CN105391316B - 半导体设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种半导体设备。在通过利用整流电路根据天线接收的RF载波信号产生电源电压的半导体设备中，每个都包括多个电容器和多个二极管的整流电路被多级连接。整流电路包括在比二极管导通电压大的电压处导通并且将二极管的阴极钳位在第一电压的限幅电路。在连接到天线连接端子的电容器和被提供电源电压的参考电位VSS的节点之间，二极管和限幅电路并联连接。第一电压小于由整流电路的二极管构成的寄生双极晶体管的阈值电压。

Description

半导体设备
技术领域
本文中讨论的实施例是针对一种半导体设备。
背景技术
近年来，使用射频识别(RFID)的自动识别，信息管理和追踪管理已被普及。RFID***可用于各种工业领域，因为数据是可写的，大量的信息可被处理，并且长距离通信是允许的。在RFID***中使用的频率包括HF频带(主要是13.56MHz)和UHF频带(860MHz到960MHz)。使用UHF频带的RFID***正变成更小的组件，且可用于更长距离的通信，因为所使用的频率高(波长短)。
RFID***包括读/写器(R/W)和RFID标签，各包括一个天线。读/写器对与命令相对应的射频(RF)载波信号进行调制，并发送调制后的RF载波信号。该RFID标签从读/写器接收信号，并从RF载波信号产生直流电。然后，该RFID标签通过所产生的直流电驱动电路，解释所接收的指令，并且执行对应于该指令的程序。当该指令请求响应时，RFID标签通过基于RFID标签中所产生的数据由调制电路反射或吸收所接收的RF载波信号来产生二进制数据，并且用所产生的二进制数据进行应答。
在一个典型的RFID***中，读/写器和RFID标签之间的距离不是确定的，并且根据客户的使用RFID***用于不同的距离。因此，对于RFID标签的要求之一是，不管读/写器与RFID标签之间的距离如何，稳定的通信是可能的，换句话说，其动态范围是宽的。因此，RFID标签通常被设计成使得RFID标签可在远距离通信中进行操作。由此，对于RFID标签，电路通常被设计为使得可以用小的功率进行接收和响应操作，并且电路甚至可以用小的输入幅度进行操作。
在某些情况下，当RFID标签靠近读/写器时，符合使用地点的规定等的最大传输功率可以被输入到RFID标签的天线。将读/写器的传输功率设置为某一值会与读/写器和RFID标签之间距离的平方成反比地改变RFID标签的接收功率。这使得当RFID标签靠近读/写器时，被设计成可以用小功率进行操作的RFID标签的接收功率是非常大的。因此，大信号的接收性能可能会不稳定，或大信号接收可能是困难的，使得宽动态范围中的通信无法实现。
在用于RFID标签中并且从天线接收的无线电波产生直流电的半导体集成电路设备中，提出了一种技术，该技术通过提供以下电压限制电路来限制输出电压不增大超过一定电压：该电压限制电路在从输出端子输出的输出电压增大超过某一电压时使得电流流向参考电位(例如参照专利文献1)。此外，在用于将磁能转换成整流电能的设备中，提出了一种技术，该技术通过使用释放促进电路对充入磁场转换器电路的过剩能量进行释放(例如参照专利文献2)。
[专利文件1]日本专利公开号2008–236961
[专利文件2]第2001–516460号的国际专利申请的日本国家公开
发明内容
本实施例的一个目的是提供一种半导体存储设备，使得甚至当半导体设备被置于与读/写器相距短距离时，仍能够实现稳定的通信。
