CN102394237A - 一种具有温度采样和过温保护功能的复合vdmos器件 - Google Patents
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Abstract
一种具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，属于功率半导体器件领域。本发明集成了VDMOS器件、多晶硅热敏二极管和过温保护电路，利用多晶硅热敏二极管正向压降的负温度特性，将其制作于VDMOS器件表面的绝缘层上以实现VDMOS器件工作温度的采样；过温保护电路基于多晶硅热敏二极管的温度采样信号对整个复合VDMOS器件的栅输入电压Vin进行分压得到VDMOS器件的栅控电压VG，进而对VDMOS器件实现过温保护：即当VDMOS器件工作温度达到TH时，关断VDMOS器件；当VDMOS器件关断后内部温度降到TL时，启动VDMOS器件；其中ΔT＝TH-TL为温度回差。本发明能够实现对VDMOS器件温度的精确采样和过温保护，以防止器件的热失效和增加器件使用寿命，具有结构简单、采样精确度高、与VDMOS器件工艺兼容、单片集成等优点。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及VDMOS器件的过温保护技术。
背景技术
VDMOS(垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管)器件是功率半导体的主流器件之一，目前已经广泛于各类功率系统。与双极型晶体管相比，其开关速度快、损耗小、输入阻抗高、驱动功率小、频率特性好。VDMOS器件在工作过程中不可避免的会产生功率损耗，这些功率损耗大部分将转化为热能，引起器件温升。过高的温度对器件的工作性能和可靠性都有很大的影响，会造成器件性能的退化，严重时甚至会导致器件失效。有研究表明，功率器件的工作温度每升高10℃，其失效率将增加一倍左右，称之为10℃法则。为了减少功率VDMOS器件的热失效，提高其可靠性，除了从封装等方面增强器件的散热性能，另一条有效的途径就是利用过温保护模块对VDMOS器件采取过温保护：当VDMOS器件温度过高时，启动过温保护功能对器件进行有效关断，防止热失效的发生。而温度采样是实现过温保护的前提，只有准确地对器件温度进行实时采样，才能提供精确的过温控制信号。
发明内容
本发明针对VDMOS器件热失效的技术问题，提供一种具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件。该复合VDMOS器件将VDMOS、温度采样器件和过温保护电路单片集成，实现对VDMOS器件温度的精确采样及过温保护，以防止器件的热失效和增加器件使用寿命，具有结构简单、采样精确度高、与VDMOS器件工艺兼容、单片集成等一系列优点。
本发明的技术方案如下：
一种具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，如图1至图3所示，包括集成于同一衬底基片上的VDMOS器件M0、多晶硅热敏二极管D1和过温保护电路；所述多晶硅热敏二极管D1制作于VDMOS器件M0表面的绝缘层上，以实现对VDMOS器件M0温度的采样；所述过温保护电路基于多晶硅热敏二极管D1的温度采样信号对整个复合VDMOS器件的栅输入电压Vin进行分压得到VDMOS器件M0的栅控电压VG，进而对VDMOS器件M0实现过温保护：即当VDMOS器件M0温度达到TH时，关断VDMOS器件M0；当VDMOS器件M0关断后温度降到TL时，启动VDMOS器件M0；其中TH＞TL，ΔT＝TH-TL为温度回差。
上述技术方案中，所述多晶硅热敏二极管D1最好制作于VDMOS器件M0表面中心位置的绝缘层上，以实现VDMOS器件M0温度的精确采样。
