CN100499332C - 形成自选通晶体管的方法以及用于其的结构 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，自选通晶体管包括感测部分，其产生用于驱动该自选通晶体管的感测信号。

Description

形成自选通晶体管的方法以及用于其的结构

在先申请的参考

本发明已经于2004年3月31日在美国提交专利申请，申请号为10/813501。

发明背景

本发明通常涉及电子技术，并更具体地涉及形成半导体器件和结构的方法。

过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成同步整流器。在2001年8月7日授予Alan Ball的美国专利US6271712中公开了一种同步整流器的一个范例，其被包括在此引作参考。如在Alan Ball的专利中所示，现有的同步整流器典型地包括驱动功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的比较器。比较器的一个输入与该MOSFET的漏极耦合，以感测该MOSFET的源漏极之间的电压，并且当漏极电压低于源极电压值时，使能该MOSFET，这将接通MOSFET的寄生二极管。当被使能时，MOSFET对来自电感的电流进行MOSFET放电。然而为了断开MOSFET，源漏极之间的电压必须大于零电压。这就导致上晶体管与同步整流器都同时被使能，并且增加了同步整流器的功率耗散。另外，因为比较器的输入端与MOSFET的漏极耦合，所以可以对漏极施加的最大电压受到比较器输入端的击穿电压的限制。

相应地，希望有一种器件，当源漏极之间的电压不大于零电压时其断开，并且其具有高的击穿电压。

附图说明

图1示意性地描述了根据本发明的自选通晶体管实施例的一部分，以及利用该自选通晶体管的系统；

图2示意性地描述了根据本发明的自选通晶体管的替换实施例的一部分，以及另一系统；

图3示意性地描述了利用根据本发明的自选通晶体管的系统的另一实施例的一部分；

图4示意性地描述了根据本发明的自选通晶体管的另一替换实施例的一部分，以及另一系统；

图5示意性地描述了使用根据本发明的自选通晶体管的系统的另一可选实施例的一部分；和

图6示意性地描述了包括根据本发明的自选通晶体管的半导体器件的放大平面图。

为了说明的简明和清楚，附图中的元件不必要标定，并且不同附图中相同的附图标记表示相同的元件。另外，为了简化说明，省去了对所熟知的步骤和元件的说明和详情。如在此处所使用的，载流电极表示携带电流通过该器件的器件元件，诸如MOS晶体管的源极或漏极、或双极晶体管的发射极或集电极，并且控制电极表示控制通过器件的电流的器件元件，诸如MOS晶体管的栅极、或双极晶体管的基极。虽然在此处器件被解释为某种N通道或P通道器件，但是本领域的普通技术人员会理解的是，根据本发明也可以采用互补器件。

具体实施方式

图1示意性的描述了自选通晶体管25的实施例的一部分，自选通晶体管作为功率控制系统10中的同步整流器被连接。其它组件典型地被外部连接到晶体管25，以为系统10提供功能。例如，上输出晶体管16、能量存储电感17、能量存储电容18、脉冲宽度调制(PWM)控制器19、和电压调节器21被外部地连接到晶体管25。但是在某些实施例中，调节器21可以形成为晶体管25的一部分。描述电感17、电容18、晶体管16以及控制器19，以帮助解释晶体管25的操作。系统10接收整体(bulk)电压输入端11与整体电压归路(return)12之间的整体电压，并形成电压输出端13与归路14之间的输出电压。施加在输入端11与归路12之间的整体电压可以大至几百伏，或者小至几伏。调节器21接收整体电压，并产生在晶体管25的电压输入端26上接收，以便操作晶体管25的内部电路的工作电压。在输入端26上所接收到的调节器21的输出电压典型地基本是直流电压，然而该电压可以是交流电压。为了提供基本上稳定的直流电压，调节器21可以形成为线性调节器或非线性调节器，诸如PWM调节器。在任何一种情况中，输入端26与源极28之间可能必须连接电容15，以提供能量存储。当使用非线性调节器时，为了在没有可用的供电电压期间提供工作电压，需要电容15。典型地，调节器21提供由晶体管25在输入端26上接收的基本直流电压。在优选实施例中，调节器21是线性电压调节器，以提供基本上是直流的电压。线性调节器是本领域所熟知的，并且可以在Marty Brown的“Power Supply Cookbook”，Sectiontwo，Butterworth-Heinemann，1994的第二部中找到一个范例。调节器21产生足够的电压和电流，以向比较器42提供电源。调节器21典型地提供大约5伏至10伏(5-10v)的电压和大约2至20毫安(2-20ma)的电流。控制器19操作晶体管16，以调节输出端13与归路14之间的输出电压值。典型地，控制器19如图中虚线所示接收，表示输出电压值的反馈电压。在2002年10月15日授予Clarkin等人的美国专利US6465993中公开了这种PWM控制器的一个范例，其被包括在此引作参考。

