CN101751061A - 高压电压稳定器及高压本征nmos管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压电压稳定器，包括一限流电阻、一钳位电路，限流电阻、钳位电路串接在外部电源同地之间，还包括一高压本征NMOS管，源极接内部电路，漏极接外部电端，栅极接限流电阻和钳位电路。本发明还公开了一种高压本征NMOS管，栅极氧化层靠近源极N+的部分是薄栅氧化层，栅极氧化层靠近漏极N+的部分是厚栅氧化层，在漏极N+及所述厚栅氧化层下生成有高压N阱，所述高压N阱完全包络所述厚栅氧化层及漏极N+，所述高压N阱区的掺杂浓度比P衬底区小，所述栅极多晶硅要部分覆盖所述厚栅氧化层。本发明的高压电压稳定器，结构简单，驱动能力大且功耗低。

Description

高压电压稳定器及高压本征NMOS管
技术领域
本发明涉及半导体技术，特别涉及一种高压电压稳定器及高压本征NMOS管。
背景技术
目前使用的高压稳压电路通常有两种解决方案，一种是使用高压PMOS和高压NMOS做的电压调整电路，由于高压PMOS和高压NMOS制造工艺复杂，成本高，所以使用高压PMOS和高压NMOS做的电压调整电路会明显增加制作成本；另一种是使用通用的电压钳位电路，如图1所示，外部电源VDD经一限流电阻接一钳位电路，电压钳位电路输出电压VOUT则等于外部电源电压VDD减去内部电路负载电流与限流电阻R的乘积，所以随着负载电流的增大，其输出电压VOUT会相应减小，为了满足较大的负载电流的需求，限流电阻R只能取较小的阻值；而另一方面，对于较高的外部电源电压VDD的输入，较小阻值的限流电阻R必然会带来较大的功耗，因此常见电压钳位电路不能同时拥有较大的电流驱动能力和较小的功耗，驱动能力有限，并且驱动能力增大的同时功耗会迅速增大。
现有本征NMOS如图2所示，在栅氧化层下的沟道是未进行离子注入的P衬底硅，本征NMOS制作成本低，但栅极、源极和漏极都不能承受高压，阈值电压取值在-0.3V到0.3V之间，一般只能用在低压电路中。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种高压电压稳定器，结构简单，驱动能力大且功耗低。
为解决上述技术问题，本发明的高压电压稳定器，包括一限流电阻、一钳位电路，所述限流电阻、钳位电路串接在外部电源同地之间，其特征在于，还包括一高压本征NMOS管，所述高压本征NMOS管的源极作为高压电压稳定器的输出端接内部电路，漏极连接到外部电源端，栅极接所述限流电阻和钳位电路。
所述钳位电路可以包括一PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、一PNP管，外部电源端通过限流电阻连接到所述PMOS管源极和衬底，所述PMOS的栅极和漏极连接到所述第一NMOS的栅极和漏极，所述第一NMOS的源极连接到所述第二NMOS的栅极和漏极，所述第二NMOS管的源极连接到所述PNP管的发射极，所述PNP管的基极和集电极都接地，所述高压本征NMOS管的栅极接所述PMOS管源极和衬底，所述第一NMOS管、第二NMOS管和高压本征NMOS管的衬底都接地。
所述限流电阻为多晶硅电阻。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种高压本征NMOS管，包括P衬底、源极N+、栅极氧化层、栅极多晶硅、漏极N+，其特征在于，栅极氧化层靠近源极N+的部分是薄栅氧化层，栅极氧化层靠近漏极N+的部分则是比靠近源极N+部分的薄栅氧化层厚度厚的厚栅氧化层，在漏极N+及所述厚栅氧化层下生成有高压N阱，所述高压N阱完全包络所述厚栅氧化层及漏极N+，所述高压N阱区的掺杂浓度比P衬底区小，所述栅极多晶硅要部分覆盖所述厚栅氧化层。
