形成電壓保護集成裝置和結構的方法
2023-05-14 04:11:31
專利名稱：形成電壓保護集成裝置和結構的方法
技術領域：
以前，有各種不同的方法和電路結構被用來對電路形成過電壓和欠電壓保護。在一個同時提供欠電壓和過電壓保護的應用中，兩個N溝道金屬氧化物半導體(MOS)電晶體以串聯方式連接，它們的源極被連在一個公共點上。2004年8月5日公開的美國專利公開2004/0150927公開了這樣一種應用的一個樣例，由Strayer和其他人完成。由於與集成電晶體相關聯的寄生二極體，這樣的實施方式很難集成在單個半導體襯底上。因此，這種架構要求使用非集成電晶體。非集成電晶體增加了使用這樣架構的系統的成本。
於是，人們希望能有一種方法來保護電路不出現過電壓和欠電壓狀態而且可以被集成到單個半導體襯底上。
圖1示例性的示出一個含有依照本發明所給出的保護電路的保護系統的一部分的實施例。
圖2示例性的示出依照本發明的圖1的保護電路的典型實例的一部分。
圖3示例性的示出依照本發明的至少含有圖1中保護電路的一部分的半導體裝置的放大平面視圖。
為了圖示的簡單和清晰，圖中的元件沒有做必須性的比例繪製，且不同圖中的相同附圖標記表示相同的元件。此外，眾所周知的步驟和元件的描述和細節出於簡便介紹被省略。正如在此被用到的，載流電極表示承載電流穿過裝置的元件，如MOS電晶體的源極或漏極，或是雙極電晶體的射極或集極，或是二極體的負極或正極，而控制電極表示控制電流穿過裝置的元件，如MOS電晶體的柵極或雙擊電晶體的基極。雖然這些裝置在此被解釋成某些N溝道或P溝道的裝置，依據本發明也可能實現互補裝置而將得到本領域的技術人員的理解。那些本領域技術人員也將理解在此被用到的詞語「在…期間」、「當…時」、「…同時」並不是表示動作緊接著初始動作發生的精確術語，而是在由初始動作引發的反應動作之間可能存在的一些小的但合理的延時。
具體實施例方式
圖1示例性的示出含有對反電壓、欠電壓和過電壓狀態進行保護的保護系統10的一部分的實施例。系統10包括一個保護管理器電路或管理器16、負載14、和保護電路21。保護電路21在電壓輸入11上接收一個未保護電壓並被配置為對負載14耦合與去耦以分別接收未保護電壓的第一和第二值。保護電路21還用來在輸出23上形成一個保護電壓以對應所述未保護電壓的第一和第二值。在優選實例中，負載14是電池。在其它實例中，負載15可能是另一種類型的電路元件。系統10接收電壓輸入11和電壓返回端12之間的未保護電壓。典型情況下，未保護電壓是來自調節電源控制器的可在欠電壓值和過電壓值之間變化的電壓。在欠電壓值和過電壓值之間的電壓值都是未保護電壓的額定值。在一些實例中，未保護電壓可能是整流正弦波，如全波或半波整流。在一示範實例中，未保護電壓是來自電源控制器的具有額定值近似為三(3)到七(7)伏的調節電壓。在提供一未保護電壓的電路中發生故障的情況下(未示出)，所述未保護電壓可能增至大於所述額定值的值，且可能比過電壓值大很多。在提供未保護電壓的電路中的故障還可能導致未保護電壓變得比額定值小且比欠電壓值小很多，或甚至相對返回端12的電壓為負。電路21用於在輸出23上提供保護電壓，其數值不會損壞接收該保護電壓的電路。那些本領域的技術人員將理解，最大操作電壓可以大於所述額定值。對於額定值近似為三(3)到七(7)伏的示範實例，最大操作電壓可能多達二十八伏。最大操作電壓通常由用於形成管理器16的半導體技術和形成電晶體26、27的半導體技術的類型決定。