半导体设备的一个方面包括：发送和接收无线信号的天线；和包括多级连接的单元整流电路的整流电路，并且该整流电路根据天线接收到的无线信号产生电源电压，该天线通过天线连接端子连接到该整流电路，每个单元整流电路包括多个电容器和多个二极管。所述整流电路包括在比二极管的导通电压大的电压处导通的限幅电路，所述限幅电路将所述二极管的阴极钳位在第一电压。在连接到天线连接端子的电容器和被提供电源电压的参考电位的节点之间，所述二极管和所述限幅电路并联连接。所述第一电压小于由所述整流电路的二极管构成的寄生双极晶体管的阈值电压。
附图说明
图1是示出本实施例中RFID***的结构示例的示意图；
图2是示出整流电路的结构示例的示意图；
图3是示出利用多级连接的单元整流电路的整流电路的结构示例的示意图；
图4是示出接收的无线电波的示例的示意图；
图5是示出图3所示的整流电路中各节点的电位随时间变化的示意图；
图6是示出图3所示的整流电路中二极管的布局示例的示意图；
图7是示出图6中沿线I-I的剖视图；
图8是示出在本实施例中整流电路的结构示例的示意图；
图9是示出在本实施例中所述整流电路的结构示例的示意图；
图10是示出在本实施例中作为限幅电路的MOS晶体管的结构的剖视图；
图11是用于说明在本实施例中整流电路中的二极管和限幅电路的特性的示意图。
具体实施方式
下面，将基于附图对各具体实施例进行描述。
图1是示出本实施例中RFID***的结构示例的示意图。本实施例中的RFID***包括在本实施例中作为半导体设备的读/写器10和RFID标签20。读/写器10和RFID标签20通过发送和接收射频(RF)载波信号(无线信号)30彼此进行无线通信。
所述读/写器10包括载波生成电路11，指令生成电路12，调制电路13，天线14和接收电路15。例如，载波生成电路11是振荡器。所述载波生成电路11产生RF载波信号。所述指令生成电路12生成指令信号，每个指令信号包含要发送到RFID标签20一侧的指令或数据。例如，指令可以是用于读取写在RFID标签上的信息(例如ID)的指令，以及向RFID标签中指定地址区域中写入信息的指令。
调制电路13对载波生成电路11产生的、与来自指令生成电路12的指令信号相对应的RF载波信号进行调制。调制***是振幅键控(ASK)调制，例如，当载波存在时，指示数据“1”，当载波不存在时，则指示数据“0”。天线14发射和接收RF载波信号。天线14发射由调制电路13调制的RF载波信号，并接收来自RFID标签20的RF载波信号，并向接收电路15提供载波信号。
接收电路15通过天线14接收来自RFID标签20的响应信号。接收电路15对接收的信号进行解码，并且执行对应于响应数据的处理。因为从调制电路13向接收电路15直接输入RF载波信号扰乱了来自RFID标签20的响应信号，所以为了防止信号的泄漏，将未示出的循环器(circulator)等***到调制电路13和接收电路15之间以及调制电路13和天线14之间。
RFID标签20包括天线21，整流电路22，接收电路23，调制电路24，处理电路25，和存储器26。天线21发射和接收RF载波信号。由天线21从读/写器10接收的调制RF载波信号(对应于指令调制的载波信号)入射到整流电路22、接收电路23和调制电路24。整流电路22对天线21接收到的RF载波信号进行整流，以产生电源电压(直流电压)。包括在RFID标签20中的各个电路被整流电路22产生的电源电压(直流电压)驱动。
接收电路23从天线21接收的调制RF载波信号中提取指令。例如，UHF频段的载波信号具有860MHz到960MHz的频率和40Kb/s到160Kb/s的指令比特率。因此，可以从具有约200KHz的低通频带的低通滤波器所接收的信号中提取指令。
处理电路25自定时地(at self-timing)识别接收到的指令，并且执行对应于指令的处理。数据的“0”的长度，数据“0”和数据“1”的长度等等在指令之前作为头部，并且从读/写器10发送。因此，处理电路25基于该长度执行处理。存储器26是可读可写的非易失性存储器，并保存RFID标签20的信息(ID，生产序列号，个体数据等)。例如，处理电路25基于来自读/写器10的指令的内容通过访问存储器26来读取和写入信息，其中该读/写器10已被处理电路25识别。
