一種具有過壓保護功能的高壓器件的製作方法
2023-05-16 08:25:01
專利名稱：一種具有過壓保護功能的高壓器件的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及高壓半導體器件，尤其涉及一種具有過壓保護功能的高壓器件。
背景技術：
高壓電晶體作為開關器件，被廣泛使用在工業電子和消費類電子領域內的電源中(例如AC/DC變換器)。這些應用場合的輸入電壓通常非常高，例如500V 1000V。因此，高壓電晶體需要具有較高的擊穿電壓來承受如此高的輸入電壓。大多數高壓電晶體被設計為垂直型器件，其電流方向為流進半導體襯底，即電流方向與半導體襯底所在的平面垂直。這種結構可在給定的擊穿電壓下獲得較小的導通電阻以及良好的功率處理能力。然而，許多高壓電晶體仍被設計為橫向型器件，即電流方向與半導體襯底所在的平面平行，這是因為橫向型高壓電晶體通常可採用與低壓器件相似的製作步驟來製作，從而允許將高壓和低壓器件集成在一起以實現功率集成的目的。傳統的橫向高壓電晶體的一個缺點是不能承受大的雪崩電流，例如，因局部擊穿引起的雪崩電流。該局部擊穿常常發生於電場最高的位置。這一缺點使得橫向高壓電晶體在過壓情況下失缺乏自我保護的能力，因此需要一種包括高壓電晶體與集成的高壓保護電路的高壓器件，以防止高壓電晶體在過壓時損壞。
實用新型內容針對現有技術中的一個或多個問題，本實用新型的一個目的是提供一種具有過壓保護功能的高壓器件。為解決上述技術問題，在本實用新型的一個方面，提供一種高壓器件，包括高壓電晶體，具有漏極、柵極和源極；以及過壓保護電路，耦接在高壓電晶體的漏極和源極之間，監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷高壓電晶體是否過壓，並在檢測到過壓時提供第一電信號至高壓電晶體的柵極以導通高壓電晶體。在一個實施例中，過壓保護電路包括電壓檢測電路，產生表示高壓電晶體兩端電壓的第二電信號；過壓判斷電路，接收第二電信號，並將第二電信號和過壓閾值相比較以產生第一電信號，其中當第二電信號高於過壓閾值時，第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號低於過壓閾值時，第一電信號關斷高壓電晶體。在進一步的實施例中，過壓閾值包括第一過壓閾值和第二過壓閾值；當第二電信號高於第一過壓閾值時，第一電信號導通高壓電晶體；當第二電信號低於第二過壓閾值時，第一電信號關斷高壓電晶體。在一個實施例中。過壓判斷電路包括第一常態導通高壓電晶體，耦接至高壓電晶體的漏極，自高壓電晶體的漏極為過壓檢測電路提供供電電流。在一個實施例中，過壓判斷電路進一步包括第一常態導通低壓電晶體，常態關斷低壓電晶體和第二常態導通低壓電晶體，每個電晶體均具有源極、漏極和柵極，其中第一常態導通高壓電晶體的漏極耦接至高壓電晶體的漏極，柵極耦接至地，源極耦接至第一常態導通低壓電晶體的源極和第二常態導通低壓電晶體的漏極以形成輸出節點；第一常態導通低壓電晶體的柵極耦接至地，漏極耦接至常態關斷低壓電晶體的漏極和第二常態導通低壓電晶體的柵極；常態關斷低壓電晶體的源極和第二常態導通低壓電晶體的源極均連接至地，常態關斷低壓電晶體的柵極耦接至電壓檢測電路以接收第二電信號；輸出節點耦接至高壓電晶體的柵極。在一個實施例中，過壓判斷電路進一步包括箝位電路，耦接在輸出節點和地之間，限制高壓電晶體的柵極電壓。在本實用新型的另一個方面，提供一種高壓器件，包括高壓電晶體，具有第一端，第二端和控制端；以及用於監測高壓電晶體兩端的電壓以檢測是否發生過壓的構件；用於根據高壓電晶體兩端電壓產生第一電信號至高壓電晶體控制端的構件，其中當過壓發生時，第一電信號導通高壓電晶體，當沒有發生過壓時，第一電信號關斷高壓電晶體。