容C再充电，端点10的电压为正，以在应用于端口A2的交流电压的后续半波过程重复前面所述的步骤。
因此图1示出的半导体器件和电容C集成为一个运行交流电的双向开关。该开关可以由一个脉冲开启，然后在电容C的充放电影响下无限制的保持开启。
为了关闭开关，电容C必须放电，以避免三端可控硅器件TR在下一半波重新开启。图1的实施例中示出了一个与电容C并联的受端口G2控制的开关SW。最好与开关SW串联一个放电电阻。因此，一旦对G2端应用一个关闭脉冲，电容C放电，三端可控硅器件在电流半波的终点关闭。该器件的运行可由一个单个的脉冲在端口G2进行控制，该脉冲最好具有相比于半波持续时间的可以忽略的持续时间。但是，开关SW最好在不希望三端可控硅器件TR重新开启的时间内保持关闭，以避免由于端  G1的不希望的脉冲影响而触发该三端可控硅器件。实际上，在存在不希望的脉冲的情况下，三端可控硅器件可以开启并在没有短路的电容C的影响下保持开启。本领域技术人员应该明白，如果要选择一个器件，其开关SW在三端可控硅器件的关闭状态期间保持关闭，那么当希望启动开启状态时该开关SW应该在对端口G1应用一个脉冲之前立即关闭。也应该注意，如果希望三端可控硅器件TR在选通端G1的控制的唯一影响下进行传统的运行，开关SW可以保持开启。
本发明的器件也可以在全周期控制下运行。如果删除图1所示的对应于硅控整流器Th2的半导体部分，当该三端可控硅器件在第一或第二信号区被开启，虽然端口A2相对于端口A1为正，一个在正半波开始的控制脉冲也将开启三端可控硅器件，并在整个正半波期间保持。然后，在电容C的放电影响下，该导电状态在接下去的负半波期间将保持，然后该三端可控硅器件才关闭。
本领域技术人员应该理解，图1的器件可以被修改，使其在负半波开启后保持一个完整的周期。为了这个目的，例如可以大体上保持图1的结构，减小形成硅控整流器Th1的阳极的P型区4的表面积。这样，晶体管T1(见图2)就不能在负半波时使得电容C充分充电，但硅控整流器Th1可以在负半波时做到这点。
本发明的开关在状态Q1或Q2时，也就是在A2端的电压相对于A1端为正时的开启控制前面已经进行了描述。在状态Q3或Q4，也就是当A2端的电压相对于A1端为负时，***实际上等同于图3中的描述。选通端G1的动作产生初始开启，然后硅控整流器Th1和Th2开启，电容C充电以启动一个操作，该操作持续前面所述的运行。
本发明的一个优点是，本发明的开关状态(开或关)可以在任何时间确定。如果在一个周期期间(20ms)，电压超过了0.2V，可知开关开启，则有足够的时间来测量通过电容的电压。可以每10ms与±0.2V阈值电压比较一次。在50Hz周期性电压保持的情况下，20及10ms等值是给定的。但如果应用于本发明的开关的频率大于50Hz，例如通常用于盎格鲁撒克逊国家的60Hz电压，这些值可以适当的改变。
本领域技术人员可以对本发明进行各种变化、修改及改进。尤其是，开关SW可以集成在衬底1的一个隔离部分。应该注意，该开关可以是一个低电压开关，因为穿过电容C两端的最常见的电压是1至3V。因此，很容易将该电容与一个简单集成的低造价低电压开关联系起来。
本发明的一个优点是选通端G1和G2均接地。这些选通端的控制信号相对于地被参照，因此可以由低电压信号容易的实现。
本发明的开关使用简单，因为可以在运行的任意阶段Q1至Q4的任意状态下启动。同理，也可以在任意时刻关闭。
该器件可以通过优化PNP晶体管T1(图2)来实现特定的需要。
在各P型区之间的上表面上的N型区11已经表示在图1中。这些N型区是可选的，通常起到信道终止区的作用，以避免表面电流泄漏。
另一方面，功率三端可控硅器件的表面积可以减小，因为辅助硅控整流器Th2实现了三端可控硅器件的一个操作偏置端(端口A2相对于端口A1为负)的功能。
在本发明的另一可选实施例中，可以使用双向开关而不是三端可控硅器件，例如使用一个具有对应于后表面金属层的参考电极的双向开关，选通端相对于参考电极受控。这样的器件，表示为ACS(商标名由STM微电子公司注册)，在申请号为6034381(B3073)的美国专利申请中进行了特别的描述。
