CN101156243A - 具有温度传感装置的mosfet - Google Patents

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Abstract

一种晶体管(1)，具有集成在晶体管中的FET(2)和温度传感二极管(4)。栅极驱动电路(12)被设置成断开FET(2)，因而在这种情形下偏置电路(14)驱动恒电流流过二极管(4)。通过电压传感器(15)测量二极管(4)两端的电压，提供对FET温度值的测量。

Description

具有温度传感装置的MOSFET
技术领域
本发明涉及场效应晶体管(FET)，尤其涉及具有传感装置的FET。
背景技术
为保护器件或电路免出故障，场效应晶体管(FET)如金属氧化物半导体FET(MOSFET)可包含温度传感元件以检测温度波动。
可将这种温度传感元件集成在公共衬底以便更快速地检测MOSFET的波动。实事上可集成元件构成MOSFET。例如，US2003/0210507描述了一种MOS电路结构的温度传感器，实现成MOS晶体管的栅极，其中晶体管的栅极配置成具有栅极输入和栅极输出的两端网络，通过测量栅极两端的压降能够原位确定温度。
此外，使用半导体二极管作为热耦合的温度传感元件是已知技术。US-A-5,100,829描述一种包含衬底温度传感元件的MOSFET器件。通过在(栅极)介电区上构成PN结，可在仍与衬底电隔离的同时提高对衬底温度变化的热响应。
然而，这种附加的温度传感端会使MOSFET难以集成在现有的电路中。这种MOSFET需要附加电路。
发明内容
按照本发明的第一方面，提供一种晶体管电路，包括：
具有源极、栅极和漏极的场效应晶体管器件；
连接在FET的栅极和源极之间的温度传感二极管，二极管阴极与FET的栅极连接，二极管阳极与FET的源极连接；
当FET断开时，FET的栅极驱动电路被设置成对FET栅极施加负偏置；以及
当栅极驱动电路施加负偏置时，连接在各个FET的栅极和源极间的传感器用以测量表示FET温度的参数。
当FET处于断开条件时，栅极驱动电路可包括恒流源以形成流过二极管的正向电流。从而，传感器可包括电压传感装置以测量FET的与温度相关的栅极-源极电压，从而确定FET温度。
温度传感二极管可位于各个FET衬底的栅极键合焊盘区内部以最小化牺牲有源区的需要。
在一个实施例中，晶体管电路可包括具有连接在每个FET的栅极和源极之间的温度传感二极管的多个FET，二极管阴极与FET的栅极相连，同时二极管阳极与FET的源极相连，其中连接在各个FET的栅极和源极之间的传感器用以测量表示FET温度的参数，当FET断开时栅极驱动电路被设置成对各个FET栅极施加负偏置。
晶体管电路可进一步设置成FET并联以驱动电路负载，并且栅极驱动电路交替地断开各个FET。按照这种方式，在维持仍然导通的并联器件的总电流流过时，可“选通”(“strobed”)单个FET栅极驱动以便监控所有的FET温度。
本发明还涉及器件本身。按照本发明的第二方面，提供一种晶体管器件，包括：
在衬底上的具有源极、栅极和漏极的场效应；衬底第一主表面上的栅极键合焊盘；以及
在栅极键合焊盘下至少有一个温度传感二极管，该温度传感二极管被电连接在FET的栅极和源极之间，该温度传感二极管或各个温度传感二极管取向成二极管阴极连接到FET栅极且二极管阳极连接到FET源极。
通过在栅极键合焊盘下设置该二极管，尽管存在二极管，但仍可维持FET的有源区。
当二极管正向偏置时，二极管提供温度传感功能。在FET处于断开条件时，通过对FET栅极管脚施加负偏置，连接在FET的栅极和源极之间的传感器可测量表示FET温度的参数。
温度传感二极管可以是齐纳二极管。这也可以用作静电释放(ESD)保护元件，通过设置一个路径，将潜在损害的ESD电荷冲击从灵敏的FET器件转移离开。
