TWI775635B

TWI775635B - 電子裝置

Info

Publication number: TWI775635B
Application number: TW110137308A
Authority: TW
Inventors: 李建興; 黃曄仁; 洪力揚; 邱華琦
Original assignee: 世界先進積體電路股份有限公司
Priority date: 2021-10-07
Filing date: 2021-10-07
Publication date: 2022-08-21
Also published as: TW202316616A

Abstract

一種電子裝置，包括一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體以及一阻抗元件。第一電晶體具有一第一閘極電極，並耦接於一第一電極以及一第二電極之間。第二電晶體具有一第二閘極電極、一第三電極以及一第四電極。第二閘極電極耦接第二電極。第三電極耦接一控制電極。第三電晶體具有一第三閘極電極、一第五電極以及一第六電極。第三閘極電極耦接控制電極。第五電極耦接第四電極。第六電極耦接第二電極。阻抗元件耦接於第三電極與第一閘極電極之間。

Description

電子裝置

本發明係有關於一種電子裝置，特別是有關於一種具有靜電放電(electrostatic discharge)保護電路的電子裝置。

高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor，HEMT)因具有高輸出電壓優點，廣泛應用於高功率半導體裝置當中，以滿足消費電子產品、通訊硬體、電動車、或家電市場需求。然而，當一靜電放電事件發生時，高電子移動率電晶體很有可能受到靜電放電電流的影響。

本發明之一實施例提供一種電子裝置，包括一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體以及一阻抗元件。第一電晶體具有一第一閘極電極，並耦接於一第一電極以及一第二電極之間。第二電晶體具有一第二閘極電極、一第三電極以及一第四電極。第二閘極電極耦接第二電極。第三電極耦接一控制電極。第三電晶體具有一第三閘極電極、一第五電極以及一第六電極。第三閘極電極耦接控制電極。第五電極耦接第四電極。第六電極耦接第二電極。阻抗元件耦接於第三電極與第一閘極電極之間。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出實施例，並配合所附圖式，做詳細之說明。本發明說明書提供不同的實施例來說明本發明不同實施方式的技術特徵。其中，實施例中的各元件之配置係為說明之用，並非用以限制本發明。另外，實施例中圖式標號之部分重覆，係為了簡化說明，並非意指不同實施例之間的關聯性。

第1圖為本發明之電子裝置的示意圖。如圖所示，電子裝置100包括一控制電極EDC、電極ED1、ED2、一電晶體120以及一靜電放電保護電路(ESD protection circuit)130。在本實施例中，電子裝置100形成於一基底(substrate)110之上。在一可能實施例中，基底110具有三五族半導體材料，如砷化鎵(gallium arsenide；GaAs)、磷化銦(indium phosphide；InP)、氮化鎵(gallium nitride；GaN)或是矽鍺合金(SiGe)。在一實施例中，基底110具有陶瓷材料，包含碳化矽、氮化鋁(AlN)、藍寶石、金屬無機材料、其他適合的材料或上述之組合。在另一些實施例中，基底110可以為絕緣上覆矽基板(Silicon on Insulator，SOI)。在另一些實施例中，基底110也可包含陶瓷材料以及分別設於陶瓷材料的上下表面的一對阻隔層(未繪示)。在一些實施例中，上述藍寶石材料可以是氧化鋁。在一些實施例中，位於陶瓷基材上下表面的阻隔層可包含單一或多層的絕緣材料層以及/或其他合適的材料層，例如半導體層。絕緣材料層可以是氧化物、氮化物、氮氧化物、或其他合適的絕緣材料。半導體層可以為含矽材料。

電晶體120耦接於電極ED1與ED2之間，並包括一閘極電極EDG1以及電極ED3、ED4。閘極電極EDG1耦接靜電放電保護電路130，並作為電晶體120的閘極。電極ED3耦接電極ED1，並作為電晶體120的汲極或源極。電極ED4耦接電極ED2，並作為電晶體120的源極或汲極。在一可能實施例中，當電極ED3作為電晶體120的源極時，電極ED4作為電晶體120的汲極。然而，當電極ED3作為電晶體120的汲極時，電極ED4作為電晶體120的源極。在其它實施例中，電晶體120係為一高電子移動率電晶體。

