CN1893244B

CN1893244B - 包含电荷泵型升压电路的半导体器件

Info

Publication number: CN1893244B
Application number: CN2006101031360A
Authority: CN
Inventors: 河越弘和
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2026-07-05
Also published as: CN1893244A; US7177167B2; JP4773147B2; JP2007020248A; US20070008029A1

Abstract

一种半导体器件，其包括：第一导电类型的半导体衬底，和在该半导体衬底中形成的电荷泵型升压电路。该升压电路包括电荷泵电路和双极晶体管。电荷泵电路具有输入线和输出线，电源电压施加到该输入线，经过该输出线将输出电压输出。双极晶体管在半导体衬底中形成并提供在输入线和输出线之间。构造该双极晶体管，以使当输出电压的绝对值小于电源电压的绝对值时，该双极晶体管导通，且当输出电压的绝对值高于电源电压的绝对值时，该双极晶体管关断。

Description

包含电荷泵型升压电路的半导体器件

技术领域

本发明涉及包含电荷泵型升压电路的半导体器件。

背景技术

包含电荷泵型升压电路的现有技术的半导体器件在例如JP-H9-191571-A中公开。当该现有技术的半导体器件安装在适合的电子产品的布线板上时，在布线板上提供升压电容器和平滑电容器作为电荷泵型升压电路的一部分以确保电荷泵型升压电路的工作。注意升压电容器和平滑电容器一般都是半导体器件外部的。

电荷泵型升压电路包括具有输入线和输出线的电荷泵电路，电源电压施加到该输入线，以及经过该输出线将输出电压输出。升压电容器与电荷泵电路在其端子处连接以使用要经过输出线输入的升压到升压电压的电源电压充电。另一方面，平滑电容器的一端接地，平滑电容器的另一端经过连接成二极管的(diode-connected)MOS晶体管连接到输入线。

在电荷泵型升压电路的启动中，经过连接成二极管的MOS晶体管对平滑电容器初始充电，直到平滑电容器的充电电压达到电源电压。一旦平滑电容器的充电电压达到电源电压，电荷泵电路的工作基本上就开始。

在电荷泵电路工作中，升压电容器的第一端接地，且升压电容器的第二端充电到电源电压。接着，随着升压电容器的第一端由电源电压从零电压拉到电源电压，升压电容器的第二端由电源电压拉到电源电压的两倍，以使电源电压两倍的电压作为输出电压经过输出线输出。这样，由于平滑电容器的初始充电，能够立即且稳定地经过输出线输出升压的电压。

发明内容

已经发现，上述现有技术的半导体器件存在待解决的问题，如下面所述。

例如，当连接成二极管的MOS晶体管是p沟道型的，且当该半导体器件使用p型半导体衬底时，在p型半导体衬底中限定的n阱杂质阱中形成连接成二极管的p沟道型MOS晶体管。另一方面，该半导体器件恰好包括在p沟道型半导体器件中形成的n沟道型MOS晶体管。在这种情况下，连接成二极管的p沟道型MOS晶体管不可避免地引入寄生PNP双极晶体管，以及n沟道型MOS晶体管不可避免地引入寄生NPN双极晶体管。

如下面详细说明的，在电荷泵型升压电路启动中，寄生PNP晶体管和寄生NPN晶体管可能都导通，导致锁住状态出现，在该状态中大量的电流流经寄生PNP晶体管和寄生NPN晶体管。当锁住状态出现时，不可能中断该锁住状态，直到电荷泵型升压电路被断电。为了保证电荷泵型升压电路正常的工作，必须阻止连接成二极管的p沟道型MOS晶体管引入的寄生PNP双极晶体管的导通状态。

传统地，为了阻止寄生PNP双极晶体管的导通状态，提出在布线板上提供外部的肖特基二极管，以便连接到连接成二极管的p沟道型MOS晶体管的源极和漏极，但是，为了低成本的制造使用半导体器件的电子产品，应该避免提供外部的肖特基二极管。

根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件，其包括：第一导电类型的半导体衬底，和在该半导体衬底中形成的电荷泵型升压电路。电荷泵型升压电路包括具有输入线和输出线的电荷泵电路，电源电压施加到该输入线，经过该输出线将输出电压输出。电荷泵型升压电路还包括在半导体衬底中形成的提供在输入线和输出线之间的双极晶体管。构造该双极晶体管，以使当输出电压的绝对值小于电源电压的绝对值时，该双极晶体管导通，且当输出电压的绝对值高于电源电压的绝对值时，该双极晶体管关断。