管理器16在輸入17和通常連接至返回端12的電壓返回端之間接收所述保護電壓。管理器16包括一個內部調節器、或是連接在輸入17和電壓返回端間的調節器(regulator)，以接收來自輸出23的保護電壓並提供適合操作管理器16的元件的調節電壓。管理器16通常還包括電荷泵、電壓檢測器、控制邏輯和驅動器。電壓檢測器接收來自輸入17的保護電壓，並向控制邏輯提供信號以表示保護電壓值在額定範圍內。正像將在下文中看到的，電壓檢測器不檢測負的或反向電壓。然而，保護電路21檢測反向電壓並通過提供在反向電壓狀態下不損壞管理器16的保護電壓來保護管理器16。控制邏輯在輸出19產生過電壓(OV)信號，當在輸入17接收到的保護電壓值大於過電壓值時該信號為高，而在其它狀態下該信號為低。控制邏輯對電荷泵產生一個信號，當在輸入17接收的保護電壓低於過電壓值時，該信號為高。電荷泵提高所述信號的值，並與驅動器一起在輸出18上形成柵極信號，其數值可以比在輸入17接收的保護電壓值更大。典型地，只要保護電壓值小於過電壓值，柵極信號值就近似是所述保護電壓值的兩倍。如果保護電壓值大於過電壓值，輸出18被耦合到一個與返回端12的值基本相等的值。
圖2示意性示出了保護電路21的一部分的示範實施例。該說明要同時參考圖1和圖2。保護電路21包括第一開關裝置或開關，如電晶體26，第二開關裝置或開關，如電晶體27，信號控制器28和反向電壓控制器29。在優選實施例中，電晶體26、27是N溝道LD(橫向雙擴散)功率MOS電晶體(LDMOS)。在其它實施例中，只要電晶體26、27能維持高的漏極-柵極電壓並有低接通電阻，它們可能是其它類型的N溝道電晶體。信號控制器28用於接收未保護電壓並且還接收來自管理器16的柵極和OV信號。如果未保護電壓值小於返回端12的值或被反向，控制器28還被用於提供第一控制信號來禁用第一開關，如電晶體26，以及如果未保護電壓值大於過電壓值，提供第二控制信號來禁用第二開關，如電晶體27。反向控制器29用來接收過電壓信號並在輸出23上提供保護電壓，其不為負值以保護管理器16和其它連接用來接收保護電壓的電路。例如控制負載14的電路(未給出)可使用所述保護電壓。在典型情況下，至少將電晶體26、27一同集成在半導體襯底上。優選地，至少將電晶體26、27集成在控制器28、29的同一半導體襯底上。在一些實例中，管理器16的一部分，如電壓檢測器、電荷泵、驅動器、及控制邏輯的一部分，也可被集成在電晶體26、27的同一半導體襯底上。將電晶體26、27集成在同一襯底上通常會對電晶體26、27的每一個形成寄生的漏極到襯底二極體。因為這個寄生的漏極到襯底二極體，電晶體26、27的漏極不能接到可能施加到輸入11的有負值趨向的電壓。該反向電壓可以對二極體正向偏置，引起大電流流過而可能損壞電路。因此電晶體26、27的漏極(或載流電極)被連在一起以防止反向電壓損壞電路。並且，電晶體26、27的參考載流電極或源極被分別連接到輸入11和輸出13。
在一個樣例實施例中，負載14是五伏電池。在此樣例實例中，輸入電壓的額定值範圍在約3.0至7.0伏，因此，大於約7.0伏的電壓代表過電壓狀態。雖然過電壓值約是7.0伏，管理器16可以承受高至約28.0伏的電壓。在此樣例實施例中，返回端12被連接到電池的負極並起到地電壓的作用。在操作這個樣例實施例時，如果未保護電壓的值超出了過電壓值，管理器16的電壓檢測器強制OV信號為高，而且控制邏輯和驅動器強制柵極信號為低。