栅极键合焊盘可以定位在与FET的有源区紧密热连接(thermallylink)的MOSFET区域中并紧密热接触(thermal contact)。结构的热惯性(thermal inertia)可实现快速响应。实现该功能的方法是在由FET围绕的第一主表面的区域提供栅极键合焊盘，以便于栅极键合焊盘与FET的所有侧面热连接。该区域还可以是FET运行时最热的区域，以便在最热的区域传感温度，从而提高快速检测过热的能力。
该器件可封装在具有栅极端、源极端和漏极端正好三端的管壳中。这种封装一般用于功率电路，因而按照现有的或新的设计不需要附加设计即可实现晶体管器件。
现有的具有温度传感功能的MOSFET器件除了需要标准MOSFET端子外，还需要单独的封装管脚。本发明提供了只有三个端子的具有温度传感功能的MOSFET器件，因而节省了成本。
按照本发明的第三方面，提供了一种监控FET温度的方法，该FET具有连接在FET的栅极和源极之间的温度传感二极管，二极管阴极被连接在FET的栅极，二极管阳极被连接在FET的源极，该方法包括：
a.控制FET的栅极以断开FET；
b.当FET断开时，对FET栅极施加负偏置；
c.当施加负偏置时，确定表示FET温度的参数值；
d.控制已断开的FET的栅极，再次导通FET。
该方法可能进一步包括确定FET温度是否高于预定的目标值，并且如果高于目标值，控制FET的栅极保持FET断开，直到FET温度降低到预定目标值。
在实施例中，可将多个FET设置成并联，并且控制FET栅极以交替地断开FET。此外，在维持总电流的同时，热量不均匀的器件可能“停止”(“rest”)。
目前，为了允许并联MOSFET之间的变化，必须包括额外的能力以允许最差的条件，这会导致需要额外的成本和空间。使用集成的温度传感特征以实现主动的(active)热平衡将会节省成本。这种主动耗散对于恒定的过热风险允许节省有源面积，对于恒定的有源面积则允许降低过热的风险。
附图说明
为了更好地理解本发明，只按照示例的方式，参考附图说明各实施例，其中：
图1显示按照本发明晶体管器件的第一实施例；
图2显示第一实施例中晶体管器件的侧视图；
图3显示第一实施例中晶体管器件的顶视图；
图4显示按照本发明的第二实施例电路的电路图；
图5显示按照本发明的第三实施例电路的电路图；
图6显示在图5中所显示电路的栅极驱动波形。
具体实施方式
参照图1-3，图1示意性地示出具有温度传感装置的晶体管器件。图2和3在顶视图和侧视图中显示半导体衬底。
场效应晶体管(FET)2晶体管区域被设置在半导体衬底3上，已知定义源极、栅极和漏极区域的场效应晶体管区域2。可使用任何适当的晶体管FET结构，包括水平结构和垂直结构。
齐纳二极管4电连接在FET 2的栅极和源极之间，二极管阴极与FET 2的栅极连接，同时二极管阳极与FET 2的源极连接，如图1所示。
虽然图中显示的是单个二极管4，但是可代替使用沿同一方向取向的串联的多个二极管。
在图2和图3中显示空间设置，其中在衬底3上的第一主表面7上提供栅极键合焊盘5和焊线9。为使牺牲有源区的需求最小化，温度传感齐纳二极管4在FET 2的栅极键合焊盘5下面。可按照传统的半导体工艺技术用多晶硅成形二极管4并与FET 2绝缘。由于二极管4要被连接在栅极和源极之间，栅极键合焊盘下的位置使二极管4的阴极易于连接栅极，并且源极金属层可形成阳极与源极的连接。
如图3所示，为了实现较好的热耦合，栅极键合焊盘位于由FET晶体管区域2围绕的第一主表面上的区域中。这样典型地，在栅极键合焊盘5下面的齐纳二极管4可与FET区域紧密热连接。
二极管结构也优选地有较低的热惯性。注意栅极键合焊盘不必在衬底3的中心。图3还显示了进一步的接触，例如FET晶体管区域的源极接触。
当齐纳二极管4处于正向偏置时可提供温度传感功能。当FET 2处于断开条件时，通过使恒定的正向电流流过齐纳二极管4，可测量连接在FET的栅极和源极之间的FET传感器的表示FET温度的参数。
此外，通过设置一个路径，将潜在损害的ESD电荷冲击转移离开敏感的FET区域，所以齐纳二极管4可用作静电释放(ESD)保护元件。
其中有栅极端6、源极端8和漏极端10正好三个端子的晶体管器件1可被封装在管壳11(图1中示意性地示出)中。通常使用这种三管脚封装，因而按照现有的或新的设计不需要附加设计即可实现晶体管器件。这对于大电流MOSFET尤其有利，因为这种技术也适用于大电流封装。