根据本发明的另一个方面，提供一种在第一导电类型的半导体器件中形成的电荷泵型升压电路。电荷泵型升压电路包括具有输入线和输出线的电荷泵电路，电源电压施加到该输入线，经过输出线将输出电压输出。电荷泵型升压电路还包括在输入线和输出线之间提供的双极晶体管。构造该双极晶体管，以使当输出电压的绝对值小于电源电压的绝对值时，该双极晶体管导通，且当输出电压的绝对值高于电源电压的绝对值时，该双极晶体管关断。

双极晶体管可形成为垂直型双极晶体管。此外，可由在第一导电类型的半导体衬底中形成的第二导电类型阱、在第二导电类型阱中形成的第一导电类型阱以及在第一导电类型阱中形成的第二导电类型区限定该双极晶体管。第二导电类型阱和第一导电类型阱连接到输入线，且第二导电类型区连接到输出线。

第一导电类型可以是p型，以及第二导电类型可以是n型。在这种情况下，双极晶体管具有连接到输入线的第一端子、连接到输出线的第二端子和连接到输入线的基极端子。当输出电压的绝对值小于电源电压的绝对值时，第一和第二端子分别作为集电极和发射极端子。当输出电压的绝对值高于电源电压的绝对值时，双极晶体管变为第一和第二端子分别作为发射极和集电极端子的双极晶体管。

另一方面，第一导电类型可以是n型，以及第二导电类型可以是p型。在这种情况下，双极晶体管具有连接到输入线的第一端子、连接到输出线的第二端子和连接到输入线的基极端子。当输出电压的绝对值小于电源电压的绝对值时，第一和第二端子分别作为集电极和发射极端子。当输出电压的绝对值高于电源电压的绝对值时，双极晶体管变为第一和第二端子分别作为发射极和集电极端子的双极晶体管。

电荷泵电路可适于连接到升压电容器，以用电源电压对该升压电容器充电，从而产生升压的电压，经过输出线将该升压的电压输出。此外，双极晶体管可适于连接到平滑电容器，以使当双极晶体管导通时用电源电压对该平滑电容器初始充电。

该半导体器件可进一步包括第一、第二、第三、第四和第五端子。在这种情况中，输入线连接到第一端子。升压电容器的两个端子分别适于连接到第二和第三端子。电荷泵电路适于经过第四端子接地。平滑电容器的一个端子适于接地，平滑电容器的另一个端子适于连接到输出线和经过第五端子连接到双极晶体管的第二端子。

该升压电容器和平滑电容器可是该半导体器件外部的。

附图说明

参考附图，从下面的阐述将更清楚地理解本发明，其中，

图1是说明包含电荷泵型升压电路的现有技术的半导体器件的示意性的电路框图；

图2A是说明包含在图1的电荷泵型升压电路中的电荷泵电路的示意性的电路框图；

图2B是图2A的电荷泵电路的详细电路图；

图3是图1的半导体器件的部分剖面图；

图4A是说明根据本发明的包含电荷泵型升压电路的半导体器件的第一实施方式的示意性的电路框图；

图4B是图4A的半导体器件的部分剖面图；

图5A是说明根据本发明的包含电荷泵型升压电路的半导体器件的第二实施方式的示意性的电路框图；以及

图5B是图5A的半导体器件的部分剖面图。

具体实施方式

在描述本发明的优选实施方式之前，为了更好地理解本发明，参考图1、2A、2B和3解释包含电荷泵型升压电路的现有技术的半导体器件。

首先，参考图1，其示意性地以电路框图显示了现有技术的半导体器件，该半导体器件一般由参考数字1表示。半导体器件1安装在适合的电子产品的布线板(未示出)上，且含有电荷泵型升压电路11，在电荷泵型升压电路11中包含电荷泵电路111，以及连接到电荷泵电路111的p沟道型MOS晶体管112。此外，半导体器件1提供有用于操作电荷泵升压电路11的外部端子T1、T2、T3、T4和T5。