在一個實施例中，用於監測高壓電晶體兩端電壓的構件包括分壓器，該分壓器產生表示高壓電晶體兩端電壓的第二電信號；用於產生第一電信號的構件包括用於將第二電信號和過壓閾值相比較以產生第一電信號的構件，其中當第二電信號大於過壓閾值時第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號小於過壓閾值時第一電信號關斷高壓電晶體。在一個實施例中，過壓閾值包括第一過壓閾值和第二過壓閾值，當第二電信號大於第一過壓 閾值時第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號小於第二過壓閾值時第一電信號關斷高壓電晶體。根據本實用新型實施例的高壓器件，當高壓電晶體處於過壓狀態時控制高壓電晶體導通，保護高壓電晶體不被損壞。
結合以下附圖閱讀本實用新型實施例的詳細描述可以更好地理解本實用新型。應理解，附圖的特徵不是按比例繪製的，而是示意性的。圖I是根據本實用新型一實施例的包括高壓電晶體和集成的過壓保護電路的高壓器件100的框圖；圖2是根據本實用新型一實施例的包括高壓電晶體和集成的過壓保護電路的高壓器件的電路原理圖。
具體實施方式
下面參照附圖描述本實用新型的各實施例。為了更好地理解本實用新型，在下面的描述中給出了一些具體的細節，例如示例電路以及這些示例電路中元器件的示例值。本領域的技術人員應理解，缺少一個或多個具體細節，或者增加其他的元件或者材料等，本實用新型同樣可以實施。此外，為了清楚地闡述本實用新型，在本實用新型的描述中省去了一些公知的結構、材料或步驟的詳細描述以及示意圖。此外，本文所稱「耦接」的是指以電或者非電的形式直接或間接連接。本實用新型公開了一種高壓器件，該高壓器件包括高壓電晶體和集成的過壓保護電路，其中過壓保護電路監測高壓電晶體兩端的電壓，以判斷是否發生過壓。一旦監測到高壓電晶體發生過壓，過壓保護電路將導通高壓電晶體。過壓發生時，高壓電晶體兩端被允許的電壓低於擊穿電壓。這種情況下，當高壓電晶體處於過壓狀態時高壓電晶體被導通，這樣高壓電晶體是在導通狀態通過其溝道來消耗過壓產生的功率，而不是在關斷狀態通過雪崩電流來消耗功率。關斷狀態的雪崩電流趨於非均勻分布，集中在高壓電晶體附近的一個很小的高電場區域內。與關斷狀態的雪崩電流相比，導通狀態的電流更均勻地分布於高壓電晶體的整個區域。由於電流分布更均勻，因此在過壓狀態時，與傳統的器件相比，集成有過壓保護電路的高壓器件可以處理更大的電流以及更大的功率。這可以提高功率電晶體的未箝位電感性開關轉換(Unclamped Inductive Switching, UIS)能力，並使高壓電晶體獲得更高的靜電放電(Electro-Static discharge, ESD)等級。在一個實施例中，高壓器件包括具有漏極、源極和柵極的高壓電晶體。過壓保護電路耦接在高壓電晶體的漏極和源極之間，監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷高壓電晶體的過壓情況。當檢測到過壓時，過壓保護電路為高壓電晶體的柵極提供第一電信號以導通高壓開關管。在另一個實施例中，高壓器件包括高壓電晶體和用於檢測高壓電晶體是否發生過壓的構件。其中高壓電晶體具有第一端、第二端和控制端。該高壓器件還包括用於產生反映高壓電晶體兩端電壓的第一電信號至高壓電晶體的控制端的構件。當發生過壓時，第一電信號導通高壓電晶體；當沒有發生過壓時，第一電信號關斷高壓電晶體。