电压箝位电路、过流保护电路、电压测量探头和设备的制作方法

专利名称：电压箝位电路、过流保护电路、电压测量探头和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电压箝位电路以及分别使用该电压箝位电路的半导体器 件(device)、过流保护电路、电压测量探头(probe)、电压测量设备和半导体评 估设备。更具体地，本发明涉及一种当输入电压低于箝位电压时将输入电压 传送到输出节点并且当输入电压高于箝位电压时将输出节点处的电压固定到 箝位电压的电压箝位电路、以及分别使用该电压箝位电路的半导体器件、过 流保护电路、电压测量探头、电压测量设备和半导体评估设备。
背景技术：
近来，随着电力电子技术开发的推进，诸如场效应晶体管(FET)和隔离栅 型双极晶体管(IGBT)的高击穿电压半导体开关元件已经实现了高性能。具体 地，由于实现低损耗是最重要的挑战，与功率损耗直接相关的导通电阻需要 尽可能的小。为此目的，精确测量导通电阻是必不可少的。最近的高击穿电 压半导体开关元件频繁执行高速操作，因此从直流(DC)特性计算而来的导通 电阻不足以作为性能准则。为了在开关操作期间提供有效的性能准则，要测 量动态导通电阻。然而，该动态导通电阻的测量存在困难。也就是说，在半导体开关元件中，在开关操作期间，高压低电流状态(关 断状态期间)反复地与低压高电流状态(导通状态期间)交替。典型地，通过使 用示波器观察波形以便允许跟踪随着时间而从高压低电流状态(关断状态期 间)到低压高电流状态(导通状态期间)的改变，来执行动态导通电阻的测量。在利用示波器测量电压波形时，除非在导通状态期间和在关断状态期间 电压波形都在相同范围之内，否则示波器内部的放大器的特性是失真的，导 致无法精确测量电压波形。因此，需要在对于关断状态期间的高电压(即，电源电压)而言足够宽的范围内测量电压波形。然而，这降低了对于低电压的测 量精度，该对于低电压的测量对于测量动态导通电阻是必需的。例如，在导 通状态期间的电压为O.IV并且电源电压为100V的情况下，示波器必须被设置在不低于100V的范围内。在此情况下，即使高精度示波器的精度为满量 程(full scale)的1% ,在100V电压范围下精度为IV。所测量的值完全不可靠。 为了解决该问题，已经设计了可以在低电压范围内测量半导体开关元件的端 子之间的电压的半导体评估设备。图IO是示出这样的半导体评估设备的配置的电路图。在图IO所示的半 导体评估设备中，待评估的半导体开关元件(N型场效应晶体管)70的源极接 地，其栅极经由电阻元件71连接到脉冲产生电路72,其漏极经由电阻元件 73和电流;险测器74连接到DC电源75。半导体开关元件70的漏极经由电压 箝位电路76连接到示波器80的第一输入端子Tl,示波器80的第二输入端 子T2和第三输入端子T3分别连接到电流检测器74和半导体开关元件70的 栅极。电压箝位电路76包括连接在输入节点N77和输出节点N78之间的电阻 性元件77、串联连接在输出节点N78和地电压GND的线路之间的二极管78 和齐纳二极管79。输入节点N77连接到半导体开关元件70的漏极，输出节 点N78连接到示波器80的第一输入端子Tl。电阻性元件77的电阻值为例如 1MQ,齐纳二极管79的齐纳电压Vz为例如2V。相应地，输出节点N78处 的电压Vout被限制为最大Vz,因此示波器70的第一输入端子Tl处的电压 的范围可以被设置为对于Vz而言足够宽的范围。图11A是示出半导体开关元件70的栅极电压Vg的时序图，图IIB是示 出电压箝位电路76的输出电压Vout的时序图。栅极电压Vg在低电压Vgoff 和高电压Vgon之间交替切换。当Vg为Vgoff时，半导体开关元件70关断， ^使得半导体开关元件70的漏极电压Vin变为大约DC电源电压(100V)，而电 压箝位电路76的输出电压Vout被固定为箝位电压Vc=Vz。当Vg从Vgoff 上升到Vgon时，半导体开关元件70导通，使得漏极电压Vin突然下降，并 且当Vin变为不大于Vc=Vz时，Vout=Vin。例如，如果通过使用具有10比 特分辨率的示波器80在2V电压范围内进行测量，则测量精度为0,002V,足 以允许测量0.1V的导通状态电压。