形成自選通電晶體的方法以及用於其的結構的製作方法
2023-05-16 20:51:31
專利名稱：形成自選通電晶體的方法以及用於其的結構的製作方法
在先申請的參考本發明已經於2004年3月31日在美國提交專利申請，申請號為10/813501。
背景技術：
本發明通常涉及電子技術，並更具體地涉及形成半導體器件和結構的方法。
過去，半導體工業利用各種方法和結構來形成同步整流器。在2001年8月7日授予Alan Ball的美國專利US6271712中公開了一種同步整流器的一個範例，其被包括在此引作參考。如在Alan Ball的專利中所示，現有的同步整流器典型地包括驅動功率金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的比較器。比較器的一個輸入與該MOSFET的漏極耦合，以感測該MOSFET的源漏極之間的電壓，並且當漏極電壓低於源極電壓值時，使能該MOSFET，這將接通MOSFET的寄生二極體。當被使能時，MOSFET對來自電感的電流進行MOSFET放電。然而為了斷開MOSFET，源漏極之間的電壓必須大於零電壓。這就導致上電晶體與同步整流器都同時被使能，並且增加了同步整流器的功率耗散。另外，因為比較器的輸入端與MOSFET的漏極耦合，所以可以對漏極施加的最大電壓受到比較器輸入端的擊穿電壓的限制。
相應地，希望有一種器件，當源漏極之間的電壓不大於零電壓時其斷開，並且其具有高的擊穿電壓。
圖1示意性地描述了根據本發明的自選通電晶體實施例的一部分，以及利用該自選通電晶體的系統；圖2示意性地描述了根據本發明的自選通電晶體的替換實施例的一部分，以及另一系統；圖3示意性地描述了利用根據本發明的自選通電晶體的系統的另一實施例的一部分；圖4示意性地描述了根據本發明的自選通電晶體的另一替換實施例的一部分，以及另一系統；圖5示意性地描述了使用根據本發明的自選通電晶體的系統的另一可選實施例的一部分；和圖6示意性地描述了包括根據本發明的自選通電晶體的半導體器件的放大平面圖。
為了說明的簡明和清楚，附圖中的元件不必要標定，並且不同附圖中相同的附圖標記表示相同的元件。另外，為了簡化說明，省去了對所熟知的步驟和元件的說明和詳情。如在此處所使用的，載流電極表示攜帶電流通過該器件的器件元件，諸如MOS電晶體的源極或漏極、或雙極電晶體的發射極或集電極，並且控制電極表示控制通過器件的電流的器件元件，諸如MOS電晶體的柵極、或雙極電晶體的基極。雖然在此處器件被解釋為某種N通道或P通道器件，但是本領域的普通技術人員會理解的是，根據本發明也可以採用互補器件。
具體實施例方式
圖1示意性的描述了自選通電晶體25的實施例的一部分，自選通電晶體作為功率控制系統10中的同步整流器被連接。其它組件典型地被外部連接到電晶體25，以為系統10提供功能。例如，上輸出電晶體16、能量存儲電感17、能量存儲電容18、脈衝寬度調製(PWM)控制器19、和電壓調節器21被外部地連接到電晶體25。但是在某些實施例中，調節器21可以形成為電晶體25的一部分。描述電感17、電容18、電晶體16以及控制器19，以幫助解釋電晶體25的操作。系統10接收整體(bulk)電壓輸入端11與整體電壓歸路(return)12之間的整體電壓，並形成電壓輸出端13與歸路14之間的輸出電壓。施加在輸入端11與歸路12之間的整體電壓可以大至幾百伏，或者小至幾伏。調節器21接收整體電壓，並產生在電晶體25的電壓輸入端26上接收，以便操作電晶體25的內部電路的工作電壓。在輸入端26上所接收到的調節器21的輸出電壓典型地基本是直流電壓，然而該電壓可以是交流電壓。為了提供基本上穩定的直流電壓，調節器21可以形成為線性調節器或非線性調節器，諸如PWM調節器。在任何一種情況中，輸入端26與源極28之間可能必須連接電容15，以提供能量存儲。