·在又一個實施例中，高壓電晶體的過壓保護方法包括監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷高壓電晶體是否發生過壓；當發生過壓時，導通高壓電晶體；當沒有過壓發生時，關斷聞壓電晶體。為了方便說明，本實用新型使用N溝道橫向高壓電晶體來說明高壓器件的結構以及工作原理。本領域的技術人員應當理解，這些實施例並不是要限制本實用新型，P溝道橫向高壓電晶體、N溝道或P溝道垂直高壓電晶體以及其他類型合適的高壓器件同樣也適用於本實用新型。圖I是根據本實用新型一實施例的包括高壓電晶體和集成的過壓保護電路的高壓器件100的框圖。高壓器件100包括高壓電晶體101和過壓保護電路103。在一個實施例中，高壓電晶體101具有漏極、源極和柵極。過壓保護電路103監測高壓電晶體101兩端的電壓，即高壓電晶體101漏極和源極之間的電壓差，以判斷高壓電晶體101是否過壓。過壓保護電路103還將表示過壓狀態的第一電信號提供至高壓電晶體101的柵極，以在過壓發生時將高壓電晶體101導通。在一個實施例中，過壓保護電路103包括電壓檢測電路和過壓判斷電路。過壓檢測電路監測高壓電晶體101兩端的電壓，並產生表示高壓電晶體101兩端電壓的第二電信號。過壓判斷電路接收第二電信號，並將第二電信號與目標閾值相比較以產生第一電信號。當第二電信號高於過壓閾值時，第一電信號導通高壓電晶體；當第二電信號低於過壓閾值時，第一電信號關斷高壓電晶體。在一個實施例中，過壓閾值包括第一過壓閾值和第二過壓閾值。當第二電信號高於第一過壓閾值時，第一電信號導通高壓電晶體；當第二電信號低於第二過壓閾值時，第一電 目號關斷聞壓電晶體。在圖I所示的實施例中，高壓電晶體101包括N溝道高壓電晶體。高壓電晶體101具有漏極、源極和柵極，其中漏極耦接至輸入電源Vin，源極連接至地，柵極耦接至過壓保護電路103。過壓保護電路103監測高壓電晶體101的漏極電壓VD，產生表示過壓情況發生的第一電信號VG並將其提供至高壓電晶體101的柵極。在一個實施例中，過壓保護電路103監測漏極電壓VD並產生表示漏極電壓VD的第二電信號。過壓保護電路103將第二電信號與目標閾值Vqv相比較,產生第一電信號VG。在一個實施例中，過壓閾值Vw包括第一過壓閾值Vwi和第二過壓閾值VW2。當過壓保護電路103檢測到第二電信號大於第一過壓閾值Vwi時,第一電信號VG控制高壓電晶體101導通。然後，處於導通狀態的高壓電晶體101從輸入電源Vin放電，漏極電壓VD降低。當過壓保護電路103檢測到漏極電壓VD下降到一定水平，使得第二電信號小於第二過壓閾值Vw2時，第一電信號VG控制高壓電晶體101關斷。在一個實施例中，第一過壓閾值Vwi和第二過壓閾值Vw2相等，這樣無論漏極電壓升高還是下降，高壓電晶體101在同一漏極電壓被導通或者關斷。在另一個實施例中，第一過壓閾值Vwi高於第二過壓閾值Vw2以提供滯環。根據本實用新型的各種實施例，過壓保護電路103可包括能夠承受輸入電源Vin的高電壓，檢測高壓電晶體101兩端的電壓並根據檢測的電壓產生高壓電晶體101的柵極控制信號的合適電路。當高壓電晶體101兩端的電壓高於第一閾值電壓時，控制信號控制高壓電晶體101導通；當高壓電晶體兩端的電壓低於第二閾值電壓時，控制信號控制高壓·電晶體101關斷。圖2是根據本實用新型一實施例的包括高壓電晶體和集成的過壓保護電路的高壓器件的電路原理圖。在圖2所示的實施例中，過壓保護電路103包括過壓檢測電路202和過壓判斷電路204。過壓檢測電路202耦接於高壓電晶體101的漏極和源極之間。過壓檢測電路202監測高壓電晶體101的漏極電壓VD，並產生反映漏極電壓VD的第二電信號VI。第二電信號Vl被提供給過壓判斷電路204。