CN101887895B - 内建增强型金氧半场效晶体管的功率晶体管芯片及其应用电路 - Google Patents

Abstract

一种内建增强型金氧半场效晶体管的功率晶体管芯片及其应用电路，使用增强型金氧半场效晶体管搭配两串联电阻，来作为交/直流电压转换电路的启动电路，以在交/直流电压转换电路的脉宽调变电路开始正常工作后，可以关闭启动电路的运作，并同时提供脉宽调变电路电源电压不足的检测。此外，增强型金氧半场效晶体管还内建于功率晶体管芯片中，由于增强型金氧半场效晶体管可采用功率晶体管的相同工艺来制作，故不会增加额外的掩模与工艺，而可简化工艺、节省成本。

Description

内建增强型金氧半场效晶体管的功率晶体管芯片及其应用电路

技术领域

本发明涉及一种电压调节器(Voltage Regulator)电路，且特别涉及一种内建增强型金氧半场效晶体管(Enhancement Mode MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称Enhancement ModeMOSFET)的功率晶体管芯片及应用此芯片的交/直流电压转换电路。

背景技术

随着半导体科技的快速演进，使得例如电脑及其周边数字产品等也日益地更新。在电脑及其周边数字产品的应用集成电路(Integrated Circuit，简称IC)中，由于半导体工艺的快速变化，造成集成电路电源的更多样化需求，以致应用如升压器(Boost Converter)、降压器(Buck Converter)等各种不同组合的电压调节器电路，来满足各种集成电路的不同电源需求，也成为能否提供多样化数字产品的极重要因素之一。在各种电压调节器电路中，交/直流电压转换电路(AC/DC Voltage Converter)由于能将一般市售的交流电源转换为所需稳定的直流电源输出，因而广泛地作为电压调节器电路的前级电路使用。

请参考图1所示，其为公知的一种交/直流电压转换电路图，图中显示，交/直流电压转换电路10包括：桥式整流电路11、功率晶体管芯片12、脉宽调变(Pulse Width Modulation，简称PWM)电路13、启动(Start Up)电路14、变压器电路15、滤波与回授电路16与工作电源电路17。其中，脉宽调变电路13用以依据输出的直流电源Vo的回授电压大小，来产生调变的脉宽调变信号，从而控制并输出稳定的直流电源Vo。然而，脉宽调变电路13通常需依赖低压直流电源来驱动，而交/直流电压转换电路10启始时，并无可供脉宽调变电路13工作所需的直流电源，因而应用图中的启动电路14与工作电源电路17，来接续提供其运作所需的电源。

交/直流电压转换电路10启始时，桥式整流电路11的输出端会输出具有涟波的直流电源，因此，即可通过组成启动电路14的电阻引入脉宽调变电路13中，以作为其启始运作的电源。之后，脉宽调变电路13即得以开始正常工作，以依据输出的直流电源Vo的回授电压大小，来产生调变的脉宽调变信号，从而控制功率晶体管芯片12的功率晶体管的启闭时间长短，进而输出稳定的直流电源Vo。在交/直流电压转换电路10启动并输出稳定的直流电源Vo后，连接变压器电路15的工作电源电路17，即可接手提供较为稳定的工作电源，使脉宽调变电路13可以更为稳定地工作。

前述作法虽可使交/直流电压转换电路10正常地工作，然而，当电路稳定工作后，启动电路14应可功成身退但却仍处于其原始状态，于工作效能而言，不免有所缺失。因此，乃如图2与图3所示地，以耗尽型金氧半场效晶体管(Depletion Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称Depletion MOSFET)221与331来取代，并通过脉宽调变电路23或33输出的启动信号st，来分别切断耗尽型金氧半场效晶体管221与331的运作，以节省功率的消耗。

图2与图3不同的是，耗尽型金氧半场效晶体管221与331，分别整合于功率晶体管芯片22与脉宽调变电路33的芯片中。然而，无论采用何种方式，应用耗尽型金氧半场效晶体管221或331，来作为启动电路的交/直流电压转换电路，其芯片的制造过程，都会因为耗尽型金氧半场效晶体管221或331所增加的通道(N通道或P通道)工艺，使得其芯片的工艺更为复杂。