當一靜電放電事件發生在電極ED1，並且電極ED2耦接至地時，由於電晶體120的閘極電極EDG1與電極ED3之間具有一寄生電容(未顯示)，閘極電極EDG1的電壓逐漸升高。當閘極電極EDG1與電晶體120的源極(電極ED4或ED3)之間的電壓大於電晶體120的臨界電壓(threshold voltage)時，電晶體120導通。因此，一靜電放電電流由電極ED1，經過電晶體120，被釋放至電極ED2。

同樣地，當一靜電放電事件發生在電極ED2，並且電極ED1耦接至地時，由於電晶體120的閘極電極EDG1與電極ED4之間具有一寄生電容(未顯示)，故閘極電極EDG1的電壓逐漸升高。當閘極電極EDG1與電晶體120的源極(電極ED3或ED4)之間的電壓大於電晶體120的臨界電壓時，電晶體120導通。因此，一靜電放電電流由電極ED2，經過電晶體120，被釋放至電極ED1。

靜電放電保護電路130耦接閘極電極EDG1，用以避免一靜電放電電流進入閘極電極EDG1。舉例而言，當一靜電放電事件發生於控制電極EDC並且電極ED2耦接至地時，靜電放電保護電路130導通一放電路徑(未顯示)，用以將一靜電放電電流由控制電極EDC釋放至電極ED2。在另一可能實施例中，當一靜電放電事件發生於電極ED2並且控制電極EDC耦接至地時，靜電放電保護電路130導通該放電路徑，使得一靜電放電電流由電極ED2開始，流經放電路徑，進入控制電極EDC。

當靜電放電事件未發生時，靜電放電保護電路130不導通放電路徑。此時，電子裝置100根據控制電極EDC、電極ED1及ED2的電壓位準而動作。在一可能實施例中，電子裝置100係為一高電子遷移率電晶體(HEMT)。在此例中，控制電極EDC作為高電子遷移率電晶體的閘極，電極ED1作為高電子遷移率電晶體的汲極或源極，並且電極ED2作為高電子遷移率電晶體的源極或汲極。

第2圖為本發明之靜電放電保護電路的一可能示意圖。如圖所示，靜電放電保護電路130包括一阻抗元件210、電晶體220及230。阻抗元件210耦接於控制電極EDC與閘極電極EDG1之間，用以箝制閘極電極EDG1的電壓。舉例而言，假設一靜電放電事件發生於控制電極EDC，並且電極ED2耦接至地。藉由阻抗元件210，閘極電極EDG1的電壓會被箝制在一預設值。此時，電晶體220及230導通，一靜電放電電流由控制電極EDC開始，經過電晶體220及230，流入電極ED2。由於阻抗元件210阻擋靜電放電電流進入電晶體120，故電晶體120不會受到靜電放電電流的傷害。

本發明並不限定阻抗元件210的種類。在一可能實施例中，阻抗元件210係為一電阻。在此例中，電阻直接連接於控制電極EDC與閘極電極EDG1之間。在其它實施例中，阻抗元件210係為一電晶體。在此例中，構成阻抗元件210的電晶體可能也是一高電子遷移率電晶體。

電晶體220具有一閘極電極EDG2以及電極ED5、ED6。閘極電極EDG2耦接電極ED2，並作為電晶體220的閘極。電極ED5耦接控制電極EDC，並作為電晶體220的汲極或源極。在一可能實施例中，當電極ED5作為電晶體220的汲極時，電極ED6作為電晶體220的源極。當電極ED5作為電晶體220的源極時，電極ED6作為電晶體220的汲極。

電晶體230與220串聯於控制電極EDC與電極ED2之間，用以形成一放電路徑。在本實施例中，電晶體230包括一閘極電極EDG3以及電極ED7、ED8。閘極電極EDG3耦接控制電極EDC，並作為電晶體230的閘極。電極ED7耦接電極ED6，並作為電晶體230的汲極或源極。電極ED8耦接電極ED2，並作為電晶體230的源極或汲極。在一可能實施例中，當電極ED7作為電晶體230的汲極時，電極ED8作為電晶體230的源極。當電極ED7作為電晶體230的源極時，電極ED8作為電晶體230的汲極。

