CN101069347A - Mosfet器件及其相关操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MOSFET器件(10)，其具有体二极管结构(22)并提供有偏置装置，该偏置装置用于在体二极管结构(22)的反向恢复期间提供选择性施加到MOSFET(12)栅极的偏置电压，以便减小与体二极管结构(22)有关的反向恢复瞬态信号，偏置装置包括设置在器件(10)的栅极路径中的二极管器件(16)。

Description

MOSFET器件及其相关操作方法

技术领域

本发明涉及MOSFET器件及其相关操作方法。

背景技术

MOSFET的固有特性包括通常称为体二极管的半导体p-n二极管结。已知诸如MOSFET体二极管的半导体p-n结二极管在导通p-n结上的电压反转时显示出不理想的反向恢复特性。

由于这种电压的反转，先前通过结的正向电流衰减并在稳定在小恒定反转值之前瞬间反转。

这种瞬间反转并随后稳定在小恒定反转值通称反向恢复过程，且在此过程期间储存在p-n结中的电荷输送回结外部的电路。随后的稳定速率决定反向恢复的“柔软性(softness)”。由于低稳定速率产生较小的突变瞬态并因此产生较低的电磁干扰，因此低稳定速率是有益的。

在操作时，发现在其操作中的特殊阶段对导电电流特别采用体二极管。

反向恢复电流随时间改变的特性决定了周围电路中的电流和电压瞬态响应。并且，在反向恢复期间可以流动的反向电流的幅度导致功率损失和由此的低效率。

而且，电流和电压相对快速的改变包括代表电磁噪声发生的电位源的瞬态。因此，可以认为功率损失和产生噪声的不利由于这种反向恢复而提高。

发明内容

本发明寻求提供一种MOSFET器件和其相关操作方法，其具有超越已知这种器件和操作方法的优点。

根据本发明的一个方面，提供一种MOSFET器件，其具有体二极管结构并包括偏置装置，该偏置装置用于在体二极管结构的反向恢复期间提供选择性地施加到MOSFET栅极的偏置电压，以便减小与体二极管结构有关的反向恢复瞬态信号。偏置装置以阻抗形式提供，特别是二极管器件，设置在器件的栅极路径中。

由于通过在体二极管反向恢复周期期间施加到MOSFET栅极的偏置电压的这种控制，本发明的特殊优点在于证明了可以提高MOSFET内体二极管的特性并因此减小或消除了上述不利。

特别提高了体二极管的反向恢复特性。

特别地，根据本发明施加栅极偏置电压以便提高与体二极管反向恢复相关的瞬态电流和电压的明显“快速(snappiness)”并因此用于减小电噪声的产生。

优选地，布置偏置装置以便所述偏置装置的电平不超过无需长时间周期的栅-源阈值电压。采用源电位和栅-源阈值电压之间范围内的栅电压值认为是特别有益的。

所述偏置装置有利地用于接收来自器件漏-栅电容的电流且其用于改进所述偏置装置上的所述偏置电压。

进一步有利地选择偏置装置以便在正常操作期间MOSFET需要的转换过程期间对栅极电流的上升不存在任何显著限制。

有利的是偏置装置可以集成布置在MOSFET结构中。

一个特别有利的实施例采用多个结二极管形式的偏置装置，有利的是，其可以构成并联二极管的串联链。

而且，二极管将经历随温度的改变，其与MOSFET栅源阈值电压将随温度改变并由此提供器件热特性的自调节的方式相一致。

作为可选的，阻抗可以提供为电阻器-二极管的组合。

根据本发明的另一方面，提供一种操作具有体二极管结构的MOSFET器件的方法，包括步骤：在体二极管结构的反向恢复期间选择性地施加偏置电压到MOSFET的栅极，以便减小与体二极管结构相关的反向恢复瞬态信号。阻抗，特别是二极管器件，设置在器件的栅极路径内并可以用于接收来自器件漏-栅电容的电流，且其用于改进所述阻抗上的所述偏置电压。

再者，由于通过在体二极管反向恢复周期期间施加到MOSFET栅极的偏置电压的这种控制，本发明的特殊优点在于证明了可以提高MOSFET内体二极管的特性并因此有利地减小或消除了上述不利。