此外，采用与前述不同整合方式的交/直流电压转换电路，例如：美国专利第6,972,971号、第5,014,178号以及第5,285,369号等，虽可因应不同的设计需求，来将启动电路、脉宽调变电路与功率晶体管等，分别整合于具有两芯片电路的系统芯片中，或甚至整合于同一芯片电路中，然而其仍无法提供脉宽调变电路电源电压不足的检测(brown-out detection)，故亦显得还有所不足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种功率晶体管芯片及应用此芯片的交/直流电压转换电路，其使用增强型金氧半场效晶体管，搭配两串联电阻所构成的分压电路，来作为启动电路，并将增强型金氧半场效晶体管内建于功率晶体管芯片中。因此，不仅不会增加额外的掩模与工艺，还可简化工艺、节省成本，更能同时提供电源电压不足的检测功能。

为达上述及其他目的，本发明提供一种内建增强型金氧半场效晶体管的功率晶体管芯片，可适用于交/直流电压转换电路。此功率晶体管芯片包括：第一接脚、第二接脚、第三接脚、第四接脚、第五接脚、功率晶体管与增强型金氧半场效晶体管。其中，功率晶体管用以作为交/直流电压转换电路的功率开关，其具有第一源/漏极、第二源/漏极与功率晶体管栅极。第一源/漏极耦接第一接脚，第二源/漏极耦接第二接脚，功率晶体管栅极耦接第三接脚。增强型金氧半场效晶体管用以作为交/直流电压转换电路的启动电路，其具有第三源/漏极、第四源/漏极与增强型金氧半场效晶体管栅极，第三源/漏极耦接第一接脚，第四源/漏极耦接第四接脚，增强型金氧半场效晶体管栅极耦接第五接脚。

本发明另提供一种交/直流电压转换电路，可将输入的交流电源转换为稳定的直流电源输出。此交/直流电压转换电路除应用前述的内建增强型金氧半场效晶体管的功率晶体管芯片外，更包括：整流电路、分压电路、脉宽调变电路、变压器电路、滤波与回授电路及工作电源电路。

其中，整流电路可为桥式整流电路，其具有电源输入端与整流输出端，电源输入端用以接收输入的交流电源。分压电路可包括第一电阻与第二电阻，第一电阻的两端分别耦接桥式整流电路的整流输出端与增强型金氧半场效晶体管栅极；第二电阻的两端，分别耦接增强型金氧半场效晶体管栅极与桥式整流电路输出的直流电源接地端。变压器电路具有主线圈、次线圈与副线圈，主线圈的一端耦接桥式整流电路的整流输出端、另一端耦接功率晶体管芯片的第一接脚，也就是耦接功率晶体管的第一源/漏极与增强型金氧半场效晶体管的第三源/漏极。

脉宽调变电路具有启动电源控制端、工作电源端、脉宽调变信号输出端与电流检测端，启动电源控制端耦接功率晶体管芯片的第五接脚，也就是增强型金氧半场效晶体管栅极，以控制增强型金氧半场效晶体管的启闭，并通过串联的第一电阻与第二电阻的分压，作为电源电压不足的检测。工作电源端耦接功率晶体管芯片的第四接脚，也就是增强型金氧半场效晶体管的第四源/漏极，以接收增强型金氧半场效晶体管输出的启动电源。脉宽调变信号输出端耦接功率晶体管芯片的第三接脚，也就是功率晶体管栅极，用以依据回授电压的大小，来输出调变直流电源的脉宽调变信号。电流检测端耦接功率晶体管芯片的第二接脚，也就是功率晶体管的第二源/漏极，用以检测流经功率晶体管的电流。