在一個實施例中，過壓檢測電路202包括電阻分壓器，該電阻分壓器包括串聯耦接在高壓電晶體101漏極和源極之間的第一電阻器Rl和第二電阻器R2。第二電阻器R2兩端的電壓即為第二電信號VI。在一些實施例中，選擇阻值較大的第一電阻器Rl和第二電阻器R2來限制正常工作(S卩非過壓狀態)時自輸入電源Vin抽取的電流。在其它實施例中，高壓電晶體可被使用於過壓檢測電路202中，例如，可採用常態導通的高壓電晶體來代替第一電阻器R1。在一個實施例中，常態導通高壓電晶體包括結型場效應電晶體(JFET)或者耗盡型金屬半導體氧化物場效應電晶體(M0SFET)。如圖2所示，過壓判斷電路204耦接在輸入電源Vin和地GND之間。過壓判斷電路204接收第二電信號VI，並將第二電信號Vl同一個或者多個閾值電壓比較以輸出第一電信號VG至高壓電晶體101的柵極。在一個實施例中，過壓判斷電路204包括常態導通的高壓電晶體206，過壓判斷電路204由高壓電晶體101的漏極電壓VD來「自供電」，這樣不僅不需要另外的電源，而且當只有Vin供電(靜電釋放ESD)時，過壓保護電路204仍可工作。過壓判斷電路204還包括經過常態導通高壓電晶體206由輸入電源Vin供電的有源電路。在圖2所示的實施例中，有源電路包括第一常態導通低壓電晶體208，常態關斷低壓電晶體210和第二常態導通低壓電晶體212。在一個實施例中，常態導通高壓電晶體206包括高壓結型場效應電晶體(HVJFET)，第一常態導通低壓電晶體208包括低壓P溝道金屬半導體氧化物場效應電晶體(LVPM0S)，常態關斷低壓電晶體210包括低壓N溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體(LVNM0S)，第二常態導通低壓電晶體212包括低壓N溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體(LVNM0S)。[0032]在圖2所示的實施例中，常態導通的高壓電晶體206的漏極耦接至輸入電源Vin或者高壓電晶體101的漏極，柵極耦接至地，源極耦接至第一常態導通低壓電晶體208的源極以及第二常態導通低壓電晶體212的漏極以形成輸出節點2040。第一常態導通低壓電晶體208的柵極連接至地，漏極耦接至常態關斷低壓電晶體210的漏極和第二常態導通低壓電晶體212的柵極，這樣第一常態導通低壓電晶體208能夠為第二常態導通電晶體212的柵極提供基本連續的上拉電流(Pull-up current)。常態關斷低壓電晶體210的源極和第二常態導通低壓電晶體212的源極均連接至地GND。常態關斷低壓電晶體210的柵極耦接至電壓檢測電路202以接收第二電信號VI。輸出節點2040耦接至高壓電晶體101的柵極。在一個實施例中，常態關斷低壓電晶體210具有導通閾值電壓VTH。選擇電阻分壓器中第一電阻器Rl與第二電阻器R2的比值，使得在高壓電晶體101的漏極電壓VD高於目標過壓閾值時，第二電信號Vl基本上等於常態關斷低壓電晶體210的導通閾值電壓Vth。在高壓器件工作中，當第二電信號Vl大於第一常態關斷低壓電晶體210的閾值電壓Vth (即高壓電晶體101的漏極電壓VD大於目標過壓閾值)時，第一常態關斷低壓電晶體210被導通。這樣第二常態導通低壓電晶體212的柵極被拉低，第二常態導通低壓電晶體212被關 斷。隨著第二常態導通低壓電晶體212被關斷，輸入電源Vin通過常態導通高壓電晶體206提供電流為高壓電晶體101的柵極充電，直至第一電信號VG導通高壓電晶體101。然後處於導通狀態的高壓電晶體101促使來自輸入電源Vin的電流流向地，直到高壓電晶體101的漏極電壓VD下降至目標過壓閾值之下。