具有低阈值电压和高击穿电压的二极管的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年2月21日提交的序列号为16/282,264、题为“具有低阈值电压和高击穿电压的二极管”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

本发明通常涉及二极管电路。更具体地，本发明的实施例涉及具有低阈值电压和高击穿电压的二极管，包括具有可编程阈值电压的二极管。

背景技术：

许多电子电路使用二极管器件。通常，半导体二极管是一种电子部件，其两个端子由所谓的“pn结”隔开。二极管通常用于允许电流沿正向方向流动，同时限制电流沿反向方向流动，例如充当整流器。由于pn结的某些物理特性，每个二极管可以具有阈值电压和击穿电压。阈值电压可以定义正向电压的振幅，超过该振幅时，二极管在正向方向上导通。击穿电压可以定义反向电压的幅度，低于该幅度时，二极管会限制反向方向的电流流动，高于该幅度时，二极管击穿并在反向方向上导通。

通常，具有较低阈值电压的器件当被实现为二极管时也往往具有较低的击穿电压，而具有较高阈值电压的器件当被实现为二极管时往往具有较高的击穿电压。在许多电子应用中，期望具有低阈值电压，但也具有高击穿电压。例如，常规的硅二极管通常具有0.7伏的阈值电压。然而，在一些充电泵应用中，期望充电泵在低于0.7伏的电压电平下接通(以开始在正向方向上导通)。然而，用具有较低阈值电压的二极管替换这种电路中的常规硅二极管可能导致此时的电路操作受到替换二极管的较低击穿电压的限制。

技术实现要素：

实施例包括用于具有低阈值电压和高击穿电压的二极管的电路、器件、应用和方法。一些实施例还包括具有可编程阈值电压的二极管器件。例如，实施例可以将本征器件与一个或多个低阈值、二极管连接的器件耦合。该耦合使得低阈值器件提供低阈值电压，同时被本征器件保护免于击穿，有效地表现为高击穿电压。一些实现包括可选分支，通过该可选分支，本征器件与多个低阈值、二极管连接的器件中的任何一个可编程地耦合。

根据一组实施例，提供了阈值可编程二极管器件。该器件包括：阴极端子；阳极端子；保护器件；以及低阈值电压二极管组。该保护器件具有与该阳极端子耦合的保护控制输入，使得在该阳极端子上施加超过保护阈值电压电平的电压电平允许电流流过该保护器件，该保护阈值电压电平非正(例如是零或负数)。该低阈值电压二极管组包括多个并联路径，每个并联路径具有：多个开关中的一个开关；以及多个低阈值电压器件中的一个低阈值电压器件，每个低阈值电压器件具有各自的与该多个低阈值电压器件中的至少一些其他低阈值电压器件的阈值电压不同的阈值电压，该低阈值电压器件耦合在该阳极端子和该开关之间，并且具有与该阳极端子耦合的二极管控制输入，使得在该阳极端子上施加超过该各自的阈值电压的电压电平允许电流流过该低阈值电压器件。闭合任何开关将这些低阈值电压器件中的对应低阈值电压器件耦合到该保护器件。

根据另一组实施例，提供了低阈值电压、高击穿电压(low-threshold-voltage,high-breakdown-voltage,lthb)二极管器件。该器件包括：阴极端子；阳极端子；具有与该阳极端子耦合的保护控制输入的保护器件，该保护器件具有非正阈值电压；以及具有正阈值电压的低阈值电压二极管，该低阈值电压二极管耦合在阳极端子和保护器件之间，使得在该阳极端子上施加超过该正阈值电压的电压电平允许电流从阳极端子通过该低阈值电压二极管和该保护器件流向该阴极端子，并且在该阳极端子上施加低于该正阈值电压的电压电平阻止电流从该阳极端子流向该阴极端子。