工作电源电路耦接变压器电路的副线圈与脉宽调变电路的工作电源端，用以在脉宽调变电路切断增强型金氧半场效晶体管输出的启动电源后，持续提供脉宽调变电路工作所需的电源。滤波与回授电路则耦接变压器电路的次线圈，用以滤波并输出稳定的直流电源、以及提供脉宽调变电路调变所需的回授电压。

本发明又提供一种内建增强型金氧半场效晶体管的功率晶体管芯片，可适用于交/直流电压转换电路。此功率晶体管芯片具有第一型半导体基底；在第一型半导体基底下方，配置有第一型漏极接触区；在第一型半导体基底上，配置有第一个第二型阱及第三个第二型阱，第一个第二型阱及第三个第二型阱侧边的第一型半导体基底上，分别配置有第二个第二型阱及第四个第二型阱；第一个第二型阱与第二个第二型阱间的第一型半导体基底上，配置有第一个栅极区；第三个第二型阱与第四个第二型阱间的第一型半导体基底上，配置有第二个栅极区；第一个第二型阱上，配置有第一个第二型阱接触区，第一个第二型阱接触区侧边的第一个第二型阱上，配置有第一个第一型源极区；第二个第二型阱上，配置有第二个第二型阱接触区，第二个第二型阱接触区侧边的第二个第二型阱上，配置有第二个第一型源极区；第三个第二型阱上，配置有第三个第二型阱接触区，第三个第二型阱接触区侧边的第三个第二型阱上，配置有第三个第一型源极区；第四个第二型阱上，配置有第四个第二型阱接触区，第四个第二型阱接触区侧边的第四个第二型阱上，则配置有第四个第一型源极区。

综上所述，本发明所提供的一种功率晶体管芯片及应用此芯片的交/直流电压转换电路，由于使用增强型金氧半场效晶体管搭配两串联电阻所构成的分压电路来作为启动电路，因而可于交/直流电压转换电路稳定工作后，切断增强型金氧半场效晶体管的运作，并同时能提供脉宽调变电路电源电压不足的检测。此外，由于将增强型金氧半场效晶体管内建于功率晶体管芯片之中，而增强型金氧半场效晶体管可利用功率晶体管的相同工艺来制作，故不会增加额外的掩模与工艺，进而可简化工艺、节省成本。

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特以优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1显示了公知的一种交/直流电压转换电路图。

图2显示了公知的一种应用耗尽型金氧半场效晶体管作为启动电路的交/直流电压转换电路简图。

图3显示了图2的另一种实施方式。

图4显示了根据本发明优选实施例的一种交/直流电压转换电路图。

图5显示了图4的功率晶体管芯片的结构示意图。

具体实施方式

请参考图4所示，其为根据本发明优选实施例的一种交/直流电压转换电路图，此交/直流电压转换电路40可将电源输入端411输入的交流电源Vin，转换为稳定的直流电源Vo后输出。图中，交/直流电压转换电路40包括：例如是桥式整流电路41的整流电路、功率晶体管芯片42、脉宽调变电路43、变压器电路45、滤波与回授电路46与工作电源电路47等功能方块，以及构成分压电路44而提供串联分压的电阻48、49。

如图所示，功率晶体管芯片42具有第一接脚421、第二接脚422、第三接脚423、第四接脚424、第五接脚425、功率晶体管426与增强型金氧半场效晶体管427。因此，此芯片将作为交/直流电压转换电路40的启动电路用的增强型金氧半场效晶体管427，整合内建于功率晶体管芯片42中，以达到简化交/直流电压转换电路40所使用芯片的工艺的目的。

图中，功率晶体管426与增强型金氧半场效晶体管427，虽然是以N型金氧半场效晶体管与N型增强型金氧半场效晶体管为例，并于功率晶体管芯片42中，同时内建连接功率晶体管426的栅极的电阻428，然而本领域技术人员应知，亦可采用P型金氧半场效晶体管或P型增强型金氧半场效晶体管等不同型式的晶体管。另外，内建的电阻428亦可选择性地整合于脉宽调变电路43的芯片中，而无须包含于此功率晶体管芯片42内。

