CN1275377C

CN1275377C - 电荷泵装置

Info

Publication number: CN1275377C
Application number: CN 02144263
Authority: CN
Inventors: 名野隆夫; 植本彰
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: CN1487655A

Abstract

一种大电流输出的电荷泵装置，在N型井区(21、22)内分别形成有P型井区(31、32)。N型井区(21、22)是相互隔离形成的。然后，在P型井区(31、32)内分别形成有电荷转移用MOS晶体管(M2、M3)。因而，不会形成有诱发闭锁的寄生闸流晶体管。从而可防止闭锁的发生。

Description

电荷泵装置

技术领域

本发明涉及一种电源电路等所用的大电流输出的电荷泵半导体装置，尤其涉及一种通过防止假闭锁(latch up)的发生，从而可进行稳定动作的电荷泵半导体装置。

背景枝术

近年来，摄像机、数码照相机(DSC)、DSC电话等的影像机器，为了取入该影像而使用CCD(电荷耦合元件：Charge Coupled Devices)。用以驱动CCD的CCD驱动电路，需要正、负的高电压(十几V)且大电流(几mA)的电源电路。现在，该高电压是使用开关式调节装置(switchingregulator)来产生。

开关式调整器可以以高性能、即高的功率利用系数(输出功率/输入功率)产生高电压。但是，该电路因在进行电流交换时有发生高次谐波噪声的缺点，故必须屏蔽电源电路来使用。更需要线圈以作为外部零件。

因此，作为上述便携式机器用的电源电路，迪克生(Dickson)电荷泵装置受到了重视。该电路，例如已详细公开在技术文献(JohnF.Dickson“On-chip High-Voltage Generation in MNOS Integrated Circuits Using anImproved Voltage Multiplier Technique”IEEE JOURNAL QF SOLID-STATECIRCUITS，VOL.SC-11.NO.3 pp.374-378JUNE 1976.)中。

图5示出了4级的迪克生电荷泵装置的电路图。二极管D1至D5是串联连接。C1至C4是与各二极管D1至D5的连接点相连接的耦合电容器(Coupling Capacitor)，CL是输出电容器(Output Capacitor)，CLK及CLKB是互为反相的输入时钟脉冲。另外，51是输入有CLK及CLKB的时钟驱动器(clock driver)，52是电流负载。时钟驱动器51上供给有电源电压Vdd。因而由时钟驱动器51所输出的时钟脉冲Φ1、Φ2的输出振幅大致会成为Vdd。然后，时钟脉冲Φ1是供至电容器C2、C4上，而时钟脉冲Φ2是供至电容器C1、C3上。

在稳定状态下，恒定电流Iout流至输出的情况，流至电荷泵装置的输入电流，就成为来自输入电压Vin的电流与由时钟驱动器所供给的电流。这些电流，当忽略流至寄生电容的充放电电流时就成为如下所示。在Φ1＝高(High)，Φ2＝低(Low)的期间，2Iout的平均电流就会朝图中的实线箭头方向流动。

另外，在Φ1＝低(Low)，Φ2＝高(High)的期间，2Iout的平均电流就会朝图中的虚线箭头方向流动，在时钟周期内的这些平均电流均为Iout。稳定状态下的电荷泵装置的升压电压Vout可表示如下。

(式1)

V_out＝V_in-V_d+n(V_Φ’-V₁-V_d)

其中，V_Φ’是在各连接节点中，随著时钟脉冲的变化而由耦合电容器所产生的电压振幅。V₁是由输出电流Iout而产生的电压降，V_in是输入电压，通常，在正升压下为电源电压Vdd，而负升压下为0V。V_d是正向偏置二极管电压(Forward bias diode voltage)，n是泵(pumping)级数。进一步地，V₁与V_Φ’是可以下面式子来表示。

(式2)

V1＝Iout/(f(C+C_s))＝(2Iout T/2)/(C+C_s)

(式3)

V_Φ’＝V_ΦC/(C+C_s)

在此，C1至C4是时钟耦合电容器(clock coupling capacitor)，Cs是各连接节点中的寄生电容(stray capacitor at each node)，V_Φ是时钟脉冲的振幅(clock pulse amplitude)，f是时钟脉冲的频率，T是时钟周期(clockperiod)。当忽略由时钟驱动器流至寄生电容的充放电电流，且Vin＝Vdd时，电荷泵装置的功率利用系数，可以以下式来表示。

(式4)

η＝Vout Iout/((n+1)Vdd Iout)＝Vout/((n+1)Vdd)

如此，在电荷泵装置中，是把二极管用作电荷转移用元件(chargetransfer device)将电荷逐次转移至下一级而进行升压的。但是，当考虑安装到半导体集成电路装置时从制造的适合性来看，比起pn结的二极管，则以使用MOS晶体管较易实现。

