CN112289787B - 一种具有多种控制功能的mos器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体器件技术领域，公开了一种具有多种控制功能的MOS器件。包括集成于同一衬底基片上的主功率MOS器件、启动MOS器件、电阻、第一二极管、第二二极管和第三二极管。本发明通过将电源系统中的输入电压电路检测模块、启动上电电路模块、功率MOS电路模块和防电流倒灌电路模块单片集成，实现减小控制系统运行芯片面积的同时，不影响功率MOS器件的正常工作，具有结构简单、开发设计简单等优点。

Description

一种具有多种控制功能的MOS器件
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种具有多种控制功能的MOS器件。
背景技术
MOS器件是半导体主流器件之一，目前已经广泛于各类功率系统。与双极型器件相比，其开关速度快、损耗小、输入阻抗高、驱动功率小、频率特性好。普通MOS器件只是单独的器件，并未具备其它电路功能，且常用于电源系统。
电源系统，特别是开关电源系统，通常由电源输入电压检测电路、启动上电电路、功率MOS芯片、控制系统运行芯片等各个部分构成，为了达到预期的能效以及安全性，电源系统需要合理的“初始化上电动作→正常工作”过渡过程。通常需在电源系统检测到其输入电压达到足够大的阈值后，才允许打开电源系统内的启动上电电路，如此才能开始供电控制系统运行芯片，而只有当控制系统运行芯片具备设计预期的供电电压值之后，控制系统运行芯片才允许实施开机初始化动作，以及随后去配合功率MOS器件正常工作的动作，如此方可令电源系统进入了正常工作模式，同时电源系统正式进入正常工作状态后，上述电源输入电压检测电路、启动上电电路等模块不能影响到控制系统运行芯片与功率MOS器件之间的配合工作状态。上述电源系统的功率MOS器件通常处于“开关工作”状态。现有电源系统中由于构成比较复杂，所需模块过多造成的成本过高，设计过于复杂等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种将电源输入电压检测电路、启动上电电路、功率MOS电路和防电流倒灌电路单片集成，实现具有多种控制功能的MOS器件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有多种控制功能的MOS器件，包括集成于同一衬底基片上的主功率MOS器件、启动MOS器件、电阻、第一二极管、第二二极管和第三二极管；
所述主功率MOS器件和所述启动MOS器件共漏极连接、并引出共有漏极作为所述具有多种控制功能的MOS器件的漏电极，所述主功率MOS器件的栅极引出作为所述具有多种控制功能的MOS器件的第一栅电极，所述主功率MOS器件的源极引出作为所述具有多种控制功能的MOS器件的第一源电极，所述启动MOS器件的栅极引出作为所述具有多种控制功能的MOS器件的第二栅电极，所述启动MOS器件的源极连接所述第三二极管的P端，所述第三二极管的N端引出作为所述具有多种控制功能的MOS器件的第二源电极；所述漏电极和所述第二栅电极之间串联有所述电阻、所述第一二极管和所述第二二极管，所述第一二极管和所述第二二极管共阴端连接或者共阳端连接。
进一步地，所述具有多种控制功能的MOS器件的结构包括第一导电类型半导体掺杂衬底、第一导电类型半导体掺杂漂移区、多个第二导电类型半导体基区、第一导电类型半导体掺杂源区、第二导电类型半导体掺杂接触区、栅介质层、漏极区域、第一源极区域、第二源极区域、第一栅极区域、第二栅极区域和绝缘层；所述第一导电类型半导体掺杂漂移区位于所述第一导电类型半导体掺杂衬底的正面，所述漏极区域位于所述第一导电类型半导体掺杂衬底的背面并引出所述漏电极；所述多个第二导电类型半导体基区位于所述第一导电类型半导体掺杂漂移区内，所述第二导电类型半导体基区内有所述第一导电类型半导体掺杂源区和所述第二导电类型半导体掺杂接触区、并形成有PN结，所述第一源极区域和所述第二源极区域均与所述第一导电类型半导体掺杂源区和所述第二导电类型半导体掺杂接触区相接触，所述第一源极区域引出所述第一源电极，所述第二源极区域电性连接所述第三二极管的P端，所述第三二极管的N端引出所述第二源电极；所述栅介质层位于所述第二导电类型半导体基区和第一导电类型半导体掺杂漂移区的上表面，所述第一栅极区域和所述第二栅极区域均位于所述栅介质层的上表面；所述第一栅极区域引出所述第一栅电极，所述第二栅极区域引出所述第二栅电极；所述绝缘层位于所述第一导电类型半导体漂移区的上表面。