电荷泵电路111具有连接到端子T1的输入线L_IN，从电源(未示出)经过端子T1向电荷泵电路111供给电源电压V_DD。此外，电荷泵电路111具有输出线L_OUT，通过其将输出电压V_OUT输出。如后面将说明的，由输入到其上的时钟信号CLK驱动电荷泵电路111，由合并到半导体器件1中的时钟信号发生器(未示出)产生时钟信号CLK。

电荷泵型升压电路11还包括两个外部电容器，即提供在前述布线板(未示出)上的升压电容器C1和平滑电容器C2。升压电容器C1通过端子T2和T3连接到电荷泵电路111。此外，平滑电容器C2通过端子T4连接到电荷泵电路111，以及通过端子T5连接到输出线L_OUT，输出线L_OUT连接到p沟道型MOS晶体管112的源极。

p沟道型MOS晶体管112的漏极连接到输入线L_IN，且p沟道型MOS晶体管112的栅极连接到它的源极，从而p沟道型MOS晶体管112用作二极管。即，p沟道型MOS晶体管112用作连接成二极管的p沟道型MOS晶体管。

接着，参考图2A，其是图1的电荷泵电路111的示意性的电路图，电荷泵电路111包括如图所示布置的四个开关SW1、SW2、SW3和SW4。具体地，开关SW1连接在端子T1和T3之间；开关SW2连接在端子T2和T4之间；开关SW3连接在端子T1和T2之间；开关SW4连接在端子T3和T5之间。

开关SW1和SW2的组与开关SW3和SW4的组根据时钟信号CLK交替并互补地导通(ON)和关断(OFF)。即，当时钟信号CLK在高电平时，开关SW1和SW2的组保持在开状态，而开关SW3和SW4的组保持在关状态。另一方面，当时钟信号CLK在低电平时，开关SW1和SW2的组保持在关状态，而开关SW3和SW4的组保持在开状态。

如图2B中所示，其是图2A的电荷泵电路111的详细图，开关SW1、SW2、SW3和SW4可分别形成为MOS晶体管M1、M2、M3和M4。

MOS晶体管M1是p沟道增强型晶体管，MOS晶体管M1的源极和漏极分别连接到端子T1和T3。此外，将MOS晶体管M1的栅极连接到倒相器INV的输出端，时钟信号CLK通过倒相器的输入端输入到其上，从而时钟信号CLK的反向时钟信号输入到MOS晶体管M1的栅极。MOS晶体管M1不可避免地引入寄生的双极晶体管，以及由MOS晶体管M5和M6控制MOS晶体管M1的背栅(back gate)电压，以便当电荷泵电路111工作时阻止寄生的双极晶体管导通。

MOS晶体管M2是n沟道增强型晶体管，MOS晶体管M2的源极和漏极分别连接到端子T2和T4。时钟信号CLK直接输入到MOS晶体管M2的栅极。

MOS晶体管M3是p沟道增强型晶体管，MOS晶体管M2的源极和漏极分别连接到端子T1和T2。时钟信号CLK直接输入到MOS晶体管M3的栅极。

MOS晶体管M4是p沟道增强型晶体管，MOS晶体管M4的源极和漏极分别连接到端子T3和T5。时钟信号CLK直接输入到MOS晶体管M4的栅极。类似于MOS晶体管M1，MOS晶体管M4不可避免地引入寄生的双极晶体管，以及由MOS晶体管M7和M8控制MOS晶体管M4的背栅电压，以使当电荷泵电路111工作时阻止寄生的双极晶体管导通。

利用如图2B中示出的设置，MOS晶体管M1和M2(SW1和SW2)的组与MOS晶体管M3和M4(SW3和SW4)的组根据时钟信号CLK交替并互补地导通和关断。

接着下面解释在上面提及的电荷泵型升压电路11的工作。

由向端子T1施加电源电压V_DD启动电荷泵型升压电路11，但是在该启动状态中，时钟信号CLK还没有输入到电荷泵电路111。即，在电源电压刚到端子T1之后，还没驱动电荷泵电路。

当电源电压V_DD最初地施加到端子T1时，电流向前流经连接成二极管的p沟道型MOS晶体管112(参见图1)，从而对平滑电容器C2充电，直到平滑电容器C2的充电电压达到电源电压V_DD。一旦平滑电容器C2的充电电压达到电源电压V_DD，时钟信号发生器(未示出)就开始将时钟信号CLK输入到电荷泵电路111。