因此，提案有使用MOS晶体管取代二极管以作为电荷转移用元件。此时，在式(1)中，Vd是MOS晶体管的阈值电压(threshold voltage)Vth。

然而，目前尚未有充分研究有关将电荷泵装置组装在半导体集成电路装置内，并为了实现大电流且稳定动作的装置构造。尤其是，在大输出电流的电荷泵装置中，虽然存在相应动作的开始会产生闭锁的问题，但是其原因仍不清楚。

发明内容

本发明是鉴于上述的现有技术问题而开发的，其目的在于实现大电流且高效率的电荷泵装置。另外，可以防止在以往大电流的电荷泵装置中所无法回避的闭锁的发生，并可实现稳定的动作。

本发明的电荷泵装置，包含有：在基板上互相隔离形成的多个井区；分别形成于所述各井区内，并互相串联连接的多个电荷转移用晶体管；以及与这些电荷转移用晶体管的各连接点耦合的电容器，其特征在于：将所述电荷转移用晶体管的漏极层与形成有该电荷转移用晶体管的所述井区予以电性连接，将形成有所述电荷转移用晶体管的所述井区之间电性隔离，以便使诱发闭锁的闸流晶体管不会形成。

根据本发明的特征构成，形成电荷转移用晶体管的井区互相隔离，且电荷转移用晶体管的漏极层与形成有该电荷转移用晶体管的井区电性连接。也就是说，由于成立栅极与基板间电压Vgb＝栅极与漏极间电压Vgd的关系，所以可防止因反向栅偏置效应(Back Gate Bias Effect)而引起电荷转移用晶体管的阈值电压Vth的上升。因而，由于可降低电荷转移用晶体管的导通电阻，所以可实现大输出电流的电荷泵装置。

另外，为了实现电性连接电荷转移用晶体管的漏极层及形成有该电荷转移用晶体管的井区的上述特征构成，而在井区内形成有与该井区同导电型的高浓度的扩散层，且连接该扩散层及上述漏极层。因而，由于可以低电阻来电性连接电荷转移用晶体管的漏极层及形成有该电荷转移用晶体管的井区，所以可防止因反向栅偏置效应而引起电荷转移用晶体管的阈值电压Vth的上升。

如此根据本发明的特征构成虽可实现大输出电流的电荷泵装置，但是在动作开始的同时会有容易发生闭锁(latch up)的问题。因此，本发明的其他特征构成，是以不会形成有诱发假闭锁的寄生闸流晶体管(thyristor)的方式，将形成有电荷转移用晶体管的上述井区之间予以电性隔离。

本发明的另一电荷泵装置，包含有：互相隔离形成在第一导电型的基板上的多个第一导电型的井区；分别形成在所述各井区内并互相串联连接的多个电荷转移用晶体管；以及与这些电荷转移用晶体管的各连接点耦合的电容器，其特征在于：将上述电荷转移用晶体管的漏极层及形成有该电荷转移用晶体管的上述第一导电型的井区予以电性连接，且以第二导电型的井区围住形成有上述电荷转移用晶体管的第一导电型的各井区，同时使相邻接的上述第二导电型的井区之间相隔离。

也就是说，各电荷转移用晶体管是形成于2层的井区内(第一导电型井区及第二导电型井区)，并通过以距离来隔开相邻接的上述第二导电型的井区间，即可不形成有寄生闸流晶体管构造。

附图说明

图1是本发明的实施例的电荷泵装置的电路图。

图2是本发明的实施例的电荷泵装置的剖面结构图。

图3是本发明的实施例的电荷泵装置的电路的波形图。

图4是本发明的实施例的电荷泵装置的剖面结构图。

图5是表示4级的迪克生电荷泵装置的电路图。

其中：C1～C4-耦合电容；CL-输出电容；CLK、CLKB-时钟脉冲；D-N+型漏极层；M1～M5-电荷转移用MOS晶体管；S-N+型源极层；10-P型半导体基板；20～22-N型井区；31、32-P型井区；41、42-P+层；43、44-N+层；51-时钟驱动器；52-电流负载。

具体实施方式

图1是显示本发明的实施例的电荷泵装置的等效电路图。在该电荷泵装置中，是考虑对半导体制造的适合性，而使用MOS晶体管M1至M5取代二极管以作为电荷转移用元件。也就是说，由于电荷转移用MOS晶体管M1至M5的栅极与漏极是相连接的因而具有二极管的功能。有关其他的构成则与图5所示的电荷泵装置相同。

另外，各电荷转移MOS晶体管M1至M5的漏极与基板相连接。也就是说，由于栅极与基板间电压Vgb＝栅极与漏极间电压Vgd的关系式成立，所以可防止因反向栅偏置效应(Back Gate Bias Effect)而引起的电荷转移用晶体管阈值电压Vth的上升。上述的构成，是为了要实现大输出电流的电荷泵装置所必须的。

