TW200816605A - Transistor with start-up control element - Google Patents

Description

200816605 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關-種具有啟動控制元件的電晶體，特別 是指-種具有啟動㈣元件、可供作域__金氧 場效電晶體(MOSFET)。 【先前技術】 從電壓源供應電壓至積體電路晶片的電源電路時，經 常需要使關啟動電路。啟動電路的目的是提供啟始^ 壓，直到電源電路能夠正常工作為止。之後，理想的^， 啟動電路應當功成身退，不再耗用任何電源。其簡單示意 圖如第1 ®所示，由於在電路驗動階段，騎、電路2〇$ 本身尚無電源，因此必須提供一個啟動電路，以對電容 器C進行充電，直到節點Vbias處的電壓到達預設值包能 夠啟動電源電路為止。當電源電路啟動之後，即可自行工 作（例如透過別的路徑從電壓源100取得電力、並轉換成 晶片所需的直流低壓Vdd，其詳細内容為本技術領域者所 熟知’在此不予資示）。 上述啟動電路10，先前技術中對此最簡單的作法如第 t圖所示。由於啟動電路1〇，應該只消粍很少的電流，故 最簡單的作法是提供一個大電阻2〇。電阻2〇將電壓源1〇〇 =來的電壓轉換成低電流，並對電容器c進行充電，直到 節點Vbias處的電壓到達預設值。而節點vbias處的電壓， 舉例而言，可供驅動一個在電源電路2〇〇内的脈寬調變電 路12’由該脈寬調變電路12來控制電源電路2〇〇的工作（其 200816605 洋細内谷亦為本技術領域者所熟知，故在此不予贅示）。 在弟2圖所示的先前技術中，由於電壓源1〇〇所提供 的電壓經常相當高，故電阻20必須相當大，才能達成限流 的功能。但如此一來，造成電阻2 0在晶片内所佔面積過大、 且會產生大量的熱。此外，此種設計，並無自動關閉啟動 電路的機制；耗電與熱的問題，不但相當嚴重，且在電源 電路啟動之後，還會持續。因此，此種設計雖然簡單，但 並不理想。 另一種先前技術的作法揭示於美國專利第5,285,369號 中w亥案之電路相當複雜，經簡化後其概念大致如第3圖 所示’係利用金氧半場效電晶體（以下簡稱M〇SFET)中 寄生接面電晶體的特性，將M0SFET 84分解視為包含一個 接面場效電晶體（以下簡稱電晶體）86與一個m〇sfet 88。電晶體86為耗乏型電晶體，本身具有限流的功能，且 由於其耗乏型之特性，在閘極接地的電路設計下，將常態 維持為導通狀態（normally ON)。該案從電晶體86與 MOSFET 88之間的節點取出電流，使用該電流來啟動一個 控制電路14 /此控制電路14 一方面對電容器c進行充電， ^方面可在節點Vbias處的電壓到達預設值時，發出控制訊 旒，關閉MOSFET 88，以切斷由M0SFET 84和控制電路 14所構成的整體啟動電路。 免 ^上述第3圖所示的先前技術，雖能達成自動關閉啟動 ，路的功能，且電路所產生的熱遠較第2圖電路為低，但 詳細參酌該案可知，其控制電路14的結構過於複雜，並不 6 200816605 能令人滿意。 因此，在美國專利第5,477，175號中，揭示另一種電路 結構，其設計即較第3圖所示電路為簡單。如第4圖所示， 在該案中，係直接從電晶體1〇1與MOSFET 102間的節點 取出電流，並使用一個電阻器1〇3來將電流轉換成電壓， 以控制MOSFET 102的閘極，使其導通。當電源電路200 啟動後，可透過控制節點113，將開關電晶體1〇9關閉，即 可切斷流過電阻器103的電流。 上述第4圖所示的電路，其複雜度雖較美國專利第 5,285,369號先前技術已有大幅改善，但未臻完全理想；尤 其是该案仍使用電阻器103，因此仍有電路散熱的問題。