根据另一组实施例，提供了一种对二极管器件的阈值电压进行编程的方法。该方法包括：首先在第一时间使能多个开关中的第一开关，该多个开关中的每个开关被配置为选择性地使能多个并联分支中的一个并联分支，其中每个并联分支包括多个低阈值电压二极管中的一个低阈值电压二极管，并且其中该首先使能将该多个低阈值电压二极管中的第一低阈值电压二极管耦合到保护器件，该多个低阈值电压二极管中的该第一低阈值电压二极管具有第一正阈值电压，并且该保护器件具有非正阈值电压；以及其次在第二时间使能该多个开关中的第二开关，其中该其次使能将该多个低阈值电压二极管中的第二低阈值电压二极管耦合到该保护器件，该多个低阈值电压二极管中的该第二低阈值电压二极管具有与该第一正阈值电压不同的第二正阈值电压。

附图说明

在本文中引用并构成其一部分的附图示出了本公开的实施例。附图和说明书一起用于解释本发明的原理。

图1示出了说明性的常规二极管和该二极管的说明性电流-电压(illustrativecurrentversusvoltage,iv)曲线图，作为用于讨论实施例的某些特征的背景；

图2示出了根据各种实施例的说明性低阈值电压、高击穿电压(lthb)二极管的框图；

图3示出了根据各种实施例的说明性低阈值电压、高击穿电压(lthb)二极管的电路实现；

图4示出了根据各种实施例的说明性的阈值可编程二极管的电路实现；以及

图5示出了根据各种实施例的对二极管器件的阈值电压进行编程的说明性方法的流程图。

在附图中，相似的组件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在参考标记后跟第二标记来区分相同类型的各种部件，该第二标记在相似部件之间进行区分。如果在说明书中仅使用第一参考标记，则该描述适用于具有相同的第一参考标记的任何相似部件，而不考虑第二参考标相似。

具体实施方式

在下面的描述中，提供了许多具体细节以用于彻底理解本发明。然而，本领域技术人员应当理解，可以在没有这些细节中的一个或多个的情况下实现本发明。在其他示例中，为了简洁起见，将不描述本领域中已知的特征和技术。

为了背景，图1示出了说明性的常规二极管100和二极管100的说明性电流-电压(iv)曲线图110。常规二极管100可以是常规的硅二极管、锗二极管或其他半导体二极管。这样的二极管100通常具有由所谓的“pn结”隔开的正端子(阳极)和负端子(阴极)。使用所示的惯例，当向相对于阴极的阳极施加正电压(vdiode)时，二极管100被正向偏置，并且电流(idiode)可以沿箭头的方向流动。该正向方向操作在曲线图110上被示为正向区域125。在正向区域125中，如图所示，流过二极管100的电流基本上为零，直到电压达到阈值电压电平(标记为vth115)。在二极管电压等于或高于阈值电压115的情况下，pn结的“p”和“n”侧之间的势垒被有效地抵消，使得使二极管在正向方向上传导电流。例如，在阈值电压115之上，二极管100可以基本上充当正向电流流动的短路。

当向相对于阴极的阳极施加负电压(vdiode)时，二极管100被反向偏置，并且阻止电流(idiode)沿与箭头相反的方向流动。该反向方向操作在曲线图110上被示为反向区域130。在反向区域130中，如图所示，流过二极管100的电流基本上为零(或恰好为零)，直到负电压达到击穿电压电平(标记为vbr120)为止。只要负二极管电压保持在击穿电压120以下，pn结的“p”和“n”侧之间的势垒阻止反向电流流动，并且二极管可以基本上充当开路。但是，当负二极管电压超过击穿电压120时，pn结的“p”和“n”侧之间的势垒可以击穿，并且反向电流可以流过。这被指示为击穿区域135。例如，超过击穿电压120(处于比击穿电压120更负的电压电平)，二极管100可以基本上充当反向电流流动的短路。对于某些类型的二极管，这种击穿是永久性的(即，通过超过击穿电压120可以破坏二极管100)。对于其他类型的二极管(例如，齐纳二极管)，可以控制这种击穿以避免损坏二极管。