如前所述，除了与该方法相关的以外，偏置装置可以用于限制所述偏置电压的电平和持续时间。采用源电位和栅-源阈值电压之间范围内的栅电压值认为是特别有益的。

附图说明

通过仅参考附图的示例在下文中进一步描述本发明，其中：

图1是根据本发明通常实施例的MOSFET器件的示意性电路图；

图2是本发明MOSFET器件的一个特别实施例的示意性电路图；

图3a和3b分别包括由没有和具有反向恢复增强的功率MOSFET获得的实验轨迹。

具体实施方式

首先转到图1，以示意形式说明了采用本发明的MOSFET器件10的电路图。

在MOSFET器件10的图示中，示出了具有栅极的MOSFET 12，该栅极用于通过根据本发明提供的栅极阻抗16来接收栅极驱动信号14。

并且示出了工作电源20和电源20与MOSFET 12漏极之间的联合负载18。

对于所有MOSFET来说，存在漏-栅电容，其在图1中用电容器24表示并且在MOSFET 12中存在上述体二极管结构22。

已知当负载18为电抗性(reactive)时，体二极管电流将在一定条件下流动。

根据本发明，提出在体二极管22内的反向恢复期间选择性地将偏置电压施加到MOSFET 12的栅极，以便提高其特性。

产生所需偏置电压的一个特别有利的方式是通过图1所示的阻抗16。

阻抗16位于到MOSFET 12的器件栅极路径内。

当体二极管22的电流达到零且其由此变成反相偏置时，正向电压出现在MOSFET 12的漏极上。这产生了通过漏-栅电容器24的电流，其用于产生栅极阻抗16上的相应电压。由于阻抗16上的电压正在上升而上升的上升栅电位用于有效地使体二极管内上升的反向恢复瞬态柔和(soften)起来。

为了优选MOSFET 12内的特性必须仔细选择栅极阻抗16的性质。理论上，栅极电压不能停止在大于所必须的电压的周期阈值电平附近的电压处以提高反向恢复瞬态或者基本沟道电流可以流动。这会导致不必要的功率损失。

优选地，发现在反向恢复过程期间将偏置电压以源电位和栅-源阈值电压电平之间某处的电平提供到栅极是特别有益的。

使用栅极阻抗16以在MOSFET 12的栅极处提供所需偏置电压的又一优点在于，由于从漏-栅电容24流到栅极阻抗16中的电流是电容耦合性质的固有瞬态，因此出现在栅极阻抗16上栅极电压的最终增大是类似的瞬态。

因此在体二极管22内的反向恢复期间选择性施加所述偏置栅极电压在某种意义上可以自动实现。而且由于MOSFET 12内沟道的形成将提供用于阻止引起栅极偏压的电压随时间改变速率的漏-源电流，因此还在器件内发生了自限制。

当然，为了在MOSFET开关过程期间保持正常操作，电流必须能够在栅极驱动14和MOSFET 12的栅极之间自由流动，以便控制MOSFET 12沟道的导通。因此如果保持器件的开关速度能力，在MOSFET开关过程期间栅极阻抗16必须不存在对栅极电流的显著限制。

本发明确定，实现图1所示的合适的栅极阻抗16有各种方式并提供所需的功能性。

图2示出了一个特别实施例，其中相同的特征表示为与图1内所用的相同参考数字。

如图所示，栅极阻抗16包括串联连接的并联二极管链，图中示出了两个26、28。每个二极管将存在良好的规定正向电压降且因此特性也以与MOSFET栅-源阈值电压将改变的相同方式随温度而改变。

由此，在本发明的本实施例中，与热效应有关的自调节的程度有利地提高了。

二极管链26、28可以集成到MOSFET结构中。

半导体内集成二极管链26、28的一个特别优点在于互连电感可以最小化且MOSFET 12和二极管26、28之间的热跟踪将非常接近。

当然，作为可选的，可以提供二极管的不同构造且栅极阻抗可以包括半导体内的集成电阻器，有利地其可以由多晶硅或电阻器-二极管的组合来形成。

继续参考图2，参考n沟道MOSFET来描述MOSFET 12内本发明的操作和通过栅极阻抗16的控制。在n沟道MOSFET中，栅-源电压用于控制与栅氧化物邻接的p型半导体材料中空穴的分布。应理解，栅-源电压的电位越正，越多的空穴被推离栅氧化物以致电子由此聚集在该区域中。

根据本发明通过小的正栅极偏置，电子开始沿栅氧化物和半导体之间的界面聚集，但是这种电子不能聚集足够的数量来形成显著的沟道。

当器件的体二极管22运行时，小的正栅极偏置易于减小可用于空穴和电子在p-n结处复合的区域面积。

然后，当耗尽区因体二极管结22上的偏置极性反转而形成时漏-源电容24变成有效的。

根据本发明施加到栅极的小的正偏置的整体效果在于限制了漏-源电容器改变的速率并因此还限制了器件上的电压和通过器件的电流随时间改变的速率。这由此用于限制随之发生的电磁噪声的产生。

现在转到图3a和3b，示出了由Philips(Generation 4)功率MOSFET获得的两个实验轨迹。在每个轨迹中示出了电源电压、漏电流和漏极电压的变化。

图3a示出了没有本发明的反向恢复增强时的最终轨迹，而图3b示出了应用本发明的有利效果。

在不减小器件中的dI/dt的情况下，反向恢复电流“下冲(undershoot)”以及最小电压过冲和“振铃(ringing)”的稳定时间的明显延长示出了该技术的益处。