上述技术方案中，所述VDMOS器件M0可以是任意结构的VDMOS器件、且表面具有绝缘层14，如图2所示，至少包括金属化漏电极1、第一导电类型半导体掺杂衬底2、第一导电类型半导体掺杂漂移区3、第二导电类型半导体基区4、第一导电类型半导体掺杂源区5、第二导电类型半导体掺杂接触区6、金属化源电极7、多晶硅栅电极8和栅介质层9；金属化漏电极1位于第一导电类型半导体掺杂衬底2的背面，第一导电类型半导体掺杂漂移区3位于第一导电类型半导体掺杂衬底2的正面；第二导电类型半导体基区4位于第一导电类型半导体掺杂漂移区3的顶部，第二导电类型半导体基区4内具有分别与金属化源电极7相接触的第一导电类型半导体掺杂源区5和第二导电类型半导体掺杂接触区6；栅介质层9位于第二导电类型半导体基区4和第一导电类型半导体掺杂漂移区3的上表面，多晶硅栅电极8位于栅介质层9的上表面，多晶硅栅电极8与金属化源电极7之间填充的是绝缘介质层。
上述技术方案中，所述多晶硅热敏二极管D1(如图2所示)，包括P型半导体区10、N型半导体区11、阳极电极12和阴极电极13；其中P型半导体区10和N型半导体区11相接触并位于VDMOS器件M0表面的绝缘层14中，阳极电极12与P型半导体区10相连并从VDMOS器件M0表面的绝缘层14中引出，阴极电极13与N型半导体区11相连并从VDMOS器件M0表面的绝缘层14中引出。
上述技术方案中，所述过温保护电路(如图3所示)包括一个稳压二极管D2、四个NMOS管(M1～M4)和六个电阻(R1～R6)；栅输入电压Vin通过第一电阻R1和稳压管D2的串联电路后接地；第一NMOS管M1的漏极通过第二电阻R2接第二NMOS管M2的栅极的同时通过第三电阻R3接地，第一NMOS管M1的源极接地；第二NMOS管M2的漏极接第三NMOS管M3的栅极的同时通过第四电阻R4接栅输入电压Vin，第二NMOS管M2的源极接地；第三NMOS管M3的漏极接第四NMOS管M4的栅极的同时通过第五电阻R5接栅输入电压Vin，第三NMOS管M3的源极接地；第四NMOS管M4的漏极通过第六电阻R6接栅输入电压Vin，第四NMOS管M4的源极接地；第一NMOS管M1的栅极通过第六电阻R6接栅输入电压Vin。所述过温保护电路与多晶硅热敏二极管D1的连接关系为：第一电阻R1和稳压管D2的连接点接多晶硅热敏二极管D1的阳极，多晶硅热敏二极管D1的阴极接第二NMOS管M2的栅极。所述过温保护电路与VDMOS器件M0的连接关系为：第一NMOS管M1的栅极与VDMOS器件M0的栅极相连。
本发明的核心思想是利用多晶硅二极管的正向压降的负温度特性(即其正向压降随着温度的升高反而减小)充当温度传感器来检测VDMOS器件内部的温度变化。当VDMOS器件内部温度发生变化时，多晶硅二极管的正向压降将随之发生变化，当其温度超过一定值时将触发过温保护电路工作，关断VDMOS器件。
理论上，PN结的伏安特性可表示为：
式中IF和VF分别为PN结的正向电流和正向压降；
为饱和电流，B和γ是由材料决定的常数，与温度无关；Eg0为材料绝对零度时的禁带宽度；T为绝对温度；
当VF远远大于VT时，可以将式(1)括号中的1略去，对式(1)两边除以IS，并取对数，整理后得：
由式(2)可知：在恒定的电流IF下，PN结的正向电压VF随着温度的升高而降低。研究表明：多晶硅二极管的虽然与体硅二极管有一定的差异，但变化趋势基本一致。文献(陈二柱，梁平治，CMOS工艺制作的横向多晶硅p+p-n+结的温度特性及其应用，《半导体光电》2005年6月第26卷第3期)指出：在室温附近，多晶硅二极管的温度每升高1℃，正向压降减小1.5mV左右。因此可利用多晶硅二极管的这种良好的温度特性作为温度传感器。
由于多晶硅二极管置于VDMOS内部的介质层之上，离热源距离近，因此对VDMOS器件温度的采样精确、灵敏度高，同时也减小了外界因素的影响。从制备工艺上看，多晶硅二极管可与VDMOS器件的多晶硅栅电极同时制备，工艺完全兼容，具有结构简单、单片集成等一系列优点，可以大大降低VDMOS的失效概率，增加器件的使用寿命，从而提高系统的稳定性以及可靠性。同时，多晶硅二极管置于绝缘的介质层之上，与VDMOS器件及过温保护电路实现了天然隔离，与采用体硅工艺制作温度采样器件的方案相比，节省了隔离区面积，减少器件间的相互干扰，消除了寄生效应。