輸入11上的未保護電壓對電晶體50的體二極體正向偏壓，其把電晶體26的柵極固定在一個比未保護電壓低大約一個二極體壓降的電壓。因此，控制器28向電晶體26提供第一控制信號以為電晶體26形成低於所述閾值電壓的柵極到源極電壓(Vgs)，並且電晶體26被禁用。耦合到電晶體26的Vgs還小於可以被電晶體26維持的最大Vgs，對於本樣例實施例來說，約為最大八伏(8V)。為了確保電晶體50的體二極體正向偏壓，電晶體50被形成為所述體連接至電晶體50的源極。應該注意的是，對於圖2所示的示範實例，電晶體50是N溝道電晶體。當電晶體50被集成在電晶體26、27的同一襯底上時，電晶體50在P型半導體襯底中的N溝道中形成，正如被那些本領域技術人員所理解。對於這樣一個實例，電阻48連接在輸入11和其中形成電晶體50的N溝道之間。如果輸入11是負的，電阻48限制電流從返回端流出經過寄生襯底到電晶體50的N溝道二極體。即使電晶體26被禁用，電晶體26的體二極體仍可允許電流從輸入11流出。輸入24上的高OV信號啟用電晶體54，其將電晶體27的柵極拉向接地。因為電晶體27的源極被連接至電池，來自電晶體54的低信號禁用電晶體27。禁用電晶體27使電池與輸入11上的未保護電壓解耦。注意當電晶體27被禁用時，電晶體27的體二極體防止電流從輸入11流向負載14，並確保負載14與未保護電壓解耦。輸入24上的高OV信號還啟用電晶體31，其將地電勢與電晶體30的柵極相耦合從而禁用電晶體30。由於電晶體30被禁用，電阻33、34的電阻橋將電晶體37的柵極保持在一個仍低於來自輸入11的源極和漏極電壓的電壓，因而保持電晶體37被啟用以耦合來自輸入11的未保護電壓和輸出23上的保護電壓。電阻33、34還限制電晶體37的Vgs為一個低於用來形成電晶體37的技術所允許的最大Vgs的值。即使保護電壓現在大於7.0伏，管理器16和其它接收來自輸出23的電壓的電路被配置為對這些電壓進行操作而不引起損壞。
如果未保護電壓的值被反向，電阻46、47構成分壓器，其強制電晶體50的柵極電壓比電晶體50的源極要較少的負向，因而啟用電晶體50。電晶體50耦合一電壓到電晶體26的柵極，其大約等於未保護電壓值的電壓，因而禁用電晶體26。並且，電晶體26的體二極體被反向偏壓，所以不會有反向電流從電池流向輸入11。由於輸入24上的OV信號基本上是接地的，電晶體54的體二極體正向偏壓，其將電晶體27的柵極充分拉向返回端25的地電勢，因而禁用電晶體27。應該注意的是，將電晶體27的柵極與返回端25耦合也限制了與電晶體27耦合的Vgs一個不損壞電晶體27的值。電晶體31的寄生漏極到襯底二極體把電晶體30的Vgs固定為一個接近返回端25的地電勢的電壓，因而保護了電晶體30的Vgs。電晶體30的體二極體強制電晶體37的柵極基本接近返回端25的地電勢，因而禁用電晶體37並將未保護電壓與輸出23解耦。於是，控制器29在輸出23上提供保護電壓，其而不損壞管理器16或其它連接來接收輸出23電壓的電路。
如果未保護電壓的值在額定範圍內，管理器16強制OV信號為低而柵極信號為高。OV信號一般近似為地，而柵極信號約是管理器16的輸入17上電壓的兩倍，以便為電晶體26、27提供高驅動信號。控制器28的電阻46、47強制電晶體50的柵極低於來自輸入11的正電壓，從而禁用電晶體50。電阻44、45的電阻分壓器將一電壓與電晶體51、52的柵極耦合，其低於輸入11的電壓。低OV信號禁用電晶體53、54，因此，高柵極信號由電晶體52的漏極接收，其啟用電晶體51、52。