调制电路24基于处理电路25对应于指令执行处理的结果来响应读/写器10。不同于读/写器10的调制电路13，调制电路24通过吸收或反射(阻抗调制)入射RF载波信号来产生包括“0”和“1”的二进制信号。举例来说，晶体管可以设置在天线21和被提供参考电位的节点之间，调制电路24通过对晶体管的通断控制来控制反射量。
图2是示出整流电路的结构示例的示意图(倍增电压整流电路)。电容器C1具有一个连接到接收输入电压Vin的输入端子的电极，以及连接到二极管D1的阴极的另一电极。二极管D1的阳极被连接到具有参考电位VSS的参考电位线。电容器C2具有一个连接到参考电位线的电极，以及连接到二极管D2的阴极和提供输出电压Vout的输出端子的另一电极。二极管D2的阳极连接到电容器C1的另一电极和二极管D1的阴极之间的互连点。
对图2所示的整流电路的整流操作进行说明。假设下文中输入端子接收相对于参考电位VSS具有幅度为电位±Vin的正弦波信号，以及二极管D1和D2的导通电压都是Von。当输入端子的电位低于参考电位VSS，并且输入端子的电位和参考电位VSS之间的差低于二极管的导通电压Von时，电流从参考电位线通过二极管D1和电容器C1流向输入端子，以对电容器C1进行充电。当输入端子的电位高于参考电位VSS，并且输入端子的电位和参考电位VSS之间的差高于二极管的导通电压Von时，电流从输入端子通过电容器C1、二极管D2和电容器C2流向参考电位线。此时，在先前步骤充电的电容器C1的电位被加到输入端子的电位上，并以所得到的电位对电容器C2充电。重复这些步骤，使图2所描绘的整流电路产生{2×(Vin-Von)}的电压作为输出电压Vout。
利用输入电压Vin和二极管的导通电压Von，具有图2所示结构的整流电路(倍增电压整流电路)的输出电压Vout可表示为Vout＝N×(Vin-Von)。在该表达式中，N是二极管的数量。举例来说，二极管的导通电压Von对于硅二极管来说可以是0.7V，而对于肖特基势垒二极管(SBD)来说可以是0.2V至0.3V。
在具有图2所示结构的整流电路中，图2中描述的电路可以被堆叠(stack)(以多级连接的方式)，以增加二极管的数量，或二极管的导通电压Von可以被降低以增大输出电压Vout。作为一个例子，图3是描绘通过堆叠(以多级连接的方式)具有图2所示电路结构的整流电路、具有十二个二极管的整流电路的结构示例。图3描绘了该结构应用到RFID标签20的整流电路22中的例子。
如图3中虚线所包围的，一组电容器C1和C2和二极管D1，D2，一组电容器C3，C4和二极管D3，D4，一组电容器C5和C6和二极管D5和D6，一组电容器C7和C8和二极管D7和D8中，一组电容器C9和C10和二极管D9和D10，以及一组电容器C11和C12和二极管D11和D12各自实现类似于图2所示的整流电路(倍增电压整流电路)。
先前级的整流电路的输出节点被连接到下一级整流电路，以将先前级的整流电路的输出电压提供到下一级的整流电路。具体而言，包括电容器C1，C2和二极管D1和D2的第一整流电路的输出节点N3连接到包括电容器C3和C4以及二极管D3和D4的第二整流电路。第二整流电路的输出节点N4连接到包括电容器C5和C6和二极管D5和D6的第三整流电路。第三整流电路的输出节点的电位是作为第一输出电位(所产生的电源电压的高电位)VDD的输出。
