[发明专利]四象限三端双向可控硅开关

说明书

技术领域

本发明涉及三端双向可控硅开关(triac)，并且更具体地涉及在四触发象限中具有类似的灵敏度的三端双向可控硅开关。

背景技术

这里考虑竖直的三端双向可控硅开关，即包括在所谓的后表面上的第一主电极(A2)以及在相反或前表面上的第二主电极(A1)以及栅极电极(G)的三端双向可控硅开关。通常，三端双向可控硅开关包括形成两个头尾晶闸管的并排的PNPN结构和NPNP结构。前表面的一部分专用于触发或栅极结构并且当在栅极电极和主前表面电极之间施加电压时允许触发该晶闸管，该晶闸管对于所施加的电压适当地偏置。

当前，三端双向可控硅开关形成于基本上为正方形的轮廓内，PNPN晶闸管和NPNP晶闸管基本上占用一半的有用表面积，并且该表面积的一小部分专用于触发结构，该触发结构通常布置于该正方形的角处。

根据存在于主电极和栅极电极上的电压一般地区域分四个触发象限。将A2称为主后表面电极，而将A1称为主前表面电极，并且考虑到用作栅极的参考的主电极A1处于零电压，四个象限Q1、Q2、Q3和Q4如下来限定：

图1A、图1B以及图1C分别示出了常规的角栅极三端双向可控硅开关的顶视图、沿图1A的线B-B的截面图以及沿图1A的线C-C的截面图。以下将参考所有这些附图。

该结构从轻掺杂N型半导体衬底1开始来建构。该结构包括在前表面侧上的P型阱3以及在后表面侧的P型层5。主电极A1和主电极A2之间的第一NPNPP⁺晶闸管包括形成在P阱3中形成的重掺杂的N型区域7以及区域3、1、5，以及在后表面侧上的更重掺杂的P型区域9。主电极A1和主电极A2之间的第二P⁺PNPN晶闸管包括形成在P阱3的上部中的、与电极A1接触的P⁺区域11以及在后表面侧上的、与电极A2接触的重掺杂N型区域13。这两个晶闸管通常具有基本上相等的表面积。

触发结构形成于P阱3中。触发结构包括重掺杂的N型区域15，该重掺杂的N型区域15一般具有图1A中所示的类型的特定形状，并被重掺杂的P型区域17包围。金属化栅极与这两个区域15和17接触。通过观察图1A和图1B，应当注意到，在前表面电极的主区域7和11与栅极区域15、17之间存在未过掺杂的P型阱区域18。在图1A中，由虚线指示主电极A1的轮廓，并且也由虚线指示栅极电极G的轮廓。在后表面侧上，在栅极区域之下形成重掺杂的N型区域19。

已经在三端双向可控硅开关的前表面的外围形成了N⁺型沟道停止层20。特别是，根据三端双向可控硅开关是平面型还是台面型可以使用不同类型的外围。由于这些外围为本领域技术人员所公知并且不是本发明的主题，所以不在此详细描述。

如所知的，为了顺利地发生触发，应当满足许多条件，并且已经想出许多栅极拓扑以及放置于在栅极的前面的、后表面上的许多形状的N区域19。类似地，应当注意到，一般来说，根据灵敏度和对于三端双向可控硅开关的寄生触发抗扰度之间的折衷来选择阱3(以及因此层5)的掺杂。提供与电极的欧姆接触所需的P⁺层11、17和9将具有优化的形状以改进三端双向可控硅开关的灵敏度。

本领域技术人员仍需做出折衷。如果辅助晶闸管过于灵敏，则三端双向可控硅开关具有强的dV/dt触发风险，也就是说，当其主端子之间的电压突然改变时尽管没有施加栅极电压，其也存在触发的风险。

不可避免的结果是，在图1所示类型的所有角栅极结构中，应当在栅极和主电极A1之间流动以触发晶闸管的电流IGT在象限Q4中比在其它象限中大得多，并且对于三端双向可控硅开关的所有操作模式而言，dV/dt寄生触发特性不是优化的。

本领域技术人员已知三端双向可控硅开关的许多其它替选实施例。具体地，一般来说，所谓的发射极短路孔提供在主N⁺前表面7和N⁺后表面区域13中。这意味着N⁺层的每一个被局部地中断，从而使得它形成于其中的P区域在这些中断的水平处齐平。