當一靜電放電事件發生時，靜電放電電路130操作於一保護模式。在保護模式下，電晶體220及230導通，用以釋放一靜電放電電流。舉例而言，如果一靜電放電事件發生於控制電極EDC並且電極ED2耦接至地時，電晶體230導通。在此例中，由於電晶體220的閘極電極EDG2與電極ED5之間具有一寄生電容，故閘極電極EDG2的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG2與電晶體220的源極之間的壓差大於電晶體220的臨界電壓時，電晶體220導通。因此，一靜電放電電流由控制電極EDC，經過電晶體220及230，流入電極ED2。同樣地，如果一靜電放電事件發生於電極ED2並且控制電極EDC耦接至地時，電晶體220導通。此時，由於閘極電極EDG3與電極ED8之間具有一寄生電容，故閘極電極EDG3的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG3與電晶體230的源極之間的壓差大於電晶體230的臨界電壓時，電晶體230導通。因此，一靜電放電電流由電極ED2，經過電晶體230及220，流入控制電極EDC。

在一些實施例中，當一靜電放電事件發生於控制電極EDC並且電極ED1接地時，靜電放電電路130進入一保護模式。在保護模式下，閘極電極EDG1的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG1與電晶體120的源極之間的壓差大於電晶體120的臨界電壓時，電晶體120導通。在此例中，由於閘極電極EDG2與電極ED5之間具有一寄生電容，故閘極電極EDG2的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG2與電晶體220的源極之間的壓差大於電晶體220的臨界電壓時，電晶體220導通。此時，由於電晶體230也導通，故靜電放電電流由控制電極EDC開始，經過電晶體220、230、電晶體120，流入電極ED1。

在其它實施例中，當一靜電放電事件發生於電極ED1並且控制電極EDC接地時，靜電放電電路130進入一保護模式。在保護模式下，由於閘極電極EDG1與電極ED3之間具有一寄生電容，故閘極電極EDG1的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG1與電晶體120的源極之間的壓差大於電晶體120的臨界電壓時，電晶體120導通。因此，電極ED4的電壓增加。由於閘極電極EDG2耦接電極ED4，故電晶體220也導通。此時，由於閘極電極EDG3與電極ED8之間具有一寄生電容，故閘極電極EDG3的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG3與電晶體230的源極之間的壓差大於電晶體230的臨界電壓時，電晶體230導通。因此，靜電放電電流由電極ED1開始，經過電晶體120、230、220，流入控制電極EDC。

然而，當一靜電放電事件未發生時，靜電放電電路130操作於一正常模式。在正常模式下，電晶體220或230不導通，用以減少漏電流。舉例而言，如果控制電極EDC的電壓大於電極ED2的電壓時，電晶體220不導通。此時，電晶體230導通。如果控制電極EDC的電壓小於電極ED2的電壓時，電晶體230不導通。此時，電晶體220導通。在一可能實施例中，控制電極EDC與電極ED2的電壓可能落於+6V~-6V之間。

在一些實施例中，當靜電放電保護電路130操作於正常模式下，靜電放電保護電路130可能具有一微小的漏電流。舉例而言，當控制電極EDC的電壓大於電極ED2的電壓時，由於閘極電極EDG3與電極ED8之間具有一寄生背對背二極體對(back-to-back diode pair)231，故一微小的漏電流可能經由控制電極EDC，經過寄生背對背二極體對231，流入電極ED2。不過，由於流經背對背二極體對231的漏電流很小，故可忽略。

同樣地，當控制電極EDC的電壓小於電極ED2的電壓時，由於閘極電極EDG2與電極ED5之間具有一寄生背對背二極體對221，故一微小的漏電流可能經由電極ED2，經過寄生背對背二極體對221，流入控制電極EDC。然而，流經寄生背對背二極體對221的漏電流很小，並不會造成太大的功率損耗，故可忽略。

