CN101453157B - 具有阻止反向电流功能的高边功率mosfet开关管组 - Google Patents

具有阻止反向电流功能的高边功率mosfet开关管组 Download PDF

Info

Publication number
CN101453157B
CN101453157B CN 200710196045 CN200710196045A CN101453157B CN 101453157 B CN101453157 B CN 101453157B CN 200710196045 CN200710196045 CN 200710196045 CN 200710196045 A CN200710196045 A CN 200710196045A CN 101453157 B CN101453157 B CN 101453157B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mosfet
power mosfet
tube
power
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN 200710196045
Other languages
English (en)
Other versions
CN101453157A (zh
Inventor
杨志江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Original Assignee
Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd filed Critical Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority to CN 200710196045 priority Critical patent/CN101453157B/zh
Publication of CN101453157A publication Critical patent/CN101453157A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101453157B publication Critical patent/CN101453157B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

一种具有阻止反向电流结构的高边功率MOSFET开关管组，包括第一功率MOSFET管，输入电压端，输出电压端，栅极驱动端，该开关管组进一步包括：第二功率MOSFET管，其中所述第一功率MOSFET管的栅极和所述第二功率MOSFET管的栅极连接，所述第一功率MOSFET管的衬底和所述第二功率MOSFET管的衬底连接，所述第二功率MOSFET管源极与衬底连接，所述第一功率MOSFET管源极与所述第二功率MOSFET管漏极连接。