综上所述，本发明提供的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，将VDMOS器件、多晶硅热敏二极管、过温保护电路单片集成，能够实现对VDMOS器件温度的精确采样和过温保护，以防止器件的热失效和增加器件使用寿命，具有结构简单、采样精确度高、与VDMOS器件工艺兼容、单片集成等一系列优点。
附图说明
图1是本发明提供的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件的结构示意图。
图2是本发明中集成了多晶硅热敏二极管的VDMOS器件结构示意图。
图3是本发明中采用的过温保护电路结构图。
图4是图2中的过温保护电路的Spice仿真结果。
具体实施方式
一种具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，如图1至图3所示，包括集成于同一衬底基片上的VDMOS器件M0、多晶硅热敏二极管D1和过温保护电路；所述多晶硅热敏二极管D1制作于VDMOS器件M0表面中心位置的绝缘层上，以实现对VDMOS器件M0温度的采样；所述过温保护电路基于多晶硅热敏二极管D1的温度采样信号对整个复合VDMOS器件的栅输入电压Vin进行分压得到VDMOS器件M0的栅控电压VG，进而对VDMOS器件M0实现过温保护：即当VDMOS器件M0温度达到TH时，关断VDMOS器件M0；当VDMOS器件M0关断后温度降到TL时，启动VDMOS器件M0；其中TH＞TL，ΔT＝TH-TL为温度回差。
所述VDMOS器件M0可以是任意结构的VDMOS器件、且表面具有绝缘层14，如图2所示，至少包括金属化漏电极1、第一导电类型半导体掺杂衬底2、第一导电类型半导体掺杂漂移区3、第二导电类型半导体基区4、第一导电类型半导体掺杂源区5、第二导电类型半导体掺杂接触区6、金属化源电极7、多晶硅栅电极8和栅介质层9；金属化漏电极1位于第一导电类型半导体掺杂衬底2的背面，第一导电类型半导体掺杂漂移区3位于第一导电类型半导体掺杂衬底2的正面；第二导电类型半导体基区4位于第一导电类型半导体掺杂漂移区3的顶部，第二导电类型半导体基区4内具有分别与金属化源电极7相接触的第一导电类型半导体掺杂源区5和第二导电类型半导体掺杂接触区6；栅介质层9位于第二导电类型半导体基区4和第一导电类型半导体掺杂漂移区3的上表面，多晶硅栅电极8位于栅介质层9的上表面，多晶硅栅电极8与金属化源电极7之间填充的是绝缘介质层。
所述多晶硅热敏二极管D1(如图2所示)，包括P型半导体区10、N型半导体区11、阳极电极12和阴极电极13；其中P型半导体区10和N型半导体区11相接触并位于VDMOS器件M0表面的绝缘层14中，阳极电极12与P型半导体区10相连并从VDMOS器件M0表面的绝缘层14中引出，阴极电极13与N型半导体区11相连并从VDMOS器件M0表面的绝缘层14中引出。
所述过温保护电路(如图3所示)包括一个稳压二极管D2、四个NMOS管(M1～M4)和六个电阻(R1～R6)；栅输入电压Vin通过第一电阻R1和稳压管D2的串联电路后接地；第一NMOS管M1的漏极通过第二电阻R2接第二NMOS管M2的栅极的同时通过第三电阻R3接地，第一NMOS管M1的源极接地；第二NMOS管M2的漏极接第三NMOS管M3的栅极的同时通过第四电阻R4接栅输入电压Vin，第二NMOS管M2的源极接地；第三NMOS管M3的漏极接第四NMOS管M4的栅极的同时通过第五电阻R5接栅输入电压Vin，第三NMOS管M3的源极接地；第四NMOS管M4的漏极通过第六电阻R6接栅输入电压Vin，第四NMOS管M4的源极接地；第一NMOS管M1的栅极通过第六电阻R6接栅输入电压Vin。所述过温保护电路与多晶硅热敏二极管D1的连接关系为：第一电阻R1和稳压管D2的连接点接多晶硅热敏二极管D1的阳极，多晶硅热敏二极管D1的阴极接第二NMOS管M2的栅极。所述过温保护电路与VDMOS器件M0的连接关系为：第一NMOS管M1的栅极与VDMOS器件M0的栅极相连。