在本實施例中，電晶體220的閘極電極EDG2直接連接電極ED2，並且電晶體230的閘極電極EDG3直接連接控制電極EDC。本發明並不限定電晶體220及230的種類。在一可能實施例中，電晶體220及230均為高電子遷移率電晶體。

第3圖為本發明之靜電放電保護電路的一可能示意圖。如圖所示，靜電放電保護電路130包括一阻抗元件310、電晶體320、330以及限流元件340、350。阻抗元件310耦接於控制電極EDC與閘極電極EDG1之間。由於阻抗元件310的特性與第2圖的阻抗元件210的特性相似，故不再贅述。

電晶體320與330串聯於控制電極EDC與電極ED2之間。由於電晶體320與330的特性與第2圖的電晶體220及230的特性相似，故不再贅述。在本實施例中，限流元件340耦接於閘極電極EDG5與電極ED2之間，用以限制流入閘極電極EDG5的電流。限流元件350耦接於閘極電極EDG6與控制電極EDC之間，用以限制流入閘極電極EDG6的電流。在一可能實施例中，限流元件340及350均為電阻，但並非用以限制本發明。在其它實施例中，限流元件340及350具有高電子遷移率電晶體。

當一靜電放電事件發生於控制電極EDC並且電極ED2耦接至地時，電晶體330導通。此時，由於閘極電極EDG5與電極ED9之間具有一寄生電容，故閘極電極EDG5的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG5與電晶體320的源極之間的壓差大於電晶體320的臨界電壓時，電晶體320導通。因此，一靜電放電電流由控制電極EDC，經過電晶體320及330，流入電極ED2。同樣地，如果一靜電放電事件發生於電極ED2並且控制電極EDC耦接至地時，電晶體320導通。此時，由於閘極電極EDG6與電極ED12之間具有一寄生電容，故閘極電極EDG6的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG6與電晶體330的源極之間的壓差大於電晶體330的臨界電壓時，電晶體330導通。因此，一靜電放電電流由電極ED2，經過電晶體330及320，流入控制電極EDC。

在一些實施例中，當一靜電放電事件發生於控制電極EDC並且電極ED1接地時，靜電放電電路130操作於一保護模式。在保護模式下，閘極電極EDG1的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG1與電晶體120的源極之間的壓差大於電晶體120的臨界電壓時，電晶體120導通。在此例中，由於閘極電極EDG5與電極ED9之間具有一寄生電容，故閘極電極EDG5的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG5與電晶體320的源極之間的壓差大於電晶體320的臨界電壓時，電晶體320導通。另外，由於電晶體330也導通，故靜電放電電流由控制電極EDC開始，經過電晶體320、330、電晶體120，流入電極ED1。

在其它實施例中，當一靜電放電事件發生於電極ED1並且控制電極EDC接地時，靜電放電電路130操作於一保護模式。在保護模式下，由於閘極電極EDG1與電極ED3之間具有一寄生電容，故閘極電極EDG1的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG1與電晶體120的源極之間的壓差大於電晶體120的臨界電壓時，電晶體120導通。由於閘極電極EDG5透過限流元件340耦接電極ED4，故電晶體320也導通。此時，由於閘極電極EDG6與電極ED12之間具有一寄生電容，故閘極電極EDG6的電壓逐漸上升。當閘極電極EDG6與電晶體330的源極之間的壓差大於電晶體330的臨界電壓時，電晶體330導通。因此，靜電放電電流由電極ED1開始，經過電晶體120、330、320，流入控制電極EDC。

然而，當一靜電放電事件未發生時，靜電放電電路130操作於一正常模式。在正常模式下，電晶體320或330不導通，用以減少漏電流。舉例而言，如果控制電極EDC的電壓大於電極ED2的電壓時，電晶體320不導通。如果控制電極EDC的電壓小於電極ED2的電壓時，電晶體330不導通。

在一些實施例中，當靜電放電保護電路130操作於正常模式下，靜電放電保護電路130具有微小的漏電流。舉例而言，當控制電極EDC的電壓大於電極ED2的電壓時，一微小的漏電流可能經由控制電極EDC，經過限流元件350、寄生背對背二極體對331，流入電極ED2。同樣地，控制電極EDC的電壓小於電極ED2的電壓時，一微小的漏電流可能經由電極ED2，經過限流元件340、寄生背對背二極體對321，流入控制電極EDC。然而，流經寄生背對背二極體對321或331的漏電流很小，並不會造成太大的功率損耗。