Description

具有阻止反向电流功能的高边功率MOSFET开关管组
技术领域
本发明涉及一种高边功率MOSFET开关管组，特别涉及具有阻止反向电流功能的高边功率MOSFET开关管组。
背景技术
在电池充电器芯片或USB功率分布式开关的电路设计中，在开关器件关断的情况下，由于源极和衬底之间的体二极管被短接，所以当输出Vout大于Vin时，存在由Vout端通过高边功率管回流至Vin端的反向电流的问题，反向电流将造成充电器漏电、输入电源损坏等情况，因此需要采取措施防止反向电流。对于未采取防止措施的高边功率MOSFET开关管，如图1所示，为降低衬底的偏置效应、降低高边功率管的导通电阻，MOSFET的源极和衬底相连。在这种情况下，当Vout＞Vin时，将会有反向电流从Vout通过衬底和漏极之间的体二极管回流至Vin。
针对上述情况，如图2所示，一种公知的阻止反向电流的方式是将衬底和地相接，因而，源极和衬底之间的体二极管将阻止反向电流，但衬底和地相接在正常工作时衬底具有体偏置效应，从而提高了MOSFET管的阈值电压，极大地影响了USB功率分布式开关或充电器芯片的关键参数即导通电阻Ron的增大，降低了电压转换器件的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可阻止反向电流的功率MOSFET开关管组，该开关管组可有效阻止反向电流，并且克服了衬底在正常工作状态下的体偏置效应，从而降低了MOSFET管的阈值电压，减小了导通电阻，最终提高了电压转换器件的效率。
为了达到上述发明目的，本发明为一种可阻止反向电流的功率MOSFET开关管组，包括第一功率MOSFET管，输入电压端，输出电压端，栅极驱动端，该开关管组进一步包括：第二功率MOSFET管，其中所述第一功率MOSFET管的栅极和所述第二功率MOSFET管的栅极连接，所述第一功率MOSFET管的衬底和所述第二功率MOSFET管的衬底连接，所述第二功率MOSFET管源极与衬底连接，所述第一功率MOSFET管源极与所述第二功率MOSFET管漏极连接。
如本发明的优选实施例所述的开关管组，所述第一功率MOSFET管和第二功率MOSFET管为N型MOSFET管，所述输入电压端与第一功率N型MOSFET管漏极连接；所述输出电压端与第一功率N型MOSFET管源极连接。
如本发明的优选实施例所述的开关管组，其特征在于，所述第一功率MOSFET管和第二功率MOSFET管为P型MOSFET管，所述输入电压端与第一功率P型MOSFET管源极连接；所述输出电压端与第一功率P型MOSFET管漏极连接。
如本发明的优选实施例所述的开关管组，其特征在于，所述第一功率MOSFET管包括一个或一个以上并联的第一MOSFET单元，所述第二功率MOSFET管包括一个或一个以上并联的第二MOSFET单元。
如本发明的优选实施例所述的开关管组，其特征在于，所有所述第一MOSFET单元和所述第二MOSFET单元的栅极受同一栅极驱动信号控制。
如本发明的优选实施例所述的开关管组，其特征在于，每个所述第二MOSFET单元的源极与衬底连接，每个所述第二MOSFET单元的漏极作为相邻的第一MOSFET单元的源极。
如本发明的优选实施例所述的开关管组，其特征在于，所述第一MOSFET单元的源极与漏极在不同第一MOSFET单元之间复用。
如本发明的优选实施例所述的开关管组，其特征在于，所有所述第一MOSFET单元和所述第二MOSFET单元共用衬底。
附图说明
图1是现有技术中单高边功率MOSFET开关管；
图2是现有技术中衬底接地的具有反向电流阻止功能的高边功率MOSFET开关管；
图3是根据本发明具体实施例的具有阻止反向电流功能的高边功率N型MOSFET开关管组；
图4是根据本发明具体实施例的具有阻止反向电流功能的高边功率P型MOSFET开关管组；
图5是根据本发明具体实施例的具有反向电流阻止功能的功率MOSFET开关管组的版图结构示意图。
具体实施方式
图3是本发明的一个典型的实施例，该实施例为具有反向电流阻止功能的高边功率N型MOSFET开关管组3，开关管组3包括了一个功率N型MOSFET管31和一个功率N型MOSFET管32。N型MOSFET管31的栅极和N型MOSFET管32的栅极相连，N型MOSFET管31的衬底和N型MOSFET管32的源极相连。该功率开关管组3接收一输入电压Vin，Vin端与N型MOSFET管31的漏极相连。功率开关管组3具有一输出电压Vout端，Vout端与N型MOSFET管31源极和N型MOSFET管32漏极相连。
N型MOSFET管31和N型MOSFET管32自身具有体二极管。N型MOSFET管31具有体二极管301和体二极管302，其中衬底为P极，源极漏极端为N极。N型MOSFET管32的衬底和源极相接，因此从衬底到源极的体二极管被短接不发挥作用，留下体二极管303发挥作用，同样的，衬底为P极，漏极端为N极。