由 於電阻器103的目的僅需提供足以令M〇SFET 1〇2導通的 電壓，因此電阻器1〇3毋需太大，其產生熱的問題比第2 圖所示電路來得輕微，但仍然不能讓人完全滿意。 有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出 種車父佳之啟動電路，其具有簡單的電路結構，且並不需 使用任何電阻器，而得以解決先前技術中的問題。 【發明内容】 本發明之第一目的在提供一種具有啟動控制元件的電 晶體’以簡單的結構，達成啟動電路的功能。 本發明之苐一目的在提供一種啟動電路。 本發明之第三目的在提供—種具有啟输制功能的半 導體元件。 7 200816605 為達上述之目的，在本發明的其中一個實施例中，提 1、了種具有啟動控制元件的電晶體，包含：一個N型耗 ^型電晶體，其汲極可供與—外界電獅電連接，間極常 態接地；以及-個N型增進型電晶體，其汲極與前述電壓 源電連接，閘極與雜乏型電晶體藝極連接。 此外，根據本發明的另一個實施例，也提供了—種啟 動電路，其包含個常態導通的耗乏型電晶體；以及 個與雜乏型電晶體部份並聯的增進型電晶體，兩者之 汲極互連，且前者之源極與後者之閘極連接。 在前述兩實施例中，兩電晶體以垂直型電晶體為佳。 兩電晶體可以整合成-_立元件。 —根據本發明的又另—個實施例，也提供了—種半導體 兀件三包含：具有第—傳導型態的基體；錄該基體内， 具有第一傳導型態的第—井區；位於該基體内，具有第- 傳導型的第二井區’此井區與基體在常態下彼此導通； 二有第傳^型悲的第一閘極’此第一間極加壓時可配合 第-井區錢止前述第二井區與基體之導通；位於絲體 具有第-傳導型態的第三井區；位於該基翻，具有 第二傳導型態的第四井區，此井區將基體與第三井區隔 開’以及位於該基體内’具有第—傳導型態的第二間極， 此第-閘極加壓時可使該第三井區與基體導通。 上述實施例中之基體，可包含一本體與—遙晶生長 層；其第-_ ’可以魏蓋在該基體上的賴層，或為 至少一個井區。 8 200816605 之二下 【實施方式】 一本說明書中之圖式，均屬示意，並未按照實際比例繪 不0 請參考第5圖其中以示意電路圖的方式顯示本發明 的-個實施例。本實施例中’在電壓源丨⑻與電源電路遍 間的啟動電路’包含有—個作為啟動㈣元件的耗乏型 (depMonmode)電晶體501，與另一個作為功率元件的辦強 型(enhancementmode)電晶體5〇2。（後文中，將不特別^調 電晶體502為增強型，而僅簡單稱為電晶體游。） 如圖所示’電晶體501與5〇2以M⑽ET為佳，如此 在製程整合上較為制；可將^個電晶雜合成為一個獨 立元件(discrete device)。不過，兩電晶體並不侷限於為 MOSFET ’也可為其他型態的電晶體。例如，耗乏型電晶 體501可以使用接面電晶體來製作，此時的電路圖如第6 圖所示。 请參閱第5、6圖，耗乏型電晶體5()1具有一個閘極節 ”、占G1在其中一個實施型態中，此閘極節點ο〗與電源電 路200内部的某個控制節點（未示出）電連接，或者，在 另一個實施型態中，此閘極節點G1可以永久接地。在第一 種貫施型態巾，於電路啟始階段，由於電源電路内並 無電流’因此閘極節點以處並無電壓，形同接地。故無論 9 200816605 型g ’在桃啟輯辦，耗乏型電晶體 本身均為¥通狀態。耗乏型電晶體5〇1的没極娜血 電壓源電連接，並源搞日〃 抹、，ls則與電晶體502的閘極電連 接’亚由該處取出一個控制節點G2。從耗乏型電晶體5〇1 =過的電流，在控卿點G2處轉換成電壓後，可控制電晶 體502使其導通。電晶體5〇2 極5咖盘電壓源電連 ^其源極顺電容11 C電連接，以縣點Was處產生 偏壓。 