通过到电荷泵电路111的时钟信号CLK的输入，首先，开关SW1和SW2的组导通，且开关SW3和SW4的组关断(参见图2A)。从而，升压电容器C1的一端接地，且升压电容器C1的另一端充电到电源电压。

接着，当开关SW1和SW2的组关断，且开关SW3和SW4的组导通时，升压电容器C1的一端由电源电压V_DD从零电压拉到电源电压V_DD，且升压电容器C1的另一端由电源电压V_DD拉到电源电压V_DD两倍的电压。即，将连接到端子T3的电容器C1的另一端的电势拉升到2·V_DD，从而2·V_DD的电压作为输出电压V_OUT通过在最初充电的平滑电容器C2处的输出线L_OUT输出。从而，在时钟信号CLK输入到电荷泵电路111时，从电荷泵型升压电路11连续地输出输出电压V_OUT(2·V_DD)。简言之，由于平滑电容器C2的初始充电，可以立即和稳定地提升输出电压V_OUT到2·V_DD。

参考图3，其是图1的半导体器件1的部分示意性的剖面图，参考数字2表示图1的半导体器件1的p型半导体衬底，其可由单晶硅晶片制成。

附带地，除了连接成二极管的p沟道型MOS晶体管112和MOS晶体管M1到M8之外，半导体器件1仅包括多个p沟道型MOS晶体管和多个n沟道型MOS晶体管。p沟道型MOS晶体管中的每一个在p型半导体衬底2中限定的n型杂质阱中形成，n沟道型MOS晶体管中的每一个在p型半导体衬底2中形成。

在图3中，前述n沟道型MOS晶体管中的一个由参考数字3来表示。如下所述，在p型半导体衬底2中同时形成p沟道型MOS晶体管112和n沟道型MOS晶体管3。

首先，通过使用n型杂质(As⁺，P⁺)注入工艺在p型半导体衬底2中限定n型杂质阱21。接着，通过使用光刻工艺和蚀刻工艺等在n型杂质阱21和p型半导体衬底2上分别形成栅电极22₁和22₂。

接着，通过使用p型杂质(B⁺)注入工艺在n型杂质阱21和p型半导体衬底2中形成P⁺型杂质区23₁、23₂和23₃。接着，通过使用n型杂质(As⁺，P⁺)注入工艺等在n型杂质阱21和p型半导体衬底2中形成n⁺型杂质区24₁、24₂和24₃。注意，n⁺型杂质区24₁、24₂和24₃的形成可先于P⁺型杂质区23₁、23₂和23₃的形成。

如图3中所示，P⁺型杂质区23₁和23₂彼此间隔，提供栅电极22₁以跨过P⁺型杂质区23₁、23₂的间隔，由此限定其间的沟道区。即，由栅电极22₁和P⁺型杂质区23₁和23₂限定p沟道型MOS晶体管112。

在p沟道型MOS晶体管112中，可分别限定P⁺型杂质区23₁和23₂为源区和漏区。P⁺型源区23₁连接到栅电极22₁，从而，p沟道型MOS晶体管112限定为连接成二极管的MOS晶体管。栅电极22₁和P⁺型源区23₁都连接到端子T5，P⁺型漏区23₂连接到端子T1。注意，n⁺型杂质区24₁作为背栅接触区用于背栅区或n型杂质阱21，且连接到端子T5。

此外，如图3中所示，彼此间隔地设置n⁺型杂质区24₂和24₃，且提供栅电极22₂以跨过n⁺型杂质区24₂和24₃的间隔，由此限定其间的沟道区。即，由栅电极22₂和n⁺型杂质区24₂和24₃限定n沟道型MOS晶体管3。

在n沟道型MOS晶体管3中，栅电极22₂连接到在p型半导体衬底2中形成的适合的电子元件(未示出)。此外，n⁺型杂质区24₂和24₃分别限定为源区和漏区。n⁺型漏区24₂连接到在p型半导体衬底2中形成的适合的电子元件(未示出)，n⁺型源区24₃接地。注意，p⁺型杂质区23₃作为背栅接触区用于背栅区或p型半导体衬底2，且接地。