正常工作时，栅极电平置高，Vin＞Vout，N型MOSFET管31导通，电流从Vin直接流向Vout。此时，由于N型MOSFET管32同样具有较高的栅极电压，因此形成反型沟道，但由于无电流通路，其源极电压为Vout，即N型MOSFET管31的衬底电压为Vout，因此N型MOSFET管31正常工作时无体偏置效应，具有低的阈值电压和导通电阻Ron，高边功率开关管的特性较好。
当栅极电压小于开通电压，高边功率开关管组3关断，且Vout＞Vin时，N型MOSFET管31和N型MOSFET管32不形成沟道，且PN结形成的体二极管302、体二极管303反向偏置，电流通路被阻断。因此，具有阻止反向电流的能力。
图4是本发明的具有反向电流阻止功能的P型MOSFET开关管组构成的高边功率开关管组4实施例，开关管组4包括了一个功率P型MOSFET管41和一个功率P型MOSFET管42。P型MOSFET管41的栅极和P型MOSFET管42的栅极相连，P型MOSFET管41的衬底和P型MOSFET管42的衬底及源极相连，功率P型MOSFET管41的源极与功率P型MOSFET管42的漏极相连。该功率开关管组4接收一输入电压Vin，Vin端与P型MOSFET管41的源极相连。功率开关管组4具有一输出电压Vout端，Vout端与P型MOSFET管41的漏极相连。
P型MOSFET管41和P型MOSFET管42自身具有体二极管。P型MOSFET管41具有体二极管401和体二极管402，其中衬底作为N极，源极漏极端作为P极。P型MOSFET管42的衬底和源极相接，因此从源极到衬底的体二极管被短接不发挥作用，留下体二极管403发挥作用，同样的，衬底作为N极，漏极作为P极。
正常工作时，栅极电平置低，Vin＞Vout，，此时P型MOSFET管41导通，电流从Vin直接流向Vout。此时，P型MOSFET管42栅极电压为低，其衬底反型成沟道，由于无电流通路，源极电压为Vin，即P型MOSFET管41的衬底电压为Vin，因此P型MOSFET管41正常工作时无体偏置效应，具有低的阈值电压和导通电阻Ron，高边功率开关管的特性较好。
当栅极电压高于开通电压，高边功率开关管组4关断，且Vout＞Vin时，P型MOSFET管41和P型MOSFET管42不形成沟道，且PN结形成的体二极管401、体二极管403反向偏置，电流通路被阻断。因此，具有阻止反向电流的能力。
高边功率N型MOSFET开关管组可用于USB功率分布式开关电路或电池充电器芯片电路。
图5为图3、图4中具有阻止反向电流功能的高边功率N型MOSFET管组3和高边功率P型MOSFET管组4的制作版示意图。
如图5所示，其上方为高边功率MOSFET管组的版图平面图，下方的为其对应的截面结构图。由于图3中的第一功率NMOSFET管31和第二功率NMOSFET管32都为NMOS管，且衬底电压相同，因此高边功率MOSFET管组的制作可共用衬底，简化了制作结构。同理，图4中的第一功率PMOSFET管41和第二功率PMOSFET管42为同一类型的PMOS管，可共用衬底。
在一个半导体基底上，可以制作一个具有阻止反向电流功能的功率管组，也可以制作多个功率管组。每个功率管组中的第一功率MOSFET管51和第二功率MOSFET管共用同一衬底。鉴于将多个MOSFET单元并联形成的功率管可以有效提高电流负载能力，因此功率管组中的第一功率MOSFET管51由至少一个第一MOSFET单元并联组成，第二功率MOSFET管也由至少一个第一MOSFET单元并联组成。
每个第二MOSFET单元的源极502需要与衬底501相连，因此每个功率管组由如图5所示的多组结构相同的重复子结构如子结构A、子结构B等组成。子结构A、子结构B等每个子结构包括衬底、一个第二MOSFET单元和至少一个第一MOSFET单元，每个子结构中的第一MOSFET单元数与第二MOSFET单元数的比率根据版图的布线规则确定，因比率大时，衬底电阻将造成高衬底偏置效应，因此比率根据低衬底偏置效应原则由衬底材料属性决定的版图布线规则确定。子结构A、子结构B等不同子结构中的第一MOSFET单元数目可以相等，也可以不等。
下面将针对图3中的高边功率N型MOSFET管组3并根据图5所示的版图结构示意图，介绍高边功率N型MOSFET的制作及构造。如图5所示，子结构A中，500为P型掺杂的衬底，501区为P+型掺杂的衬底阱电位接触区，502、503、504、505等所有漏极区源极区为N型掺杂。其中502作为第二N型MOSFET单元521的源极区、503作为第二N型MOSFET单元521的漏极区，502、503与两区之间的栅极区531形成第二N型MOSFET单元521。503同时也作为第一N型MOSFET单元的源极区与漏极区504、栅极区532形成第一N型MOSFET单元511。通过503区复用为第二N型MOSFET单元521漏极区和第一N型MOSFET单元511源极区的方式，将第一功率N型MOSFET管的源极和第二功率N型MOSFET管的漏极连接起来。