在電路啟始時，因耗乏型電晶冑5〇1常態導通 ^normallyON)之故’電流可通過耗乏型電晶體训到達 :點G2 ’再流至與節點G2連接的控制電路（未示出）。如 則所述’此控制電路應可在電晶體5〇2的閘極產生電壓， 使電晶體5料通。當電晶體5〇2導通後，電容器c即被 充電，而_電容n上端_ Vbias處的龍稍升高，電 晶體502的閘極對源極跨壓i也逐漸下降，當電晶體嫩 的閘轉源極跨壓1低於臨限值％時，電晶體5〇2即自 動截止。換5之，電容II c上的跨壓，其上限值自然地受 到控制；此為本發明的特點之一。 電谷器C上的跨壓到達預設值後，電源電路2〇〇啟動， 此時可透過電源電路所產生的電流，控制前述與節點 G2連接的控制電路（未示出），以將節點G2的電壓拉低， 而將電晶體502關閉。同時，如驗述第一種實施型態， 耗乏型電晶體5〇1的閘極節點G1非為永久接地時，則可 經由操控閘極節點G1的電壓，將電晶體5〇1關閉，以達 200816605 省電功能。或者，在第三種實施魏巾，_可带曰 體501上維持少量電流，因耗乏型電晶體本紅限= 能，可控制此電雜損在可接受職_。#然 ^ 計將此電流，用作其他用途。 在以上電路巾，並不f要複雜的控纖制，其電路較 第4圖所示的電路更為簡單；除此之外，啟動電路中沒^ 使用任何電阻器，因此更無散熱問題。 久 一第5圖之示意電路，利用半導體製程技;^製作時，其 半導體剖面之一簡化實施例可參見第7圖。如圖所示，在N 型基體30上，設有N型的井區5〇，其下方則設有p型的 井區40 N型基體3〇與n型井區50分別構成耗乏型電晶 體501的汲極區與源極區，且由於N型基體30與:N型井 ^ 50連接，故構成耗乏型電3¾體；在閘極5G1G受控加壓 時，透過閘極501G與P型井區40的夾止作用，可切斷此 、耗乏型電晶體的導通。值得注意的是，耗乏型電晶體5〇1 為垂直向的電晶體，此為本發明的另一特點。 圖中右方，另設有P型的井區60,其内設有N型井區 70 ’以作為電晶體5〇2的源極區。此源極區可透過金屬接 點層（metal contact layer，未示出）而與第5圖中的Vbias 即點連接。圖中的P型井區80,可供協助區隔兩電晶體501 與502 ° N型基體30與N型井區70分別構成電晶體502 的沒極區與源極區，在閘極502G受控加壓時，可使電晶體 502導通。如第5圖所示，電晶體502的閘極應與耗乏型電 晶體501的源極電連接，亦即第7圖中的G2和501S應予 11 200816605 連接。此點可在半導體製程中，藉由金屬層（未示出）來 達成值得注思的是，電晶體502亦為垂直向的電晶體， 此又為本發明的一項特點。 ©然’以上轉體剖面結财，需適當地使用氧化物 來將主動元件辭以隔開，如圖中的場氧化物F〇x所示。 上述半導體結構之頂視圖，可能如第Η圖所示。如圖， 因電晶體501與502皆為垂直向的電晶體，故可以很方便 地整合成為一個獨立元件(discretedevice)。 一前述半導體結構之更具體實施例可參見第8圖。如圖 所示，為提升高壓元件的功能，N型基體3〇可包含一個重 摻雜的本體31，和—個⑽晶方式生長出、並摻有N型雜 貝的磊晶層32。N型井區50内可再包含一個]^型濃摻雜 區52。N型井區70可為濃摻雜之井區。p型井區4〇、6〇、 8〇則可為淡摻雜之井區。以上所述之半導體結構，可製作 較佳的電晶體元件。 < 除此之外，為了便利半導體製程，上述結構中尚可能 包含非提供主要作用(dummy)的閘極層55、N井區57和p 井區59。此為半導體製程中，為便利光罩之設計與使用 致。 如前所述，本發明並不限定必須使用M〇SFET來製作 電晶體501與502。例如，可使用接面電晶體來製作電晶體 501 ;此時其半導體結構之一種可能實施例如第9圖，其與 第7圖間的差別，標示在圖中的圓圈部份。