當使用非線性調節器時，為了在沒有可用的供電電壓期間提供工作電壓，需要電容15。典型地，調節器21提供由電晶體25在輸入端26上接收的基本直流電壓。在優選實施例中，調節器21是線性電壓調節器，以提供基本上是直流的電壓。線性調節器是本領域所熟知的，並且可以在Marty Brown的「Power Supply Cookbook」，Sectiontwo，Butterworth-Heinemann，1994的第二部中找到一個範例。調節器21產生足夠的電壓和電流，以向比較器42提供電源。調節器21典型地提供大約5伏至10伏(5-10v)的電壓和大約2至20毫安(2-20ma)的電流。控制器19操作電晶體16，以調節輸出端13與歸路14之間的輸出電壓值。典型地，控制器19如圖中虛線所示接收，表示輸出電壓值的反饋電壓。在2002年10月15日授予Clarkin等人的美國專利US6465993中公開了這種PWM控制器的一個範例，其被包括在此引作參考。
所形成的自選通電晶體25包括比較器42、電晶體31、可選偏置電壓或偏置46以及可選的保護電路37。所形成的電晶體31包括主電晶體部分或主電晶體33和感測部分或感測電晶體32。電晶體31也包括通過電晶體33的寄生二極體形成的二極體34，和通過電晶體32的寄生二極體形成的二極體35。典型地，電晶體31由多個電晶體單元形成，這些電晶體單元相互連接以形成可以具有大負載電流和低導通電阻的大電晶體。少數單元的源極與其餘單元的源極分開，並與單獨的外部終端連接，以形成電晶體32。電晶體32和33的漏極以及電晶體32和33的柵極通常共用。當負載電流24流過電晶體25時，主電流30就流過電晶體33。電流24產生流經通過電晶體32的感測電流29，以提供表示電流24的感測信號。通過電晶體32的大小與電晶體33的大小之比確定電流29的值。典型地，該比值在500至1000比1(500-1000∶1)之間。這種電晶體是本領域所熟知的，並且通常稱為SENSEFET電晶體。SENSEFET是Schaumburg，Illinois的Motorola公司的商標。在1985年11月12日授予Robert Wrathall的美國專利US4553084中公開了SENSEFET電晶體的一個範例，其被包括在此引作參考。如此後進一步可以看到，根據通過電晶體25的電流24的極性使能或無效電晶體25。比較器42檢測該極性，並響應性地使能或無效電晶體31，從而使能或無效電晶體25。
電晶體31的漏極與電晶體25的第一終端或漏極27連接，並且電晶體31的源極與電晶體25的第二終端或源極28連接。電晶體31的源極36與比較器42的反向輸入端44連接。比較器42的非反向輸入端43與源極28連接，從而與電晶體31的源極連接。可選偏置46表示可選的負偏置電壓，其可以形成在比較器42的外部，或者形成為非反向輸入端43的內部偏置。可替換地，可以為比較器42的反向輸入端形成正偏置。當偏置46被包括在比較器42的輸入端43的外部時，偏置46具有與源極28連接的正終端和與非反向輸入端43連接的負終端。在某些實施例中也可以省去偏置46。可選保護電路37可以用來箝位施加到源極36和施加到輸入端44的電壓，以防止毀壞比較器42或電晶體32。電路37通常包括極性反向連接的第一保護二極體38和第二保護二極體39。二極體38的陽極和二極體39的陰極共同連接到源極28，並且二極體39的陽極和二極體38的陰極連接到源極36。在某些實施例中，可以通過電阻40替代二極體38和39。
