CN103023470B - 三电极单向导通场效应管 - Google Patents

三电极单向导通场效应管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三电极单向导通场效应管，包括主开关管、电源选择器、主开关栅极控制电路、以及主开关衬底控制电路。主开关管具有源极、漏极、栅极和衬底。电源选择器选择主开关管的源极电压和漏极电压中的较高电压作为内部电压，利用内部电压和一第一电压来对场效应管的内部电路供电。主开关栅极控制电路，比较主开关管的源极电压和漏极电压，并根据比较结果选择内部电压和第一电压之一为主开关管的栅极电压，当主开关管的栅极施加第一电压时，主开关管导通，当主开关管的栅极施加内部电压时，主开关管关闭。主开关衬底控制电路依据栅极电压控制主开关管的衬底电压，当主开关管关闭时，施加在主开关管的衬底电压是内部电压，从而使主开关管截止。

Description

三电极单向导通场效应管
技术领域
本发明涉及应用于集成电路和电子线路上的晶体管，尤其是涉及一种三电极单向导通场效应管。
背景技术
传统MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)有源极、漏极、栅极和衬底四个电极。参照图1所示，三电极的MOSFET衬底和源极在内部直接相连，仅引出源极(S)、漏极(D)、栅极(G)三个电极。由于场效应管的寄生体二极管的存在，当漏极电压高于源极电压时，寄生体二极管D1导通，产生了反向电流。因此，此类三电极的场效应管无法实现反向电流截止。在需要反向截止的应用中，通常使用肖特基管D2与场效应管串联。由于串联的肖特基二极管存在正向压降，导致了电能的损耗。并且，肖特基二极管的反向击穿电压，也限制了应用。以上是以PMOS为例描述现有技术的缺陷，这一缺陷也存在于NMOS中。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种三电极单向导通场效应管，其通过动态检测场效应管的源漏电压，来控制场效应管的衬底电压和栅极驱动电压，来达到正向导通，反向截止的特性。
本发明提出一种三电极单向导通场效应管，包括主开关管、电源选择器、主开关栅极控制电路、以及主开关衬底控制电路。主开关管具有源极、漏极、栅极和衬底。电源选择器选择主开关管的源极电压和漏极电压中的较高电压作为内部电压，利用内部电压和一第一电压来对场效应管的内部电路供电。主开关栅极控制电路，比较主开关管的源极电压和漏极电压，并根据比较结果选择内部电压和第一电压之一为主开关管的栅极电压，当主开关管的栅极施加第一电压时，主开关管导通，当主开关管的栅极施加内部电压时，主开关管关闭。主开关衬底控制电路依据栅极电压控制主开关管的衬底电压，当主开关管关闭时，施加在主开关管的衬底电压是内部电压，从而使主开关管截止。
在本发明的一实施例中，主开关衬底控制电路包括第一开关管、第二开关管和反相器；反相器输入端连接主开关栅极控制电路的输出端。第一开关管的栅极连接主开关管的栅极，第一开关管的源极和漏极之一者连接主开关管的衬底，第一开关管的源极和漏极之另一者连接主开关管的源极和漏极之一者；第二开关管的栅极连接反相器的输出端，第二开关管的源极和漏极之一者连接主开关管的衬底，第二开关管的源极和漏极之另一者连接主开关管的源极和漏极之另一者。
在本发明的一实施例中，主开关管为PMOS管。第一开关管和第二开关管是PMOS管。
在本发明的一实施例中，主开关管为NMOS管。第一开关管和第二开关管是NMOS管。
在本发明的一实施例中，主开关栅极控制电路为一比较器，比较器的两输入端之间具有一失调电压。
本发明的三电极单向导通场效应管通过衬底控制电路和栅极控制电路，使得只有在主开关管正向导通时才有电流，而主开关管关闭时，会反向截止，没有反向电流。本发明的场效应管兼容于主流集成电路制造工艺，可以方便地在各平台上实现三电极单向导通的PMOS/NMOS。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1示出传统的三电极场效应管的电路结构。
图2、图3示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的电路结构，其中图2为PMOS结构，图3为NMOS结构。
图4为根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的工作波形图。
图5示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的转移特性曲线。
图6示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的输出特性曲线。
具体实施方式
图2示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的电路结构，这一场效应管是基于PMOS的单向开关。参照图2所示，本实施例的场效应管包括主开关管MPSW，由衬底连接开关管MPB1、MPB2和反相器I2构成的主开关衬底控制电路，电源选择器I0，以及主开关栅极控制电路。主开关管MPSW负责电流的导通和关断。
在主开关衬底控制电路中，反相器I2把gate_buf信号转换成反向的g_信号。gate_buf和g_信号分别控制主开关管MPSW的衬底连接开关管MPB1和MPB2。由于gate_buf与g_反向，因此，任何时候，MPB1与MPB2仅有一个开启。由此，实现了主开关衬底的控制。