通常，具有较低阈值电压115的器件当被实现为二极管时也往往具有较低的击穿电压120，而具有较高阈值电压115的器件当被实现为二极管时往往具有较高的击穿电压120。如本文所使用的，相对术语，例如“高”和“低”旨在解释为相对于常规值。例如，常规硅二极管的阈值电压115通常为0.7伏左右；因此，在当前的常规背景中，具有低于约0.6伏的阈值电压115的二极管100当前将被视为“低阈值电压”器件。此外，诸如“高”，“低”，“大于”，“小于”，“超出”等术语旨在解释为相对于操作区域(例如，正向区域125、反向区域130或击穿区域135)。例如，达到击穿电压120涉及以特定大小的电势对二极管100进行反向偏置；这在正向偏置参考系中可以视为“负”二极管电压，在反向偏置参考系中可以视为正二极管电压。这样，如果达到击穿电压120涉及在二极管100上施加大或高的反向偏置电势，则二极管100在本文中将被称为具有“大”或“高”击穿电压120；并且在本文中提及“超过”这样的击穿电压120可能涉及在二极管100上施加更大的反向偏置电势(即，即使所得电压更负，在本文中也被认为是“超过”，或“大于”反向偏置操作的参考系中的阈值电压)。

在许多电子应用中，希望具有低阈值电压115，但也具有高击穿电压120。例如，某些电路，例如充电泵或dc-dc(directcurrenttodirectcurrent,直流到直流)转换器，可以将输入电压或电流电平转换为不同的电压或电流电平。这样的电路可以依靠二极管器件在周期性循环的某些部分导通(即，以正向方向操作)，而在周期性循环的其他部分关断(即，以反向方向操作)。当在某些应用中使用时，如果这种电路可以在低于常规二极管的电压电平(例如0.7伏)的电压电平下导通，则可以提高性能。然而，具有较低阈值电压115的用于此类应用的常规二极管通常也具有较低的击穿电压120。因此，使用这种常规的较低阈值电压二极管会导致电路操作受到较低的击穿电压120的限制。

因此，本文描述的实施例包括具有低阈值电压115和高击穿电压120的二极管器件的实现。本文描述的一些实施例进一步使能二极管器件，可以在保持高击穿电压120的同时对该二极管器件的阈值电压115进行编程。

图2示出了根据各种实施例的说明性低阈值电压、高击穿电压(lthb)二极管200的框图。如图所示，lthb二极管200可以可选地被实现为两端子器件或三端子器件。作为两端子装置，lthb二极管200包括与保护器件230耦合的低阈值电压二极管220，二者均耦合在阴极205(例如，第一端子)和阳极210(例如，第二端子)之间。低阈值电压二极管220可被实现为阈值电压明显低于使用该二极管的应用的典型常规二极管的阈值电压(例如，低于0.6伏)的任何合适的二极管器件。例如，在通常使用厚氧化物器件(例如，所谓的“i/o器件”)的应用中，可以使用厚氧化物器件来实现低阈值电压二极管220，该厚氧化物器件诸如是二极管连接的elvt(extra-lowthresholdvoltage,超低阈值电压)器件、lvt(lowthresholdvoltage,低阈值电压)器件、avt(analogthresholdvoltage,模拟阈值电压)器件等。在某些情况下，也可以使用ehvt(extra-highthresholdvoltage,超高阈值电压)器件或hvt(highthresholdvoltage,高阈值电压)器件来实现低阈值电压二极管220，如果该器件的阈值电压低于通常用于特定应用的常规二极管的阈值电压。保护器件230可以被实现为任何合适的器件，该器件在与低阈值电压二极管220耦合时为低阈值电压二极管220提供击穿电压保护，而不增加有效阈值电压。例如，所谓的本征器件和/或其他器件可以具有基本为零或甚至为负的阈值电压。

当被实现为三端子器件时，lthb二极管200包括与保护器件230耦合的多个低阈值电压二极管220(例如，低阈值电压二极管220组)，两者均耦合在阴极205(例如，第一端子)和阳极210(例如，第二端子)之间。此外，在这样的实现中，lthb二极管200包括与低阈值电压二极管220组耦合的阈值编程器240。该低阈值电压二极管220组可以包括多个低阈值电压二极管220，每个具有不同的特性，包括不同的阈值电压。阈值编程器240可以接收输入编程信号215，并且可以响应于信号215而选择性地将组中的一个或多个低阈值电压二极管220与保护器件230耦合。