當高壓電晶體101的漏極電壓VD下降至目標過壓閾值之下時，過壓檢測電路202的第二電信號Vl小於常態關斷低壓電晶體210的導通閾值電壓Vth，常態關斷低壓電晶體210關斷。因此，流過第一常態導通低壓電晶體208的電流為第二常態導通低壓電晶體212的柵極充電，再次導通第二常態常態導通低壓電晶體212。伴隨著第二常態導通低壓電晶體212的導通，高壓電晶體101的柵極被放電，第一電信號VG減小。當第一電信號VG足夠低時聞壓電晶體101關斷。圖2中的電路只給出單個過壓閾值Vth，然而，本實用新型的其他實施例可以包括另外的電路，以提供兩個不同的過壓閾值，即漏極電壓上升閾值和漏極電壓下降閾值，在這兩個閾值間存在滯環。在其他的實施例中，本實用新型的實施例電路包括用以提供三個、四個和/或其它合適數量過壓閾值的電路。在一個實施例中，為高壓電晶體101的柵極充電期間，柵極最大電壓通常受常態導通高壓電晶體206的夾斷電壓(即圖2中高壓JFET的夾斷電壓)限制。在一個實施例中，該最大電壓被箝位電路(例如耦接在輸出節點2040和地之間的齊納二極體，未畫出)箝位。在一個實施例中，高壓電晶體101包括位於該電晶體漂移區之上的螺旋聚合場板，螺旋聚合場板包括電阻器，該電阻器用於形成電壓檢測電路202中的電阻分壓器。在其它實施例中，高壓電晶體101還可包括其他合適的結構。根據本實用新型的一個實施例，高壓器件包括具有第一端、第二端以及控制端的高壓電晶體、用於監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷是否發生過壓的構件以及用於根據高壓電晶體兩端的電壓產生至高壓電晶體控制端的第一電信號的構件。當發生過壓時，第一電信號導通高壓電晶體；當沒有發生過壓時，第一電信號關斷高壓電晶體。在一個實施例中，當高壓電晶體導通時，高壓電晶體的電流從第一端流到第二端；當高壓電晶體關斷時，高壓電晶體中沒有電流。在一個實施例中，用於監測高壓電晶體電壓的構件包括分壓器，該分壓器用於產生表示高壓電晶體過壓狀態的第二電信號；用於產生第一電信號的構件包括用於將第二電信號與過壓閾值相比較以產生第一電信號的構件。當第二電信號高於過壓閾值時，第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號低於過壓閾值時，第一電信號關斷高壓電晶體。在其它實施例中，用於監測高壓電晶體電壓的構件和用於產生第一電信號的構件可分別包括其他合適的電路和/或結構。在一個實施例中，過壓閾值包括第一過壓閾值和第二過壓閾值。當第二電信號高於第一過壓閾值時，第一電信號導通高壓電晶體；當第二電信號低於第二過壓閾值時，第一電信號關斷高壓電晶體。在一個實施例中，產生第一電信號的構件進一步包括耦接至高壓電晶體第一端的常態導通高壓電晶體，其中常態導通高壓電晶體提供來自高壓電晶體第一端的電流以為產生第一電信號的構件供電。在一個實施例中，高壓電晶體包括N型或P型高壓電晶體。·上述本實用新型的說明書和實施僅僅以示例性的方式對本實用新型進行了說明，這些實施例不是完全詳盡的，並不用於限定本實用新型的範圍。對於公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選擇性實施例和對實施例中元件的等同變化可以被本技術領域的普通技術人員所了解。本實用新型所公開的實施例的其他變化和修改並不超出本實用新型的精神和保護範圍。
權利要求1.一種高壓器件，其特徵在於，包括 高壓電晶體，具有漏極、柵極和源極；以及 過壓保護電路，耦接在高壓電晶體的漏極和源極之間，監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷高壓電晶體是否過壓，並在檢測到過壓時提供第一電信號至高壓電晶體的柵極以導通聞壓電晶體。