进一步地，所述主功率MOS器件和所述启动MOS器件通过工艺隔离的方法制作在同一衬底上，所述电阻、第一二极管、第二二极管和第三二极管制作于所述具有多种控制功能的MOS器件表面的绝缘层上。
进一步地，所述第一源极区域和所述第一栅极区域填充有绝缘介质层，所述第二源极区域和所述第二栅极区域填充有绝缘介质层。
进一步地，当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，所述具有多种控制功能的MOS器件为N沟道MOS器件。
进一步地，当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，所述具有多种控制功能的MOS器件为P沟道MOS器件。
进一步地，所述具有多种控制功能的MOS器件包括输入电压检测电路模块、启动上电电路模块、功率MOS电路模块和防电流倒灌电路模块。
优选的，所述第一二极管、第二二极管和第三二极管采用稳压二极管。
进一步地，启动MOS器件M1与所述第三二极管DX的P端之间、或所述第三二极管DX的N端串联有电阻。
本发明的有益效果是：
通过将电源系统中的输入电压电路检测模块、启动上电电路模块、功率MOS电路模块和防电流倒灌电路模块单片集成，实现减小控制系统运行芯片面积的同时，不影响功率MOS器件的正常工作，具有结构简单、开发设计简单等优点。
附图说明
图1为本发明MOS器件的电路原理图；
图2为本发明MOS器件的系统模块原理图；
图3为本发明MOS器件的结构示意图1；
图4为本发明MOS器件的结构示意图2；
图5为本发明MOS器件的封装引脚示意图。
图中标记为：
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、栅介质层，7、绝缘层，8、隔离结构，9、漏极区域，10、第一源极区域，11、第二源极区域，12、第一栅极区域，13、第二栅极区域，R、电阻，ZD1、第一二极管，ZD2、第二二极管，DX、第三二极管。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进或衍生，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一种具有多种控制功能的MOS器件，单片集成现有电源系统中的输入电压电路检测模块、启动上电电路模块、功率MOS电路模块和防电流倒灌电路模块。如图1所示，为本发明的电路原理图，包括：集成于同一衬底基片上的主功率MOS器件M0、启动MOS器件M1、电阻R1、第一二极管ZD1、第二二极管ZD2和第三二极管DX。
如图2所示，为本发明MOS器件的系统模块原理图，主功率MOS器件M0作为本发明MOS器件的功率MOS电路模块，启动MOS器件M1、电阻R1、第一二极管ZD1和第二二极管ZD2共同组成发明MOS器件的启动上电电路模块，其中电阻R1、第一二极管ZD1和第二二极管ZD2也可作为本发明MOS器件的输入电压检测模块，第三二极管DX作为本发明MOS器件的防电流倒灌电路模块。
如图1所示，主功率MOS器件M0和启动MOS器件M1共漏极连接、并引出共有漏极作为本发明MOS器件的漏电极D，主功率MOS器件M0的栅极引出作为本发明MOS器件的第一栅电极G1，主功率MOS器件M0的源极引出作为本发明MOS器件的第一源电极S1，启动MOS器件M1的栅极引出作为本发明MOS器件的第二栅电极G2，启动MOS器件M1的源极连接第三二极管DX的P端，第三二极管DX的N端引出作为本发明MOS器件的第二源电极S2。
共有漏电极D和第二栅电极G2之间串联有电阻R1、第一二极管ZD1和第二二极管ZD2，第一二极管ZD1和第二二极管ZD2共阴端连接、共阳端连接或者其他连接方法，目的在于定义合理的输入电压阈值以供输入电压检测电路使用。共有漏电极D和第二栅电极G2之间的存在一个或者若干个用于检测输入电压的反向二极管，当反向电压不够大时，该反向二极管是断开的，当输入电压上升且足够令此二极管反向击穿时，才能够给启动MOS器件M1的栅极充电，从而实现对共有漏电极D端的输入电压做检测。