子结构中的第一N型MOSFET单元可多于一个，如图5所示，漏极区504、栅极区533与源极区505形成另一个第一N型MOSFET单元512。子结构中第一N型MOSFET单元可多于二个，如图5所示，在第一N型MOSFET单元512后省略了若干个第一N型MOSFET单元，其结构与第一N型MOSFET单元511、512相同，呈漏极源极区复用的重复结构排列。第二N型MOSFET单元的源极502与衬底501由连接导体541相连，由此实现了第二功率N型MOFET管源极和衬底的相连。
子结构B与子结构A具有相同的组成，包括由至少一个第一N型MOSFET单元和第二N型MOSFET单元522及衬底，其中第二N型MOSFET单元522的源极通过连接导体542与衬底相连，且子结构B中的第一N型MOSFET单元数可以和子结构A中的第一N型MOSFET单元数相同或不同。由子结构A中的511、512等所有第一N型MOSFET单元和子结构B及其他重复子结构中的所有第一N型MOSFET单元通过并联共同组成第一功率N型MOSFET管51，并联的方式为所有第一N型MOSFET单元栅极相连形成第一功率N型MOSFET管栅极接收相同栅极驱动信号的控制、所有第一N型MOSFET单元源极相连形成第一功率N型MOSFET管源极、所有第一N型MOSFET单元漏极相连形成第一功率N型MOSFET管漏极。第一N型MOSFET并联的方式增大了电流载荷能力，提高了驱动力。
同时，子结构A中的第二N型MOSFET单元521、子结构B中的第二N型MOSFET单元522及其他重复子结构中的第二N型MOSFET单元的栅极相连接受与第一功率N型MOSFET管栅极相同的栅极驱动信号控制。需要提出的是，在另外一种实施方式中，503、504、505等掺杂区可不和相邻N型MOSFET单元复用，如501、502、503、504、505从左往右依次为衬底接触区、一第二N型MOSFET单元源极区、该第二N型MOSFET单元漏极区、第一N型MOSFET单元源极区、该第一N型MOSFET单元漏极区。
相似的，针对图4中的P型MOSFET管组4的版图结构只需将衬底掺杂为N型、漏极源极区掺杂为P型，其它结构与上述N型MOSFET型高边功率管组3的版图结构一致。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种具有阻止反向电流结构高边功率MOSFET开关管组，包括第一功率MOSFET管、输入电压端、输出电压端和栅极驱动端，其特征在于，所述开关管组进一步包括：
第二功率MOSFET管，其中所述第一功率MOSFET管的栅极和所述第二功率MOSFET管的栅极连接，所述第一功率MOSFET管的衬底和所述第二功率MOSFET管的衬底连接，所述第二功率MOSFET管的源极与衬底连接，所述第一功率MOSFET管的源极与所述第二功率MOSFET管的漏极连接，所述第一功率MOSFET管导通时，所述第二功率MOSFET管形成反型沟道。
2.如权利要求1所述的开关管组，其特征在于，所述第一功率MOSFET管和第二功率MOSFET管为N型MOSFET管，所述输入电压端与所述第一功率MOSFET管的漏极连接；所述输出电压端与所述第一功率MOSFET管的源极连接。
3.如权利要求1所述的开关管组，其特征在于，所述第一功率MOSFET管和第二功率MOSFET管为P型MOSFET管，所述输入电压端与所述第一功率MOSFET管的源极连接；所述输出电压端与所述第一功率MOSFET管的漏极连接。
4.如权利要求1到3任一所述的开关管组，其特征在于，所述第一功率MOSFET管包括一个或一个以上并联的第一MOSFET单元，所述第二功率MOSFET管包括一个或一个以上并联的第二MOSFET单元。
5.如权利要求4所述的开关管组，其特征在于，所有所述第一MOSFET单元和所述第二MOSFET单元的栅极受同一栅极驱动信号控制。
6.如权利要求4所述的开关管组，其特征在于，每个所述第二MOSFET单元的源极与衬底连接，每个所述第二MOSFET单元的漏极作为相邻的第一MOSFET单元的源极。
7.如权利要求4所述的开关管组，其特征在于，所述第一MOSFET单元的源极与漏极在不同第一MOSFET单元之间复用。
8.如权利要求4所述的开关管组，其特征在于，所有所述第一MOSFET单元和所述第二MOSFET单元共用衬底。
CN 200710196045 2007-11-30 2007-11-30 具有阻止反向电流功能的高边功率mosfet开关管组 Active CN101453157B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200710196045 CN101453157B (zh) 2007-11-30 2007-11-30 具有阻止反向电流功能的高边功率mosfet开关管组