参考图4，显示根据本发明的电路实施例的电路图。
所述电路包括连接在控制器15和晶体管器件1中的栅极端6之间的栅极驱动电路12，以及连接在晶体管器件1中的栅极端6和源极端8之间的偏置电路14。然后，利用连接在栅极端6的电压传感器21实现所述电路。
所述电路可以被设置成低压或高压侧结构以驱动负载，这样，源极端8可以接地或不接地。在该实施例中，源极端8处在接地电位，电路按低压侧驱动结构运行。
如图1显示晶体管器件1，即，具有连接在FET 2中的栅极6和源极8之间的齐纳二极管4的FET 2，该二极管阴极与FET 2的栅极6连接，二极管阳极与FET 2的源极8连接。
栅极驱动电路12可在线路17上连接成从控制器15接收栅极驱动信号，并且包括通过电阻器22与栅极端6串联连接的并联二极管网络16、18、20。并联电路中的一个支路包括沿同一方向取向的两个二极管16、18(即，阳极-至-阴极)，以便这两个二极管使电流通过电阻22沿栅极端6的方向流动。另一支路中的二极管20沿与另一支路中的二极管16、18相反的方向取向。
偏置电路14包括被设置成对FET栅极施加负偏置并使正向电流流过温度传感齐纳二极管4的恒电流源24和恒电压源26。当FET 2断开时，该电路开始运行。
可通过其中包含电压传感器21的控制器15控制偏置电路14和栅极驱动电路12。替代地，偏置电路14可持久地运行，但栅极驱动电路将被设置成支配电路控制小电流用于温度传感。
对于给定电流，半导体二极管的正向电压取决于二极管的温度。这样，当FET 2断开时，栅极-源极电压将是电流24流经其中的二极管的栅极源极正向电压。该电压取决于温度。通过在栅极端6传感电压，传感器21可因此测量表示FET温度的参数。
在使用中，通过栅极驱动电路12使用所述控制器可保持FET 2。有时控制器的栅极驱动会断开FET 2。通过二极管4传送恒电流可导通偏置电路14。通过提供FET 2温度测量的电压传感器21传感所述二极管两端的电压。
测量温度后，可进行判断，如果适当，可复位来自控制器15中的栅极驱动，并恢复正常运行。
图5显示根据本发明的电路实现的替代实施例。晶体管电路包括两个晶体管器件1、30，每个晶体管分别具有温度传感二极管4、34，温度传感二极管连接在相应的栅极6、36和源极8、38之间，二极管的阴极与FET的栅极连接，同时二极管的阳极与FET的源极连接。晶体管器件1、30被设置成并联以驱动电路负载40，并且传感器21被连接在每一个晶体管器件1、30的栅极端6、36，以测量表示每一个FET 2、32温度的参数。
根据驱动电路负载40所需要的结构，源极端8、38可以接地或不接地。在示出的情形中，源极端8、38被设置成接地，FET作为低压侧电路运行驱动负载40。
相应的晶体管器件1、30的偏置电路14a和14b分别与图2中的设置一致。类似地，驱动电路12a和12b连接成在线路17a、17b上分别从控制器15接收各自的第一和第二栅极驱动波形42、44，具有与图4中的栅极驱动电路12相同的设置。因此，在该图中未详细显示驱动电路12a、12b和偏置电路14a、14b。
图6显示作为时间的函数，第1晶体管1的在线路17a上的第1栅极驱动波形42和第2晶体管30的在线路17b上的第2栅极驱动波形44。可以看到，图5的栅极驱动电路12a、12b的输出交替地断开FET 2、32。当FET断开时，可通过相应的传感器21(图5)测量其温度。
通过设置栅极驱动电路交替地断开FET 2、32，可在维持通过负载的总电流的同时，监控FET 2、32的温度。
进一步地，如果确定FET 2、32中任意一个的温度超过预定目标值，那么将控制相应的FET 2、32栅极端6、36，保持FET 2、32断开，直到其温度降低到预定目标值。这样，在使用其它器件维持电路中流过的总电流的同时，热量不均匀的器件可以“停止”(“rested”)。
虽然图5只显示并联的2个FET，但本发明适用于并联运行的更多个FET。