其中，功率晶体管426用以作为交/直流电压转换电路40的功率开关，其具有耦接功率晶体管芯片42第一接脚421的第一源/漏极、耦接功率晶体管芯片42第二接脚422的第二源/漏极与经由电阻428耦接功率晶体管芯片42第三接脚423的功率晶体管栅极。增强型金氧半场效晶体管427具有耦接功率晶体管芯片42第一接脚421的第三源/漏极、耦接功率晶体管芯片42第四接脚424的第四源/漏极与耦接功率晶体管芯片42第五接脚425的增强型金氧半场效晶体管栅极。

另外，由电阻48、49所构成的分压电路44，用以从整流输出端412取得分压，来供应给增强型金氧半场效晶体管栅极；增强型金氧半场效晶体管栅极耦接于串联的电阻48、49的串联端，电阻48的另一端耦接桥式整流电路41的整流输出端412，电阻49的另一端则耦接桥式整流电路41输出的直流电源的接地端。

当交/直流电压转换电路40启始时，桥式整流电路41自其电源输入端411接收输入的交流电源Vin，经全波整流后自其整流输出端412输出具有涟波的直流电源，再经一端与整流输出端412耦接的变压器电路45的主线圈451，到达另一端所耦接的功率晶体管芯片42的第一接脚421，也就是增强型金氧半场效晶体管427的第三源/漏极与功率晶体管426的第一源/漏极。

为了提供脉宽调变电路43启始运作的电源，脉宽调变电路43的工作电源端432耦接至功率晶体管芯片42的第四接脚424，也就是增强型金氧半场效晶体管427的第四源/漏极，脉宽调变电路43的启动电源控制端431则耦接至功率晶体管芯片42的第五接脚425，也就是增强型金氧半场效晶体管栅极。此时，由于脉宽调变电路43的启动电源控制端431并未被拉低为低准位，使得增强型金氧半场效晶体管427，因栅极受串联电阻48、49的分压的驱动而导通。因此，乃将桥式整流电路41输出的具有涟波的直流电源，传送至增强型金氧半场效晶体管427的第四源/漏极。

于是，脉宽调变电路43即通过与增强型金氧半场效晶体管427的第四源/漏极耦接的工作电源端432，来取得启始运作的电源而开始工作。之外，并依据交/直流电压转换电路40输出的直流电源Vo的回授电压大小，来产生调变的脉宽调变信号自其脉宽调变信号输出端433输出，再经与其耦接的功率晶体管芯片42的第三接脚423及电阻428，传送至功率晶体管芯片42的功率晶体管栅极，从而控制功率晶体管426的启闭时间长短，并配合耦接功率晶体管芯片42的第二接脚422、用以检测流经功率晶体管426的电流的电流检测端434，来调整脉宽调变信号的脉宽，使交/直流电压转换电路40可以输出稳定的直流电源Vo。

当脉宽调变电路43开始工作后，变压器电路45的次线圈452即会感应电压，并经与其耦接的滤波与回授电路46的滤波，而输出稳定的直流电源Vo。脉宽调变电路43调变所需参考的回授电压，则通过图中滤波与回授电路46的发光二极体461与光晶体管435的隔离检测而得。

另外，变压器电路45的副线圈453也会同时感应电压，并经由与其耦接的工作电源电路47的滤波，而传送至脉宽调变电路43的工作电源端432。此时，由于工作电源电路47所提供的稳定工作电源，已能供应脉宽调变电路43更为稳定地工作所需，因此，脉宽调变电路43乃将其启动电源控制端431的电位，拉低至足以切断增强型金氧半场效晶体管427，但又同时还能提供脉宽调变电路43的电源电压不足检测的准位，以通过切断增强型金氧半场效晶体管427的运作，来关闭经由增强型金氧半场效晶体管427传送的启动电源，同时，并通过降低后的串联电阻48、49的分压，来作为电源电压不足的检测。如此，即可避免在输入的交流电源Vin的电压过低时，脉宽调变电路43纵使以全时方式工作，所输出的直流电源Vo仍无法达到规格的情形产生。之后，便由工作电源电路47所提供的稳定工作电源，来持续地提供脉宽调变电路43工作所需的电源，以节省交/直流电压转换电路40的功率消耗。

