CN101162898B

CN101162898B - 具有启动控制元件的晶体管

Info

Publication number: CN101162898B
Application number: CN200610141652A
Authority: CN
Inventors: 郑谦兴; 张光铭
Original assignee: Richtek Technology Corp
Current assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2026-10-09
Also published as: CN101162898A

Abstract

本发明提出一种具有启动控制元件的晶体管，构成一启动电路，以启动一个电源电路，其包含：一个N型耗乏型晶体管，其漏极可供与一外界电压源电连接，栅极常态接地；以及一个N型增进型晶体管，其漏极与前述电压源电连接，栅极与该耗乏型晶体管的源极连接，该增进型晶体管的源极连接一个电容器。本发明提出一种较佳的启动电路，其具有简单的电路结构，且并不需使用任何电阻器，而得以解决现有技术中的问题。除此之外，启动电路中没有使用任何电阻器，因此更无散热问题。

Description

具有启动控制元件的晶体管

技术领域

本发明涉及一种具有启动控制元件的晶体管，特别是指一种具有启动控制元件、可供作为电源开关的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET简称MOS晶体管)。

背景技术

从电压源供应电压至集成电路芯片的电源电路时，经常需要使用到启动电路。启动电路的目的是提供启始偏压，直到电源电路能够正常工作为止。之后，理想的话，启动电路应当功成身退，不再耗用任何电源。其简单示意图如图1所示，由于在电路的启动阶段，电源电路200本身尚无电源，因此必须提供一个启动电路10，以对电容器C进行充电，直到节点Vbias处的电压到达默认值，能够启动电源电路为止。当电源电路启动之后，即可自行工作(例如通过别的路径从电压源100取得电力、并转换成芯片所需的直流低压Vdd，其详细内容为本技术领域者所熟知，在此不予赘示)。

上述启动电路10，先前技术中对此最简单的作法如图2所示。由于启动电路10，应该只消秏很少的电流，故最简单的作法是提供一个大电阻20。电阻20将电压源100而来的电压转换成低电流，并对电容器C进行充电，直到节点Vbias处的电压到达默认值。而节点Vbias处的电压，举例而言，可供驱动一个在电源电路200内的脉宽调变电路12，由该脉宽调变电路12来控制电源电路200的工作(其详细内容亦为本技术领域者所熟知，故在此不予赘示)。

在图2所示的先前技术中，由于电压源100所提供的电压经常相当高，故电阻20必须相当大，才能达成限流的功能。但如此一来，造成电阻20在芯片内所占面积过大、且会产生大量的热。此外，此种设计，并无自动关闭启动电路的机制；耗电与热的问题，不但相当严重，且在电源电路启动之后，还会持续。因此，此种设计虽然简单，但并不理想。

另一种先前技术的作法揭示于美国专利第5,285,369号中。该案之电路相当复杂，经简化后其概念大致如图3所示，是利用金属氧化物半导体场效应晶体管(以下简称MOSFET)中寄生接面晶体管的特性，将MOSFET 84分解视为包含一个接面场效晶体管(以下简称晶体管)86与一个MOSFET 88。晶体管86为耗乏型晶体管，本身具有限流的功能，且由于其耗乏型之特性，在栅极接地的电路设计下，将常态维持为导通状态(normally ON)。该案从晶体管86与MOSFET 88之间的节点取出电流，使用该电流来启动一个控制电路14，此控制电路14一方面对电容器C进行充电，一方面可在节点Vbias处的电压到达默认值时，发出控制讯号，关闭MOSFET 88，以切断由MOSFET 84和控制电路14所构成的整体启动电路。

上述图3所示的先前技术，虽能达成自动关闭启动电路的功能，且电路所产生的热远较图2电路为低，但详细参酌该案可知，其控制电路14的结构过于复杂，并不能令人满意。

因此，在美国专利第5,477,175号中，揭示另一种电路结构，其设计即较图3所示电路为简单。如图4所示，在该案中，直接从晶体管101与MOSFET 102间的节点取出电流，并使用一个电阻器103来将电流转换成电压，以控制MOSFET 102的栅极，使其导通。当电源电路200启动后，可通过控制节点113，将开关晶体管109关闭，即可切断流过电阻器103的电流。

上述图4所示的电路，其复杂度虽较美国专利第5,285,369号先前技术已有大幅改善，但未臻完全理想；尤其是该案仍使用电阻器103，因此仍有电路散热的问题。由于电阻器103的目的仅需提供足以令MOSFET 102导通的电压，因此电阻器103毋需太大，其产生热的问题比图2所示电路来得轻微，但仍然不能让人完全满意。