利用p沟道型MOS晶体管112和n沟道型MOS晶体管3的前述的设置，如在图3中示意性的示出的，不可避免地由P⁺型源区23₂、n型杂质阱21和p型半导体衬底2限定了寄生PNP双极晶体管Q1，以及不可避免地由n型杂质阱21、p型半导体衬底2和n⁺型源区24₃限定了寄生NPN双极晶体管Q2。

在电荷泵型升压电路11的启动中，当通过向端子T1施加电源电压V_DD对平滑电容器C2初始充电时，电流从P⁺型源区23₂向前流到n型杂质阱21，从而电源电压V_DD拉升端子T5的电势以使寄生的PNP双极晶体管Q1导通。结果，电源电压V_DD拉升p型半导体衬底2的电势，从而寄生的NPN双极晶体管Q2也可导通。

当寄生的晶体管Q1和Q2都导通时，电荷泵型升压电路11可不再工作，因为寄生的晶体管Q1和Q2的都导通的状态导致锁住状态的出现，在该状态中大量的电流流经寄生晶体管Q1和Q2。当锁住状态出现时，在电荷泵型升压电路11被断电之前不可能中断该锁住状态。为了保证电荷泵型升压电路11正常的工作，必须阻止寄生PNP双极晶体管Q1的导通状态。

传统地，为了阻止寄生PNP双极晶体管Q1的导通状态，提出在布线板(未示出)上提供外部的肖特基二极管以便连接到p沟道型MOS晶体管112的源极和漏极，该外部肖特基二极管展现的正向电压(V_f)小于在P⁺型源区23₁和n型杂质阱21之间的p-n结的电压。当然，提供外部肖特基二极管导致使用半导体器件1的电子产品的生产成本的增加。

第一实施方式

接着，参考图4A和4B，其分别对应于图1和3，下面解释根据本发明的半导体器件的第一实施方式。

如图4A所示，根据本发明的半导体器件基本上与图1的现有的半导体器件1相同，除了在电荷泵型升压电路11中垂直型NPN双极晶体管113取代了连接成二极管的p沟道型MOS晶体管112。

如图4B中所示，在p型半导体衬底2中形成NPN双极晶体管113，且当在p型半导体衬底2中形成n沟道MOS晶体管3时，可同时形成NPN双极晶体管113。

具体的，在形成n型杂质阱21之后，通过使用p型杂质(B⁺)注入工艺在n型杂质阱21中形成p型杂质阱25。接着，在p型半导体衬底2中形成p⁺型杂质区或背栅接触区23₃时，通过使用p型杂质(B⁺)注入工艺在p型杂质阱25中同时地形成p⁺型杂质区26。接着，当在p型半导体衬底2中形成n⁺型杂质区24₂和24₃时，在p型杂质阱25和n型杂质阱21中同时形成各自的n⁺型杂质区27₁和27₂。简言之，由n型杂质阱21、p型杂质阱25和n⁺型杂质区27₁限定NPN双极晶体管113。

在图4B的NPN双极晶体管113的设置中，p⁺型杂质区26作为用于p型杂质阱25的接触区，且连接到端子T1。此外，n⁺型杂质区27₁连接到端子T5。另外，n⁺型杂质区27₂作为用于n型杂质阱区21的接触区，且连接到端子T1。

如图4B中示意性显示的，由p型杂质阱25、n型杂质阱21和p型半导体衬底2不可避免地限定了寄生PNP双极晶体管Q3。此外，与图3的情况类似，由n型杂质阱21、p型半导体衬底2和n⁺型源区24₃不可避免地限定了寄生NPN双极晶体管Q2。

在电荷泵型升压电路11的启动中，当通过向端子T1施加电源电压V_DD对平滑电容器C2初始充电时，即，当输出电压V_OUT小于电源电压V_DD时，n型杂质阱21作为NPN双极晶体管113的集电极，n⁺型杂质区27₁作为NPN双极晶体管113的发射极，p型杂质阱25作为NPN双极晶体管113的基极。

在这种情况下，由于施加电源电压V_DD到端子T1，电流从P⁺型杂质区26向前流到n⁺型杂质区271，以使NPN双极晶体管113导通。从而不用导通寄生的PNP双极晶体管Q3，就能实现平滑电容器C2的初始充电。