请参考图5所示，其为根据本发明优选实施例的一种内建增强型金氧半场效晶体管的功率晶体管芯片的结构示意图。图中，以N型半导体作为第一型半导体，且以P型半导体作为第二型半导体，以构成N型金氧半场效晶体管为例，反之，如以P型半导体作为第一型半导体，而以N型半导体作为第二型半导体时，则将形成由P型金氧半场效晶体管所构成的功率晶体管芯片。

如图所示，此功率晶体管芯片42具有第一型半导体基底50，第一型半导体基底50下方配置有第一型漏极接触区55，以作为功率晶体管426与增强型金氧半场效晶体管427的漏极，第一型半导体基底50上并配置有第二型阱51、52、53与54。

其中，第二型阱52位于第二型阱51的侧边，第二型阱54则位于第二型阱53的侧边，第二型阱51、52、53或54上，分别配置有第二型阱接触区511、521、531或541，第二型阱接触区511、521、531或541侧边的第二型阱51、52、53或54上，分别配置有第一型源极区512、522、532或542，以分别作为功率晶体管426或增强型金氧半场效晶体管427的源极。此外，第二型阱51与52间的第一型半导体基底50上，配置有栅极区56，第二型阱53与54间的第一型半导体基底50上，则配置有栅极区57。栅极区56与57例如是由多晶硅导体所构成，以分别作为功率晶体管426或增强型金氧半场效晶体管427的栅极。

综上所述，由于根据本实施例所提供的内建增强型金氧半场效晶体管的功率晶体管芯片42，是将增强型金氧半场效晶体管427内建于功率晶体管芯片42之中，且因增强型金氧半场效晶体管427与功率晶体管426间，均具有类似的掺杂结构，故可以使用相同的工艺来制作，而不会增加额外的掩模与工艺，进而可达成简化工艺、节省成本的目的。另外，通过增强型金氧半场效晶体管搭配两串联电阻所构成的分压电路来作为启动电路，则可于交/直流电压转换电路稳定工作后，切断增强型金氧半场效晶体管的运作时，还能保留脉宽调变电路电源电压不足的检测功能，即时地反映输入的交流电源Vin电压不足的情形。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与修改，也在本发明的范围以内。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求的范围为准。

Claims (14)

1.一种内建增强型金氧半场效晶体管的功率晶体管芯片，适用于交/直流电压转换电路，包括：

第一接脚；

第二接脚；

第三接脚；

第四接脚；

第五接脚；

功率晶体管，用以作为所述交/直流电压转换电路的功率开关，具有第一源/漏极、第二源/漏极与功率晶体管栅极，所述第一源/漏极耦接所述第一接脚，所述第二源/漏极耦接所述第二接脚，所述功率晶体管栅极耦接所述第三接脚；以及

增强型金氧半场效晶体管，用以作为所述交/直流电压转换电路的启动电路，具有第三源/漏极、第四源/漏极与增强型金氧半场效晶体管栅极，所述第三源/漏极耦接所述第一接脚，所述第四源/漏极耦接所述第四接脚，所述增强型金氧半场效晶体管栅极耦接所述第五接脚。

2.如权利要求1所述的功率晶体管芯片，还包括介于所述功率晶体管栅极与所述第三接脚间的电阻。

3.如权利要求1所述的功率晶体管芯片，其中所述功率晶体管为N型金氧半场效晶体管。

4.如权利要求1所述的功率晶体管芯片，其中所述增强型金氧半场效晶体管为N型增强型金氧半场效晶体管。

5.一种交/直流电压转换电路，适用于将交流电源转换为稳定的直流电源，包括：

功率晶体管，用以作为所述交/直流电压转换电路的功率开关，具有第一源/漏极、第二源/漏极与功率晶体管栅极；

增强型金氧半场效晶体管，用以作为所述交/直流电压转换电路的启动电路，具有第三源/漏极、第四源/漏极与增强型金氧半场效晶体管栅极，所述第三源/漏极耦接所述第一源/漏极；