本发明发现准备并有利地使用用于控制所谓的第三象限效应的装置以便增强反向恢复性能。

更详细的，如果MOSFET的栅极电压保持在阈值电平以下的小的正电压处而其在反方向上导通，即，具有正向导通的体二极管，则其建立了由于“第三象限”(Q3)效应而减少反向恢复电荷的条件。由于它减小了反向恢复电流并因此减小了功率损失所以这是有利的。

如果该小的正栅极偏置电压可以保持到MOSFET体二极管中电流的极性处于反转，即恢复，的点处的点，则第一象限(Q1)中随后电流的量级可以减小到与二极管导通相关的非常小的反向恢复电流这么小的程度。重要的是，正栅极偏置应当在适当时间减小以避免Q1沟道电流可能导致在MOSFET正向偏置条件内的贯通(shootthrough)。定时是保证所有条件下最佳操作的关键。

如上所述的MOSFET结构内二极管结构与固有MOSFET漏-栅电容的结合在体二极管反向恢复dI/dt反转的瞬间产生了自动定时的并有限的栅极电压脉冲。这具有允许小的受控瞬时沟道电流的效果，其实际限制了漏电压dV/dt和过冲并由此减小了“栅回弹(gatebounce)”。

如本领域技术人员意识到的，可以对所述实施例进行各种改变和修改，并且本发明可以以不同形式来利用。例如，偏置二极管器件可以在MOSFET芯片外部或集成到MOSFET芯片内，或者实际上在MOSFET驱动器内。

总之，应意识到，反向恢复瞬态的改善很大程度上不依赖体二极管电流和电源电压。由于可以实现与栅极相对短的物理连接并可以由硅表面上的部分金属化来形成，因此认为使用集成多晶硅二极管是特别有益的因素。结果，集成二极管将显示出非常低的电感。并且，这种装置将不需要其他导线键合垫。

Claims (17)

1、一种MOSFET器件(10)，其具有体二极管结构(22)并包括偏置装置，该偏置装置用于在体二极管结构(22)的反向恢复期间提供选择性施加到MOSFET(12)栅极的偏置电压，以便减小与体二极管结构(22)有关的反向恢复瞬态信号，偏置装置包括设置在器件的栅极路径中的二极管器件(16)。

2、如权利要求1所要求的器件，其中布置该偏置装置以便所述偏置电压的电平不超过栅-源阈值电压。

3、如权利要求1或2所要求的器件，其中所述二极管器件(16)包括多个结二极管(26、28)。

4、如权利要求3所要求的器件，其中多个结二极管(26、)28被构成为并联结二极管的链。

5、如权利要求1-4任一项或多项所要求的器件，其中该偏置装置包括电阻器-二极管的组合。

6、如权利要求1-4任一项或多项所要求的器件，其中该二极管器件(16)包括集成的多晶硅二极管。

7、如权利要求1至6任一项或多项所要求的器件，其中布置该偏置装置以便所述偏置电压的电平在源电位和栅-源阈值电压之间的范围内。

8、如权利要求1至7任一项或多项所要求的器件，其中该偏置装置用于接收来自该器件(10)内漏-栅电容(24)的电流以改进该偏置装置上的所述偏置电压。

9、如权利要求8所要求的器件，其中该漏-栅电容(24)包括MOSFET器件的固有漏-栅电容。

10、如权利要求1-9任一项或多项所要求的器件，其中该偏置装置集成到该MOSFET结构中。

11、一种操作具有体二极管结构(22)的MOSFET器件(10)的方法，包括步骤：在体二极管结构(22)的反向恢复期间选择性地施加偏置电压到MOSFET(12)的栅极，以便减小与体二极管结构(22)相关的反向恢复瞬态信号，通过设置在器件的栅极路径中的二极管器件(16)来改进该偏置电压。

12、如权利要求11所要求的方法，包括将所述偏置电压限制到MOSFET器件(10)的栅-源阈值电压以下的值的步骤。

13、如权利要求12所要求的方法，包括将所述偏置电压限制到MOSFET器件(10)的源电位和栅-源阈值电压之间范围内的步骤。

14、如权利要求11至13任一项或多项所要求的方法，包括接收来自该器件(10)的漏-栅电容(24)的电流，以便改进该二极管器件(16)上的所述偏置电压。

15、如权利要求14所要求的方法，其中所述电流是来自MOSFET器件的固有漏-栅电容。

16、如权利要求11至15任一项或多项所要求的方法，包括改进多个结二极管(26、28)上的偏置电压的步骤。

17、如权利要求11至16任一项或多项所要求的方法，包括改进二极管电阻器组合上的所述偏置电压的步骤。

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