本发明不限于上述的实施例，本领域的技术人员将能够在保持本发明的教授的同时做出许多变更。
图5中的实施例将负载连接成使得所述电路用作低压侧器件。然而本领域的技术人员应认识到所述电路同样适用于按高压侧驱动结构驱动负载。
通过阅读本文的公开内容，本领域的技术人员将明显可知其他变化和变更。这种变化和变更可包含在本领域中已知的等同和其它特征，并可用于代替或附加于在此描述的特征。
虽然附加的权利要求针对特定的特征组合，但是应理解，无论是否涉及与任何权利要求中所主张相同的发明，以及无论是否能够象本发明一样缓和相同技术问题的任何或所有问题，本发明的公开范围还包括在此明示或暗示公开的任何新特征或特征的新组合，或其任何概括。
在独立的实施例的上下文中描述的特征也可以与单个实施例结合提供。相反，在单个实施例的上下文中简要描述的各种特征也可以独立地或按任何合适的子组合的形式提供。申请人特此提请注意，在本申请或由此进行的任何进一步的申请审查期间，对于这些特征和/或这些特征的组合可以提出新的权利要求。

Claims (11)

1.一种晶体管器件(1)，包括：
衬底(3)上的具有源极、栅极和漏极的场效应晶体管(FET)(2)；
衬底第一主表面(7)上的栅极键合焊盘(5)；以及
栅极键合焊盘(5)下面的至少一个温度传感二极管(4)，所述温度传感二极管(4)电连接在FET(2)的栅极和源极之间，该温度传感二极管(4)或每一个温度传感二极管(4)取向成二极管阴极与FET的栅极连接和二极管阳极与FET的源极连接。
2.根据权利要求1的晶体管器件，其中所述温度传感二极管(4)是齐纳二极管。
3.根据权利要求1或2的晶体管器件，其中栅极键合焊盘(5)位于由FET(2)围绕的第一主表面(7)的区域内。
4.一种晶体管电路，包括：
晶体管器件(1)，包含具有源极、栅极和漏极的场效应晶体管(FET)(2)和连接在FET的栅极和源极之间的温度传感二极管(4)，二极管(4)阴极与FET的栅极连接，二极管阳极与FET的源极连接；
偏置电路(14)，被设置成当FET(2)断开时对FET栅极施加负偏置；以及
连接在FET(2)的栅极和源极之间的传感器(21)，测量表示FET(2)的温度的参数。
5.根据权利要求4的晶体管电路，其中栅极驱动电路(12)包括恒电流源，并且传感器是电压传感器。
6.根据权利要求4或5的晶体管电路，其中温度传感二极管(4)在FET(2)的栅极键合焊盘(5)下面。
7.根据权利要求4至6中任一项的晶体管电路，包括；
多个器件(1，30)，分别具有连接在各自的FET(2)的栅极和源极之间的温度传感二极管(4)，二极管阴极与FET(2)的栅极连接，二极管阳极与FET(2)的源极连接；
与每一个FET的栅极连接的传感器(21)，测量表示FET温度的参数；
其中偏置电路(14)被设置成当各自的FET断开时对各个FET栅极施加负偏置。
8.根据权利要求7的晶体管电路，其中FET(2)被设置成并联驱动电路负载(40)，栅极驱动电路(12)被设置成交替地断开FET。
9.一种监控FET(2)温度的方法，该FET(2)具有连接在FET的栅极和源极之间的温度传感二极管(4)，二极管阴极与FET的栅极连接，并且二极管阳极与FET的源极连接，该方法包括以下步骤：
a.控制FET栅极以断开FET(2)；
b.当FET断开时，对FET栅极(6)施加负偏置；
c.确定表示FET(2)温度的参数值；
d.控制已断开的FET的栅极，再次导通FET。
10.根据权利要求9的方法，进一步包括以下步骤：
e.从所述参数的值确定FET的温度是否高于预定目标值，然后控制已断开的FET的栅极以保持FET断开，直到所述温度降低至预定目标值。
11.根据权利要求9或10的方法，其中多个FET被设置成并联驱动连接在源极和漏极之间的电路负载，每一个FET具有连接在栅极和源极之间的温度传感二极管，二极管阴极与FET的栅极连接，二极管阳极与FET的源极连接，其中包括以下步骤：
a1.控制FET栅极，交替地断开多个FET。
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