CN1241319A - 带有集成部件的电压整流部件 - Google Patents

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Abstract

电压整流器件包括两个交流电压输入端(BE1,BE2)和两个整流后电压的输出端(BS1,BS2),采用集成技术在半导体衬底(SBS)内制造整流装置,在衬底的表面取出这些输出端之一(BS1)。该整流装置包括一对第一类绝缘栅场效应晶体管(T1,T2)和一对第二类绝缘栅场效应晶体管(T3,T4),第一类晶体管作为二极管来安装,它们的电极(D1,D2)之一与衬底相连,第二类晶体管分别放置在已偏压的半导体阱(CS3,CS4)中,它们的栅极连接并跨接在两个输入端上,第一和第二类晶体管具有相反类型的沟道,并且当导通时,它们的漏/源电压低于某一预定电压。

Description

带有集成部件的电压整流器件
本发明主要是涉及射频波领域的电压整流。
本发明发现了一种在袖珍产品领域有优势的，但却不局限的应用，该应用能够在远程合作(remote cooperation)期间用一个终端从例如该终端产生的磁场中恢复能量，并且在可能大致在100KHz到数十MHz范围的频率上实现这一点。
1986年5月6日出版的美国No.H64上的发明的法定注册揭示了一种采用集成技术制造的带有2个N沟道绝缘栅场效应晶体管(NMOS晶体管)和2个二极管的全波整流器。但是，当交流输入电压超过几百KHz时，由于上述二极管的开关特性不良，这种整流器会表现出工作问题。
专利号为5,479,172的美国专利描述了一种由4个NMOS晶体管(其中2个是以二极管形式安装(diode-mounted))组成的整流器。这种整流器的主要缺点在于降压幅度，也就是说横跨于整流器端点的输入电压和输出电压之间的电压差。
本发明的目的是提出一种对这些问题的解决办法。
本发明的目的着重在于在使压降最小的同时，解决上述二极管的开关时间问题，特别是为了允许(整流器)在高频下正常工作。
因此，本发明提出了一种电压整流器件，该器件包括两个交流电压输入端、采用集成技术在半导体衬底内制作的整流装置，两个整流后电压的输出端，在衬底表面引出这些输出端之一。
根据本发明的一般特性，该整流装置包括一对第一类绝缘栅场效应晶体管和一对第二类绝缘栅场效应晶体管，第一类绝缘栅场效应晶体管被设计用来起整流部件的作用，它们的电极之一(源极或漏极)与衬底相连，而第二类绝缘栅场效应晶体管分别被设计为在偏压半导体阱中，栅极连接并横跨于两个输入端上，第一和第二类晶体管具有相反类型的沟道，并且当晶体管导通时，其漏/源电压低于某一预定电压。
如果第一类晶体管(例如NMOS晶体管)展现了足够的沟道宽度，当导通时，栅/源电压继续低于上述门限电压(在本例中是二极管的门限电压)，那么简单地通过以二极管方式安装(diode-mounting)这些晶体管，也就是说通过把其栅极连接到它们的电极之一(例如漏极)，来制造这些晶体管的整流类装置。在这样一个实施例中，规定第一类晶体管把它们的漏极与衬底相连，并且把它们的栅极与它们各自的漏极相连，这两个第一类晶体管的以二极管方式安装的源极被分别连接到电压整流器件的两个输入端。
当导通时，漏/源电压(或者栅/源电压，这是因为栅极被连接到漏极)低于源/衬底寄生二极管的门限电压这一事实，通过有效地并联这个扩散二极管，对整流器的正常工作做出贡献，换句话说，防止了一些电流从这个寄生二极管流失。
如果所采用的技术不能在导通的同时，获得针对诸晶体管的合理宽度而言足够小的栅/源电压，那么可以通过把第一类晶体管的电极之一(漏极或源极)连接到衬底，并且通过把这些第一类晶体管的栅极连接到一个已选定的偏压，来实现第一类晶体管的整流类装置，该偏压最好低于每个第一类晶体管的固有门限电压(也就是源/衬底电压为0时，该晶体管的门限电压)，以使这些第一类晶体管在非导通期间充分保持阻塞状态。