2.如權利要求I所述的高壓器件，其特徵在於，其中過壓保護電路包括 電壓檢測電路，產生表示高壓電晶體兩端電壓的第二電信號； 過壓判斷電路，接收第二電信號，並將第二電信號和過壓閾值相比較以產生第一電信號，其中當第二電信號高於過壓閾值時，第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號低於過壓閾值時，第一電信號關斷高壓電晶體。
3.如權利要求2所述的高壓器件，其特徵在於，其中 過壓閾值包括第一過壓閾值和第二過壓閾值； 當第二電信號高於第一過壓閾值時，第一電信號導通高壓電晶體；以及 當第二電信號低於第二過壓閾值時，第一電信號關斷高壓電晶體。
4.如權利要求2所述的高壓器件，其特徵在於，其中過壓判斷電路包括 第一常態導通高壓電晶體，耦接至高壓電晶體的漏極，自高壓電晶體的漏極為過壓檢測電路提供供電電流。
5.如權利要求4所述的高壓器件，其特徵在於，其中過壓判斷電路進一步包括第一常態導通低壓電晶體，常態關斷低壓電晶體和第二常態導通低壓電晶體，每個電晶體均具有源極、漏極和柵極，其中 第一常態導通高壓電晶體的漏極耦接至高壓電晶體的漏極，柵極耦接至地，源極耦接至第一常態導通低壓電晶體的源極和第二常態導通低壓電晶體的漏極以形成輸出節點；第一常態導通低壓電晶體的柵極耦接至地，漏極耦接至常態關斷低壓電晶體的漏極和第二常態導通低壓電晶體的柵極； 常態關斷低壓電晶體的源極和第二常態導通低壓電晶體的源極均連接至地，常態關斷低壓電晶體的柵極耦接至電壓檢測電路以接收第二電信號；以及輸出節點耦接至高壓電晶體的柵極。
6.如權利要求5所述的高壓器件，其特徵在於，其中過壓判斷電路進一步包括 箝位電路，耦接在輸出節點和地之間，限制高壓電晶體的柵極電壓。
7.一種高壓器件，其特徵在於，包括 高壓電晶體，具有第一端，第二端和控制端；以及 用於監測高壓電晶體兩端的電壓以檢測是否發生過壓的構件； 用於根據高壓電晶體兩端電壓產生第一電信號至高壓電晶體控制端的構件，其中當過壓發生時，第一電信號導通高壓電晶體，當沒有發生過壓時，第一電信號關斷高壓電晶體。
8.如權利要求7所述的高壓器件，其特徵在於，其中 用於監測高壓電晶體兩端電壓的構件包括分壓器，該分壓器產生表示高壓電晶體兩端電壓的第二電信號；以及 用於產生第一電信號的構件包括 用於將第二電信號和過壓閾值相比較以產生第一電信號的構件，其中當第二電信號大於過壓閾值時第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號小於過壓閾值時第一電信號關斷聞壓電晶體。
9.如權利要求8所述的高壓器件，其特徵在於，其中過壓閾值包括第一過壓閾值和第二過壓閾值，當第二電信號大於第一過壓閾值時第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號小於第二過壓閾值時第一電信號關斷高壓電晶體。
專利摘要本實用新型公開了一種具有過壓保護功能的高壓器件，該高壓器件包括高壓電晶體，具有漏極、柵極和源極；以及過壓保護電路，耦接在高壓電晶體的漏極和源極之間，監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷高壓電晶體是否過壓，並在檢測到過壓時提供第一電信號至高壓電晶體的柵極以導通高壓電晶體。
文檔編號H03K17/08GK202696559SQ201220266548
公開日2013年1月23日 申請日期2012年6月7日 優先權日2011年6月16日
發明者唐納德·迪斯尼 申請人:成都芯源系統有限公司