當然，電晶體 502亦可使用接面電晶體來製作。 12 200816605 又’第10圖示出’使用接面電晶體來 時之另一種可能實施例。其朗在於，她 =:極:漏和p型井區4〇的夾止功:來關 :=01:而在弟10圖所示實施例中，係藉由兩閉極 £ 501G的夾止功能來關閉電晶體5〇1。除此之 魏’自還有其他製作方式，熟悉本技 …^騎稀·辭導齡構之舰目，可能如 弟12圖所不。 以上第9和第10圖所示實施例中’為製作高壓元 ^基體30可以包含—個本體，和―個⑽晶方式生長出的 遙晶層；且本體、蟲晶層、與各井區之摻雜濃度，可視需 要來調整。此料熟悉本技術者所能推知，*另作詳細說 明0 、 以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述 者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的内容而已， 並非用來限定本發明之權利範圍。如前所述，本發明的主 要概念在於，使用部份並聯的耗乏型電晶體與增進型電晶 體（所謂「部份並聯」係指：兩電晶體的汲極相連接，且 耗乏型電晶體的源極與增進型電晶體的閘極連接），並利用 耗乏型電晶體來控制增進型電晶體的導通；且電晶體以垂 直型式的電晶體為佳。在此精神下，熟悉本技術者可以思 及各種等效變化，均應包含在本發明的範圍之内。例如， 啟動電路未必限於用來啟動電源電路，亦可提供其他啟動 13 200816605 用途；其啟動電職路·的方式，未必侷限於對電容充 電；電源電路20G咖部結構，可為任何型態；半導體結 構中的各井區結構、摻雜濃度、場氧化物位置雜，可有 各種變化；電晶體5〇1與502可整合成為一個獨立元件 (discretedevice)，亦可分開設置，等等。故凡依本發明之概 念與精神所狀鱗變化或修飾，均應包括於本發明之申 請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 第1圖為啟動電路的概念說明圖。 第2圖為先前技術中，以電阻器來構成啟動電路的示意電路 圖。 第3圖為示意電路圖，說明先前技術啟動電路的一例。 第4圖為示意電路圖，說明先前技術啟動電路的另一例。 第5圖為根據本發明一實施例的示意電路圖。 第6圖為根據本發明另一實施例的示意電路圖。 弟7圖為根據本發明一實施例的半導體剖面示意圖。 第8圖為根據本發明一更具體實施例的半導體剖面示意圖。 第9圖為根據本發明另一實施例的半導體剖面示意圖。 第10圖為根據本發明又一實施例的半導體剖面示意圖。 第11圖為根據本發明一實施例的頂視示意圖。 第12圖為根據第10圖實施例的頂視示意圖。 【主要元件符號說明】 200816605 ίο啟動電路 12脈寬調變電路 14控制電路 20電阻器 30基體 40 P型井區 50 N型井區 52 N型重摻雜區 55非主要閘極層 57 非主要N井區 59 非主要P井區 60 P型井區 70 N型井區 80 P型井區 84金氧半場效電晶體 86接面場效電晶體 88金氧半場效電晶體 100電壓源 101接面場效電晶體 102金氧半場效電晶體 103電阻器 109開關電晶體 113控制節點 200電源電路 15 200816605 300啟動電路 500啟動電路 501耗乏型場效電晶體 501G電晶體501的閘極 501D電晶體501的汲極 501S電晶體501的源極 502電晶體 502G電晶體502的閘極 502D電晶體502的汲極 502S電晶體502的源極 A1箭號 C電容器 D汲極 FOX場氧化物 G1，G2節點 Vbias節點 Vdd直流電壓

Claims (1)