还存在一种半导体评估设备，其具有连接在半导体开关元件和示波器之子间电压变为低于参考电压时该开关导通(请参见例如日本专利特许公开第2001-004670号)。然而，在传统的电压箝位电路76中，如果栅极电压Vg从低电压Vgoff 上升到高电压Vgon(时刻tl),由于由电阻性元件77和寄生电容导致的CR时 间常数引起的时间延迟以及由于二极管78和79的恢复时间(反向(reverse)恢 复时间)引起的时间延迟，输出电压Vout逐渐降低到导通状态电压Von。因此， 存在如下问题在半导体开关元件70的导通和关断周期小于1微秒的高速操 作期间，不能精确地评估半导体开关元件70的特性。另外，在当半导体开关元件的端子间电压变得小于参考电压时导通的设 备中，开关的响应速度为几百纳秒。利用该设备，在半导体开关元件70的导 通/关断周期小于l微秒的高速操作期间，不能精确地评估半导体开关元件的 特性。发明内容因此，本发明的主要目的是提供一种具有高响应速度的电压箝位电路， 以及分别使用该电压箝位电路的半导体器件、过流保护电路、电压测量探头、 电压测量设备和半导体评估设备。在根据本发明一方面的电压箝位电路中，提供了一种具有负阈电压的常 通型场岁丈应晶体管(normally-on type field-effect transistor)以及电阻元件。该 场效应晶体管包括连接到输入节点的漏极、连接到输出节点的源极、以及接 收第 一参考电压的栅极。该电阻元件具有连接到输出节点的 一侧上的电极、 以及接收第二参考电压的另 一侧上的电极。箝位电压是场效应晶体管的阈电 压的绝对值与第一参考电压的和的电压。因此，不存在如在传统电压箝位电 路中看到的电阻元件和二极管引起的延迟。这允许实现高响应速度。优选地，场效应晶体管由宽带隙半导体(wide band-gap semiconductor)制 成。在此情况下，可以实现场效应晶体管的击穿电压的提升以及操作速度的 提南。在根据本发明另一方面的电压箝位电路中，提供了第一到第N(其中N为 不小于2的整数)常通型场效应晶体管以及第一到第N电阻元件，每个常通型 场效应晶体管具有负阈电压。第一到第N场效应晶体管的漏极全部连接到输入节点，第一场效应晶体管的栅极接收第一参考电压，第一到第(N-1)场效应晶体管的源极分别连接到第二到第N场效应晶体管的栅极，第N场效应晶体 管的源极连接到输出节点。第一到第N电阻元件具有分别连接到第一到第N 场效应晶体管的源极的一侧上的电极、以及全部接收第二参考电压的另 一侧 上的电极。箝位电压是第一到第N场效应晶体管的阈电压的绝对值的总和与 第一参考电压的和的电压。因此，不存在由在传统电压箝位电路中看到的电 阻元件和二极管引起的延迟。这允许实现高响应速度。甚至可以制造具有场 效应晶体管的小阈电压的电压箝位电路。优选地，第一到第N场效应晶体管每个都由宽带隙半导体形成。在此情 况下，可以实现第一到第N场效应晶体管的击穿电压的提升以及操作速度的 提南。还优选地，第一参考电压为正电压，第二参考电压为地电压。在此情况 下，可以通过调节作为正电压的第一参考电压来调节箝位电压。还优选地，第一参考电压和第二参考电压每个都为地电压。在此情况下， 可以实现配置的简化。根据本发明其它方面的半导体器件和过流保护电路每个都包括上述电压 箝位电路，并且因此可以容易地检测半导体开关元件的端子间的电压。根据本发明其它方面的电压测量探头、电压测量设备以及半导体评估设 备每个都包括上述电压箝位电路，并且因此可以容易地检测半导体开关元件 的动态导通电阻。当结合附图阅读时，根据下面的本发明的详细描述，本发明的上述和其 它目的、特征、方面和优点将变得更加明显。


图1是示出根据本发明第一实施例的半导体评估设备的配置的电路框图。图2A是示出图1所示的半导体评估设备的操作的时序图。 图2B是示出图1所示的半导体评估设备的操作的时序图。 图3示出第一实施例的修改。图4是示出根据本发明第二实施例的半导体评估设备的配置的电路框图。图5示出根据本发明第三实施例的半导体器件的配置。 图6是示出如何使用图5所示的半导体器件的电路框图。图7示出根据本发明第四实施例的电压测量探头的概图。图8是示出图7所示的电压测量探头的主要部分的电路框图。图9A示出根据本发明第五实施例的示波器的概图。图9B是示出根据本发明第五实施例的示波器的配置的电路框图。图10是示出传统的半导体评估设备的配置的电路框图。图IIA是示出图IO所示的半导体评估设备的操作的时序图。图IIB是示出图IO所示的半导体评估设备的操作的时序图。
具体实施方式
第一实施例图1是示出根据本发明第一实施例的半导体评估设备的配置的电路框 图。在图1中，半导体评估设备用于测量待评估的半导体开关元件(N型场效 应晶体管)l的动态导通电阻等，并包括脉沖产生电路2、电阻元件3和6、 DC电源4、电流;险测器5、电压箝位电^各7以及示波器11。半导体开关元件1的源极接地，其栅极经由电阻元件3连接到脉冲产生 电路2,其漏极经由电阻元件6和电流检测器5连接到DC电源4。负载电阻 元件6的电阻值为例如lkQ , DC电源4的输出电压为例如100V。半导体开关元件1的漏极经由电压箝位电路7连接到示波器11的第一输 入端子Tl，示波器11的第二输入端子T2和第三输入端子T3分别连接到电 流检测器5和半导体开关元件1的栅极。电压箝位电路7包括常通型场效应晶体管8、电阻元件9和DC电源10， 其中DC电源10的输出电压可调节。场效应晶体管8具有负阈电压(例如， -2V)，其漏极连接到输入节点N8，其源极连接到输出节点N9，其栅极接收 DC电源10的输出电压(例如2V)。期望具有高击穿电压并且能够以高速操作 的元件作为场效应晶体管8,并且由包括诸如GaN和AlGaN的氮化物半导体 以及SiC的所谓的宽带隙半导体制成的元件是适合的。这里，使用由GaN形 成的元件作为场效应晶体管8。电阻元件9连接在输出节点N9和地电压GND的线路之间。输入节点 N8连接到半导体开关元件1的漏极，输出节点N9连接到示波器11的第一输入端子T1。电阻元件9的电阻值为例如20kQ。注意电阻元件9一侧上的 电极可以连接到DC电源(其输出电压可调节)的输出端子，而不是连接到地电 压GND的线^各。由于常通型场效应晶体管8,当电流流过电阻元件9以引起电阻元件9 的电压降时，该电压降使得场效应晶体管8的源极侧的电压升高。此时，当 场效应晶体管8的栅极电压(2V)与源极电压Vout之间的差电压变得低于阈电 压(-2V)时，场效应晶体管8关断，使得输出节点N9处的电压Vout被箝位到 箝位电压Vc=-(-2V)+2V=4V 。因此，输出节点N9处的电压Vout被限制到最 大为Vc，因此，示波器11的第一输入端子T1处的电压范围可以被设置为对 于Vc而言足够宽的电压范围。利用如上所述形成的连接，使用示波器11测量半导体开关元件1的栅极 电压Vg、电压箝位电路7的输出电压Vout以及DC电源4的输出电流。栅 极电压Vg被用作示波器11的时基扫描(timebase sweep)的触发者(trigger)。图2A是示出半导体开关元件1的栅极电压Vg的时序图，图2B是示出 电压箝位电路7的输出电压Vout的时序图。栅极电压Vg在低电压Vgoff和 高电压Vgon之间交替切换。当Vg变为Vgoff时，半导体开关元件l关断， 从而半导体开关元件1的漏极电压Vin变为近似等于DC电源电压(100V)， 而电压箝位电路7的输出电压Vout被固定到箝位电压Vc。当Vg从Vgoff升高到Vgon时，半导体开关元件l导通，从而漏极电压 Vin突然下降，并且当Vin变得不大于Vc时，Vout=Vin。半导体开关元件1 的导通电阻为30Q。 Vin变为通过利用半导体开关元件1的导通电阻(30Q)压，并且在此第一实施例中，Vin=2.91V。此时，场效应晶体管8处于导通状 态。在这样的场效应晶体管8中，源极电压Vout=Vin为2.91V，从而栅极电 压(2V)与源极电压(2.91V)之间的差为2V-2.91V=-0.91V。由于场效应晶体管8 的阈电压为-2V，所以利用栅极电压与源极电压之间的差-0.91V维持场效应晶 体管8的导通状态。半导体开关元件1的漏极电压Vin出现在电压箝位电路7 的输出节点N9处。因此，通过将示波器11的满量程(flillscale)设置为4V,即使在半导体开 关元件1的关断状态的时间点，示波器ll也不饱和，并且当示波器ll的精 度为1%时，利用0.04V的精度测量该导通电压。因此，可以获得半导体开关元件1的导通电阻。现在将考虑电压箝位电路7的延迟时间。在电压箝位电路7中，存在场 效应晶体管8的源极到栅极(source-to-gate)、漏才及到4册极(drain-to-gate)以及源 极到漏极(source-to-dmin)的寄生电容。半导体开关元件1在从关断状态改变 到导通状态时的操作可以被划分成两个区第一区，其中半导体开关元件1 的漏极电压Vin从电源电压(100V)改变到箝位电压Vc(=4V);第二区，其中漏 极电压Vin从箝位电压Vc^4V)改变到半导体开关元件1的导通状态电压 Von。在上述第一区中，尽管半导体开关元件1的漏极到栅极电压和漏极到源 极电压改变很多，但是漏极到栅极电容和漏极到源极电容比较小。因此，延 迟时间小。另外，由负载电阻元件6以及半导体开关元件1的电流驱动能力 来确定驱动阻抗，并且与图IO所述的设备的驱动阻抗相比，该驱动阻抗相当 低。在上述第二区中，栅极到源极电压开始改变。尽管与栅极到漏极电容等 相比栅极到源极电容有些大，但是由于场效应晶体管8的导通状态，驱动栅 极到源极电容的阻抗相当低，允许电压箝位电路7以高速操作。场效应晶体管8仅需能够驱动诸如示波器11的测量设备，并且因此相当 小的元件也可以被用作场效应晶体管8。在此第一实施例中，示波器11、场 效应晶体管8等的总寄生电容为大约50pF,箝位电压Vc为大约4V,半导体 开关元件1的导通电压为大约1V,场效应晶体管8的漏极电流为大约50mA, 因此，电压箝位电i 各7的输出电压Vout的上升/下降时间trf为trf=A V Cin/Iin=(4-1) . 50pF/50mA=3ns。在该测量中，为了防止由寄生电感引起 的波形失真，用于导通/关断半导体开关元件1的脉冲的上升时间为不小于 5ns,从而获得足够高的测量速度。图3为示出第一实施例的修改的电路框图，将其与图l进行比较。参考 图3,该半导体评估设备与图1的半导体评估设备的区别在于用电压箝位 电路12替代了电压箝位电路7。通过从电压箝位电路7移除DC电源10并将 场效应晶体管8的栅极接地来获得电压箝位电路12。由于常通型场效应晶体管8,当电流流过电阻元件9以引起电阻元件9 的电压降时，该电压降使得场效应晶体管8的源极侧上的电压升高。此时， 当场效应晶体管8的栅极电压(OV)与源极电压Vout之间的差电压变得低于阈电压(-2V)时，场效应晶体管8关断，使得输出节点N9处的电压Vout被箝位 到箝位电压Vc=-(-2V)+0V=2V。因此，l命出节点N9处的电压Vout ^f皮限制到 最大为Vc，因此，示波器11的第一输入端子T1处的电压范围可以被设置为 对于Vc而言足够宽的电压范围。当Vg从Vgoff升高到Vgon时，半导体开关元件l导通，从而漏极电压 Vin突然下降，并且当Vin变得不大于Vc时，Vout=Vin。待评估的半导体开 关元件1的导通电阻为10Q。 Vin变为通过利用半导体开关元件1的导通电 阻(10 Q )与负载电阻元件6的电阻值(1 kQ )对DC电源电压(100V)进行分压而 获得的电压，并且在此第一实施例中，Vin=0.99V。此时，场效应晶体管8处 于导通状态。在这样的场效应晶体管8中，源极电压Vout=Vin为0.99V,从 而栅极电压(0V)与源极电压(0.99V)之间的差为0V-0.99V=-0.99V。由于场效应 晶体管8的阈电压为-2V，所以利用栅极电压与源极电压之间的差-0.99V维持 场效应晶体管8的导通状态。半导体开关元件1的漏极电压Vin出现在电压 箝位电路7的输出节点N9处。因此，通过将示波器11的满量程设置为2V，即使在半导体开关元件1 的关断状态的时间点，示波器11也不饱和，并且当示波器11的精度为1%时， 利用0.02V的精度测量该导通电压。因此，可以获得半导体开关元件1的导 通电阻。第二实施例图4是示出根据本发明第二实施例的半导体评估设备的配置的电路框 图，将其与图1进行比较。参考图4,该半导体评估设备与图1的半导体评 估设备的区别在于用电压箝位电路20替代了电压箝位电路7。电压箝位电^各20包括常通型场效应晶体管21-23、以及电阻元件24-26。 场效应晶体管21-23每个都具有负阈电压(例如，-2V)，并且它们的漏极都连 接到输入节点N21。场效应晶体管21的斥册极接地，场效应晶体管21和22的 源极分别连接到场效应晶体管22和23的栅极，场效应晶体管23的源极连接 到输出节点N22。期望具有高击穿电压并且能够以高速操作的元件作为场效 应晶体管21-23,并且由包括诸如GaN和AlGaN的氮化物半导体以及SiC的 所谓的宽带隙半导体制成的元件是适合的。这里，使用由GaN形成的元件作 为场效应晶体管21-23。电阻元件24-26分别连接在场效应晶体管21-23的源极和地电压GND的 线路之间。输入节点N21连接到半导体开关元件1的漏极，输出节点N22连 接到示波器11的第一输入端子T1。电阻元件24-26每个的电阻值为例如20k D。由于常通型场效应晶体管21 -23 ，当电流流过电阻元件24-26以引起电阻 元件24-26的电压降时，该电压降使得场效应晶体管21-23的源极侧的电压升 高。此时，当场效应晶体管21的栅极电压(OV)与源极电压Vout之间的差电 压变得低于阔电压(-2V)时，场效应晶体管21关断，使得场效应晶体管21的 源极电压被箝位到2V。此外，当场效应晶体管22的栅极电压(2V)与源极电压之间的差变得低于 阈电压(-2V)时，场效应晶体管22关断，使得场效应晶体管22的源极电压被 箝位到4V。此外，当场效应晶体管23的4册极电压(4V)与源极电压之间的差 电压变得低于阚电压(-2V)时，场效应晶体管23关断，使得场效应晶体管23 的源极电压被箝位到6V。因此，输出节点N22处的电压Vout被限制到最大 为箝位电压Vc(=6V),因此，示波器11的第一输入端子T1处的电压范围可 以被设置为对于Vc而言足够宽的电压范围。当Vg从Vgoff升高到Vgon时，半导体开关元件1导通，从而漏极电压 Vin突然下降，并且当Vin变得不大于Vc时，Vout=Vin。待评估的半导体开 关元件1的导通电阻为50Q。 Vin变为通过利用半导体开关元件1的导通电 阻(50Q)与负载电阻元件6的电阻值(lkQ)对DC电源电压(100V)进行分压而 获得的电压，并且在此第二实施例中，Vin=4.8V。此时，场效应晶体管23处 于导通状态。在这样的场效应晶体管23中，源才及电压Vout二Vin为4.8V，从 而栅极电压(4V)与源极电压(4.8V)之间的差为4V -4.8V=-0.8V。由于场效应晶 体管23的阈电压为-2V,所以利用栅极电压与源极电压之间的差-0.8V维持场 效应晶体管23的导通状态。半导体开关元件1的漏极电压Vin出现在电压箝 位电路20的输出节点N22处。因此，通过将示波器11的满量程:没置为6V,即使在半导体开关元件1 的关断状态的时间点，示波器ll也不饱和，并且当示波器11的精度为1%时， 利用0.06V的精度测量该导通电压。因此，可以获得半导体开关元件1的导 通电阻。在此第二实施例中，使用多个场效应晶体管21-23来构成电压箝位电路20，从而允许待评估的半导体开关元件1的高导通电阻的情况以及场效应晶体管21-23的每一个的小阈电压的情况。注意在此第二实施例中，^_用了三个场效应晶体管21-23。然而，应理 解还可以使用两个或四个或者更多的场效应晶体管来构成相同的电压箝位电 路。另夕卜，如在第一实施例中示出的，可以给场效应晶体管21的栅极提供可 变DC电源IO的输出电压。在此情况下，箝位电压Vc是场效应晶体管21-23 的阈电压的绝对值的总和(6V)与可变DC电源10的输出电压的和。因此，通 过调节可变DC电源10的输出电压可以调节箝位电压Vc。第三实施例图5是示出根据本发明第三实施例的半导体器件(半导体芯片)30的配置 的电路图。在图5中，半导体器件30包括半导体开关元件(例如，N型场效 应晶体管)31、电压箝位电路12以及端子(电极焊点(pad))32-35。这些组件被 形成于一个半导体衬底(substrate)(未示出)的表面上。半导体开关元件31具有 连接到输入端子32的栅极、连接到电源端子33的漏极、以及连接到地端子 34的源极。电压箝位电路12包括如图3中所示的场效应晶体管8以及电阻元件9。 场效应晶体管8具有连接到输入节点N8的漏极、连接到输出节点N9的源极、 以及连接到地节点N10的栅极。电压箝位电路12具有连接到电源端子33的 输入节点N8、连接到输出端子35的输出节点N9、以及连接到地端子34的 地节点NIO。在制造过程中，在半导体衬底的表面上形成具有400欧姆/方块(square) 的薄层电阻(sheet resistance)的外延层(epitaxial layer)。使用该外延层形成半导 体开关元件31,并且隔离出外延层的宽度为5(im且长度为50pm的区，由此 形成具有电阻值4kQ的电阻元件9。在形成半导体开关元件31的 一 系列的过 程(process)中形成场效应晶体管8、半导体开关元件31以及电阻元件9之间 的接触点(contact)。此外，在使用Au布线的过程中，将场效应晶体管8的漏 极电极连接到半导体开关元件31的漏极电极，将场效应晶体管8的栅极电极 连接到半导体开关元件31的源;〖及电极，将场效应晶体管8的源极电极连接到 电阻元件9的一端，将电阻元件9的另一端连接到半导体开关元件31的源极电极。另外，在半导体开关元件31的栅极电极、漏极电极和源极电极处分别形成端子32-34,在场效应晶体管8的源极电极处形成端子35,从而允许与 芯片外部的连接。半导体开关元件31的导通电阻为10mQ,场效应晶体管8的阈电压为 -2V。利用在端子33和34之间施加的100V的电压，当半导体开关元件31 关断时，输出端子35的电压Vout变为箝位电压Vc二2V。当半导体开关元件 31导通以使5A电流流动时，输出电压Vout变为0.05V。当半导体开关元件 31导通以使10A电流流动时，输出电压Vout变为O.IV。因此，可以利用具 有20V击穿电压的伏特计(voltmeter)来监测半导体开关元件31的电流。注意可以利用图1的电压箝位电路7来替代电压箝位电路12,也可以 利用图4的电压箝位电路20来替代电压箝位电路12。还要注意半导体器件30的半导体衬底和外延层优选地为宽带隙半导 体，^f旦是也可以由石圭制成。图6是示出如何使用半导体器件30的电路框图。在图6中，半导体器件 30的输入端子32和输出端子35都连接到驱动器IC 36,电源端子33经由负 载电路37连接到电源电压VCC的线;洛，地端子34接地。电源电压VCC为 IOOV，驱动器IC36的击穿电压为IOV。例如，当控制信号①c处于"L"电平时，驱动器IC36输出处于"L" 电平的信号以关断半导体开关元件31，以便阻止驱动电流在负载电路37中 流动。当控制信号①c处于"H"电平时，驱动器IC36输出处于"H"电平 的信号以导通半导体开关元件31,以便使得驱动电流在负载电路37中流动。 此时，如果负载电^各37的驱动电流超过10A并且电压箝位电^各12的输出电 压Vout超过0.1V时，则驱动器IC36输出处于"L"电平的信号以关断半导 体开关元件31,以便阻止驱动电流在负载电路37中流动。因此，可以利用第四实施例图7示出了根据本发明第四实施例的电压测量探头40的概图。在图7 中，电压测量探头40包括同轴线41、探头头42、共通引线(common lead)43、 鍔鱼夹(alligatorclip)44以及连接器45。同轴线41是如图8所示的具有中间 导体41a和外导体41b的公知同轴线。在同轴线41的一端中提供探头头(probehead)42,并且该探头头42包括 信号检测针(pin)42a和由塑料制成的管套(tubular cover)42b。信号检测针42a 的前沿弯曲成钩形，以便与测量点接触或者被钩到要测量的线上。套42b的 基本部分被形成为柔性的，使得当利用手指压力使套42b的基本部分缩短时， 信号检测针42a的前沿从套42b的边缘的洞中伸出。信号检测针42a的基本部分连接到电压箝位电^各12的输入节点N8，电 压箝位电路12的输出节点N9连接到同轴线41的中间导体41a，如图8所示。 电压箝位电^各12包括如图3所示的场效应晶体管8以及电阻元件9。场效应 晶体管8的漏极连接到输入节点N8,其源极连接到输出节点N9,其栅极连 接到节点Nl0。电阻元件9连接在节点N9和Nl0之间。共通引线43的一端连接到电压箝位电路12的节点N10和同轴线41的 外导体41b。