此外，包括电容器C7和C8和二极管D7和D8的第四整流电路的输出节点N2被连接到包括电容器C9和C10和二极管D9和D10的第五整流电路。第五整流电路的输出节点N1连接到包括电容器C11和C12和二极管D11和D12的第六整流电路。第六整流电路的输出节点的电位是作为第二输出电位(所产生的电源电压的参考电位)VSS的输出。在本实施例中，输出电位VSS是半导体集成电路(LSI)的衬底电位，RFID标签20中的各个电路在所述半导体集成电路上形成，并且，当输出电位VSS是参考电位时，输出电压VDD被供给到RFID标签20中的各个电路。
在图3中描述了天线连接端子PWRP和PWRM。天线21连接在天线连接端子PWRP和PWRM之间。如图4所示相对于端子PWRM的电位具有幅度为某一电位的正弦波的RF载波信号被输入到天线21。图5是示出当图4中所示的信号被施加到端子PWRP和PWRM之间时各节点的电位随时间变化的示意图。图5示出相对于作为基准的端子PWRM的电位，各节点N1至N4的电位、VDD和VSS。在本实施例中，端子PWRP和PWRM之间的RF载波信号输入是已被读/写器10进行ASK调制的RF载波信号，虽然该RF载波信号未在图4中描述。
图6是示出图3所示的整流电路中二极管的布局示例的示意图。在图6的布局中图3的整流电路的二极管D1到D12的这种直线性布置使整流电路具有小的电路面积。图7是沿图6中线I-I截取的剖面图。在图7中，部分A包括二极管D12和VSS，以及部分B包括二极管D6。P型阱72A、72B，和72C以及N型阱73A和73B被形成在P型基板71中。此外，示出了浅沟槽隔离STI。
如图7所示，通过电容器C11连接到天线连接端子PWRP的二极管D12的阴极电极74B通过触点(contact)连接到N型阱73A。二极管D12的阳极电极74A和N型井73A之间形成肖特基势垒结。连接到具有输出电位VDD的输出端子的二极管D6的阴极电极75B通过触点连接到N型阱73B。二极管D6的阳极电极75A和N型阱73B之间形成肖特基势垒结。通过布线76等将P型阱72B带到电位VSS。在图7中所描述的结构中，存在着寄生NPN双极晶体管，其由二极管D6中包括的N型阱73B(部分B)、被带到电位VSS的P型阱72B、以及二极管D12中包括的N型阱73A(部分A)构成。
在本实施例中，根据整流电路(倍增电压整流电路)的结构，天线连接端子通过电容器连接到二极管。在图3所示的例子中，天线连接端子PWRP通过电容器C1被连接到二极管D1的阴极，通过电容器C3被连接到二极管D3的阴极，通过电容器C5被连接到二极管D5的阴极，通过电容器C7被连接到二极管D8的阴极，通过电容器C9被连接到二极管D10的阴极，以及通过电容器C11被连接到二极管D12的阴极。因此，在短距离接收时由天线接收的载波信号的幅度的增加增大了在相对于二极管阴极的直流电位的正方向和负方向上的峰值电压。
当通过电容器C11连接到天线连接端子PWRP的二极管D12的阴极电极74B的电位改变到负侧时，由于通过短距离通信等进行的大功率输入，电流从电位VSS的P型阱72B流向作为二极管D12的阴极的N型阱73A。从P型阱72B流向N型阱73A的电流对应于基极电流。通过将该电流乘以电流增益所得的电流从作为二极管D6阴极的N型阱73B流向作为二极管D12的阴极的N型阱73A。从N型阱73B流向N型阱73A的电流对应于集电极电流。
因此，二极管D6的阴极的电位，换言之，输出电位VDD被降低，使得禁止对其它电路正常供电，阻碍了电路的稳定操作，从而可能导致通信的不稳定或无法进行。为了降低集电极电流，电路之间的距离可被延长以增加布线电阻，以便降低基极电流。然而，这遗憾地增大了电路面积。
因此，在本实施方式中，提供了限幅电路，如图8所示，并且连接到天线连接端子PWRP的电容器和二极管的阴极之间的节点电位被所述限幅电路限制，以便抑制相对于电位VSS节点电位改变到负侧。这抑制了二极管D6和D12所构成的寄生双极晶体管的基极电流的增大，并且抑制了输出电位VDD的降低。