图3示出了根据各种实施例的说明性低阈值电压、高击穿电压(lthb)二极管300的电路实现。lthb二极管300可以是参考图2描述的两端子lthb二极管200实施例的实现。如图所示，lthb二极管300可以包括耦合在阴极205和阳极210之间的低阈值电压二极管220和保护器件230。低阈值电压二极管220可以实现为二极管连接的晶体管。例如，低阈值电压二极管220是具有栅极222、漏极224和源极226的金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxidesemiconductorfield-effecttransistor,mosfet)，其中漏极224和栅极222耦合在一起。在这种配置中，晶体管的栅极-源极电压(gate-to-sourcevoltage,vgs)定义了阈值电压，在该阈值电压之上，晶体管像具有基本二次电流-电压(current-versus-voltage,i-v)特性的二极管一样发挥作用。例如，当在阳极210(相对于阴极205)上施加超过有效阈值电压(由于vgs)的正电压时，晶体管导通，并且允许电流流过该器件；当在阳极210(相对于阴极205)施加低于有效阈值电压的电压时，该晶体管关断，并且不允许电流流动。

保护器件230的一些实施例被实现为耗尽型晶体管。耗尽型晶体管可以具有基本为零或甚至为负的阈值电压。例如，耗尽型晶体管可以包括低电平的p掺杂硅衬底，而不是p阱掺杂，以形成mosfet沟道。实际上，当栅极电压为零时，在栅极氧化层下方形成导电沟道，从而有效地正常导通(即，在某些实现中，需要任何负电压或超过负阈值电平的负电压以关断晶体管)。保护器件230的一些实施例被实现为本征(或“天然”)晶体管。在某些实例中，本征晶体管是耗尽型晶体管的实现。在其他实例中，本征晶体管是在耗尽型晶体管和增强型晶体管之间的中间模式下操作的各种mosfet。在这种实例中，本征晶体管通常表现出等于或接近零伏的阈值电压。

如图所示，lthb二极管300可以通过将低阈值电压二极管220(实现为二极管连接的增强型mosfet)的漏极224和栅极222耦合到阳极210；并将低阈值电压二极管220的源极226耦合到保护器件230(实现为耗尽型或本征晶体管)的漏极234来实现。保护器件230的栅极232耦合到阳极210，使得保护器件230还允许电流至少在低阈值电压二极管220正向方向导电时流动。保护器件230的源极236耦合到阴极205。

图4示出了根据各种实施例的说明性阈值可编程二极管400的电路实现。阈值可编程二极管400可以是参考图2描述的三端子lthb二极管200实施例的实现。如图所示，阈值可编程二极管400可以包括耦合在阴极205和阳极210之间的多个低阈值电压二极管220(示出为低阈值电压二极管220a……220n)和保护器件230。每个低阈值电压二极管220可以经由并联分支与保护器件230耦接，并且每个分支可以包括开关410(示出为开关410a……410n)。每个开关410可以以任何合适的方式实现，例如，实现为mos晶体管。闭合任何特定分支的开关410将该分支中的低阈值电压二极管220与保护器件230耦合。在一些实施方式中，在任何时间都可以仅闭合单个开关410。例如，在任何特定时间，有效电路的作用类似于图3的lthb二极管300(即，阈值可编程二极管400的其他分支是开路，并且此时实际上不作为电路的一部分操作)。在其他实施方式中，可以闭合多个开关410，使得多个低阈值电压二极管220与保护器件230并联耦合。

在一些实施例中，每个低阈值电压二极管220具有不同的阈值电压特性。例如，各个分支可以包括二极管连接的elvt(超低阈值电压)器件、lvt(低阈值电压)器件、avt(模拟阈值电压)器件等中的一个或多个。尽管每个分支都被示出为仅具有实现该分支的低阈值电压二极管220的单个器件，一些实施例可以在一个或多个分支的每个中包括多个器件。例如，特定分支的低阈值电压二极管220可以通过串联和/或并联的多个二极管连接的低阈值电压晶体管来实现。此外，实施例可以被设计成允许接通其他类型的器件以提供附加特征。例如，分支还可以包括ehvt(超高阈值电压)器件、hvt(高阈值电压)器件、发光二极管器件、短路(即，使得当对应分支的开关410闭合时，该电路仅作为保护器件操作)等。相应地，通过控制开关410并选择一个或多个分支，可以对阈值可编程二极管400的阈值电压(例如，和可能的其他特性)进行编程。