所形成的自选通晶体管25包括比较器42、晶体管31、可选偏置电压或偏置46以及可选的保护电路37。所形成的晶体管31包括主晶体管部分或主晶体管33和感测部分或感测晶体管32。晶体管31也包括通过晶体管33的寄生二极管形成的二极管34，和通过晶体管32的寄生二极管形成的二极管35。典型地，晶体管31由多个晶体管单元形成，这些晶体管单元相互连接以形成可以具有大负载电流和低导通电阻的大晶体管。少数单元的源极与其余单元的源极分开，并与单独的外部终端连接，以形成晶体管32。晶体管32和33的漏极以及晶体管32和33的栅极通常共用。当负载电流24流过晶体管25时，主电流30就流过晶体管33。电流24产生流经通过晶体管32的感测电流29，以提供表示电流24的感测信号。通过晶体管32的大小与晶体管33的大小之比确定电流29的值。典型地，该比值在500至1000比1(500-1000:1)之间。这种晶体管是本领域所熟知的，并且通常称为SENSEFET晶体管。SENSEFET是Schaumburg，Illinois的Motorola公司的商标。在1985年11月12日授予Robert Wrathall的美国专利US4553084中公开了SENSEFET晶体管的一个范例，其被包括在此引作参考。如此后进一步可以看到，根据通过晶体管25的电流24的极性使能或无效晶体管25。比较器42检测该极性，并响应性地使能或无效晶体管31，从而使能或无效晶体管25。

晶体管31的漏极与晶体管25的第一终端或漏极27连接，并且晶体管31的源极与晶体管25的第二终端或源极28连接。晶体管31的源极36与比较器42的反相输入端44连接。比较器42的非反相输入端43与源极28连接，从而与晶体管31的源极连接。可选偏置46表示可选的负偏置电压，其可以形成在比较器42的外部，或者形成为非反相输入端43的内部偏置。可替换地，可以为比较器42的反相输入端形成正偏置。当偏置46被包括在比较器42的输入端43的外部时，偏置46具有与源极28连接的正终端和与非反相输入端43连接的负终端。在某些实施例中也可以省去偏置46。可选保护电路37可以用来箝位施加到源极36和施加到输入端44的电压，以防止毁坏比较器42或晶体管32。电路37通常包括极性反向连接的第一保护二极管38和第二保护二极管39。二极管38的阳极和二极管39的阴极共同连接到源极28，并且二极管39的阳极和二极管38的阴极连接到源极36。在某些实施例中，可以通过电阻40替代二极管38和39。