在優選實施例中，偏置46形成為比較器42的輸入端43內的內部偏置。偏置電壓的值典型地在大約0至10毫伏(0-10mV)之間變化，並優選地大約為5毫伏。優選地，使用電路37，並且其包括二極體38和39，以保護電晶體25。當電晶體16被使能時，漏極27被拉到基本上等於輸入端11上整體電壓的電壓。通過電晶體31的漏極接收漏極27上的高壓，電晶體31響應性地將二極體34和35反偏壓到非導通狀態。如果這是系統10的初始啟動，瞬變過程或許已經能夠啟動電晶體31，並且主電流30流經電晶體33到達源極28和歸路12。電流30產生流經電晶體32的感測電流29。比較器42接收作為感測信號的電流29，並響應性地驅動輸出端45為低電平。由於比較器42具有高的輸入阻抗，少量的電流29足以形成使輸出端45為低電平的正電壓。這種電壓通常不足以正向偏壓二極體39。電晶體31接收輸出端45上的低電平，並響應性地使得電晶體32和33無效，以使得電晶體31和電晶體25無效。電晶體16保持使能，並且電流流經電晶體16和電感17，以對電容18充電。於是，比較器42檢測電流30的正向流動，並響應性地使得電晶體25無效。
當電晶體16截止時，漏極27被驅動到低於歸路12的電壓的電壓，於是被驅動到低於源極28上的電壓的電壓。隨著漏極27上的電壓變得低於二極體34和35的正向壓降，二極體34和35響應性地被正向偏壓，並且電流開始從歸路12通過源極28並通過二極體34到達漏極27。漏極27上的負壓也正向偏壓二極體38，並且電流從源極28通過二極體38和35到達漏極27。輸入端44接收某些電流作為感測信號。感測信號的電流在輸入端44形成比輸入端43上的電壓更負的電壓，並且輸出端45變為高電平。由於高輸入阻抗，少量的電流就足以形成輸入端44的電壓。輸出端45上的高電平使能電晶體32和33，並且電晶體25響應性地導通，並且通過電晶體31向歸路12釋放存儲在電感17中的能量。於是，比較器42檢測電流30的反向流動，並響應性地使能電晶體25。電晶體31的導通電阻較小，從而電晶體33上的壓降低於電晶體34的正向壓降。電晶體31上的低壓降使得電晶體34和35無效，並且降低了源極28和漏極27之間的電晶體25上的壓降，從而降低了電晶體25中的功率消耗。
當電晶體16再次導通開始對電感17充電時，漏極27被拉到輸入端11上的整體電壓。由於電晶體31被使能，所以當電晶體16開始將漏極27拉到高電平時，電流30開始流經電晶體31到達源極28。如本領域所熟知的，在由來自控制器19的柵極驅動所確定的時間周期上出現電晶體16的導通。當電流30開始反向流經通過電晶體33時，感測電流29改變方向，並流經通過電晶體32，以形成用於電晶體25的正感測信號。少量的電流29足以形成輸入端44的電壓。因為偏置46的負電壓確保輸入端43相對於源極28是負的，所以少量的電流29足以形成大於輸入端43的輸入端44上的電壓。在輸入端44上接收到的正電壓形成使輸出端45變為低電平的感測信號。輸出端45上的低電平使得電晶體32和33無效，從而使得電晶體31和25無效。於是比較器42檢測到電流的正向流動，並響應性地將電晶體25無效。因為偏置46，在來自電晶體16的電流能夠使電流30由從源極28流出或反向流動轉換為流入源極28或正向流動之前，比較器42開始將電晶體25無效。典型地，由於偏置46的負電壓，在電流30達到零之前，施加低電平信號以開始使電晶體25無效。電晶體25被完全無效的點出現在電流達到零之後，並且取決於偏置46的負電壓以及電流波形的di/dt。在變號點之前施加低電平信號以便開始使電晶體25無效使從電晶體16流經電晶體25到達歸路12的電流最小，從而使功率耗散最小。在變號點之前使電晶體25無效也使電流正在變換時輸出端13上的振蕩最小化。可以看到，電晶體25可以製造成具有輸入端26、漏極27和源極28的引腳的三引腳封裝。