电源选择器I0为内部电源电路。电源选择器I0具有两输入端in1，in2和一输出端out。电源选择器I0比较in1，in2输入电压，即源极S与漏极D的电压的高低，并选择较高的电压作为内部电路的电源Vdd_internal，在此称为内部电压。由于内部电路的地线全部连接到G端，因此内部电路通过内部电压Vdd_internal与第一电压V(G)间供电。
主开关栅极控制电路比较主开关管MPSW的源极S的电压和漏极D的电压，并根据比较结果选择内部电压Vdd_internal和第一电压V(G)之一为主开关管的栅极电压。当源极S的电压大于漏极D的电压时，主开关栅极控制电路会施加第一电压V(G)给主开关管的栅极，此时主开关管导通；当源极S的电压小于漏极D的电压时，主开关栅极控制电路会施加内部电压Vdd_internal(等于此时的源极S的电压)给主开关管的栅极，此时主开关管关闭。
进而，主开关衬底控制电路会依据主开关管的栅极电压控制主开关管MPSW的衬底电压。当主开关管MPSW导通时，施加在主开关管的衬底电压是源极S的电压，从而主开关管具有正向电流。当主开关管MPSW关闭时，施加在主开关管的衬底电压是内部电压Vdd_internal(等于此时的源极S的电压)，从而使主开关管截止，没有反向电流。
主开关栅极控制电路具有比较器I1，比较器正、负输入间具有V0的失调电压。
图4为根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的工作波形图。结合参照图2和图4所示，比较器I1比较S与D端的电压，当V(S)＞V(D)+V0时，比较器I1输出低电平。由于比较器地线为G，因此，比较器输出电压V(gate_buf)＝V(G)。主开关管MPSW打开，此时衬底电压为V(S)，实现正向导通。
当V(S)＜V(D)+V0时，比较器I1输出gate_buf为高电平(为电源选择器I0输出的电压即V(D))，此时g_为低电平V(G)，衬底连接开关管MPB2开启，主开关管MPSW的栅极电压为V(D)，衬底电压为V(D)，因此主开关管MPSW关闭，并且实现反向截止。
通过调节合适大小的V0，V0即为正向导通的最小正向电压。
图3示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的电路结构，这一场效应管是基于NMOS的单向开关，其原理和图2所示结构类似，在此不再展开描述。
图5示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的转移特性曲线。图6示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的输出特性曲线。由上述曲线可以看出，该器件具有单向导通功能，并且，在正向导通状态下，直流特性与普通MOS管相同。反向击穿电压可以到8V以上，因此在应用上有很好的兼容性。
本发明实施例的场效应管兼容于主流集成电路制造工艺，可以方便地在各平台上实现三电极单向导通的PMOS/NMOS。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，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，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种三电极单向导通场效应管，包括：
主开关管，具有源极、漏极、栅极和衬底；
电源选择器，选择所述主开关管的源极电压和漏极电压中的较高电压作为内部电压，利用所述内部电压和一第一电压来对场效应管的内部电路供电；
主开关栅极控制电路，比较主开关管的源极电压和漏极电压，并根据比较结果选择所述内部电压和所述第一电压之一为主开关管的栅极电压，当所述主开关管的栅极施加所述第一电压时，所述主开关管导通，当所述主开关管的栅极施加所述内部电压时，所述主开关管关闭；
主开关衬底控制电路，依据所述栅极电压控制所述主开关管的衬底电压，当所述主开关管导通时，施加在主开关管的衬底电压是所述主开关管的源极电压，从而所述主开关管具有正向电流，当所述主开关管关闭时，施加在所述主开关管的衬底电压是所述内部电压，从而使所述主开关管截止。
2.如权利要求1所述的三电极单向导通场效应管，其特征在于，所述主开关衬底控制电路包括第一开关管、第二开关管和反相器；
所述反相器输入端连接所述主开关栅极控制电路的输出端；
所述第一开关管的栅极连接所述主开关管的栅极，所述第一开关管的源极连接所述主开关管的衬底，所述第一开关管的漏极连接所述主开关管的源极；所述第二开关管的栅极连接所述反相器的输出端，所述第二开关管的源极连接所述主开关管的衬底，所述第二开关管的漏极连接所述主开关管的漏极。
3.如权利要求1所述的三电极单向导通场效应管，其特征在于，所述主开关衬底控制电路包括第一开关管、第二开关管和反相器；
所述反相器输入端连接所述主开关栅极控制电路的输出端；
所述第一开关管的栅极连接所述主开关管的栅极，所述第一开关管的漏极连接所述主开关管的衬底，所述第一开关管的源极连接所述主开关管的漏极；所述第二开关管的栅极连接所述反相器的输出端，所述第二开关管的漏极连接所述主开关管的衬底，所述第二开关管的源极连接所述主开关管的源极。
4.如权利要求2所述的三电极单向导通场效应管，其特征在于，所述主开关管为PMOS管，所述第一开关管和所述第二开关管是PMOS管。
5.如权利要求3所述的三电极单向导通场效应管，其特征在于，所述主开关管为NMOS管，所述第一开关管和所述第二开关管是NMOS管。
6.如权利要求1所述的三电极单向导通场效应管，其特征在于，所述主开关栅极控制电路为一比较器，所述比较器的两输入端之间具有一失调电压。
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