图8是示出在本实施例中的整流电路(倍增电压整流电路)的结构示例的示意图。图8描述了为图3所示的具有12个二极管的整流电路设置限幅电路的示例。
如上所述，一组电容器C1和C2以及二极管D1和D2，一组电容器C3和C4以及二极管D3和D4，一组电容器C5和C6以及二极管D5和D6，一组电容器C7和C8以及二极管D7和D8，一组电容器C9和C10以及二极管D9和D10，以及一组电容器C11和C12以及二极管D11和D12各自实现类似于图2所示的整流电路(倍增电压整流电路)。
先前级的整流电路的输出节点连接到下一级整流电路，以将先前级整流电路的输出电压提供到下一级的整流电路。具体而言，包括电容器C1、C2和二极管D1、D2的第一整流电路的输出节点N3连接到包括电容器C3、C4以及二极管D3、D4的第二整流电路。第二整流电路的输出节点N4连接到包括电容器C5、C6和二极管D5、D6的第三整流电路。第三整流电路的输出节点的电位是作为第一输出电位(所产生的电源电压的高电位)VDD的输出。
此外，包括电容器C7、C8及二极管D7、D8的第四整流电路的输出节点N2连接到包括电容器C9和C10和二极管D9和D10的第五整流电路。第五整流电路的输出节点N1连接到包括电容器C11、C12和二极管D11、D12的第六整流电路。第六整流电路的输出节点的电位是作为第二输出电位(所产生的电源电压的参考电位)VSS的输出。
在连接到天线连接端子PWRP的电容器C11和具有电位VSS的节点N11之间，限幅电路LIM1和二极管D12并联连接。在连接到天线连接端子PWRP的电容器C9和具有电位VSS的节点N11之间，限幅电路LIM2和二极管D10并联连接。在连接到天线连接端子PWRP的电容器C7和具有电位VSS的节点N11之间，限幅电路LIM3和二极管D8并联连接。
当电容器C11、C9、C7和二极管D12、D10、D8之间的节点N12，N13和N14的电位相对于电位VSS改变到负电位时，限幅电路LIM1、LIM2和LIM3防止电位降低到导通由相应二极管构成的寄生双极晶体管的电位。具体地，当节点N12，N13和N14的电位相对于电位VSS改变为负电位时，限幅电路LIM1，LIM2，和LIM3在某一电位处削减(clip)电位，以限制电位的降低，使得节点N12，N13和N14的电位和电位VSS之间的电位差不达到导通寄生双极晶体管的电位。
举例而言，限幅电路LIM1、LIM2和LIM3具有图11中所描述的电路特性102。根据电路特性102，限幅电路LIM、LIM2和LIM3在等于或低于电压V3的电压V2处被接通，该电压V3导通寄生双极晶体管，并且限幅电路LIM、LIM2和LIM3允许以下电流流动：所述电流足够大到不使节点N12，N13，N14的电位和电位VSS之间的电位差达到电压V3。在图11中，电路特性101是二极管D1到D12的特性。如图11所示，二极管D1至D12在电压V1处被导通，所述电压V1比导通限幅电路LIM1，LIM2，和LIM3的电压V2低。因此，可以实现高效的整流特性。需要注意的是，作为整流电路的二极管D1到D12，例如，具有低的导通电压的肖特基势垒二极管(SBD)可以用于实现高效的整流特性。
图9是示出本实施例中的整流电路(倍增电压整流电路)的结构示例的示意图。图9描绘了以下实例：其中图8中所描述的限幅电路LIM1，LIM2，和LIM3由二极管连接的N沟道型MOS晶体管T1，T2和T3来实现。
作为限幅电路的二极管连接的N沟道型MOS晶体管T1被连接在具有电位VSS的节点N11与二极管D12的阴极(节点N12)之间。作为限幅电路的二极管连接的N沟道型MOS晶体管T2被连接在具有电位VSS的节点N11和二极管D10(节点N13)的阴极之间。作为限幅电路的二极管连接的N沟道型MOS晶体管T3被连接在具有电位VSS的节点N11和二极管D8(节点N14)的阴极之间。