啟用電晶體51、52將所述柵極信號通過相應的電阻41、42施加於電晶體26、27的柵極。電阻44、45的電阻橋限制電晶體51、52柵極接收的Vgs值為一個低於用來形成電晶體51、52的工藝可維持的最大值。因此，控制器28提供第一控制信號和第二控制信號以分別啟用電晶體26、27，以將電池與未保護電壓耦合，因而給電池充電。輸入24的低信號還禁用電晶體31，其啟用電晶體30。電晶體37的柵極被拉低並啟用電晶體37，其將輸入11的未保護電壓耦合到輸出23。那些本領域技術人員將理解，由電阻33、34，電阻41、42，電阻44、45和電阻46、47組成的電阻橋所執行的限壓作用有助於限制電晶體的Vgs，並有益於將電晶體集成在電晶體26、27的同一半導體襯底上。
為了向電路21提供這個功能，電晶體26的源極共同連接至輸入11、電阻48的第一端、電晶體50的源極、電阻46的第一端、電阻45的第一端、電阻35的第一端、電阻33的第一端和電晶體37的漏極。電晶體26的漏極連接至電晶體27的漏極。電晶體26的柵極通過連接電阻41的第一端和電晶體50的漏極來耦合以接收來自控制器28的第一控制信號。電晶體50的主體連接至電晶體50的源極，從而連至輸入11。電晶體50的N溝道連接至電阻48的第二端。電晶體50的柵極通常連接至電阻46的第二端和電阻47的第一端。電阻47的第二端共同連接至電阻44的第一端、二極體43的陽極、電晶體31的源極、電晶體30的源極、電阻34的第一端、電晶體53、54的源極、和輸入25。電阻44的第二端共同連接至電阻45的第二端、二極體43的陰極、電晶體52的柵極、電晶體51的柵極。電晶體51的漏極共同連接至電阻41的第二端和電阻42的第一端。電晶體27的源極連接至輸出13。電晶體27的柵極通過連接電阻42的第二端和電晶體54的漏極來連接以接收來自控制器28的第二控制信號。電晶體51的源極連接至電晶體52的源極。電晶體52的漏極共同連接至輸入22和電晶體53的漏極。電晶體53的柵極共同連接至電晶體54的柵極、輸入24和電晶體31的柵極。電晶體31的漏極共同連接至電晶體30的柵極、二極體32的陰極和電阻35的第二端。二極體32的陽極連接至返回端25。電晶體30的漏極共同連接至電阻33的第二端、電阻34的第二端和電晶體37的柵極。電晶體37的源極連接至輸出23。
圖3展示的是在半導體模71上形成半導體裝置70的實施例的一部分的放大平面圖。電路21是在模71上形成的。模71還可能包含其它電路，為製圖簡便而沒有在圖3中給出。電路21和裝置70通過被本領域技術人員所熟知的半導體製造工藝在模71上形成。在一些實施例中，管理器16的各部分也可能與電路21一同在模71上形成。
綜上所述，明顯地提出了一種新穎的裝置和方法。在諸個特徵中，一種集成的保護裝置被形成，其具有兩個背對背保護電晶體形成在同一半導體襯底上。將各電晶體的漏極耦合在一起有助於將各電晶體形成在同一半導體襯底上，這樣保護集成裝置就可以保護電路不接收反向電壓。用兩個控制信號來控制背對背電晶體有助於控制電晶體，以保護電路防止出現過電壓狀態和反向電壓狀態。
當發明的主題在描述中有特定的優選實例時，很明顯大量的更改和變化對於那些精通半導體工藝的人來說是理所當然的。此外，為了描述清晰而通篇使用「連接」這個詞，不過，它有意與「耦合」一詞同義。因此，「連接」應被解釋成包括直接連接或非直接連接。
權利要求