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200710196045 CN101453157B (zh) 2007-11-30 2007-11-30 具有阻止反向电流功能的高边功率mosfet开关管组

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101453157A CN101453157A (zh) 2009-06-10
CN101453157B true CN101453157B (zh) 2012-12-19

Family

ID=40735228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 200710196045 Active CN101453157B (zh) 2007-11-30 2007-11-30 具有阻止反向电流功能的高边功率mosfet开关管组

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101453157B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102684167B (zh) * 2012-05-18 2016-03-16 杭州科岛微电子有限公司 电源掉电反冲保护电路
CN103545896B (zh) 2013-11-07 2015-09-30 成都芯源系统有限公司 一种双向开关电路、移动电源电路及其控制方法
CN107437933A (zh) * 2016-05-27 2017-12-05 电信科学技术研究院 一种高端负载开关电路及ic
CN106803755B (zh) * 2016-12-23 2020-04-28 长沙景美集成电路设计有限公司 一种用于负压应用的新型高稳定隔离开关电路
CN113572136B (zh) 2021-08-13 2022-05-17 无锡市晶源微电子有限公司 用于pmos管的反向电流抑制电路

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5422591A (en) * 1994-01-03 1995-06-06 Sgs-Thomson Microelectronics, Inc. Output driver circuit with body bias control for multiple power supply operation
CN1267406A (zh) * 1997-06-20 2000-09-20 英特尔公司 正向本体偏置晶体管电路
CN1726588A (zh) * 2002-12-20 2006-01-25 前进应用科学股份有限公司 N沟道上拉元件和逻辑电路

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5422591A (en) * 1994-01-03 1995-06-06 Sgs-Thomson Microelectronics, Inc. Output driver circuit with body bias control for multiple power supply operation
CN1267406A (zh) * 1997-06-20 2000-09-20 英特尔公司 正向本体偏置晶体管电路
CN1726588A (zh) * 2002-12-20 2006-01-25 前进应用科学股份有限公司 N沟道上拉元件和逻辑电路

Also Published As

Publication number Publication date
CN101453157A (zh) 2009-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100392027B1 (ko) 반도체 집적 회로
JP3816935B2 (ja) バッテリ切離しスイッチ及びバッテリ切離しスイッチシステム
KR100835282B1 (ko) 정전기 방전 보호 장치
CN101453157B (zh) 具有阻止反向电流功能的高边功率mosfet开关管组
CN1652331B (zh) 用于静电放电保护的器件及其电路
CN100481697C (zh) 共源共栅的整流器
CN100490151C (zh) 用于cmos静电放电保护的可控硅结构
CN101494239B (zh) 一种高速igbt
JP5047653B2 (ja) 半導体装置
CN102800702A (zh) 半导体器件及包括该半导体器件的集成电路
JP4995873B2 (ja) 半導体装置及び電源回路
CN103579224A (zh) Esd保护
JP2012009694A (ja) 電力用半導体装置
US20120001240A1 (en) Junction field effect transistor structure
CN101308797A (zh) 横向dmos器件及其制造方法
CN101521203B (zh) 一种半导体横向器件和高压器件
CN101751061B (zh) 高压电压稳定器
CN1202734A (zh) 静电泄放保护电路
CN101682324A (zh) 半导体装置
CN1178040A (zh) 在半导体芯片上用于转换高电压的mos电路装置
CN100592518C (zh) 一种半导体器件
CN110085583A (zh) 半导体器件和操作方法
CN102970017A (zh) 一种单向导通电路
CN102332900B (zh) 一种固体继电器
CN108417622A (zh) Igbt器件

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant