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TW201304370A - 半導體裝置、啟動電路及其操作方法 - Google Patents

半導體裝置、啟動電路及其操作方法 Download PDF

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TW201304370A
TW201304370A TW100125015A TW100125015A TW201304370A TW 201304370 A TW201304370 A TW 201304370A TW 100125015 A TW100125015 A TW 100125015A TW 100125015 A TW100125015 A TW 100125015A TW 201304370 A TW201304370 A TW 201304370A
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Wing-Chor Chan
Chih-Min Hu
li-fan Chen
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Macronix Int Co Ltd
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Abstract

一種半導體裝置、啟動電路及其操作方法。啟動電路包括半導體單元、第一電路、第二電路、電壓輸入端與電壓輸出端。第一電路係由一個二極體或以串聯方式電性連接的多個二極體所構成。第二電路係由一個二極體或以串聯方式電性連接的多個二極體所構成。半導體單元係耦接於第一電路與第二電路之間的第一節點。電壓輸入端係耦接於半導體單元。電壓輸出端係耦接於半導體單元與第一電路之間的第二節點。

Description

半導體裝置、啟動電路及其操作方法
本發明係有關於半導體裝置、啟動電路及其操作方法，特別係有關於應用於電源供應裝置的啟動電路及其操作方法。
近年來，綠能議題備受矚目，技術的發展也傾向高的轉換效率與低的待機功耗。高壓製程已廣泛的應用在電源供應器例如切換式電源供應器。切換式電源積體電路需要整合啟動電路與脈寬調變(PWM)電路。一般使用在高壓裝置的啟動電路係使用電阻來提供充電電流至充電電容，直到電容上的電壓達到脈寬調變電路的啟動電壓後，啟動電路停止作用。然而，啟動電路在停止作用後，其電阻仍持續產生功耗，因此無法達到省電效果。在一些技術中，啟動電路係使用N型空乏型電晶體來取代電阻。然而，在啟動電路停止狀態下，N型空乏型電晶體製造更大的負臨界電壓(Vt)很容易產生高的漏電流。
本發明係有關於半導體裝置、啟動電路及其操作方法，可提供高的輸出電壓(Vcc)，且在停止作用時漏電流與功耗低。
提供一種啟動電路。啟動電路包括半導體單元、第一電路、第二電路、電壓輸入端與電壓輸出端。第一電路係由一個二極體或以串聯方式電性連接的多個二極體所構成。第二電路係由一個二極體或以串聯方式電性連接的多個二極體所構成。半導體單元係耦接於第一電路與第二電路之間的第一節點。電壓輸入端係耦接於半導體單元。電壓輸出端係耦接於半導體單元與第一電路之間的第二節點。
提供一種啟動電路的操作方法。啟動電路包括半導體單元、第一電路、第二電路、電壓輸入端與電壓輸出端。第一電路係由一個二極體或以串聯方式電性連接的多個二極體所構成。第二電路係由一個二極體或以串聯方式電性連接的多個二極體所構成。半導體單元係耦接於第一電路與第二電路之間的第一節點。電壓輸入端係耦接於半導體單元。電壓輸出端係耦接於半導體單元與第一電路之間的第二節點。啟動電路的操作方法包括提供輸入電壓至電壓輸入端，以使電流從電壓輸入端經過半導體單元而至電壓輸出端，並在電壓輸出端產生輸出電壓。輸出電壓係對第一電路與第二電路的二極體造成逆向偏壓。
提供一種半導體裝置。半導體裝置包括半導體單元、第一二極體元件與第二二極體元件。半導體單元包括源極、汲極與閘極。閘極位於源極與汲極之間。第一二極體元件係耦接於源極與閘極之間。閘極係耦接於第一二極體元件與第二二極體元件之間的第一節點。
下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
第1圖繪示一實施例中半導體裝置的電路圖。第2圖繪示一實施例中啟動電路示意圖。第3圖繪示一實施例中輸出電壓與半導體單元的電流的關係曲線圖。
請參照第1圖，半導體裝置可為電源供應裝置例如切換式電源供應器(switch mode power supply)。半導體裝置的操作方法係在第一電壓端12輸入電壓(Vin)，透過啟動電路2在電壓輸出端14產生輸出電壓(Vcc)並對電容22進行充電。當電容22上的電壓達到切換式控制器4例如脈寬調變(PWM)電路的啟動電壓時，切換式控制器4將開始控制功率開關24例如增強型電晶體動作，用以對變壓器26進行切換來產生電源。啟動過程結束後，啟動電路2係停止作用。
請參照第2圖，啟動電路2包括半導體單元6、第一電路8與第二電路10。第2圖繪示的第一電路8係由一個二極體所構成。然本揭露並不限於此。於其他實施例中，第一電路8係由以串聯方式電性連接的多個二極體所構成。第2圖繪示的第二電路10係由以串聯方式電性連接的多個二極體所構成。然本揭露並不限於此。於其他實施例中，第二電路10係由一個二極體所構成。第一電路8與第二電路10的二極體可包括PN接面二極體、齊納二極體或蕭基二極體。半導體單元6包括半導體(MOS)例如第2圖所示的空乏型電晶體。然而，本發明並不限於此。於其他實施例中，半導體單元6可包括橫向雙擴散(Lateral double Diffusion)電晶體(LDMOS)、雙擴散汲極(Double Diffusion Drain;DDD)電晶體或延伸汲極(extension Drain)電晶體(EDMOS)。
半導體單元6的閘極係耦接於第一電路8與第二電路10之間的第一節點16。第一電壓端12係耦接至半導體單元6的汲極。第二電壓端14係耦接至第一電路8與半導體單元6的源極，更詳細的來說，係耦接至第一電路8與源極之間的第二節點18。於實施例中，第二電壓端14也耦接至半導體單元6之鄰近源極的基極。第三電壓端20係耦接至第二電路10的二極體遠離第一節點16的一端。於實施例中，第一電壓端12係電壓輸入端(Vin)。第二電壓端14係電壓輸出端(Vcc)。第三電壓端20係接地端(GND)。
請參照第2圖，啟動電路2的操作方法係在第一電壓端12輸入電壓(Vin)，使電流從第一電壓端12經過半導體單元6而至第二電壓端14產生輸出電壓(Vcc)。第二電壓端14的輸出電壓係對第一電路8與第二電路10的二極體造成逆向偏壓。於實施例中，第一電路8與第二電路10之二極體的條件例如數目可根據期望的輸出電壓(Vcc)與半導體單元6的條件例如臨界電壓(Vt)來作適當的配置。也可得到高的輸出電壓。舉例來說，第一電路8之二極體的數目：第二電路10之二極體的數目可為1:1~8等等。
請參照第2圖，更詳細地舉例來說，半導體單元6係N型空乏型電晶體，臨界電壓為-3V。閘極係耦接至第一電路8之二極體的陽極與第二電路10之二極體的陰極。第一電壓端(電壓輸入端)12係耦接汲極。第二電壓端(電壓輸出端)14係耦接至源極(與基極)與第一電路8之二極體的陰極。第二電路10之二極體的陽極係耦接第三電壓端(接地端)20。在此例中，第一電路8與第二電路10係使用特性例如逆向崩潰電壓實質上相同的二極體。舉例來說，當第一電壓端12的輸入電壓為18V時，第二電壓端14的輸出電壓為17.8V，實質上相近第一電壓端12的輸入電壓。輸出電壓對第一電路8與第二電路10之二極體係造成分壓。詳細地來說，輸出電壓對第二電路10造成的端電壓實質上為輸出電壓的六分之五(第二電路10的二極體數目比上第一電路8與第二電路10的二極體總數目)。輸出電壓對第一電路8造成的端電壓實質上為輸出電壓的六分之一(第一電路8的二極體數目比上第一電路8與第二電路10的二極體總數目)。因此，以半導體單元6之閘極至源極的壓差(VGS)-3V為例，半導體單元6的|VGS|的大小實質上會大於臨界電壓，使得半導體單元6為關閉狀態，如第3圖所示。此外，不會產生額外的功耗。在輸入電壓小於18V的情況下，半導體單元6的VGS將不會達到臨界電壓而保持開啟狀態以持續提供充電電壓。於實施例中，可提供固定的電源。
第4圖繪示一實施例中半導體裝置的剖面圖。半導體裝置可具有如第1圖與第2圖所示的電路圖。半導體裝置包括半導體單元。半導體單元包括源極128、汲極130與閘極132。閘極132位於源極128與汲極130之間。源極128與摻雜區150形成於摻雜區134中。於實施例中，摻雜區150係作為基極。摻雜區134形成於摻雜區136中。摻雜區138形成於摻雜區140中。汲極130、摻雜區136與摻雜區140形成於摻雜區142中。摻雜區142形成於基底144中。摻雜區146形成於摻雜區148中。摻雜區148與摻雜區152形成於基底144中。
於一實施例中，半導體單元係N型空乏型電晶體。源極128、汲極130、摻雜區134、摻雜區138與摻雜區142具有第一導電型例如N型導電型。摻雜區150、摻雜區136、摻雜區140、摻雜區146、摻雜區148、摻雜區152與基底144具有相反於第一導電型的第二導電型例如P型導電型。源極128、汲極130、摻雜區146與摻雜區150係重摻雜的。摻雜區150係作為基極。
請參照的4圖，二極體154係藉由介電結構156分開於半導體單元。介電結構156並不限於第4圖所示的場氧化物，而可包括淺溝槽隔離、深溝槽隔離等等。二極體154可由多晶矽形成。二極體154可包括部分158、部分160與部分162。舉例來說，部分160與部分162具有第一導電型例如N型導電型。部分158具有相反於第一導電型的第二導電型例如P型導電型。部分158與部分162為重摻雜的，且部分160的摻雜濃度小於部分158與部分162。於一實施例中，二極體154為如第2圖所示之第一電路8的二極體。於一些實施例中，二極體154係使用皆為重摻雜且具有相反導電型的兩個部分直接接觸而形成。於其他實施例中，二極體154可使用P+/NW、P+/HVNW、P+/NWD或N+/PWI的摻雜結構形成。
第一電壓端112係耦接汲極130。第二電壓端114係耦接源極128、二極體154的部分162與摻雜區150。二極體154的部分158係耦接閘極132。第三電壓端120係耦接摻雜區146。於一些實施例中，第一電壓端112係電壓輸入端。第二電壓端114係電壓輸出端。第三電壓端120係接地端。部分158為二極體154的陽極。部分162為二極體154的陰極。
於實施例中，半導體裝置可以標準的高壓製程(HV process)製造，因此不需要增加額外的罩幕(mask)或步驟。半導體裝置可利用絕緣層上覆矽(SOI)、磊晶製程或非磊晶製程形成。
第5圖繪示一實施例中半導體裝置的上視圖，舉例來說，顯示源極228、汲極230、閘極232、摻雜區246、摻雜區250、介電結構256。第5圖繪示之半導體裝置可具有如第1圖與第2圖所示的電路圖。半導體裝置包括第一二極體元件與第二二極體元件。第一二極體元件具有一個二極體254A，並可以第2圖所示的第一電路8表示。第二二極體元件具有以串聯方式電性連接的二極體254B、二極體254C、二極體254D、二極體254E、二極體254F，並可以第2圖所示的第二電路10表示。然本揭露並不限於此。於其他實施例中，第一二極體元件具有以串聯方式電性連接的多個二極體。第二二極體元件具有單一個二極體。
於實施例中，二極體並不限於如第5圖所示的長條形，而可包括圓形、方形、環形等的形狀。
在本揭露的實施例中，啟動電路係利用半導體單元與二極體。二極體的條件係根據期望的輸出電壓與半導體單元的臨界電壓作適當的配置。因此可得到高的輸出電壓。此外，啟動電路停止作用時的漏電流低且功耗低。
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，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，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。
2．．．啟動電路
4．．．切換式控制器
6．．．半導體單元
8．．．第一電路
10．．．第二電路
12、112．．．第一電壓端
14、114．．．電壓輸出端
16．．．第一節點
18．．．第二節點
20、120．．．第三電壓端
22．．．電容
24．．．功率開關
26．．．變壓器
128、228．．．源極
130、230．．．汲極
132、232．．．閘極
134、136、138、140、142、146、148、150、152、246、250．．．摻雜區
144．．．基底
154、254A、254B、254C、254D、254E、254F．．．二極體
156、256．．．介電結構
158、160、162．．．部分
第1圖繪示一實施例中半導體裝置的電路圖。
第2圖繪示一實施例中啟動電路示意圖。
第3圖繪示一實施例中輸出電壓與半導體單元的電流的關係曲線圖。
第4圖繪示一實施例中半導體裝置的剖面圖。
第5圖繪示一實施例中半導體裝置的上視圖。
2．．．啟動電路
6．．．半導體單元
8．．．第一電路
10．．．第二電路
12．．．第一電壓端
14．．．電壓輸出端
16．．．第一節點
18．．．第二節點
20．．．第三電壓端

Claims (10)

  1. 一種啟動電路，包括：一半導體單元；一第一電路，係由一個二極體或以串聯方式電性連接的多個二極體所構成；一第二電路，係由一個二極體或以串聯方式電性連接的多個二極體所構成，其中該半導體單元係耦接於該第一電路與該第二電路之間的一第一節點；一電壓輸入端，耦接於該半導體單元；以及一電壓輸出端，耦接於該半導體單元與該第一電路之間的一第二節點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之啟動電路，其中，該半導體單元包括一源極、一汲極與一閘極，該電壓輸入端係耦接該汲極與該源極其中一個，該電壓輸出端係耦接該汲極與該源極其中另一個，該第一節點係耦接該閘極，該電壓輸出端的電壓係對該第一電路與該第二電路的該些二極體造成一逆向偏壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之啟動電路，其中，該半導體單元為N型空乏型電晶體，並包括一源極、一汲極與一閘極，該電壓輸入端係耦接該汲極，該電壓輸出端係耦接該源極與該第一電路之二極體的陰極，該第一節點係位於該閘極、該第一電路之二極體的陽極與該第二電路之二極體的陰極之間，該第二電路之二極體的陽極係接地。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之啟動電路，其中該第一電路與該第二電路的該些二極體包括PN接面二極體或齊納二極體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之啟動電路，其中該啟動電路係應用於切換式電源供應器。
  6. 一種啟動電路的操作方法，其中該啟動電路包括：一半導體單元；一第一電路，係由一個二極體或以串聯方式電性連接的多個二極體所構成；一第二電路，係由一個二極體或以串聯方式電性連接的多個二極體所構成，其中該半導體單元係耦接於該第一電路與該第二電路之間的一第一節點；一電壓輸入端，耦接於該半導體單元；以及一電壓輸出端，耦接於該半導體單元與該第一電路之間的一第二節點，該啟動電路的操作方法包括：提供一輸入電壓至該電壓輸入端，以使一電流從該電壓輸入端經過該半導體單元而至該電壓輸出端，並在該電壓輸出端產生一輸出電壓，其中該輸出電壓係對該第一電路與該第二電路的該些二極體造成一逆向偏壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之啟動電路的操作方法，其中該輸入電壓實質上相近於該輸出電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之啟動電路的操作方法，更包括截止該半導體單元，其中截止該半導體單元的方法包括使該啟動電路符合條件：該半導體單元之該閘極至該源極的壓差(VGS)實質上會大於該半導體單元的臨界電壓。
  9. 一種半導體裝置，包括：一半導體單元，包括一源極、一汲極與一閘極，其中該閘極位於該源極與該汲極之間；一第一二極體元件，耦接於該源極與該閘極之間；以及一第二二極體元件，其中該閘極耦接於該第一二極體元件與該第二二極體元件之間的一第一節點。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體裝置，更包括一介電結構，其中該第一二極體元件與該第二二極體元件係位於該介電結構上並藉由該介電結構分開於該半導體單元。
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