共通引线43的另一端连接到鱼f鱼夹44,如图7所示，聘鱼夹 44连接到地电压GND的线路。这样，电压箝位电路12的节点N10和同轴线 41的外导体41b接地。连接器45连接到同轴线41的另一端，连接器45连 接到例如示波器11的第一输入端子T1。经由电压箝位电^各12、同轴线41以及连接器45将利用信号4企测针42a 检测的电压提供到示波器11。通过电压箝位电路12,输入到示波器ll的电 压被限制到最大为箝位电压Vc。注意在图3所示的半导体评估设备中，可以提供在其中内置了电压箝 位电路12的电压测量探头40来替代电压箝位电路12。另外，图8的场效应晶体管8的栅极可以经由电线连接到可变DC电源 的输出端子，而不是连接到节点NIO。在此情况下，通过调节可变DC电源 的输出电压可以调节电压箝位电路12的箝位电压Vc。第五实施例图9A示出了根据本发明第五实施例的示波器50的概图，图9B是示出 示波器50中主要部分的电路框图。在图9A和9B中，在示波器50的正面提 供了显示所检测的信号的波形的屏幕51、允许输入信号的输入端子52等等。 输入端子52是同轴类型，并包括中间导体52a和外导体52b。输入端子52的中间导体52a连接到内置电压箝位电路12的输入节点N8, 电压箝位电路12的输出节点N9连接到电压检测部分53。电压箝位电路12包括如图3所示的场效应晶体管8以及电阻元件9。场效应晶体管8的漏极 连接到输入节点N8,其源极连接到输出节点N9,其棚-极连接到节点NIO。 电阻元件9连接在节点N9和N10之间。节点NIO、外导体52b和电压纟全测 部分53的地节点连接到地电压GND的线路。经由电压箝位电路12将已经被输入到输入端子52的电压提供到电压检 测部分53。通过电压箝位电路12，输入到电压检测部分53的电压被限制到 最大为箝位电压Vc。电压4企测部分53纟全测经由电压箝位电^各12输入的电压 并将检测到的电压的波形显示在屏幕51上。注意，可以考虑在图3示出的半导体评估设备中，移除电压箝位电路 12,利用内置有电压箝位电路12的示波器50替代示波器11,半导体开关元 件1的漏极连接到示波器50的输入端子52。此外，替代电压箝位电路12,可以在示波器50中内置图1的电压箝位 电^各7。在此情况下，通过调节DC电源IO的输出电压，可以调节电压箝位 电路12的箝位电压Vc。在此情况下，可以依据示波器50的显示范围来调节 DC电源10的输出电压，以便总是设置最佳的箝位电压Vc。此外，可以提供内置有电压箝位电路7的示波器50、脉冲产生电路2以 及用于控制DC电源4和10的控制器，以允许自动测量半导体开关元件1的 特性。尽管已经详细描述并图示了本发明，但是应该清楚地理解其仅仅作为说 明和示例，而不应被作为限制，本发明的范围由所附权利要求书的条款解释。
权利要求
1.一种电压箝位电路，当输入节点处的电压低于箝位电压时，其将所述输入节点处的电压传送到输出节点，并且当所述输入节点处的电压高于所述箝位电压时，其将所述输出节点处的电压固定为所述箝位电压，所述电压箝位电路包括常通型场效应晶体管，其具有负阈电压；以及电阻元件，其中所述场效应晶体管包括连接到所述输入节点的漏极、连接到所述输出节点的源极、以及接收第一参考电压的栅极，所述电阻元件具有连接到所述输出节点的一侧上的电极、以及接收第二参考电压的另一侧上的电极，以及所述箝位电压是所述场效应晶体管的阈电压的绝对值与所述第一参考电压的和的电压。
2. 如权利要求1所述的电压箝位电路，其中，所述场效应晶体管由宽带 隙半导体形成。
3. 如权利要求1所述的电压箝位电路，其中，所述第一参考电压为正电 压，所述第二参考电压为地电压。
4. 如权利要求1所述的电压箝位电路，其中，所述第一参考电压和所述 第二参考电压每个都为地电压。
5. —种半导体器件，包括 如权利要求1所述的电压箝位电路；以及 半导体开关元件，其中向所述输入节点提供所述半导体开关元件的端子间的电压。
6. 如权利要求5所述的半导体器件，其中，所述半导体开关元件由宽带 隙半导体形成。