当平滑电容器C2的初始充电完成时，即，当平滑电容器C2的充电电压达到电源电压V_DD时，时钟信号发生器(未示出)开始将时钟信号CLK输入到电荷泵电路111。

如此前已经解释的，通过输入时钟信号CLK到电荷泵电路111，从电荷泵电路111输出的输出电压V_OUT升压到2·V_DD。

如图4A中所示，当输出电压V_OUT高于电源电压V_DD时，NPN双极晶体管113变成由虚线表示的NPN双极晶体管113A，因为n型杂质阱21和n⁺型杂质区27₁分别作为NPN双极晶体管113A的发射极和集电极。换句话说，当输出电压V_OUT高于电源电压V_DD时，NPN双极晶体管113A关断，以致寄生PNP双极晶体管Q3不能导通。即，在图4A和4B的电荷泵型升压电路11中，能够阻止其中寄生双极晶体管Q3和Q2都导通的锁住状态的出现。

注意，当n⁺型杂质区27₁作为NPN双极晶体管113A的集电极时，电源电压V_DD必须小于p型杂质阱25和n⁺型杂质区27₁之间的p-n结的击穿电压。例如，p型杂质阱25和n⁺型杂质区27₁之间的p-n结的击穿电压可落在从约6到约9伏的范围内。

第二实施方式

图5A和5B，其分别对应于图4A和4B，显示了根据本发明的半导体器件的第二实施方式。注意，在图5A和5B中，与图4A和4B中同样的参考数字代表同样的特征，以及类似的参考数字基本代表类似的特征。

如图5A中所示，在第二实施方式中，PNP双极晶体管113’替代上述第一实施方式的NPN双极晶体管113。

此外，如图5B中所示，在第二实施方式中，n型半导体衬底2’替代上述第一实施方式的p型半导体衬底2。在n型半导体衬底2’中形成PNP双极晶体管113’，由在n型半导体衬底2’中形成的p型杂质阱21’、在p型杂质阱21’中形成的n型杂质阱25’和在n型杂质阱25’中形成且连接到端子T5的p⁺型杂质区27₁’限定PNP双极晶体管113’。n⁺型杂质区26’作为接触区在n型杂质阱25’中，且连接到端子T1。此外，p⁺型杂质区27₂’作为接触区在p型杂质阱21’中，且连接到端子T1。

在图5B中，恰好在n型半导体衬底2’中形成的p沟道型MOS晶体管中的一个，由参考数字3’代表。以与参考图3所解释的类似方式形成p沟道型MOS晶体管3’，且由在n型半导体衬底2’中形成的栅电极22₂’和在n型半导体衬底2’中形成的两个n⁺型杂质区24₂’和24₃’限定p沟道型MOS晶体管3’。在背栅区或n型半导体衬底2’中形成p⁺型杂质区23₃’作为背栅接触区且使其接地。

在这个p沟道型MOS晶体管3’中，栅电极22₂’连接到在n型半导体衬底2’中形成的适合电子元件(未示出)。此外，n⁺型杂质区24₂’和24₃’分别限定为源区和漏区。n⁺型源区24₂’连接到在n型半导体衬底2’中形成的适合电子元件(未示出)，n⁺型漏区24₃’接地。

注意，当在n型半导体衬底2’中形成p沟道MOS晶体管3’时，可同时形成PNP双极晶体管113’。

利用如图5B中示意性的显示的具有p沟道型MOS晶体管3’和PNP双极晶体管113’的前述的设置，由p+型源区24₃’、n型半导体衬底2’和p型杂质阱21’不可避免地限定了寄生PNP双极晶体管Q2’，由n型半导体衬底2’、p型杂质阱21’和n型杂质阱25’不可避免地限定了寄生NPN双极晶体管Q3’。

在前述第二实施方式的电荷泵型升压电路11的启动中，当通过向端子T1施加负电源电压-V_DD对平滑电容器C2初始充电时，即，当输出电压V_OUT的绝对值小于负电源电压-V_DD的绝对值时，p⁺型杂质区271作为PNP双极晶体管113’的发射极，p型杂质阱21’作为PNP双极晶体管113’的集电极，n型杂质阱25’作为PNP双极晶体管113’的基极。