有鉴于此，本发明即针对上述先前技术之不足，提出一种较佳之启动电路，其具有简单的电路结构，且并不需使用任何电阻器，而得以解决先前技术中的问题。

发明内容

本发明之第一目的在于提供一种具有启动控制元件的晶体管，以简单的结构，达成启动电路的功能。

本发明之第二目的在于提供一种启动电路。

本发明之第三目的在于提供一种具有启动控制功能的半导体元件。

为达上述之目的，在本发明的其中一个实施例中，提供了一种具有启动控制元件的晶体管，其构成一启动电路，以启动一个电源电路，该具有启动控制元件的晶体管包含：一个N型耗乏型晶体管，其漏极可供与一外界电压源电连接，栅极常态接地；以及一个N型增进型晶体管，其漏极与前述电压源电连接，栅极与该耗乏型晶体管的源极连接，该增进型晶体管的源极连接一个电容器，其中于电源电路启动前，该耗乏型晶体管的栅极受控接地，而于电源电路启动后，该耗乏型晶体管的栅极受控，使该耗乏型晶体管不导通，且其中于电源电路启动前，该增进型晶体管的栅极受控而使该增进型晶体管导通，而于电源电路启动后，该增进型晶体管的栅极受控，使该增进型晶体管不导通。

此外，根据本发明的另一个实施例，也提供了一种启动电路，其包含：一个常态导通的耗乏型晶体管；以及一个与该耗乏型晶体管部份并联的增进型晶体管，两者的漏极互连，并与该电压源电连接，且前者的源极与后者的栅极连接，后者的源极连接该电容器，其中于电源电路启动前，该耗乏型晶体管的栅极受控接地，而于电源电路启动后，该耗乏型晶体管的栅极受控，使该耗乏型晶体管不导通，且其中于电源电路启动前，该增进型晶体管的栅极受控而使该增进型晶体管导通，而于电源电路启动后，该增进型晶体管的栅极受控，使该增进型晶体管不导通。

在前述两实施例中，两晶体管以垂直型晶体管为佳。两晶体管可以整合成一个独立元件(discrete device)。

根据本发明的又另一个实施例，也提供了一种半导体元件，包含：具有第一传导型态的基体；位于该基体内，具有第二传导型态的第一井区；位于该基体内，具有第一传导型态的第二井区，此井区与基体在常态下彼此导通；具有第一传导型态的第一栅极，此第一栅极加压时可配合第一井区而夹止前述第二井区与基体之导通；位于该基体内，具有第一传导型态的第三井区；位于该基体内，具有第二传导型态的第四井区，此井区将基体与第三井区隔开；以及位于该基体内，具有第一传导型态的第二栅极，此第一栅极加压时可使该第三井区与基体导通。

上述实施例中之基体，可包含一本体与一磊晶生长层；其第一栅极，可以为覆盖在该基体上的导体层，或为至少一个井区。

以下将通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明之目的、技术内容、特点及其所达成之功效。

附图说明

图1为启动电路的概念说明图。

图2为先前技术中，以电阻器来构成启动电路的示意电路图。

图3为示意电路图，说明先前技术启动电路的一例。

图4为示意电路图，说明先前技术启动电路的另一例。

图5为根据本发明一实施例的示意电路图。

图6为根据本发明另一实施例的示意电路图。

图7为根据本发明一实施例的半导体剖面示意图。

图8为根据本发明一更具体实施例的半导体剖面示意图。

图9为根据本发明另一实施例的半导体剖面示意图。

图10为根据本发明又一实施例的半导体剖面示意图。

图11为根据本发明一实施例的俯视示意图。

图12为根据图10实施例的俯视示意图。

图中符号说明

10启动电路

12脉宽调变电路

14控制电路

20电阻器

30基体

40P型井区

50N型井区

52N型重掺杂区

55非主要栅极层

57非主要N井区

59非主要P井区

60P型井区

70N型井区

80P型井区

84金属氧化物半导体场效应晶体管

86接面场效晶体管

88金属氧化物半导体场效应晶体管

100电压源

101接面场效晶体管

102金属氧化物半导体场效应晶体管

103电阻器

109开关晶体管

113控制节点

200电源电路

300启动电路

500启动电路

501耗乏型场效晶体管

501G晶体管501的栅极

501D晶体管501的漏极

501S晶体管501的源极

502晶体管

502G晶体管502的栅极

502D晶体管502的漏极

502S晶体管502的源极

A1箭号

C电容器

D漏极

FOX场氧化物

G1，G2节点

Vbias节点

Vdd直流电压

具体实施方式

本说明书中的附图，均属示意，并未按照实际比例绘示。

请参考图5，其中以示意电路图的方式显示本发明的一个实施例。本实施例中，在电压源100与电源电路200间的启动电路500，包含有一个作为启动控制元件的耗乏型(depletion mode)晶体管501，与另一个作为功率元件的增强型(enhancement mode)晶体管502。(后文中，将不特别强调晶体管502为增强型，而仅简单称为晶体管502。)