另外，为了进一步降低电荷转移用MOS晶体管M1至M5的导通电阻，有效的方法是使晶体管导通时的栅极与源极间电压Vgs例如比时钟驱动器的电源电压Vdd还高。

图2是表示本发明的实施例的电荷泵装置的剖面结构图。该剖面结构，是对应图1所示的电荷转移用MOS晶体管M2、M3的剖面结构。在P型半导体基板(例如P型硅基板)10的表面上形成有N型井区20，在该N型井区20之中，形成有被隔离的P型井区31、32。然后，在P型井区31内形成有电荷转移用MOS晶体管M2。在P型井区32内形成有电荷转移用MOS晶体管M3。

当更详细说明形成于P型井区31内的电荷转移用MOS晶体管M2时，则在P型井区31的表面上形成有N⁺型漏极层D及源极层S。在P型井区31内，形成有浓度比P型井区31高的P⁺层41。当俯视P⁺层41时，以包围住P型井区31的方式配置成带状，且降低其与P井层31间的接触电阻为佳。并且，漏极层D与P⁺层41是利用铝(Al)布线电性连接。

由于电荷转移用MOS晶体管M2的漏极层D与形成有电荷转移用MOS晶体管M2的P型井区31是以低电阻作电性连接，所以可以可靠地防止因反向栅偏置效应引起电荷转移用MOS晶体管M2的阈值电压Vth的上升。有关形成于P型井区32内的电荷转移用MOS晶体管M3也为同样构成，另外，有关未图示的电荷转移用MOS晶体管M1、M4、M5也为同样构成。

另外，N型井区20，经N⁺层供给由电荷泵装置所升压的输出电压Vout，因而在常态下使N型井区20与P型井区31、32为逆向偏压。

然而，从如上所述可知，当在单个N型井区20内形成多个P型井区31、32…时，因会发生闭锁的现象，使输出电压Vout几乎不会上升。该发生原因由本发明人的推定是如以下所示：

首先，在相邻接的P型井区31、32间形成寄生闸流晶体管。也就是说，图2中，形成纵型的NPN晶体管Tr1及横型的PNP晶体管Tr2。在此，纵型的NPN晶体管Tr1的发射极是电荷转移用MOS晶体管M2的漏极层D，而基极为P型井区31，集电极为N型井区20。

另外，横型的PNP晶体管Tr2的发射极是形成于P型井区32内的P⁺层42，而基极为P型井区31、32间的N型井区20，集电极为P型井区31。该等的寄生NPN晶体管Tr1与寄生PNP晶体管Tr2是构成寄生闸流晶体管。

当上述的图1的电荷泵装置稳定动作时就会成立以下的关系。

输出电压Vout＞V3＞V2＞V1＞输入电压Vin

其中，输入电压Vin通常为Vdd(等于时钟驱动器的电源电压)。另外，V3为电荷转移用MOS晶体管M3的源极电压，V2为电荷转移用MOS晶体管M2的源极电压，V1为电荷转移用MOS电晶位M1的源极电压。

但是，在电荷泵装置的上升时(升压动作开始时)，就成为V1＞V2＞V3＞Vout的关系。也就是说，从第1级开始按顺序对电容器C1、C2、C3、C4充电。

结果，当V1-Vout＞Vbi时电流就会流过寄生PNP晶体管Tr2的基极与发射极间。也就是说，寄生PNP晶体管Tr2会导通。在此，Vbi是基极与发射极间的导通电压。

该寄生PNP晶体管Tr2的集电极电流，由于会成为寄生NPN晶体管Tr1的基极电流，所以寄生NPN晶体管Tr1会导通，而其发射极与集电极间会导通。如此，寄生NPN晶体管Tr1，就会在寄生PNP晶体管Tr2的基极与发射极间流入电流，同时也会从输出电压Vout侧朝电压V1侧流入电流。

结果，输出电压Vout不会上升。上述的寄生NPN晶体管Tr1与寄生PNP晶体管Tr2的共同动作，由于类似闭锁，所以称其为假的闭锁。然而，由于寄生NPN晶体管Tr1与寄生PNP晶体管Tr2的动作若先关掉电源再接通电源时会停止，因而可看作与一般的闭锁不同。

图3是表示电荷泵装置动作开始时的V1、V2的电路的波形图。其中，V1是电荷转移用MOS晶体管M2的漏极电压，V2是电荷转移用MOS晶体管M3的漏极电压。图中，Vds表示源极与漏极间的电压，但是此电压当大于Vb(＝约0.7V)时NPN晶体管Tri就会导通，并诱发假的闭锁。