为了更好的保护启动MOS器件M1，上述防电流倒灌电路模块串联有稳压电阻，在启动MOS器件M1与所述第三二极管DX的P端之间、或者在第三二极管DX的N端串联有电阻。
优选的，第一二极管ZD1、第二二极管ZD2和第三二极管DX采用稳压二极管。
如图3所示和图4所示，为本发明MOS器件的结构示意图。包括：第一导电类型半导体掺杂衬底1、第一导电类型半导体掺杂漂移区2、多个第二导电类型半导体基区3、第一导电类型半导体掺杂源区4、第二导电类型半导体掺杂接触区5、栅介质层6、漏极区域9、第一源极区域10、第二源极区域11、第一栅极区域12、第二栅极区域13和绝缘层7。
第一导电类型半导体掺杂漂移区2位于第一导电类型半导体掺杂衬底1的正面，漏极区域9位于第一导电类型半导体掺杂衬底1的背面并引出漏电极D；多个第二导电类型半导体基区3位于第一导电类型半导体掺杂漂移区2内，第二导电类型半导体基区3内有第一导电类型半导体掺杂源区4和第二导电类型半导体掺杂接触区5、并形成有PN结，第一源极区域10和第二源极区域11均与第一导电类型半导体掺杂源区4和第二导电类型半导体掺杂接触区5相接触，第一源极区域10引出第一源电极S1，第二源极区域11电性连接第三二极管DX的P端，第三二极管DX的N端引出第二源电极S2；栅介质层6位于第二导电类型半导体基区3和第一导电类型半导体掺杂漂移区2的上表面，第一栅极区域12和第二栅极区域13均位于栅介质层6的上表面；第一栅极区域12引出第一栅电极G1，第二栅极区域13引出第二栅电极G2。绝缘层7位于第一导电类型半导体掺杂漂移区2的上表面。
第一源极区域10和第一栅极区域12、第二源极区域11和第二栅极区域13均填充有绝缘介质层。
本发明MOS器件的主功率MOS器件M0和启动MOS器件M1通过工艺隔离的方法制作与同一衬底上，如图2和图3所示，形成隔离结构8，隔离结构8将主功率MOS器件M0和启动MOS器件M1隔离，互不干扰。同时电阻R1、第一二极管ZD1、第二二极管ZD2和第三二极管DX制作与本发明MOS器件表面的绝缘层7上。
如图5所述，为本实施例的一种封装示意图，主功率MOS器件M0和启动MOS器件M1通过工艺隔离的方法制作于统一衬底上，封装成8PIN的集成MOS器件，其中NC脚为空脚。
当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MOS器件为N沟道MOS器件。当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MOS器件为P沟道MOS器件。
本发明MOS器件的工作原理如下：
漏电极D端连接输入电压，电阻R1、第一二极管ZD1和第二二极管ZD2用于检测输入电压，当输入电压上升且足够反向击穿第一二极管ZD1或者第二二极管ZD2时，开始为启动MOS器件M1的栅极充电。当启动MOS器件M1的栅极电压高于此MOS器件的开启阈值电压时，启动MOS器件M1开启且处于饱和区，启动MOS器件M1将具备足够大的电流，并开始给控制系统运行芯片充电，实现控制系统运行芯片的初始化过程。当电源系统正式进入正常工作状态后，电源输入电压检测电路、启动上电电路等模块不能影响到控制系统运行芯片与主功率MOS器件M0之间的配合工作状态，控制系统运行芯片在完成初始化动作后，会反馈信号给本发明MOS器件的启动上电电路模块并结束启动上电过程，体现为本发明的第二栅电极G2端口的电压下拉至足够低(通常为GND，即0值电压)，此时启动MOS器件M1因栅极电压不足而关断。随后控制系统运行芯片配合本发明的主功率MOS器件M0的功率电路模块工作，即电压系统开始进入正常的工作模式。第三二极管DX组成防倒灌电流电路模块，主要用于防止主功率MOS器件M1位置相关寄生器件的电流倒灌现象，对本发明MOS器件造成不可逆的损伤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有多种控制功能的MOS器件，其特征在于：包括集成于同一衬底基片上的主功率MOS器件(M0)、启动MOS器件(M1)、电阻(R1)、第一二极管(ZD1)、第二二极管(ZD2)和第三二极管(DX)；