7. —种过流^f呆护电^各，包括 如权利要求1所述的电压箝位电路，其中向所述输入节点提供要保护的半导体开关元件的端子间的电压，以及 该过流保护电路还包括驱动器，当所述输出节点处的电压超过预定电压 时，该驱动器关断所述半导体开关元件。
8. —种电压测量探头，包括 如权利要求1所述的电压箝位电路，以及探头头，其与测量点接触并电气连接到所述输入节点。
9. 一种电压测量设备，包括 如权利要求1所述的电压箝位电路；其中从所述输出节点测量与所述输入节点连接的测量点处的电压。
10. —种半导体评估设备，包括 如权利要求9所述的电压测量设备；直流电源，其在待评估的半导体开关元件的端子间提供直流电源电压；以及脉冲产生电^各，其导通和关断所述半导体开关元件，其中 所述电压测量设备从所述输出节点测量被提供到所述输入节点的所述半 导体开关元件的端子间的电压。
11. 一种电压箝位电路，当输入节点处的电压低于箝位电压时，其将所 述输入节点处的电压传送到输出节点，并且当所述输入节点处的电压高于所 述箝位电压时，其将所述输出节点处的电压固定为所述箝位电压，所述电压 箝位电路包括第一到第N(其中N为不小于2的整数)常通型场效应晶体管，其每个具 有负阈电压；以及第一到第N电阻元件，其中所述第一到第N场效应晶体管的漏极全部连接到所述输入节点， 所述第 一场效应晶体管的栅极接收第 一参考电压，所述第 一到第(N-l)场效应晶体管的源极分别连接到所述第二到第N场效 应晶体管的栅极，所述第N场效应晶体管的源极连接到所述输出节点，所述第一到第N电阻元件具有分别连接到所述第一到第N场效应晶体管 的源极的一侧上的电极、以及全部接收第二参考电压的另 一侧上的电极；以 及所述箝位电压是所述第 一到第N场效应晶体管的阈电压的绝对值的总和 与所述第一参考电压的和的电压。
12. 如权利要求11所述的电压箝位电路，其中，所述第一到第N场效应晶体管每个都由宽带隙半导体形成。
13. 如权利要求11所述的电压箝位电路，其中，所述第一参考电压为正 电压，所述第二参考电压为地电压。
14. 如权利要求11所述的电压箝位电路，其中，所述第一参考电压和所 述第二参考电压每个都为地电压。
15. —种半导体器件，包括 如权利要求11所述的电压箝位电路；以及 半导体开关元件，其中向所述输入节点提供所述半导体开关元件的端子间的电压。
16. 如权利要求15所述的半导体器件，其中，所述半导体开关元件由宽 带隙半导体形成。
17. —种过流保护电if各，包括 如权利要求11所述的电压箝位电路；其中向所述输入节点提供要保护的半导体开关元件的端子间的电压，以及 该过流保护电路还包括驱动器，当所述输出节点处的电压超过预定电压 时，该驱动器关断所述半导体开关元件。
18. —种电压测量探头，包括 如权利要求11所述的电压箝位电路；以及探头头，其与测量点接触并电气连接到所述输入节点。
19. 一种电压测量设备，包括如权利要求11所述的电压箝位电路，其中， 从所述输出节点测量与所述输入节点连接的测量点处的电压。
20. —种半导体评估设备，包括 如权利要求19所述的电压测量设备；直流电源，其在待评估的半导体开关元件的端子间提供直流电源电压；以及脉冲产生电路，其导通和关断所述半导体开关元件，其中 所述电压测量设备从所述输出节点测量被提供到所述输入节点的所述半 导体开关元件的端子间的电压。
全文摘要
提供了一种电压箝位电路以及分别使用该电压箝位电路的半导体器件、过流保护电路、电压测量探头、电压测量设备和半导体评估设备。在电压箝位电路(1)中，具有负阈电压(-2V)的常通型场效应晶体管(8)具有连接到输入节点(N8)的漏极、连接到输出节点(N9)并经由电阻元件(9)接地的源极、以及被供应有可变直流电源(10)的输出电压(2V)的栅极。当输出节点(N9)处的电压由于电阻元件(9)的电压降而变得高于箝位电压(Vc(＝4V))时，场效应晶体管(8)关断。相应地，输出电压(Vout)被限制到最大为箝位电压。因此，响应速度比使用二极管等的传统电压箝位电路的响应速度要高。
文档编号G01R13/32GK101324639SQ20081012598
公开日2008年12月17日 申请日期2008年6月16日 优先权日2007年6月15日
发明者川村博史, 约翰·K·特怀南, 野崎义明, 长谷川正智 申请人:夏普株式会社