因此，图4示出了可防止因上述的机制所发生的闭锁的电荷泵装置的构造。在N型井区21、22内分别形成有P型井区31、P型井区32。N型井区21、22是互相隔离而形成。然后，在P型井区31、32内是分别形成电荷转移用MOS晶体管M2、M3。在此，设P型半导体基板10被偏置为接地电压(0V)或负电压。

因而，在电荷转移用MOS晶体管M2的形成区上，形成有如图4所示的寄生NPN晶体管Tr3与寄生PNP晶体管Tr4。在此，寄生NPN晶体管Tr3的发射极是电荷转移用MOS晶体管M2的漏极层D，基极为P型井区31，集电极为经隔离的N型井区21。

另外，寄生PNP晶体管Tr4的发射极是形成于P型井区32内的P⁺层42，而基极为经隔离的N型井区22，集电极为P型半导体基板10。

然而，寄生NPN晶体管Tr3与寄生PNP晶体管Tr4之间是电性隔离的。这是因为隔离N型井区21、22，在其间存在有逆偏压的P型半导体基板10所致。因而，不会形成如图2所示的寄生闸流晶体管，寄生NPN晶体管Tr3不会导通。

实际上根据本发明人所进行的实验，确认了在图4的构造中不会发生闭锁，且电荷泵装置可进行正常的升压动作。

另外，如以上所述通过在N型井区21内形成有N⁺层43，且在该N⁺层43上供给电荷泵装置的输出电压Vout，即可使N型井区21与P型井区31经常作逆向偏压。同样地，通过在N型井区22上形成有N⁺层44，且在该N⁺层44上供给电荷泵装置的输出电压Vout，即可使N型井区22与P型井区32经常作逆向偏压。

在上述的实施例中，虽是说明本发明适用于4级的迪克生电荷泵装置的例子，但是可明白的是该级数并未被限定于4级。

另外，虽是以N通道型形成电荷转移用MOS晶体管，但是即使以P通道型来形成的情况，通过反转井区等的极性也可同样适用。在负升压的电荷泵装置中，电荷转移用MOS晶体管的基板与源极间的连接关系是成为相反，且只有时钟的时序相反而已。

更且，电荷转移用MOS晶体管M1至M5虽是形成共同连接栅极与漏极的构成，但是并未被限定于此，即使对于电荷转移用MOS晶体管M1至M5导通时，采用在栅极与源极间施加较高电压的电路构成的电荷泵装置，本发明也可效果佳地适用之。

根据本发明，则由于电荷转移用晶体管的漏极层及形成有该电荷转移用晶体管的井区是以低电阻作电性连接，所以可以可靠地防止因反向栅偏置效应而引起电荷转移用晶体管的阈值电压Vth的上升。因而，可实现大输出电流的电荷泵装置。

另外，以不形成有诱发闭锁的寄生闸流晶体管构造的方式，将形成有电荷转移晶体管的上述井区之间电性隔离。因而，特别是可消除由于动作开始时的突入电流等，诱发闭锁的情形，所以可使大输出电流的电荷泵装置稳定动作。

Claims

1.一种电荷泵装置，包含有：在基板上互相隔离形成的多个井区；分别形成于所述各井区内，并互相串联连接的多个电荷转移用晶体管；以及与这些电荷转移用晶体管的各连接点耦合的电容器，其特征在于：

将所述电荷转移用晶体管的漏极层与形成有该电荷转移用晶体管的所述井区予以电性连接，

将形成有所述电荷转移用晶体管的所述井区之间电性隔离，以便使诱发闭锁的闸流晶体管不会形成。

2.根据权利要求1所述的电荷泵装置，其特征在于，在所述井区内形成与该井区相同导电型的高浓度的扩散层，且连接该扩散层及所述漏极层。

3.一种电荷泵装置，包含有：互相隔离形成在第一导电型的基板上的多个第一导电型的井区；分别形成在所述各井区内并互相串联连接的多个电荷转移用晶体管；以及与这些电荷转移用晶体管的各连接点耦合的电容器，其特征在于：

将所述电荷转移用晶体管的漏极层与形成有该电荷转移用晶体管的所述第一导电型的井区电性连接，且用第二导电型的井区围住形成有所述电荷转移用晶体管的第一导电型的各井区，同时使相邻接的所述第二导电型的井区之间相隔离。

4.根据权利要求3所述的电荷泵装置，其特征在于，在所述第一导电型的井区内形成与该第一导电型的井区相同导电型的高浓度的扩散层，且连接该扩散层及所述漏极层。

5.根据权利要求3所述的电荷泵装置，其特征在于，将所述第一导电型的基板与所述第二导电型的井区设为逆方向偏压。

6.根据权利要求5所述的电荷泵装置，其特征在于，在所述第二导电型的井区施加自所述电荷转移晶体管输出的升压电压。