图10是示出N沟道型MOS晶体管T1,T2和T3的结构示例的剖视图。N型阱92形成在P型衬底91上。P型阱93形成在N型阱92中。要作为源极区和漏极区的N+扩散层形成在P型阱93中。源极电极95和漏极电极96分别形成在N+扩散层上。栅极电极98通过栅极绝缘膜(氧化膜)97形成在源极区和漏极区之间的沟道区上。
将N沟道型MOS晶体管T1、T2和T3的阈值电压设置为Vth，并且如图9所示来配置N沟道型MOS晶体管T1，T2和T3，可以保持节点N12，N13，N14的电位高于(VSS-Vth)。由于二极管连接的N沟道型MOS晶体管T1，T2和T3被用作限幅电路，所以源极和漏极中只有一个的电容被作为负载施加，这样可以抑制由于设置限幅电路而导致的负载电容的增加。
根据本实施例，在与天线连接端子PWRP相连的电容器和具有电位VSS的节点之间，作为整流元件具有低阈值的二极管和具有高阈值并钳位电位的限幅电路被并联连接。因此，当二极管的阴极的电位相对于电位VSS是负电位时，与天线连接端子PWRP连接的电容器与二极管的阴极之间的节点电位被限幅电路限制，以使阴极的电位和电位VSS之间的电位差等于或低于导通寄生双极晶体管的电压。因此，即使当通过短距离通信等输入大功率时，抑制了二极管的阴极电位改变到负电位侧，并且抑制了输出电位VDD的降低，从而，即使当RFID标签相对于读/写器处于短距离时，也可以实现稳定的通信。此外，具有低阈值的整流元件的使用可以抑制整流特性的降低。
甚至当具有大功率的无线信号被输入时，所公开的半导体设备可以抑制整流电路的二极管的阴极电位改变到负电位侧，并抑制输出电压的降低，从而即使在RFID标签相对于读/写器处于短距离时，也可以实现稳定的通信。
虽然对某些实施例进行了说明，但是，本发明的这些实施例只以举例的方式给出，并且本发明的技术范围的保护范围不应该根据实施例来限制性地解释。具体地，本文中的发明可以各种形式来实现而不脱离其技术精神和基本特性。

Claims (4)

1.一种半导体设备，包括：
天线，其用于发送和接收无线信号；以及
整流电路，其包括多级连接的单元整流电路，并根据所述天线接收的无线信号产生电源电压，所述天线通过天线连接端子连接到所述整流电路，每个单元整流电路包括多个电容器和多个二极管，
其中，所述整流电路包括在比所述二极管的导通电压大的电压处导通的限幅电路，所述限幅电路将所述二极管的阴极钳位在第一电压；并且
所述限幅电路和所述二极管在连接到所述天线连接端子的所述电容器和被提供所述电源电压的参考电位的节点之间并联连接，
其中,所述第一电压小于由所述整流电路的二极管构成的寄生双极晶体管的阈值电压。
2.根据权利要求1所述的半导体设备，其中，所述限幅电路是在连接到所述天线连接端子的所述电容器和被提供所述电源电压的参考电位的所述节点之间连接的二级管连接MOS晶体管。
3.根据权利要求1所述的半导体设备，其中，
所述整流电路的二极管是肖特基势垒二极管，以及
所述限幅电路是二极管连接MOS晶体管。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的半导体设备，进一步包括：
从天线接收的无线信号中提取指令的接收电路；
执行对应于接收到的指令的处理的处理电路；
被所述处理电路访问的非易失性存储器；以及，
基于对应于所述指令的处理的结果而生成响应信号的调制电路，其中，
所述接收电路，所述处理电路，所述非易失性存储器以及所述调制电路由所述整流电路所产生的所述电源电压来驱动。
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