专利名称：金属——绝缘——石墨化碳场效应管的制作方法
技术领域：
本发明是一种电压控制的大功率开关管，属电力电子器件，英文简称MICFET。原理上与目前广泛使用的半导体场效应管MOSFET一样，都是利用栅极静电场夹断导电沟道，所不同的是本发明采用石墨化碳纤维(或热分解碳膜)取代半导体，作导电沟道。因此，它具有易控制，开关动作快，耐高压，导通电阻非常小，工作温度高的特点。特别适合电力电子系统应用。
自上世纪五十年代第一只晶体管问世至今，先后发明了晶闸管SCR，可关断晶闸管GTO，大功率晶体管GTR，功率场效应管VMOSFET，绝缘门极晶体管IGBT，MOS控制晶闸管MCT等电力电子器件。它们在电力电子领域创造了无数奇迹，为人类作出了巨大贡献。但由于它们都是用半导体作基础材料。目前看，几乎所有半导体做的大功率器件都存在高耐压与大电流容量之间的矛盾。尤其是功率半导体器件总有1～3V的导通压降(若通过电流为100A，则要白白消耗几百VA，还要加散热器)，这样大的导通损耗，除降低能量利用效率外，也限制了半导体功率器件在损耗要求高的领域的应用。
本发明的思路和目的，是用电阻率比半导体低得多的石墨化碳纤维作导电沟道，并在结构上作了巧妙安排，使栅极仍能利用静电场夹断碳纤维导电沟道。做出导通压降比半导体器件低2～3个数量级，同时高反压与大电流矛盾不大的新型电力电子器件。
本发明是杨金玉的《金属-绝缘-金属场效应管》发明(01106729.2)的一种具体化和改进。其结构如图一，其中1为石墨化碳纤维(导电沟道)，其上端连在一起作阳极A，而下端连在一起作阴极K。2为绝缘薄膜(如SiC、Al2O3、Ta2O5、陶瓷)。3为金属薄膜栅极，分成G1和G2两组，各组并连，分别接有外引线。图二，为外接控制电路后工作原理图。图中A、G1、G2、K部分为碳纤维场效应管的等效电路；Ea，Eg分别为高压正电源与栅极控制负电源；RL为阳极负载，D1为稳压管，其稳压值与Eg相等；C为电容；R1、R2为电阻，R1阻值较小，而R2阻值较大(用来维持D1的稳压电流)；K1、K2、K3为双刀叁掷开关。
我们结合图二说明其工作原理当开关K1、K2、K3置on位置时，栅极G1、G2上电压都为零，此时场效应管导通。导通压降等于流过碳纤维的电流乘以碳纤维本身的电阻。我们知道，单晶石墨的电阻率为4×10-5Ω·Cm，石墨化碳纤维视厂家不同大概在10-4Ω·Cm上下。这个数值比做功率器件的半导体材料要低2～3个数量级。同时，负电源Eg经K3-R1-A-K通路，使电容C上的电压充至Eg值。当开关K1、K2、K3置Off位置时，负电源Eg及电容C上的电压立即向栅极G2和G1电容充电。使Ug2k＝Ug1A＝-Eg。根据负电场排斥负电子的原理，被栅极G1，G2所包围的那个区域碳纤维内的电子数将大为减小，当负电压Eg足够高时，该区域的自由电子将被排斥光，G1、G2所包围的区域，变为绝缘区(即场效应管截止)，同时Uak＝+Ea。截止时，稳压管D1，由Ea-RL-R2通路维持稳压，维持电容上的电压，从而继续保持场效应管截止状态。
下面讨论本发明的特色(一)由石墨化纤维带来的好处(1)电阻率比半导体材料小，因此导通压降可以比半导体器件低2～3数量级；(2)单一电子导电(没有PN结)，控制电路简单，因此开关速度快；(3)碳纤维化学稳定性好，在空气中500℃下不被氧化。包裹SiC等介质膜后，性能更稳定，因此工作温度大大高于硅半导体器件；(4)碳纤维的导热率较高，便于散热。碳纤维的形状适合于获得良好的接触，有较大耐浪涌电流的能力；(5)碳纤维很容易获得，价也比硅单晶便宜。