整流电路，具有电源输入端与整流输出端，所述电源输入端用以接收所述交流电源；

分压电路，用以自所述整流输出端取得分压供应给所述增强型金氧半场效晶体管栅极；

变压器电路，具有主线圈与次线圈，所述主线圈的一端耦接所述整流输出端、另一端受所述功率晶体管的控制，以便可以通过所述次线圈的输出来产生所述直流电源；以及

脉宽调变电路，具有启动电源控制端、工作电源端与脉宽调变信号输出端，所述脉宽调变信号输出端耦接所述功率晶体管栅极，以控制所述功率晶体管的启闭，所述工作电源端耦接所述第四源/漏极，以接收经由所述增强型金氧半场效晶体管传送的启动电源，所述启动电源控制端耦接所述增强型金氧半场效晶体管栅极与所述分压电路，以在所述脉宽调变电路启动后，关闭所述增强型金氧半场效晶体管，

其中所述功率晶体管及所述增强型金氧半场效晶体管整合于芯片中。

6.如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中所述脉宽调变电路还通过所述分压电路提供的分压，以作为电源电压不足的检测。

7.如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，还包括滤波与回授电路，耦接所述变压器电路的所述次线圈，用以滤波并输出所述直流电源及提供回授电压，而所述脉宽调变电路则依据所述回授电压的大小，来输出调变所述直流电源的脉宽调变信号。

8.如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，还包括工作电源电路且所述变压器电路还具有副线圈，所述工作电源电路耦接所述变压器电路的所述副线圈及所述脉宽调变电路的所述工作电源端，用以在所述脉宽调变电路切断所述启动电源后，持续提供所述脉宽调变电路工作所需的电源。

9.如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中所述功率晶体管为N型金氧半场效晶体管。

10.如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中所述增强型金氧半场效晶体管为N型增强型金氧半场效晶体管。

11.如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中还包括介于所述功率晶体管栅极与所述脉宽调变信号输出端间的电阻，与所述功率晶体管及所述增强型金氧半场效晶体管整合于同一芯片中。

12.一种内建增强型金氧半场效晶体管的功率晶体管芯片，适用于交/直流电压转换电路，包括：

第一型半导体基底；

第一型漏极接触区，配置于所述第一型半导体基底下方；

第一个第二型阱，配置于所述第一型半导体基底上；

第一个第二型阱接触区，配置于所述第一个第二型阱上；

第一个第一型源极区，配置于所述第一个第二型阱接触区侧边的所述第一个第二型阱上；

第二个第二型阱，配置于所述第一个第二型阱侧边的所述第一型半导体基底上；

第二个第二型阱接触区，配置于所述第二个第二型阱上；

第二个第一型源极区，配置于所述第二个第二型阱接触区侧边的所述第二个第二型阱上；

第一个栅极区，配置于所述第一个第二型阱与所述第二个第二型阱间的所述第一型半导体基底上；

第三个第二型阱，配置于所述第一型半导体基底上；

第三个第二型阱接触区，配置于所述第三个第二型阱上；

第三个第一型源极区，配置于所述第三个第二型阱接触区侧边的所述第三个第二型阱上；

第四个第二型阱，配置于所述第三个第二型阱侧边的所述第一型半导体基底上；

第四个第二型阱接触区，配置于所述第四个第二型阱上；

第四个第一型源极区，配置于所述第四个第二型阱接触区侧边的所述第四个第二型阱上；以及

第二个栅极区，配置于所述第三个第二型阱与所述第四个第二型阱间的所述第一型半导体基底上。

13.如权利要求12所述的功率晶体管芯片，其中所述第一型为P型半导体、而所述第二型为N型半导体。

14.如权利要求12所述的功率晶体管芯片，其中所述第一型为N型半导体、而所述第二型为P型半导体。

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