实际上，特别是当采用1微米CMOS集成技术(1微米表示晶体管沟道的长度)，或者甚至采用0.5微米CMOS技术制造该整流装置的时候，把偏置电压选择在例如400毫伏的几百毫伏与等于该晶体管的固有门限电压减去例如400毫伏的几百毫伏的上限这两者之间。
采用被作为整流器部件安装的晶体管代替常规的二极管，甚至使我们有可能在高频频段(例如几十兆赫兹)使整流器正常工作。此外，因为这些第一类晶体管的电极之一(例如漏极)被连接至衬底，并且因为导通期间其它电极(例如源极)的电位与衬底的电位相比是负的，所以可以通过最大程度地抑制本领域技术人员非常熟悉的名为“衬底效应”的效应来使压降最小。
就第二类晶体管(例如PMOS晶体管)而言，它们在导通状态下的漏/源电压低于某一预定值(最好把该预定值取为与二极管的门限电压相等，例如0.7伏，实际上是0.6伏)，特别是当采用1微米，甚至是0.5微米CMOS集成技术制造整流装置的时候，上述情况有可能使以这种结构产生的垂直PNP寄生晶体管一直保持阻塞状态，从而有助于晶体管保持良好效率。
而且，通过对包含这些第二类晶体管的半导体阱提供偏置，例如，通过把它们分别连接到另一个的输出端，就防止了导通期间，在阱和衬底之间，这些晶体管的闩锁(latch-up)效应。
在检查全部非限定的实施例和附图时，将会看到本发明的其它优点和特征，这些图中：
图1图解表示了根据本发明的整流器的第一个实施例；
图2图解表示了图1中采用集成技术的器件的具体实现；以及
图3和图4图解表示了根据本发明的整流器的第二个实施例；
在图1中，标记号RDR一直表示了根据本发明的全波整流器的第一个实施例。
这个整流器包括两个用于接收交流信号(方波、正弦波或任何其它波形)的输入端BE1和BE2以及两个用于传输整流后直流信号的输出端BS1和BS2。
这些输出端之一，例如BS1端，从半导体衬底SBS(图2)的表面上引出，在该半导体衬底内制造了整流器。
在输入端和输出端之间提供的是整流装置，该装置包括一对第一类绝缘栅场效应晶体管(分别用T1和T2表示)和一对第二类绝缘栅场效应晶体管(分别用T3和T4表示)。
在其余的描述中，就绝缘栅场效应晶体管而言，出于简化目的，采用术语“源极”和“漏极”来区分晶体管的除了栅极以外的电极。然而，本领域的技术人员知道，在这种技术类型中，对于晶体管的两个源极和漏极的特性来说它们是对称的，以便能够毫不费力地互换对源极和漏极的描述。
在图1的结构(set-up)中，两个晶体管T1和T2把它们各自的源极S1和S2连接到两个输入端BE1和BE2。而且，这些晶体管被作为二极管来安装，也就是说，它们把自己其它的电极，即它们的漏极D1、D2分别连接到栅极G1和G2。
此外，两个漏极D1和D2，并且接下来是两个栅极G1和G2，被直接连接到输出端BS1，也就是说被连接到半导体衬底。
这对第一类晶体管由NMOS晶体管构成，而这对第二类晶体管T3和T4由PMOS晶体管构成。
这些第二类晶体管把它们各自的栅极G3和G4连接并跨接于两个输入端BE2和BE1。此外，晶体管T3的源极S3被连接到输入端BE1，而晶体管T4的源极S4被连接到输入端BE2，并且漏极D3和D4被一起连接到第二输出端BS2。
正如可以在图2中更详细地看到的那样，这两个晶体管T3和T4被分别置于两个N-掺杂的半导体阱CS3和CS4中。这两个晶体管的衬底被偏压并且通过一个N+过掺杂的衬底区域(或阱区域)连接到输出端BS2，该过掺杂衬底区域对于晶体管T3被表示为SB3，对于晶体管T4被表示为SB4。
正如还可以在图2中看到的那样，第一输出端BS1通过P+过掺杂衬底区域SB12被连接到本例中为P-掺杂的半导体衬底SBS。