1. 200816605 十、申請專利範圍： L 一種具有啟動控制元件的電晶體，包含： 一個N型耗乏型電晶體’其汲極可供與一外界電壓源 電連接，閘極常態接地；以及 一個N型增進型電晶體，其汲極與前述電壓源電連 接’閘極與該耗乏型電晶體的源極連接。 2·如申請專利範圍第1項所述之具有啟動控制元件的電 晶體，其中該耗乏型電晶體為垂直型電晶體，其源極/汲 極之一位於一半導體基體底部。 3曰如申請專利範圍第i項所述之具有啟動控制元件的電 晶體’其中該耗乏型電晶體為接面電晶體，其閘極為一半 =體摻雜區’其雜為另—半導體摻祕，且其沒極為半 4曰請專利範圍第1項所述之具有啟動控制元件的電 =體’其中該增進型電晶體為垂直型電晶體，其源極/沒 極之一位於一半導體基體底部。 5. 6. 曰體如1=利範圍第1項所述之具有啟動控制元件的電 如ΐ:ί進型電晶體輪連接-個電容器。 晶體， 7 &由社奎Μ啟動一個電源電路。 晶體， 8.如申請專利範圍第“心:二接地。 晶體，其愤麵電路啟^動洲元件的電 控接地，而於麵電祕雜乏型電晶體的間極受 原電路啟動後，該耗乏型電晶體的開極受 17 200816605 控，使該耗乏型電晶體不導通。 9·如申請專利範圍第6項所述之具有啟動控制元件的電 晶體，其中於電源電路啟動前，該增進型電晶體的閘極受 控而使該增進型電晶體導通，而於電源電路啟動後，該增 進型電晶體的閘極受控，使該增進型電晶體不導通。 10· —種啟動電路，可供電連接在一電壓源與一電容器之 間，該啟動電路包含： 一個常態導通的耗乏型電晶體；以及 一個與该耗乏型電晶體部份並聯的增進型電晶體，兩 者之汲極互連，且前者之源極與後者之閘極連接。 11·如申請專利範圍第10項所述之啟動電路，其中該耗 乏型電晶體為垂直型電晶體，其源極/汲極之-位於一半 導體基體底部。 12·,如申明專利範圍第10項所述之啟動電路，其中該耗 乏型電晶體為接面電晶體，其閘為一半導體摻雜區，其 源極為另—半導體摻雜區，a其錄為半導體基體。/、 13·如申請專利範圍帛10項所述之啟動電路，其中該增 進型電晶體為垂直型電晶體，其源極/雜之-位於-半 導體基體底部。 如申明專利範圍第10項所述之啟動電路，其中，該 兩電晶體之汲極與該電壓源電連接。 、如申明專利範圍第項所述之啟動電路，其中該增 進型電晶體的源極連接該電容器。 16·如申明專利範圍第10項所述之啟動電路，其中該兩 18 200816605 電晶體係製作成為一整合元件。 17· —種半導體元件，包含： 具有第一傳導型態的基體； 位於該基體内，具有第二傳導鶴的第一井區； 位於該基體内，具有第-傳導型態的第二井區，此井 區與基體在常態下彼此導通； :、有第傳導型態的第一閘極，此第-閘極力σ壓時可 配合第一井區而夾止前述第二井區與基體之導通； 位於該基體内，具有第—傳導鶴的第三井區； 位於該基體内，具有第二傳導型態的第四井區，此井 區將基體與第三井區隔開；以及 位於該基體内，具有第一傳導型態的第二閉極，此第 一閘極加壓時可使該第三井區與基體導通。 队如申請專利範圍第項所述之半導體元件，其中該 第-傳導型態㈣型’第二傳導型態為p型。 I9.如申請專利範圍第ls項所述之轉體元件，其中該 第一閘極包括一覆蓋在該基體上的導體層。 2—0.如申請專利範圍第項所述之轉體元件，其中該 第二閘極包括一覆蓋在該基體上的導體層。 2—1.如申請專利範圍第ls項所述之半導體元件，其中該 第一閘極包括該基體内的至少一個井區。 八 如申請專利範圍第15項所述之半導體元件，其中該 第二閘極包括該基體内的至少一個井區。 23.如申請專利範圍第15項所述之半導體元件，其中該 19 200816605 基體包含一本體與一磊晶生長層。 24.如申請專利範圍第15項所述之半導體元件，其中該 第二井區之内另包含有濃摻雜區。