图3是本发明采用的一种过温保护电路，其过温保护的主要原理如下：
由于D1的正向压降VF具有负温度系数，当M0温度升高时VF下降，从而使A点电位VA＝VZ-VF上升；当A点电位上升到VA＝VZ-VF≥|VT(M2)|时，即大于等于M2的阈值电压时，M2管导通。导通后M2管漏端电位降低使得M3的栅源电压低阈值电压，致使M3管截止，从而将B点电位即M4管的栅电位拉高，使M4导通；M4导通后其漏端电压即主功率管的栅电压VG降低；当VG小于VDMOS的阈值电压后，VDMOS关闭，器件停止发热。当器件温度降到一定程度，该电路又能实现自动重启。当VDMOS温度下降时，D1的正向压降VF上升，A点电位VA＝VZ-VF随之下降，当A点电位下降至小于M2管的阈值电压时，M2管截止，从而拉高M3管栅电位，M3管导通，进而降低M4管栅电位，M4管截止，保证了VDMOS的VG为高电位，器件开启。
为了防止振荡的发生，须使关断温度和自重启温度之间有一个差值。R2、R3、M1和M4构成了一个双稳态的正反馈电路，可实现关断温度和自重启温度之间的温度差。稳定状态一即为器件正常工作时的状态，主功率器件VDMOS正常工作时，M1管导通，M4管截止，此时VA＝V(R2)，由于R2阻值相对较小从而保证了A点的低电位，因此VG为高电位，从而主功率VDMOS管维持着开启状态。稳态二即为过温保护过程，当主功率VDMOS管的温度上升超过设定的温度保护阈值点时，随着VF的降低A点电位的升高，从而导致M4导通，M1截止。流向D1的电流需要经过具有较高的阻值R3，这使得A点的电位进一步抬高，即VA＝V(R2)+V(R3)，从而进一步将VG拉低，维持了主功率MOS管的关断状态；非稳态时，M1和M4饱和，M2和M3工作在放大状态，由于M1、M2、M3、M4形成正反馈环路，器件之间互相激励，产生足够强的正反馈，快速向稳定状态转变。
采用电路仿真软件H-Spice对该过温保护电路进行了仿真验证，如图4所示：环境温度从20℃升至180℃然后再降至20℃。在温度上升过程中，升至174℃时，过温保护功能启动，VG迅速降低至1.5v，此值低于VDMOS的阈值电压，因此VDMOS管关断，电流截止，芯片停止发热，温度开始下降。当温度下降到142℃时，VDMOS栅电位迅速上升至5v，VDMOS开启，处于正常工作状态。由上可知，保护模式下，器件关断和开启状态的转换速度快，精准度高。该器件的温度将保持在142℃至174℃之间，温度回差ΔT＝TH-TL＝32℃。32℃的回差很好地避免了热振荡。
本领域技术人员应当知道，本发明提供的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，当所述第一导电类型半导体为N型半导体、第二导电类型半导体为P型半导体时，所述VDMOS器件M0为N沟道VDMOS器件；当所述第一导电类型半导体为P型半导体、第二导电类型半导体为N型半导体时，所述VDMOS器件(M0)为P沟道VDMOS器件。
Claims (7)
1.一种具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，包括集成于同一衬底基片上的VDMOS器件(M0)、多晶硅热敏二极管(D1)和过温保护电路；所述多晶硅热敏二极管(D1)制作于VDMOS器件(M0)表面的绝缘层上，以实现对VDMOS器件(M0)工作温度的采样；所述过温保护电路基于多晶硅热敏二极管(D1)的温度采样信号对整个复合VDMOS器件的栅输入电压Vin进行分压得到VDMOS器件(M0)的栅控电压VG，进而对VDMOS器件(M0)实现过温保护：即当VDMOS器件(M0)工作温度达到TH时，关断VDMOS器件(M0)；当VDMOS器件(M0)关断后温度降到TL时，启动VDMOS器件(M0)；其中TH＞TL，且ΔT＝TH-TL为温度回差。
2.根据权利要求1所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，所述多晶硅热敏二极管(D1)制作于VDMOS器件(M0)表面中心位置的绝缘层上。