导通时，晶体管T3和T4中的每一个的漏/源电压低于产生于上述结构的寄生垂直PNP晶体管的基区/发射区二极管的门限电压，并且上述情况使得这个寄生晶体管一直保持阻塞的状态。
那些了解晶体管导通时，其漏/源电压取决于比率W/L(这里，W代表沟道的宽度，L代表沟道的长度，也就是说漏/源距离)，取决于导通电流值并且取决于与所采用技术有关的参数的本领域的技术人员，将随时能够以一种遵从这个条件的方式来设计晶体管T3和T4的尺寸。实际上，导通状态下低于0.6伏的漏/源电压将是最佳的选择。可以通过采用具有500微米左右的沟道宽度、毫安级的瞬时电流的晶体管，并且通过采用1微米CMOS技术来得到这一点，后面的值表示诸晶体管的沟道长度。
就NMOS晶体管T1、T2而言，为了使它们导通状态下的栅/源电压(即它们导通状态下的漏/源电压，因为栅极和漏极是连接在一起的)保持在低于这些晶体管中每一个的源/衬底寄生扩散二极管的门限电压，已经把它们的沟道宽度选择得足够宽。假如不是这种情况，那么一些导通电流将经由这个寄生二极管流失，从而降低整流器的效率。
实际上，可以用这种方式来设计晶体管的尺寸，以获得导通状态下低于0.6伏的栅/源电压，有可能采用0.5微米CMOS技术，从300到500微米量级的沟道宽度，毫安量级的电流来实现这一点。
此外，在每个晶体管T1和T2导通的同时，它的源极的电位变为与衬底的电位相比是负的。这样，源/衬底扩散二极管是正向偏置的。现在，晶体管的门限电压VT遵循下列物理定律： VT = VT 0 + KB ( VSB + 2 Φf - 2 Φf )
这里，VT0表示在0伏源/衬底电压下，晶体管的固有门限电压，
VSB表示源/衬底电压，
KB和2Φf是由该技术给出的参数，
(举例来说：对于1微米CMOS技术，VT0＝0.65V，KB＝0.72ΦF＝0.63)。
因此，当该晶体管正在导通时，门限电压VT的值下降，从而有利于电流在晶体管的沟道中流动，不利于在源/衬底扩散二极管中的电流。
本领域的技术人员知道，由正的和非零值VSB产生的晶体管的衬底效应导致了门限电压的提高。
就专利号为5479172的美国专利中以二极管方式安装的晶体管而言，借助于把它们的源极连接到正输出电位，这个衬底效应是非常显著的，在根据本发明的整流器中，这个衬底效应被大大削弱了，从而对降低压降做出了贡献。
如果所采用的技术不能在导通状态下获得对合理的晶体管(沟道)宽度而言足够低的栅/源电压，那么本领域的技术人员将能够采用图3所示的实施例。
在图3中，类似于或在功能上类似于图1和图2中的部件的那些部件的标记号与图1和图2中部件的标记号相比已经在数字上相应增加了10。现在将只描述图3与图1和图2之间的差别。
在图3中，以整流器形式安装的、而不是按照图1的示意图那样以二极管形式安装的两个晶体管T11和T12现在把它们各自的栅极G11和G12连接到一个已选定的偏置电压VP。从晶体管T11和T12的门限电压中减去这个偏置电压，将把这个偏置电压选择为低于这些晶体管的固有门限电压VT0，以使源/衬底电压，也就是说本例中这些晶体管的源/漏电压，在导通状态下保持在低于源/衬底寄生扩散二极管的门限电压。假如诸晶体管的栅极偏压超过了这些晶体管的门限电压VT0，那么在非导通期间后者将不足以保持阻塞状态。
实际上，将有可能把偏压选为几百毫伏，通常是0.5V。(如果有可能的话)可以直接从嵌有整流器的集成电路的其它部分的表面取出这个偏压。如果不能直接得到这个电压，那么将有可能提供一种偏置器件(bias device)，例如图4所示的那一种。
在图4中，偏置器件DPL包括两个PMOS晶体管T5和T6，T5和T6的源极连接到供电电压+VDD。这两个晶体管的栅极连接在一起。晶体管T6的栅极与漏极相连。