在优选实施例中，偏置46形成为比较器42的输入端43内的内部偏置。偏置电压的值典型地在大约0至10毫伏(0-10mV)之间变化，并优选地大约为5毫伏。优选地，使用电路37，并且其包括二极管38和39，以保护晶体管25。当晶体管16被使能时，漏极27被拉到基本上等于输入端11上整体电压的电压。通过晶体管31的漏极接收漏极27上的高压，晶体管31响应性地将二极管34和35反偏压到非导通状态。如果这是系统10的初始启动，瞬变过程或许已经能够启动晶体管31，并且主电流30流经晶体管33到达源极28和归路12。电流30产生流经晶体管32的感测电流29。比较器42接收作为感测信号的电流29，并响应性地驱动输出端45为低电平。由于比较器42具有高的输入阻抗，少量的电流29足以形成使输出端45为低电平的正电压。这种电压通常不足以正向偏压二极管39。晶体管31接收输出端45上的低电平，并响应性地使得晶体管32和33无效，以使得晶体管31和晶体管25无效。晶体管16保持使能，并且电流流经晶体管16和电感17，以对电容18充电。于是，比较器42检测电流30的正向流动，并响应性地使得晶体管25无效。

当晶体管16截止时，漏极27被驱动到低于归路12的电压的电压，于是被驱动到低于源极28上的电压的电压。随着漏极27上的电压变得低于二极管34和35的正向压降，二极管34和35响应性地被正向偏压，并且电流开始从归路12通过源极28并通过二极管34到达漏极27。漏极27上的负压也正向偏压二极管38，并且电流从源极28通过二极管38和35到达漏极27。输入端44接收某些电流作为感测信号。感测信号的电流在输入端44形成比输入端43上的电压更负的电压，并且输出端45变为高电平。由于高输入阻抗，少量的电流就足以形成输入端44的电压。输出端45上的高电平使能晶体管32和33，并且晶体管25响应性地导通，并且通过晶体管31向归路12释放存储在电感17中的能量。于是，比较器42检测电流30的反向流动，并响应性地使能晶体管25。晶体管31的导通电阻较小，从而晶体管33上的压降低于晶体管34的正向压降。晶体管31上的低压降使得晶体管34和35无效，并且降低了源极28和漏极27之间的晶体管25上的压降，从而降低了晶体管25中的功率消耗。

当晶体管16再次导通开始对电感17充电时，漏极27被拉到输入端11上的整体电压。由于晶体管31被使能，所以当晶体管16开始将漏极27拉到高电平时，电流30开始流经晶体管31到达源极28。如本领域所熟知的，在由来自控制器19的栅极驱动所确定的时间周期上出现晶体管16的导通。当电流30开始反向流经通过晶体管33时，感测电流29改变方向，并流经通过晶体管32，以形成用于晶体管25的正感测信号。少量的电流29足以形成输入端44的电压。因为偏置46的负电压确保输入端43相对于源极28是负的，所以少量的电流29足以形成大于输入端43的输入端44上的电压。在输入端44上接收到的正电压形成使输出端45变为低电平的感测信号。输出端45上的低电平使得晶体管32和33无效，从而使得晶体管31和25无效。于是比较器42检测到电流的正向流动，并响应性地将晶体管25无效。因为偏置46，在来自晶体管16的电流能够使电流30由从源极28流出或反向流动转换为流入源极28或正向流动之前，比较器42开始将晶体管25无效。典型地，由于偏置46的负电压，在电流30达到零之前，施加低电平信号以开始使晶体管25无效。晶体管25被完全无效的点出现在电流达到零之后，并且取决于偏置46的负电压以及电流波形的di/dt。在变号点之前施加低电平信号以便开始使晶体管25无效使从晶体管16流经晶体管25到达归路12的电流最小，从而使功率耗散最小。在变号点之前使晶体管25无效也使电流正在变换时输出端13上的振荡最小化。可以看到，晶体管25可以制造成具有输入端26、漏极27和源极28的引脚的三引脚封装。