在不包括二極體38和39的替換實施例中，操作相同。然而，由於高的di/dt和寄生電感，可能在切換轉換期間，在輸入端44上出現峰值。沒有來自二極體38和39的任何箝位則不能夠防止輸入端44和源極36出現這種電壓瞬變。沒有來自二極體38和39的任何箝位，電流會進入輸入端44或從其中出來，並且使其切換。輸入端44上看到的電壓會是電晶體32可以產生的最大電壓。當電晶體32被使能時，電壓非常小，並且當電晶體32被無效時，電壓可以為幾伏。在使用電阻40替代二極體38和39的另一替換實施例中，一部分電流29流經電阻40，並形成由輸入端44接收的正電壓。
圖2示意性地描述了自選通電晶體51的實施例的一部分，其中自選通電晶體51是在圖1的說明中所解釋的電晶體25的替換實施例。電晶體51作為功率控制系統50中的同步整流器被連接，其中功率控制系統50是在圖1的說明中所解釋的系統10的替換實施例。電晶體51被形成為包括電壓調節器21以及電晶體25。調節器21優選地產生用於操作電晶體25的基本為直流的電壓。調節器21接收電壓輸入端52上的電壓。施加到輸入端52上的電壓可以是交流電壓或基本上是直流電壓，只要該電壓值大於調節器21的輸出端所提供的電壓。
圖3示意性地描述了兩個自選通電晶體65的實施例的一部分，兩個自選通電晶體65被連接用作替換功率控制系統60中的一對O形環二極體。電晶體65是在圖2的說明中所解釋的電晶體51的替換實施例。系統60包括一對獨立電壓源61和66、兩個自選通電晶體65和69、工作電壓源63、以及輸出端62。源63向電晶體65和68提供電壓，用於操作電晶體65和68。源63的電壓可以從源61或66或從其它地方得到。電晶體65和68分別包括電壓調節器64，其在電晶體65和68的內部提供用於操作電晶體65和68的基本上是直流的電壓。在優選實施例中，調節器64是線性調節器。在某些實施例中，調節器64可以在電晶體65和68的外部。電壓源61和66通常並行連接，以在其中一個源61或66發生故障的情況下提供冗餘功率源。負載典型地連接在輸出端62與電壓源61和66的歸路或地線之間，以接收輸出電壓和負載電流。
電壓源61與電晶體65的源極28連接，源66與電晶體68的源極28連接，以向其提供電壓。當電壓源61和66開啟時，輸出端62上的負載將輸出端62和漏極27拉到低於源極28上電壓的低電平。這使得其中一個源61或66提供通過二極體34和通過二極體38和35到輸出端62和負載的電流。典型地，處理過程的變化使得電晶體65和68在各自的二極體34上具有不同的正向壓降。相應地，具有最小壓降的一個第一個被使能導通電流，並相應地使能電晶體31。電晶體65和68中的另一個電晶體典型地不會被使能。通過相關二極體38的電流形成二極體38上的壓降以及對應的感測信號，作為比較器42的輸入端43到輸入端44的正向電壓。輸入端44和43接收該正向電壓，並且比較器42響應性地使得輸出端45成為高電平，以使能電晶體31並將二極體34和35短路。電晶體31的低導通阻抗減少了源極28和漏極27之間的電壓降，從而減少了電晶體65的功率耗散。
如果電晶體65和68中被使能的電晶體失效或其它故障允許漏極27再次變到低電平，則電晶體65和68中的另一電晶體就使能各自的二極體34和38和35，並相應地使能對應的電晶體31。
圖4示意性地描述了自選通電晶體56的實施例的一部分，其中自選通電晶體56是在圖2的說明中所解釋的電晶體51的替換實施例。電晶體56作為功率控制系統55中的同步整流器被連接，其中功率控制系統55是在圖2的說明中所解釋的系統50的替換實施例。電晶體56被形成為包括電壓調節器57，電壓調節器57從漏極27接收輸入電壓。調節器57使用漏極27上的電壓按照要求對電容59充電，以形成用於操作電晶體25的電壓。調節器57典型地被形成為偏壓供電電路。這種調節器是本領域技術人員所熟知的。