1.一種反向電壓和過電壓保護電路，包括第一開關裝置，具有控制電極、載流電極和參考載流電極，所述參考載流電極被耦合以接收一未保護電壓；第二開關裝置，具有控制電極、與一負載耦合的參考載流電極、以及與第一開關裝置的載流電極耦合的載流電極；以及控制電路，用來接收所述未保護電壓，以及對應於所述未保護電壓值具有一大於過電壓值的值，禁用第二開關裝置並把所述負載與接收所述未保護電壓相解耦，以及對應於所述未保護電壓具有反向值，禁用第一開關裝置並將所述負載與接收所述未保護電壓相解耦。
2.權利要求1的反向電壓和過電壓保護電路，其中對應於所述未保護電壓具有反向值，所述控制電路用來將一信號與第一開關裝置的控制電極相耦合，其近似等於所述未保護電壓。
3.權利要求1的反向電壓和過電壓保護電路，其中對應於所述未保護電壓具有一大於過電壓值的值，所述控制電路用來將一信號與第二開關裝置的控制電極相耦合，其低於第二開關裝置的閾值電壓。
4.權利要求1的反向電壓和過電壓保護電路，其中對應於所述未保護電壓具有一小於所述過電壓值且大於所述反向值的值，所述控制電路用來將第一控制信號與第一開關裝置的控制電極耦合，並將與第一控制信號基本相等的第二控制信號與第二開關裝置的控制電極耦合。
5.一種形成電壓保護電路的方法，包括耦合第一開關的第一載流電極以接收一未保護電壓；將第二開關與第一開關耦合，並將第二開關的第一載流電極與一負載耦合；以及配置控制電路以接收所述未保護電壓且形成第一控制信號以禁用第一開關和形成第二控制信號以禁用第二開關，其中第一控制信號和第二控制信號對應於所述未保護電壓的各個第一和第二值而形成。
6.權利要求5的方法，其中耦合第一開關的第一載流電極以接收未保護電壓以及耦合第二開關到第一開關包括，耦合第一開關的參考載流電極來接收所述未保護電壓並將所述第一控制信號與第一開關的控制電極耦合，以及將第二開關的參考載流電極與所述負載耦合併將所述第二控制信號與第二開關的控制電級耦合。
7.一種形成反向電壓和過電壓保護電路的方法，包括耦合第一開關的參考載流電極來接收一未保護電壓；將第二開關的參考載流電極與一負載耦合，以及將第二開關的載流電極與第一開關的載流電極耦合；以及配置控制電路，以接收所述未保護電壓，以及對應於所述未保護電壓具有一大於過電壓值的值，禁用第二開關裝置已將所述負載與接收未保護電壓相解耦，以及對應於所述未保護電壓具有反向值，禁用第一開關以將所述負載與接收未保護電壓相解耦。
8.權利要求7的方法，其中對應於所述未保護電壓具有所述大於過電壓值的值而配置控制電路來接收所述未保護電壓並禁用第二開關裝置以將負載與接收未保護電壓相解耦、以及對應於所述未保護電壓具有所述反向值而禁用第一開關裝置以將負載與接收未保護電壓相解耦，該操作包括，對應於所述未保護電壓具有所述反向值，配置所述控制電路為第一開關的控制電級形成一控制電壓，其近似等於未保護電壓。
9.權利要求8的方法，更進一步包括，對應於所述未保護電壓具有所述反向值，配置所述控制電路為第二開關裝置的控制電極形成一控制電壓，其禁用所述第二開關裝置。
10.權利要求8的方法，更進一步包括，對應於所述未保護電壓具有一大於過電壓值的值，配置所述控制電路為第二開關裝置的控制電極形成一控制電壓，其低於所述參考載流電極上的電壓。
全文摘要
在本實例中，電壓保護電路使用兩個背對背電晶體來接收未保護電壓並形成保護電壓。
文檔編號H01L27/02GK1937344SQ200610153919
公開日2007年3月28日 申請日期2006年9月12日 優先權日2005年9月21日
發明者保羅·米格裡爾瓦卡 申請人:半導體元件工業有限責任公司