3.根据权利要求1所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，所述VDMOS器件(M0)是任意结构的VDMOS器件、且表面具有绝缘层(14)，至少包括金属化漏电极(1)、第一导电类型半导体掺杂衬底(2)、第一导电类型半导体掺杂漂移区(3)、第二导电类型半导体基区(4)、第一导电类型半导体掺杂源区(5)、第二导电类型半导体掺杂接触区(6)、金属化源电极(7)、多晶硅栅电极(8)和栅介质层(9)；金属化漏电极(1)位于第一导电类型半导体掺杂衬底(2)的背面，第一导电类型半导体掺杂漂移区(3)位于第一导电类型半导体掺杂衬底(2)的正面；第二导电类型半导体基区(4)位于第一导电类型半导体掺杂漂移区(3)的顶部，第二导电类型半导体基区(4)内具有分别与金属化源电极(7)相接触的第一导电类型半导体掺杂源区(5)和第二导电类型半导体掺杂接触区(6)；栅介质层(9)位于第二导电类型半导体基区(4)和第一导电类型半导体掺杂漂移区(3)的上表面，多晶硅栅电极(8)位于栅介质层(9)的上表面，多晶硅栅电极(8)与金属化源电极(7)之间填充的是绝缘介质层。
4.根据权利要求3所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，当所述第一导电类型半导体为N型半导体、第二导电类型半导体为P型半导体时，所述VDMOS器件(M0)为N沟道VDMOS器件。
5.根据权利要求3所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，当所述第一导电类型半导体为P型半导体、第二导电类型半导体为N型半导体时，所述VDMOS器件(M0)为P沟道VDMOS器件。
6.根据权利要求1所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，所述多晶硅热敏二极管(D1)包括P型半导体区(10)、N型半导体区(11)、阳极电极(12)和阴极电极(13)；其中P型半导体区(10)和N型半导体区(11)相接触并位于VDMOS器件(M0)表面的绝缘层(14)中，阳极电极(12)与P型半导体区(10)相连并从VDMOS器件(M0)表面的绝缘层(14)中引出，阴极电极(13)与N型半导体区(11)相连并从VDMOS器件(M0)表面的绝缘层(14)中引出。
7.根据权利要求1所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，所述过温保护电路包括一个稳压二极管(D2)、四个NMOS管(M1～M4)和六个电阻(R1～R6)；栅输入电压Vin通过第一电阻(R1)和稳压管(D2)的串联电路后接地；第一NMOS管(M1)的漏极通过第二电阻(R2)接第二NMOS管(M2)的栅极的同时通过第三电阻(R3)接地，第一NMOS管(M1)的源极接地；第二NMOS管(M2)的漏极接第三NMOS管(M3)的栅极的同时通过第四电阻(R4)接栅输入电压Vin，第二NMOS管(M2)的源极接地；第三NMOS管(M3)的漏极接第四NMOS管(M4)的栅极的同时通过第五电阻(R5)接栅输入电压Vin，第三NMOS管(M3)的源极接地；第四NMOS管(M4)的漏极通过第六电阻(R6)接栅输入电压Vin，第四NMOS管(M4)的源极接地；第一NMOS管(M1)的栅极通过第六电阻(R6)接栅输入电压Vin；
所述过温保护电路与多晶硅热敏二极管(D1)的连接关系为：第一电阻(R1)和稳压管(D2)的连接点接多晶硅热敏二极管(D1)的阳极，多晶硅热敏二极管(D1)的阴极接第二NMOS管(M2)的栅极；
所述过温保护电路与VDMOS器件(M0)的连接关系为：第一NMOS管(M1)的栅极与VDMOS器件(M0)的栅极相连。
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