本发明的高压电压稳定器，采用高压本征NMOS管的源端作为稳压器的输出，接到内部电路作为电源，高压本征NMOS处于导通状态时，等效电阻非常小，所以可以忽略内部电路负载电流在高压本征NMOS上产生的电压降，输出电压VOUT就等于钳位电压VCLAMP减去高压本征NMOS的阈值电压Vth，受负载电流的影响很小，因此拥有强大的电流驱动能力。同时，电压钳位电路输出电压VOUT等于VCLAMP减去高压本征NMOS的阈值电压Vth，几乎不受限流电阻影响，所以本发明高压稳定器在拥有强大的电流驱动能力时，限流电阻的阻值可以取较大，所以对于较高的外部电源电压的输入的要求，本发明高压稳定器功耗相比于常见电压嵌位电路就小得多。
本发明的高压本征NMOS管，在漏极N+区增加了高压N阱，高压N阱区的掺杂浓度比P衬底区小，当一正电压施加于漏极时，高压N阱/P衬底结被反向偏压，大部分的耗尽区宽度将跨过高压N阱区，所以高压N阱的掺杂浓度和宽度决定了漏极的支撑电压远远大于现有的本征NMOS。由于N阱较宽并且掺杂浓度低，所以漏极的支撑电压高，大大提高了源漏的击穿电压。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是通用的电压钳位电路示意图；
图2是现有本征NMOS管结构示意图；
图3是本发明的高压本征NMOS管结构示意图；
图4是本发明的高压电压稳定器一实施方式电路图；
图5是本发明的高压电压稳定器一实施方式的VCLAMP-VDD特性曲线图。
具体实施方式
本发明的高压电压稳定器一实施方式如图4所示，包括由一多晶硅电阻、一PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、一PNP管和一高压本征NMOS(HV Native NMOS)管。外部电源端通过多晶硅电阻连接到所述PMOS管源极和衬底，所述PMOS的栅极和漏极连接到所述第一NMOS的栅极和漏极，所述第一NMOS的源极连接到所述第二NMOS的栅极和漏极，所述第二NMOS管的源极连接到所述PNP管的发射极，所述PNP管的基极和集电极都接地，所述高压本征NMOS管的漏极连接到外部电源端、源极作为高压电压稳定器的输出端接内部电路、栅极接所述PMOS管源极和衬底，第一NMOS管、第二NMOS管和高压本征NMOS管的衬底都接地。
由于所述PMOS、第一NMOS、第二NMOS和PNP管都采用了二极管连接方式，其工作特性等效于四个二极管串联，作为钳位电路；所述多晶硅电阻作为限流电阻。
首先定义外部电源输入的电压为VDD(0V＜VDD＜Vtol，Vtol为电路正常工作的最高电压)，所述高压本征NMOS栅极电压为VCLAMP，所述PMOS、第一NMOS、第二NMOS和PNP管的阈值电压之和为Vsum，内部电路器件所能承受的最大电压为Vmax。
在电源电压VDD从0V逐渐增大的过程中，当VDD低于所述PMOS、第一NMOS、第二NMOS和PNP管的阈值电压之和Vsum时，所述PMOS、第一NMOS、第二NMOS和PNP管处于截止状态，电压VCLAMP等于外部电源电压VDD；当VDD等于所述PMOS、第一NMOS、第二NMOS和PNP管的阈值电压之和Vsum时，所述PMOS、第一NMOS、第二NMOS和PNP管开始导通，此时电流从外部电源通过所述多晶硅电阻、PMOS、第一NMOS、第二NMOS和PNP管的到地，VCLAMP等于所述PMOS、第一NMOS、第二NMOS和PNP管的阈值电压之和Vsum；当VDD大于所述PMOS、第一NMOS、第二NMOS和PNP管的阈值电压之和Vsum时，由于所述PMOS、第一NMOS、第二NMOS和PNP管等效于四个正向导通的二极管，起到电压钳位作用，所以VCLAMP随VDD的增大而缓慢增大，在电路要求的工作电压范围内，VCLMAP不能超过内部电路器件所能承受的最大电压Vmax。VCLAMP的电压特性如图5所示，当VDD低于设定大小的转换电压Vsum，VCLAMP电压会等于VDD，起跟随作用；如果VDD大于等于Vsum，则VCLAMP会近似等于Vsum，起到稳压作用，在VDD不超过电路正常工作的最高电压VTOL时，VCLAMP随VDD的增大而缓慢增大。