所述主功率MOS器件(M0)和所述启动MOS器件(M1)共漏极连接、并引出共有漏极作为所述具有多种控制功能的MOS器件的漏电极(D)，所述主功率MOS器件(M0)的栅极引出作为所述具有多种控制功能的MOS器件的第一栅电极(G1)，所述主功率MOS器件(M0)的源极引出作为所述具有多种控制功能的MOS器件的第一源电极(S1)，所述启动MOS器件(M1)的栅极引出作为所述具有多种控制功能的MOS器件的第二栅电极(G2)，所述启动MOS器件(M1)的源极连接所述第三二极管(DX)的P端，所述第三二极管(DX)的N端引出作为所述具有多种控制功能的MOS器件的第二源电极(S2)；
所述漏电极(D)和所述第二栅电极(G2)之间串联有所述电阻(R1)、所述第一二极管(ZD1)和所述第二二极管(ZD2)，所述第一二极管(ZD1)和所述第二二极管(ZD2)共阴端连接或者共阳端连接；所述具有多种控制功能的MOS器件的结构包括第一导电类型半导体掺杂衬底(1)、第一导电类型半导体掺杂漂移区(2)、多个第二导电类型半导体基区(3)、第一导电类型半导体掺杂源区(4)、第二导电类型半导体掺杂接触区(5)、栅介质层(6)、漏极区域(9)、第一源极区域(10)、第二源极区域(11)、第一栅极区域(12)、第二栅极区域(13)和绝缘层(7)；
所述第一导电类型半导体掺杂漂移区(2)位于所述第一导电类型半导体掺杂衬底(1)的正面，所述漏极区域(9)位于所述第一导电类型半导体掺杂衬底(1)的背面并引出所述漏电极(D)；所述多个第二导电类型半导体基区(3)位于所述第一导电类型半导体掺杂漂移区(2)内，所述第二导电类型半导体基区(3)内有所述第一导电类型半导体掺杂源区(4)和所述第二导电类型半导体掺杂接触区(5)、并形成有PN结，所述第一源极区域(10)和所述第二源极区域(11)均与所述第一导电类型半导体掺杂源区(4)和所述第二导电类型半导体掺杂接触区(5)相接触，所述第一源极区域(10)引出所述第一源电极(S1)，所述第二源极区域(11)电性连接所述第三二极管(DX)的P端，所述第三二极管(DX)的N端引出所述第二源电极(S2)；所述栅介质层(6)位于所述第二导电类型半导体基区(3)和第一导电类型半导体掺杂漂移区(2)的上表面，所述第一栅极区域(12)和所述第二栅极区域(13)均位于所述栅介质层(6)的上表面；所述第一栅极区域(12)引出所述第一栅电极(G1)，所述第二栅极区域(13)引出所述第二栅电极(G2)；所述绝缘层(7)位于所述第一导电类型半导体掺杂漂移区(2)的上表面。
2.如权利要求1所述的一种具有多种控制功能的MOS器件，其特征在于：所述主功率MOS器件(M0)和所述启动MOS器件(M1)通过工艺隔离的方法制作在同一衬底上，所述电阻(R1)、第一二极管(ZD1)、第二二极管(ZD2)和第三二极管(DX)制作于所述具有多种控制功能的MOS器件表面的绝缘层(7)上。
3.如权利要求2所述的一种具有多种控制功能的MOS器件，其特征在于：所述第一源极区域(10)和所述第一栅极区域(12)填充有绝缘介质层，所述第二源极区域(11)和所述第二栅极区域(13)填充有绝缘介质层。
4.如权利要求3所述的一种具有多种控制功能的MOS器件，其特征在于：当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，所述具有多种控制功能的MOS器件为N沟道MOS器件。
5.如权利要求3所述的一种具有多种控制功能的MOS器件，其特征在于：当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，所述具有多种控制功能的MOS器件为P沟道MOS器件。
6.如权利要求1-5任一权利要求所述的一种具有多种控制功能的MOS器件，其特征在于：所述启动MOS器件(M1)与所述第三二极管(DX)的P端之间、或所述第三二极管(DX)的N端串联有电阻。
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