在不包括二极管38和39的替换实施例中，操作相同。然而，由于高的di/dt和寄生电感，可能在切换转换期间，在输入端44上出现峰值。没有来自二极管38和39的任何箝位则不能够防止输入端44和源极36出现这种电压瞬变。没有来自二极管38和39的任何箝位，电流会进入输入端44或从其中出来，并且使其切换。输入端44上看到的电压会是晶体管32可以产生的最大电压。当晶体管32被使能时，电压非常小，并且当晶体管32被无效时，电压可以为几伏。在使用电阻40替代二极管38和39的另一替换实施例中，一部分电流29流经电阻40，并形成由输入端44接收的正电压。

图2示意性地描述了自选通晶体管51的实施例的一部分，其中自选通晶体管51是在图1的说明中所解释的晶体管25的替换实施例。晶体管51作为功率控制系统50中的同步整流器被连接，其中功率控制系统50是在图1的说明中所解释的系统10的替换实施例。晶体管51被形成为包括电压调节器21以及晶体管25。调节器21优选地产生用于操作晶体管25的基本为直流的电压。调节器21接收电压输入端52上的电压。施加到输入端52上的电压可以是交流电压或基本上是直流电压，只要该电压值大于调节器21的输出端所提供的电压。

图3示意性地描述了两个自选通晶体管65的实施例的一部分，两个自选通晶体管65被连接用作替换功率控制系统60中的一对O形环二极管。晶体管65是在图2的说明中所解释的晶体管51的替换实施例。系统60包括一对独立电压源61和66、两个自选通晶体管65和69、工作电压源63、以及输出端62。源63向晶体管65和68提供电压，用于操作晶体管65和68。源63的电压可以从源61或66或从其它地方得到。晶体管65和68分别包括电压调节器64，其在晶体管65和68的内部提供用于操作晶体管65和68的基本上是直流的电压。在优选实施例中，调节器64是线性调节器。在某些实施例中，调节器64可以在晶体管65和68的外部。电压源61和66通常并行连接，以在其中一个源61或66发生故障的情况下提供冗余功率源。负载典型地连接在输出端62与电压源61和66的归路或地线之间，以接收输出电压和负载电流。

电压源61与晶体管65的源极28连接，源66与晶体管68的源极28连接，以向其提供电压。当电压源61和66开启时，输出端62上的负载将输出端62和漏极27拉到低于源极28上电压的低电平。这使得其中一个源61或66提供通过二极管34和通过二极管38和35到输出端62和负载的电流。典型地，处理过程的变化使得晶体管65和68在各自的二极管34上具有不同的正向压降。相应地，具有最小压降的一个第一个被使能导通电流，并相应地使能晶体管31。晶体管65和68中的另一个晶体管典型地不会被使能。通过相关二极管38的电流形成二极管38上的压降以及对应的感测信号，作为比较器42的输入端43到输入端44的正向电压。输入端44和43接收该正向电压，并且比较器42响应性地使得输出端45成为高电平，以使能晶体管31并将二极管34和35短路。晶体管31的低导通阻抗减少了源极28和漏极27之间的电压降，从而减少了晶体管65的功率耗散。

如果晶体管65和68中被使能的晶体管失效或其它故障允许漏极27再次变到低电平，则晶体管65和68中的另一晶体管就使能各自的二极管34和38和35，并相应地使能对应的晶体管31。

图4示意性地描述了自选通晶体管56的实施例的一部分，其中自选通晶体管56是在图2的说明中所解释的晶体管51的替换实施例。晶体管56作为功率控制系统55中的同步整流器被连接，其中功率控制系统55是在图2的说明中所解释的系统50的替换实施例。晶体管56被形成为包括电压调节器57，电压调节器57从漏极27接收输入电压。调节器57使用漏极27上的电压按照要求对电容59充电，以形成用于操作晶体管25的电压。调节器57典型地被形成为偏压供电电路。这种调节器是本领域技术人员所熟知的。