在这种情况下，由于施加负电源电压-V_DD到端子T1，电流从P⁺型杂质区27₁’向前流到n型杂质阱或基极25’，以使PNP双极晶体管113’导通。从而不用导通寄生的NPN双极晶体管Q3’，就能实现平滑电容器C2的初始充电。

当平滑电容器C2的初始充电完成时，即，当平滑电容器C2的充电电压达到负电源电压-V_DD时，时钟信号发生器(未示出)开始将时钟信号CLK输入到电荷泵电路111。

如此前已经解释的，通过输入时钟信号CLK到电荷泵电路111，从电荷泵电路111输出的输出电压V_OUT的绝对值增加到|-2·V_DD|。

如图5A中所示，当输出电压V_OUT的绝对值高于电源电压V_DD的绝对值时，PNP双极晶体管113’变成由虚线表示的PNP双极晶体管113A’，因为p型杂质阱21’和p⁺型杂质区27₁’分别作为PNP双极晶体管113A’的发射极和集电极。换句话说，当输出电压V_OUT的绝对值高于电源电压-V_DD的绝对值时，PNP双极晶体管113A’关断以致寄生NPN双极晶体管Q3’不能导通。即，在图5A和5B的电荷泵型升压电路11中，能够阻止其中寄生双极晶体管Q3’和Q2’都导通的锁住状态的出现。

注意，在图5A和5B的第二实施方式中，如果n沟道型MOS晶体管替代PNP双极晶体管113’，由于在n沟道型MOS晶体管中引入寄生双极晶体管，可出现锁住状态。

在上述实施方式中，尽管升压电容器C1和平滑电容器C2是半导体器件1外部的，但如果需要，升压电容器C1和平滑电容器C2可以合并到半导体器件中。

最后，本领域的技术人员应该清楚，前述描述是该方法和器件的优选实施方式，可对本发明进行各种改变和修改，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种半导体器件，其包括：

第一导电类型的半导体衬底；和

在所述半导体衬底中形成的电荷泵型升压电路，包括具有输入线和输出线的电荷泵电路，电源电压施加到该输入线，经过该输出线将输出电压输出，所述电荷泵型升压电路进一步包括在所述半导体衬底中形成的提供在所述输入线和所述输出线之间的双极晶体管，

其中，构造所述双极晶体管，使得当所述输出电压的绝对值小于所述电源电压的绝对值时，所述双极晶体管导通，且当所述输出电压的绝对值高于所述电源电压的绝对值时，所述双极晶体管关断。

2.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述双极晶体管形成为垂直型双极晶体管。

3.如权利要求1所述的半导体器件，其中，由在所述第一导电类型的半导体衬底中形成的第二导电类型阱、在所述第二导电类型阱中形成的第一导电类型阱以及在所述第一导电类型阱中形成的第二导电类型区限定所述双极晶体管，所述第二导电类型阱和所述第一导电类型阱连接到所述输入线，所述第二导电类型区连接到所述输出线。

4.如权利要求3所述的半导体器件，其中所述第一导电类型是p型，且所述第二导电类型是n型。

5.如权利要求4所述的半导体器件，其中，所述双极晶体管具有连接到所述输入线的第一端子、连接到所述输出线的第二端子和连接到所述输入线的基极端子，当所述输出电压的绝对值小于所述电源电压的绝对值时，所述第一和第二端子分别作为集电极和发射极端子，当所述输出电压的绝对值高于所述电源电压的绝对值时，所述双极晶体管变为所述第一和第二端子分别作为发射极和集电极端子的双极晶体管。

6.如权利要求3所述的半导体器件，其中所述第一导电类型是n型，且所述第二导电类型是p型。

7.如权利要求6所述的半导体器件，其中，所述双极晶体管具有连接到所述输入线的第一端子、连接到所述输出线的第二端子和连接到所述输入线的基极端子，当所述输出电压的绝对值小于所述电源电压的绝对值时，所述第一和第二端子分别作为集电极和发射极端子，当所述输出电压的绝对值高于所述电源电压的绝对值时，所述双极晶体管变为所述第一和第二端子分别作为发射极和集电极端子的双极晶体管。