(二)由结构上带来的好处(1)整个场效应管是由无数根单丝碳纤维场效应管基本单元并联组成的一或称多束纤维捆绑式。因此，用几个同型号场效应管并联，以扩大电流是顺理成章的事；(2)制造上主要用气相沉积等工艺，比半导体工艺要单纯得多，也不需要超净厂房，制造成本当然比半导体低；(3)在杨金玉(01106729.2)发明中，克服高反压的方法是用几个MIMFET场效应管基本单元的串联，串联个数越多，反压越高。本发明去掉中间几个基本单元，只留两头(靠近A和K)两个基本单元，要增大反向电压就加长图一虚线部分。按原理讲，两头两个场效应管的截止是有过渡过程的，即栅极负电压有个上升过程，栅区下碳纤维中自由电子也有逐渐减少的过程，整根碳纤维的电阻随之不断上升，阳极A和阴极K之间电压越来越高(加快吸走整根碳纤维中的自由电子)；直到负栅压升至最高值时，阳极正电压将吸走整根碳纤维中的所有自由电子，MICFET才截止。这是理想的状态。实际上由于制造过程中种种缺陷，在碳纤维中还存有少量自由电子。我们加长图一虚线部分的目的有两个。其一是防止阳极-栅极-阴极之间的表皮高压爬电(好在各根碳纤维外表都有绝缘介质包裹，再加后续真空浸树脂工艺)。其二是给极少数残留自由电子增大运动过程中与碳原子的碰撞几率。减少电子速度，以免高速电子引起的破坏。(即使有击穿也只能烧毁个别几根碳丝，而不会烧坏整个器件，可在产品老化过程中解决)。可见，随着图一虚线部分的加长，碳纤维的导通电阻也相应增大(但由于碳纤维电阻率比半导体小，所以其电阻的绝对值增大得并不大)。(5)可考虑用包裹Al2O3的铝纤维来取代图一虚线部分，这样导通电阻会更低。
(三)驱动(控制)电路的特色(1)电压控制方式，驱动功率小，速度快；(2)当K1、K2、K3开关采用光电耦合隔离开关之后，碳纤维上下两端的两个场效应管之间以及整个场效管与光电驱动器之间就完成了电气隔离；(3)本驱动电路的唯一不足需要一个负电源Eg；(4)可以把上述部分做成功率模块，使用起来更方便。
权利要求
1.一种包括场效应功率器件及其驱动电路。其特征在于a.场效应功率器件采用金属—绝缘—石墨化碳(MICFET)结构，其中石墨化碳为其导电沟道。b.对于石墨化碳。在多束纤维捆绑式场效应管中，采用碳纤维作导电沟道；在多层叠片电容式场效应管中，采用热分解碳膜作导电沟道。c.在MICFET整体结构上，只在石墨化碳导电沟道的两端各做一个MICFET基本单元，中间一段仍是石墨化碳沟道。在要求导通电阻特别小的应用场合，中间段用包裹Al2O3的铝纤维束替代碳纤维束。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，是由稳压管D1，电容C，电阻R1、R2，开关K1、K2、K3及负电源Eg所组成的，其特征在于a.导电沟道两头的两个MICFET基本单元是分别驱动的，且两者在电气上是绝缘的。b.开关K1、K2、K3采用光电耦合隔离开关，使光控驱动电路与MICFET之间完全绝缘。c.D1和C的作用与负电源Eg一样，此法省去了另一个负电源。
全文摘要
本发明是一种电压控制的大功率开关管，属电力电子器件，英文简称MICFET。原理上与目前广泛使用的半导体场效应管MOSFET一样，都是利用栅极静电场夹断导电沟道，所不同是本发明采用石墨化碳纤维(或热分解碳膜)取代半导体，作导电沟道。因此，它具有易控制，开关动作快，耐高压，导通电阻非常小，工作温度高的特点。特别适合电力电子系统应用。
文档编号H01L29/66GK1516286SQ0311442
公开日2004年7月28日 申请日期2003年1月11日 优先权日2003年1月11日
发明者杨金玉 申请人:杨金玉