图5示意性地描述了供电电源系统80的实施例的一部分，其利用晶体管25作为同步整流器。系统80是图1中所述系统10的替换实施例。

图6示意性地描述的放大平面图为形成在半导体芯片(semiconductor die)71上的半导体器件70的实施例的一部分。芯片71上形成有晶体管25或替换的晶体管51或56或65。芯片71也可以包括其它电路，为了简化附图，其在图4中未示出。通过本领域技术人员所熟知的半导体制造技术在芯片71上形成晶体管25或51或56或65以及器件70。

根据上述全部，显然公开了已知全新的器件和方法。在其它特征中包括使用具有感测部分的晶体管以提供用于使能晶体管的感测信号。使用感测晶体管部分来提供感测信号有利于在高电压应用中使用自选通晶体管。使用反向比较器偏置有利于在流经晶体管的电流改变极性之前使自选通晶体管无效，从而将功率耗散最小并减少了输出中的振荡。

虽然参照具体的优选实施例描述了本发明，但是显然半导体领域技术人员清楚许多替换和变化。例如，可以使用与电阻串连的功率FET替代晶体管32，其中在电阻上产生该感测信号。

Claims (10)

1、一种形成自选通晶体管的方法，包括：

耦合晶体管以形成表示通过所述自选通晶体管的电流的感测信号；和

耦合比较器以接收所述感测信号，并响应于流过所述晶体管的正电流而使所述晶体管无效，并响应于流过所述晶体管的负电流而使能所述晶体管。

2、根据权利要求1的方法，其中耦合晶体管以形成表示通过所述自选通晶体管的电流的感测信号包括，形成具有主晶体管部分和作为感测部分的感测晶体管的晶体管，并且还包括将所述主晶体管部分与所述感测部分耦合，其中所述感测部分可操作地形成表示通过所述自选通晶体管的电流的感测信号。

3、根据权利要求2的方法，其中将所述主晶体管部分与所述感测部分耦合包括，将所述感测晶体管的漏极与所述主晶体管部分的漏极、以及与所述自选通晶体管的漏极耦合，并且也包括将所述感测晶体管的栅极与所述主晶体管部分的栅极、以及与所述自选通晶体管的栅极耦合。

4、根据权利要求1的方法，其中耦合比较器以接收所述感测信号包括，耦合所述比较器的非反相输入端，以接收负偏置电压。

5、一种操作自选通晶体管的方法，包括：

提供具有主晶体管部分和感测部分的MOS晶体管，并且还包括将所述主晶体管部分与所述感测部分耦合，其中所述感测部分可操作地形成表示通过所述主晶体管部分的第一电流的第一感测信号；

配置所述自选通晶体管以检测所述第一感测信号并作为响应而使所述自选通晶体管无效；

配置所述自选通晶体管以引导第二电流通过所述感测部分作为第二感测信号，其中所述第二电流流动的方向与所述第一电流相反；和

配置所述自选通晶体管以检测所述第二感测信号并作为响应而使能所述自选通晶体管。

6、根据权利要求5的方法，其中配置所述自选通晶体管以检测所述第一感测信号并作为响应而使所述自选通晶体管无效包括，耦合比较器的输入端以接收所述第一感测信号。

7、一种自选通晶体管，包括：

晶体管，具有主晶体管部分和感测部分，其中所述感测部分与所述主晶体管部分耦合，以形成表示通过所述自选通晶体管的电流的感测信号，所述主晶体管部分具有第一栅极；和

控制电路，被耦合以接收所述感测信号并驱动所述第一栅极，从而响应于所述感测信号的第一极性而使能所述晶体管，并响应于所述感测信号的相反极性而使所述晶体管无效。

8、根据权利要求7的自选通晶体管，其中所述控制电流包括比较器，所述比较器具有被耦合来接收所述感测信号的反相输入端。

9、根据权利要求8的自选通晶体管，其中所述比较器具有非反相输入端，所述非反相输入端与所述自选通晶体管的源极耦合，并且所述比较器的非反相输入端具有负偏置电压。

10、根据权利要求7的自选通晶体管，其中所述自选通晶体管被形成在具有不超过4个引脚的封装中。

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