8.如权利要求1所述的半导体器件，其中，所述电荷泵电路连接到升压电容器，以用所述电源电压对所述升压电容器充电，从而产生升压的电压，经过所述输出线将该升压的电压输出，以及其中所述双极晶体管连接到平滑电容器，以使当所述双极晶体管导通时用电源电压对所述平滑电容器初始充电。

9.如权利要求8所述的半导体器件，进一步包括第一、第二、第三、第四和第五端子，所述输入线连接到所述第一端子，所述升压电容器的两个端子分别连接到所述第二和第三端子，所述电荷泵电路经过所述第四端子接地，所述平滑电容器的一个端子接地，所述平滑电容器的另一个端子连接到所述输出线和经过所述第五端子连接到所述双极晶体管的第二端子，其中当所述输出电压的绝对值小于所述电源电压的绝对值时，所述双极晶体管的第二端子作为发射极端子，并且当所述输出电压的绝对值高于所述电源电压的绝对值时，所述双极晶体管的第二端子作为集电极端子。

10.如权利要求8所述的半导体器件，其中所述升压电容器和所述平滑电容器是所述半导体器件外部的。

11.一种电荷泵型升压电路，其形成在第一导电类型的半导体器件中，该电路包括：

具有输入线和输出线的电荷泵电路，电源电压施加到该输入线，经过该输出线将输出电压输出；以及

提供在所述输入线和所述输出线之间的双极晶体管，

12.如权利要求11所述的电荷泵型升压电路，其中所述双极晶体管形成为垂直型双极晶体管。

13.如权利要求11所述的电荷泵型升压电路，其中，由在所述第一导电类型的半导体衬底中形成的第二导电类型阱、在所述第二导电类型阱中形成的第一导电类型阱以及在所述第一导电类型阱中形成的第二导电类型区限定所述双极晶体管，所述第二导电类型阱和所述第一导电类型阱连接到所述输入线，所述第二导电类型区连接到所述输出线。

14.如权利要求13所述的电荷泵型升压电路，其中所述第一导电类型是p型，且所述第二导电类型是n型。

15.如权利要求14所述的电荷泵型升压电路，其中，所述双极晶体管具有连接到所述输入线的第一端子、连接到所述输出线的第二端子和连接到所述输入线的基极端子，当所述输出电压的绝对值小于所述电源电压的绝对值时，所述第一和第二端子分别作为集电极和发射极端子，当所述输出电压的绝对值高于所述电源电压的绝对值时，所述双极晶体管变为所述第一和第二端子分别作为发射极和集电极端子的双极晶体管。

16.如权利要求13所述的电荷泵型升压电路，其中所述第一导电类型是n型，且所述第二导电类型是p型。

17.如权利要求16所述的电荷泵型升压电路，其中，所述双极晶体管具有连接到所述输入线的第一端子、连接到所述输出线的第二端子和连接到所述输入线的基极端子，当所述输出电压的绝对值小于所述电源电压的绝对值时，所述第一和第二端子分别作为集电极和发射极端子，当所述输出电压的绝对值高于所述电源电压的绝对值时，所述双极晶体管变为所述第一和第二端子分别作为发射极和集电极端子的双极晶体管。

18.如权利要求11所述的电荷泵型升压电路，其中，所述电荷泵电路连接到升压电容器，以用所述电源电压对所述升压电容器充电，从而产生升压的电压，经过所述输出线将该升压的电压输出，以及其中所述双极晶体管连接到平滑电容器，以使当所述双极晶体管导通时用电源电压对所述平滑电容器初始充电。

19.如权利要求18所述的电荷泵型升压电路，进一步包括第一、第二、第三、第四和第五端子，所述输入线连接到所述第一端子，所述升压电容器的两个端子分别连接到所述第二和第三端子，所述电荷泵电路经过所述第四端子接地，所述平滑电容器的一个端子接地，所述平滑电容器的另一个端子连接到所述输出线和经过所述第五端子连接到所述双极晶体管的第二端子，其中当所述输出电压的绝对值小于所述电源电压的绝对值时，所述双极晶体管的第二端子作为发射极端子，并且当所述输出电压的绝对值高于所述电源电压的绝对值时，所述双极晶体管的第二端子作为集电极端子。

20.如权利要求18所述的电荷泵型升压电路，其中所述升压电容器和所述平滑电容器是所述半导体器件外部的。