必須瞭解的是，當一個元件或層被提及與另一元件或層「耦接」時，係可直接耦接或連接至其它元件或層，或具有其它元件或層介於其中。反之，若一元件或層「連接」至其它元件或層時，將不具有其它元件或層介於其中。

除非另作定義，在此所有詞彙(包含技術與科學詞彙)均屬本發明所屬技術領域中具有通常知識者之一般理解。此外，除非明白表示，詞彙於一般字典中之定義應解釋為與其相關技術領域之文章中意義一致，而不應解釋為理想狀態或過分正式之語態。雖然“第一”、“第二”等術語可用於描述各種元件，但這些元件不應受這些術語的限制。這些術語只是用以區分一個元件和另一個元件。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾。舉例來說，本發明實施例所述之系統、裝置或是方法可以硬體、軟體或硬體以及軟體的組合的實體實施例加以實現。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:電子裝置 EDC:控制電極 ED1~ED12:電極 120、220、230、320、330:電晶體 130:靜電放電保護電路 110:基底 EDG1~EDG5:閘極電極 210、310:阻抗元件 340、350:限流元件 221、231、321、331:寄生背對背二極體對

第1圖為本發明之電子裝置的示意圖。第2圖為本發明之靜電放電保護電路的一可能實施例。第3圖為本發明之靜電放電保護電路的另一可能實施例。

EDC:控制電極

ED1~ED8:電極

120、220、230:電晶體

130:靜電放電保護電路

EDG1~EDG3:閘極電極

210:阻抗元件

221、231:寄生背對背二極體對

Claims

一種電子裝置，包括：一第一電晶體，具有一第一閘極電極，並耦接於一第一電極以及一第二電極之間；一第二電晶體，具有一第二閘極電極、一第三電極以及一第四電極，該第二閘極電極耦接該第二電極，該第三電極耦接一控制電極；一第三電晶體，具有一第三閘極電極、一第五電極以及一第六電極，該第三閘極電極耦接該控制電極，該第五電極耦接該第四電極，該第六電極耦接該第二電極；以及一阻抗元件，耦接於該第三電極與該第一閘極電極之間。
如請求項1之電子裝置，其中當該靜電放電事件發生於該第一電極並且該第二電極接地時，該第一電晶體導通。
如請求項1之電子裝置，其中當該靜電放電事件發生於該控制電極並且該第一電極接地、或發生於該控制電極並且該第二電極接地、或發生於該第一電極並且該控制電極接地時，該第一、第二及第三電晶體導通。
如請求項1之電子裝置，其中該第二閘極電極直接連接該第二電極，該第三閘極電極直接連接該控制電極。
如請求項1之電子裝置，更包括：一第一限流元件，耦接於該第二閘極電極與該第二電極之間；以及一第二限流元件，耦接於該控制電極與該第三閘極電極之間。
如請求項5之電子裝置，其中該第一及第二限流元件均為電阻。
如請求項5之電子裝置，其中該第二電晶體具有一第一寄生背對背二極體對，當該靜電放電事件未發生並且該控制電極的電壓小於該第二電極的電壓時，一第一漏電流由該第二電極開始，經該第一限流元件及該第一寄生背對背二極體對，流入該控制電極。
如請求項7之電子裝置，其中該第三電晶體具有一第二寄生背對背二極體對，當該靜電放電事件未發生並且該控制電極的電壓大於該第二電極的電壓時，一第二漏電流由該控制電極開始，經該第二限流元件及該第二寄生背對背二極體對，流入該第二電極。
如請求項1之電子裝置，其中：當一靜電放電事件未發生並且該控制電極的電壓大於該第二電極的電壓時，該第二電晶體不導通；當該靜電放電事件未發生並且該控制電極的電壓小於該第二電極的電壓時，該第三電晶體不導通。
如請求項1之電子裝置，其中該第一電晶體為一高電子遷移率電晶體。