圖5示意性地描述了供電電源系統80的實施例的一部分，其利用電晶體25作為同步整流器。系統80是圖1中所述系統10的替換實施例。
圖6示意性地描述的放大平面圖為形成在半導體晶片(semiconductor die)71上的半導體器件70的實施例的一部分。晶片71上形成有電晶體25或替換的電晶體51或56或65。晶片71也可以包括其它電路，為了簡化附圖，其在圖4中未示出。通過本領域技術人員所熟知的半導體製造技術在晶片71上形成電晶體25或51或56或65以及器件70。
根據上述全部，顯然公開了已知全新的器件和方法。在其它特徵中包括使用具有感測部分的電晶體以提供用於使能電晶體的感測信號。使用感測電晶體部分來提供感測信號有利於在高電壓應用中使用自選通電晶體。使用反向比較器偏置有利於在流經電晶體的電流改變極性之前使自選通電晶體無效，從而將功率耗散最小並減少了輸出中的振蕩。
雖然參照具體的優選實施例描述了本發明，但是顯然半導體領域技術人員清楚許多替換和變化。例如，可以使用與電阻串連的功率FET替代電晶體32，其中在電阻上產生該感測信號。
權利要求
1.一種形成自選通電晶體的方法，包括耦合電晶體，可操作地以形成表示通過所述自選通電晶體的電流的感測信號；和耦合比較器，以接收所述感測信號，並響應性地根據所述感測信號的極性控制所述自選通電晶體。
2.根據權利要求1的方法，其中形成電晶體，以可操作地形成表示通過所述自選通電晶體的電流的感測信號包括，形成具有主電晶體部分和作為感測部分的感測電晶體的電晶體，包括將所述主電晶體部分與所述感測部分耦合，其中所述感測部分可操作地形成表示通過所述自選通電晶體的電流的感測信號。
3.根據權利要求2的方法，其中將所述主電晶體部分與所述感測部分耦合包括，將所述感測電晶體的漏極與所述主電晶體部分的漏極、以及與所述自選通電晶體的漏極耦合，並且也包括將所述感測電晶體的柵極與所述主電晶體部分的柵極、以及與所述自選通電晶體的柵極耦合。
4.根據權利要求1的方法，其中耦合所述比較器以接收所述感測信號包括，耦合所述比較器的非反向輸入端，以具有負偏置電壓。
5.一種操作自選通電晶體的方法，包括提供具有主電晶體部分和感測部分的MOS電晶體，包括將所述主電晶體部分與所述感測部分耦合，其中所述感測部分可操作地形成表示通過所述主電晶體部分的第一電流的第一感測信號；檢測所述第一感測信號並響應性地使所述自選通電晶體無效；引導第二電流通過所述感測部分作為第二感測信號，其中所述第二電流流動的方向與所述第一電流相反；和檢測所述第二感測信號並響應性地使能所述自選通電晶體。
6.根據權利要求5的方法，其中檢測所述第一感測信號並響應性地使所述自選通電晶體無效包括，在比較器的輸入上接收所述第一感測信號。
7.一種自選通電晶體，包括電晶體，具有主電晶體部分和感測部分，其中所述感測部分與所述主電晶體部分耦合，以形成表示通過所述自選通電晶體的電流的感測信號，所述主電晶體部分具有第一柵極；和比較器，被耦合從接收所述感測信號並驅動所述第一柵極。
8.根據權利要求7的自選通電晶體，其中所述比較器具有被耦合來接收所述感測信號的反向輸入端。
9.根據權利要求8的自選通電晶體，其中所述比較器具有非反向輸入端，所述非反向輸入端與所述自選通電晶體的源極耦合，並且所述比較器的非反向輸入端具有負偏置電壓。
10.根據權利要求7的自選通電晶體，還包括，在具有不超過4個引腳的封裝中形成的自選通電晶體。
全文摘要
在一個實施例中，自選通電晶體包括感測部分，其產生用於驅動該自選通電晶體的感測信號。
文檔編號G05F1/46GK1716743SQ200510062769
公開日2006年1月4日 申請日期2005年3月30日 優先權日2004年3月31日
發明者阿蘭·R·保爾, 保羅·J·哈瑞曼, 史蒂芬·米克, 蘇珊娜·尼 申請人:半導體元件工業有限責任公司