本发明对这样的器件的应用见图5，图5在端口A1和A2的中间部分示出了一个竖直双向ACS器件。硅控整流器Th1包括：从其阳极至阴极，P型区4、衬底1、P型区7及N型区8。硅控整流器Th2包括：从其阳极至阴极，P型区5、衬底1、P型区7及N型区8。该器件的两边或附近形成了侧面硅控整流器Th1和Th2。此时，A1表示主后表面端口，该端口接地。A2表示主前表面端口，该端口通过一个负载接交流电压。该竖直双向器件的启动由电极G1实现，该电极连接至形成在隔离层23的一个P型外延22中的一个N型区21，该隔离层23穿过半导体的极板并与后表面P型层2保持连续。如前所述，电容C在该竖直器件的初始启动之后对每一偏置切换都保持器件处于开启状态。电容C的一端接地，另一端接硅控整流器Th1的阳极和形成在硅控整流器Th2的阳极层5中的N型区6。本领域技术人员应该理解，***的运行类似于之前的描述。此时硅控整流器Th1和Th2是侧面硅控整流器。图2中所示的竖直PNP晶体管T1等同于一个水平PNP晶体管T2，其发射极对应于该竖直双向器件的P型区，其基极对应于N型衬底1，其集电极对应于侧面硅控整流器Th1的P型阳极区4。
为了确定图5所示的双向开关的开启或关闭状态，可以如前面实施例一样在所使用的交流电压的半波或一个周期期间确定电容C是充电还是放电。在该实施例中，在隔离层的另一侧可以使用一个检测器件，该隔离层在由功率器件(B4438)导入一个大电流时被载体穿过。
图6和7示出了图5所示器件的替换实施例，这些替换实施例主要是对晶体管T2的集电极(硅控整流器Th1的阳极区)进行修改。在这两个实施例中，阳极区由一个P型注入(drive-in)进行了扩展，以增大晶体管的增益。
在图6中，该注入(drive-in)区标记为25，并连接一个下表面形成的另一P型注入区26。注入区26的下表面被一个氧化物层27覆盖，以将P型区4-25-26与接地电极A1隔离。
在图7中，只形成了注入区25。
另外，图6和图7示出了对图5的各种细节的修改。尤其是，为简化表示，选通区G1示于图的左边而不是右边。
本领域技术人员可以对本发明进行各种改变和修改，尤其是涉及对主要的竖直双向功率器件的修改及对辅助器件Th1和Th2的其它的变化。
本发明的双稳态双向器件可以在一个硅极板上独立形成或与其它同类器件共同组成一个通用结构，正如美国专利6075277(B2578)中所描述的。

Claims (6)

1.一种脉冲控制的双稳态双向开关，包括：
一个单片的半导体电路，由一个少量掺杂的N型衬底(1)构成，衬底的后表面涂有金属涂层(A2)，其中包括：
·一个具有选通端(G1)的竖直双向开关结构(TR；ACS)；
·第一(Th1)和第二(Th2)硅控整流器结构，它们的阳极形成在前表面，第一硅控整流器的阳极区域还包括附加P型区(6)；
·一金属层(A1；A2)，连接至竖直双向器件的主前表面和第二硅控整流器的阳极；
一个电容器(C)，连接至第一硅控整流器的阳极和第二硅控整流器的附加N型区；
一个电容器短路开关(SW)。
2.如权利要求1所述的开关，其中该单片半导体电路包括一个N型衬底(1)；以及
前表面上：
第一P型区(7)，其中包含一个对应于该双向开关的第一主电极(A1；A2)的第二N型区(8)；
第二P型区(4)，对应于第一硅控整流器的阳极；
第三P型区(5)，对应于第二硅控整流器的阳极，其中还包含一个附加N型区(6)；
后表面上：
一个P型层(2)；
在该P型层中，有N型区(3)，该N型区(3)在该双向器件的上表面包含一个N型区的位置处被中断。
3.如权利要求1所述的开关，其特征在于：一个选通触点连接在第一P型区(7)上并与该第一P型区中的N型区(9)相连，所述双向开关是三端可控硅型的。
4.如权利要求2所述的开关，其特征在于：该开关包括一个隔离层，该隔离层连接上表面至下P型区表面(2)，该隔离层在其上表面包含一个N型区(21)，该N型区与一个选通端相连，所述双向开关是ACS型的。
5.如权利要求3所述的开关，其特征在于：该双向开关的后表面电极与交流电压相连，前表面电极接地。
6.如权利要求4所述的开关，其特征在于：该双向开关的前表面电极接地，前表面电极与交流电压相连。
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