本发明的高压电压稳定器，采用高压本征NMOS管的源端作为稳压器的输出，接到内部电路作为电源，当本发明的高压电压稳定器工作在Vsum＜VDD＜Vtol时，高压本征NMOS处于导通状态，等效电阻非常小，所以可以忽略内部电路负载电流在高压本征NMOS上产生的电压降，输出电压VOUT就等于VCLAMP减去高压本征NMOS的阈值电压Vth，受负载电流的影响很小，因此拥有强大的电流驱动能力。
同时，电压钳位电路输出电压VOUT等于VCLAMP减去高压本征NMOS的阈值电压Vth，几乎不受限流电阻影响，所以本发明高压稳定器在拥有强大的电流驱动能力时，限流电阻的阻值可以取较大的阻值，所以对于较高的外部电源电压的输入的要求，本发明高压稳定器功耗相比于常见电压嵌位电路就小得多。
作为一实施例，多晶硅电阻的阻值可以选定在20K～50K欧姆之间，选用阻值为40K欧姆，高压本征NMOS管源端与漏端之间的击穿电压大于28V，阈值电压Vth取值在-0.3V到0.3V之间，这样当VDD＜28V时，VCLAMP不会高于6.5V，高压电压稳定器的输出电压VOUT等于VCLAMP减去高压本征NMOS的阈值电压Vth。
高压本征NMOS管具有较常规本征NMOS管高的源漏击穿电压，其源漏击穿电压远大于内部电路器件所能承受的最大电压。本发明提供的一种的高压本征NMOS管的结构如图3所示：包括P衬底、源极N+、栅极氧化层、栅极多晶硅、漏极N+；栅极氧化层靠近源极N+的部分是与现有常规本征NMOS管厚度相同的薄栅氧化层，栅极氧化层靠近漏极N+的部分则是比靠近源极部分的薄栅氧化层厚度厚的厚栅氧化层，作为较佳实施例，厚栅氧化层的采用较厚的场氧，薄栅氧化层采用常规的栅氧；在漏极N+及所述厚栅氧化层下生成有高压N阱(HV-NW)，高压N阱要完全包络所述厚栅氧化层及漏极N+，所述高压N阱区的掺杂浓度比P衬底区小；栅极多晶硅要部分覆盖所述厚栅氧化层。
此高压本征NMOS管，在漏极N+区增加了高压N阱，高压N阱区的掺杂浓度比P衬底区小，当一正电压施加于漏极时，高压N阱/P衬底结被反向偏压，大部分的耗尽区宽度将跨过高压N阱区，所以高压N阱的掺杂浓度和宽度决定了漏极的支撑电压远远大于现有的本征NMOS。由于N阱较宽并且掺杂浓度低，所以漏极的支撑电压高，大大提高了源漏的击穿电压。本发明的本征NMOS源极与漏极之间的击穿电压能够高于28V。

Claims (5)

1.一种高压电压稳定器，包括一限流电阻、一钳位电路，所述限流电阻、钳位电路串接在外部电源同地之间，其特征在于，还包括一高压本征NMOS管，所述高压本征NMOS管的源极作为高压电压稳定器的输出端接内部电路，漏极连接到外部电源端，栅极接所述限流电阻和钳位电路。
2.根据权利要求1所述的高压电压稳定器，其特征在于，所述钳位电路包括一PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、一PNP管，外部电源端通过限流电阻连接到所述PMOS管源极和衬底，所述PMOS的栅极和漏极连接到所述第一NMOS的栅极和漏极，所述第一NMOS的源极连接到所述第二NMOS的栅极和漏极，所述第二NMOS管的源极连接到所述PNP管的发射极，所述PNP管的基极和集电极都接地，所述高压本征NMOS管的栅极接所述PMOS管源极和衬底，所述第一NMOS管、第二NMOS管和高压本征NMOS管的衬底都接地。
3.根据权利要求1所述的高压电压稳定器，其特征在于，所述限流电阻为多晶硅电阻。
4.根据权利要求1所述的高压电压稳定器，其特征在于，所述高压本征NMOS管的源漏击穿电压大于28V，所述限流电阻为40K欧姆。
5.一种高压本征NMOS管，包括P衬底、源极N+、栅极氧化层、栅极多晶硅、漏极N+，其特征在于，栅极氧化层靠近源极N+的部分是薄栅氧化层，栅极氧化层靠近漏极N+的部分则是比靠近源极N+部分的薄栅氧化层厚度厚的厚栅氧化层，在漏极N+及所述厚栅氧化层下生成有高压N阱，所述高压N阱完全包络所述厚栅氧化层及漏极N+，所述高压N阱区的掺杂浓度比P衬底区小，所述栅极多晶硅要部分覆盖所述厚栅氧化层。
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