晶体管T5的漏极经由栅极与漏极相连的NMOS晶体管T7与衬底相连。晶体管T6的漏极经由两个NMOS晶体管T8和T9连接到衬底，T9的漏极连接到T8的源极。在这个公共端取出偏置电压VP。
晶体管T7和T8的栅极连接在一起，晶体管T7和T9的栅极也连接在一起。
在根据本发明的器件和上文提到的美国专利的整流器之间的比较性测试已经表明，对于±5V的正弦交流输入电压，采用过去技术的整流器仅能得到大约3.3V的整流输出电压，而采用依据本发明的整流器可以得到4.2V左右的整流输出电压，这个对应于22％的差别支持了根据本发明的整流器。
上文的描述涉及采用P-或P型掺杂的衬底的器件。当然，在N-或N型掺杂衬底的情况下，应该由PMOS晶体管来代替NMOS晶体管，并且反之亦然，诸电压的极性和诸扩散二极管的方向同样应该被颠倒过来。

Claims (11)

1.一种电压整流器件，它包括两个交流电压输入端(BE1，BE2)采用集成技术在半导体衬底(SBS)内制造的整流装置，和两个整流后电压的输出端(BS1，BS2)，在衬底的表面取出这些输出端之一(BS1)，其特征在于：该整流装置包括一对第一类绝缘栅场效应晶体管(T1，T2)和一对第二类绝缘栅场效应晶体管(T3，T4)，第一类晶体管作为二极管来安装，它们的电极(D1，D2)之一与衬底相连，第二类晶体管分别放置在已偏压的半导体阱(CS3，CS4)中，它们的栅极连接并跨接在两个输入端上，第一和第二类晶体管具有相反类型的沟道，并且当导通时，它们的漏/源极电压低于某一预定电压。
2.权利要求1中所述的器件，其特征在于：第一类晶体管(T1，T2)把它们的漏极(D1，D2)与衬底(SBS)相连，把它们的栅极(G1，G2)与它们各自的漏极相连，与此同时，它们的源极(S1，S2)分别连接到两个输入端(BE1，BE2)。
3.权利要求1或2中所述的器件，其特征在于：第一类晶体管的沟道宽度至少等于300微米。
4.一种电压整流器件，它包括两个交流电压输入端(BE11，BE12)，采用集成技术在半导体衬底(SBS)内制造的整流装置，和两个整流后电压的输出端(BS11，BS12)，在衬底的表面取出这些输出端之一(BS11)，其特征在于：该整流装置包括一对第一类绝缘栅场效应晶体管(T11，T12)和一对第二类绝缘栅场效应晶体管(T13，T14)，第一类晶体管把它们的电极之一(漏极或源极)与衬底相连，把它们的栅极与已选定的偏置电压(VP)相连，第二类晶体管分别置于已偏压的半导体阱中，它们的栅极连接并跨接在两个输入端上，第一和第二类晶体管具有相反类型的沟道，并且当导通时，它们的漏/源电压低于某一预定电压。
5.权利要求4中所述的器件，其特征在于：第一类晶体管(T11，T12)把它们的漏极与衬底相连，把它们的源极分别与两个输入端相连。
6.权利要求5中所述的器件，其特征在于：把偏置电压(VP)选定为低于每个第一类晶体管的固有门限电压。
7.权利要求6中所述的器件，其特征在于：把偏置电压(VP)选定在几百毫伏(例如400毫伏)与等于第一类晶体管的固有门限电压减去几百毫伏(例如400毫伏)的上限这两者之间。
8.在上述权利要求之一中所述的器件，其特征在于：第二类晶体管的阱被连接到另一个输出端(BS2)。
9.在上述权利要求之一中所述的器件，其特征在于：把预定电压取为等于二极管的门限电压，例如0.7伏。
10.在上述权利要求之一中所述的器件，其特征在于：把预定电压取为等于0.6伏。
11.在上述权利要求之一中所述的器件，其特征在于：第一类晶体管是NMOS晶体管，而第二类晶体管是PMOS晶体管。
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