如图所示，晶体管501与502以MOSFET为佳，如此在制程整合上较为便利；可将两个晶体管整合成为一个独立元件(discrete device)。不过，两晶体管并不局限于为MOSFET，也可为其它型态的晶体管。例如，耗乏型晶体管501可以使用接面晶体管来制作，此时的电路图如图6所示。

请参阅图5、图6，耗乏型晶体管501具有一个栅极节点G1，在其中一个实施型态中，此栅极节点G1与电源电路200内部的某个控制节点(未示出)电连接，或者，在另一个实施型态中，此栅极节点G1可以永久接地.在第一种实施型态中，于电路启始阶段，由于电源电路200内并无电流，因此栅极节点G1处并无电压，形同接地.故无论是上述哪种实施型态，在电路启始阶段时，耗乏型晶体管501本身均为导通状态.耗乏型晶体管501的漏极501D与电压源电连接，其源极501S则与晶体管502的栅极电连接，并由该处取出一个控制节点G2.从耗乏型晶体管501流过的电流，在控制节点G2处转换成电压后，可控制晶体管502使其导通.晶体管502的漏极502D与电压源电连接，其源极则与电容器C电连接，以在节点Vbias处产生偏压.

在电路启始时，因耗乏型晶体管501常态导通(normally ON)之故，电流可通过耗乏型晶体管501到达节点G2，再流至与节点G2连接的控制电路(未示出)。如前所述，此控制电路应可在晶体管502的栅极产生电压，使晶体管502导通。当晶体管502导通后，电容器C即被充电，而随着电容器上端节点Vbias处的电压逐渐升高，晶体管502的栅极对源极跨压V_G2S也逐渐下降，当晶体管502的栅极对源极跨压V_G2s低于临限值V_T时，晶体管502即自动截止。换言之，电容器C上的跨压，其上限值自然地受到控制；此为本发明的特点之一。

电容器C上的跨压到达默认值后，电源电路200启动，此时可通过电源电路200所产生的电流，控制前述与节点G2连接的控制电路(未示出)，以将节点G2的电压拉低，而将晶体管502关闭。同时，如为前述第一种实施型态，耗乏型晶体管501的栅极节点G1非为永久接地时，则可经由操控栅极节点G1的电压，将晶体管501关闭，以达省电功能。或者，在第二种实施型态中，则亦可容许晶体管501上维持少量电流，因耗乏型晶体管本身的限流功能，可控制此电流耗损在可接受的范围内。当然，亦可设计将此电流，用作其它用途。

在以上电路中，并不需要复杂的控制机制，其电路较图4所示的电路更为简单；除此之外，启动电路中没有使用任何电阻器，因此更无散热问题。

图5之示意电路，利用半导体制程技术制作时，其半导体剖面的一简化实施例可参见图7。如图所示，在N型基体30上，设有N型的井区50，其下方则设有P型的井区40。N型基体30与N型井区50分别构成耗乏型晶体管501的漏极区与源极区，且由于N型基体30与N型井区50连接，故构成耗乏型晶体管；在栅极501G受控加压时，通过栅极501G与P型井区40的夹止作用，可切断此一耗乏型晶体管的导通。值得注意的是，耗乏型晶体管501为垂直向的晶体管，此为本发明的另一特点。

图中右方，另设有P型的井区60，其内设有N型井区70，以作为晶体管502的源极区。此源极区可通过金属接点层(metal contactlayer，未示出)而与图5中的Vbias节点连接。图中的P型井区80，可供协助区隔两晶体管501与502。N型基体30与N型井区70分别构成晶体管502的漏极区与源极区，在栅极502G受控加压时，可使晶体管502导通。如图5所示，晶体管502的栅极应与耗乏型晶体管501的源极电连接，亦即图7中的G2和501S应予连接。此点可在半导体制程中，通过金属层(未示出)来达成。值得注意的是，晶体管502亦为垂直向的晶体管，此又为本发明的一项特点。

当然，以上半导体剖面结构中，需适当地使用氧化物来将主动元件区予以隔开，如图中的场氧化物FOX所示。

上述半导体结构之俯视图，可能如图11所示。如图，因晶体管501与502皆为垂直向的晶体管，故可以很方便地整合成为一个独立元件(discrete device)。

前述半导体结构之更具体实施例可参见图8。如图所示，为提升高压元件的功能，N型基体30可包含一个重掺杂的本体31，和一个以磊晶方式生长出、并掺有N型杂质的磊晶层32。N型井区50内可再包含一个N型浓掺杂区52。N型井区70可为浓掺杂之井区。P型井区40、60、80则可为淡掺杂之井区。以上所述的半导体结构，可制作较佳的晶体管元件。

除此之外，为了便利半导体制程，上述结构中尚可能包含非提供主要作用(dummy)的栅极层55、N井区57和P井区59。此为半导体制程中，为便利光罩的设计与使用所致。

如前所述，本发明并不限定必须使用MOSFET来制作晶体管501与502。例如，可使用接面晶体管来制作晶体管501；此时其半导体结构之一种可能实施例如图9，其与图7间的差别，标示在图中的圆圈部份。当然，晶体管502亦可使用接面晶体管来制作。

又，图10标出，使用接面晶体管来制作晶体管501时的另一种可能实施例。其差别在于，在图9所示实施例中，通过栅极区501G和P型井区40的夹止功能来关闭晶体管501，而在图10所示实施例中，通过两栅极区501G的夹止功能来关闭晶体管501。除此之外，以接面晶体管来制作晶体管501，自还有其它制作方式，熟悉本技术者当可举一反三。

图10所示实施例上述半导体结构之俯视图，可能如图12所示。

以上图9和图10所示实施例中，为制作高压元件，其基体30可以包含一个本体，和一个以磊晶方式生长出的磊晶层；且本体、磊晶层、与各井区之掺杂浓度，可视需要来调整。此皆为熟悉本技术者所能推知，不另作详细说明。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所述，仅为使熟悉本技术者易于了解本发明的内容而已，并非用来限定本发明之权利范围。如前所述，本发明的主要概念在于，使用部份并联的耗乏型晶体管与增进型晶体管(所谓部份并联是指：两晶体管的漏极相连接，且耗乏型晶体管的源极与增进型晶体管的栅极连接)，并利用耗乏型晶体管来控制增进型晶体管的导通；且晶体管以垂直型式的晶体管为佳。在此精神下，熟悉本技术者可以思及各种等效变化，均应包含在本发明的范围之内。例如，启动电路未必限于用来启动电源电路，亦可提供其它启动用途；其启动电源电路200的方式，未必局限于对电容充电；电源电路200的内部结构，可为任何型态；半导体结构中的各井区结构、掺杂浓度、场氧化物位置安排，可有各种变化；晶体管501与502可整合成为一个独立元件(discrete device)，亦可分开设置，等等。故凡依本发明之概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明之申请专利范围内。

Claims

1.一种具有启动控制元件的晶体管，其构成一启动电路，以启动一个电源电路，该具有启动控制元件的晶体管包含：

一个N型耗乏型晶体管，其漏极可供与一外界电压源电连接，栅极常态接地；以及

一个N型增进型晶体管，其漏极与前述电压源电连接，栅极与该耗乏型晶体管的源极连接，该增进型晶体管的源极连接一个电容器，

其中于电源电路启动前，该耗乏型晶体管的栅极受控接地，而于电源电路启动后，该耗乏型晶体管的栅极受控，使该耗乏型晶体管不导通，且

其中于电源电路启动前，该增进型晶体管的栅极受控而使该增进型晶体管导通，而于电源电路启动后，该增进型晶体管的栅极受控，使该增进型晶体管不导通。

2.一种具有启动控制元件的晶体管，其构成一启动电路，以启动一个电源电路，该具有启动控制元件的晶体管包含：

一个N型耗乏型晶体管，其漏极可供与一外界电压源电连接，栅极永久接地；以及

3.如权利要求1或2所述的具有启动控制元件的晶体管，其中该耗乏型晶体管为垂直型晶体管，其源极或漏极之一位于一半导体基体底部。

4.如权利要求1或2所述的具有启动控制元件的晶体管，其中该耗乏型晶体管为接面晶体管，其栅极为一半导体掺杂区，其源极为另一半导体掺杂区，且其漏极为半导体基体。

5.如权利要求1或2所述的具有启动控制元件的晶体管，其中该增进型晶体管为垂直型晶体管，其源极或漏极之一位于一半导体基体底部。

6.一种启动电路，可供电连接在一电压源与一电容器之间，该启动电路包含：

一个常态导通的耗乏型晶体管；以及

一个与该耗乏型晶体管部份并联的增进型晶体管，两者的漏极互连并与该电压源电连接，且前者的源极与后者的栅极连接，后者的源极连接该电容器，

7.一种启动电路，可供电连接在一电压源与一电容器之间，该启动电路包含：

一个栅极永久接地的耗乏型晶体管；以及

8.如权利要求6或7所述的启动电路，其中该耗乏型晶体管为垂直型晶体管，其源极或漏极之一位于一半导体基体底部。

9.如权利要求6或7所述的启动电路，其中该耗乏型晶体管为接面晶体管，其栅极为一半导体掺杂区，其源极为另一半导体掺杂区，且其漏极为半导体基体.

10.如权利要求6或7所述的启动电路，其中该增进型晶体管为垂直型晶体管，其源极或漏极之一位于一半导体基体底部。

11.如权利要求6或7所述的启动电路，其中该两晶体管制作成为一整合元件。