可以任何合适的方式控制开关410。如图所示，实施例可以包括阈值编程器240，该阈值编程器240响应于输入编程信号215控制开关410。在一些实施例中，阈值编程器240可以实现为解复用器等，输入编程信号215用作数字选择器。例如，输入编程信号215(即，一个或多个位)可有效地将输入电压电平与多个输出中选择的一个输出耦合，且每个输出可以与相应的一个或多个开关410耦合。在其他实施例中，阈值可编程二极管400被实现为具有壳体的集成电路，该壳体具有外部接口结构(例如，一组引脚、球栅阵列等)；开关410与一个或多个外部接口结构耦合。在这样的实现中，阈值编程器240可以用于在特定外部接口结构处断言信号(例如，通过施加特定的电压电平)，使一个或多个开关410接通或断开。例如，阈值编程器240接收的输入编程信号215可以被实现为多个信号(例如，单个信号路径代表总线或一组信号)，每个输入编程信号215都与外部接口结构耦合(并且与相应的一个或多个开关410对应。在其他实施例中，阈值编程器240可被实现为与阈值可编程二极管400耦合的指拨开关或其他外部机械开关。例如，机械地设置阈值编程器240可以有效地对阈值可编程二极管400的阈值电压进行编程。在某些此类实现中，编程可以是手动的，并且可能没有输入编程信号215。

图5示出了根据各种实施例的对二极管器件的阈值电压进行编程的说明性方法500的流程图。方法500的实施例通过首先在第一时间使能多个开关中的第一开关而在阶段504开始。每个开关被配置为选择性地使能多个并联分支中的一个，每个分支具有多个低阈值电压二极管中的一个。在阶段504处的该首先使能将低阈值电压二极管中的第一低阈值电压二极管耦合至保护器件。第一低阈值电压二极管具有第一正阈值电压(例如0.3伏)，并且保护器件具有非正阈值电压(例如0伏或-0.1伏)。在阶段508，实施例可以其次在第二时间使能各开关中的第二开关。该其次使能将低阈值电压二极管中的第二低阈值电压二极管耦合到保护器件。第二低阈值电压二极管具有与第一正阈值电压不同的第二正阈值电压。

在一些实施例中，在阶段504的该首先使能涉及在第一时间在阈值编程器的信号输入处施加第一输入编程信号。阈值编程器可以具有多个开关输出，每个开关输出响应于信号输入而使能各开关中的对应一个开关，使得施加第一输入编程信号使能第一开关。在这样的实施例中，在阶段508的该其次使能可以涉及在第二时间在阈值编程器的信号输入处施加第二输入编程信号(与第一输入编程信号不同)。阈值编程器被配置为使得施加第二输入编程信号使能第二开关。

应当理解的是，当元件或组件在本文中被提及为“连接到”或“耦合到”另一个元件或组件时，它可以被连接或耦合到其他元件或组件，或可能存在中间元件或组件。相反，当元件或组件被提及为“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或组件时，在它们之间不存在中间元件或组件。应当理解的是，尽管术语“第一”，“第二”，“第三”等在本文中可以用于描述各种元件、组件，但是这些元件、组件、区域不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件与另一元件、组件。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件可以被称为第二元件、组件。如本文所使用的，术语“逻辑低”，“低状态”，“低电平”，“逻辑低电平”，“低”或“0”可互换使用。术语“逻辑高”，“高状态”，“高电平”，“逻辑高电平”，“高”或“1”可互换使用。

如本文所使用的，术语“一个”，“一个”和“该”可以包括单数和复数个提及的对象。还将理解的是，术语“包括”，“包括”，“具有”及其变体当在本说明书中使用时规定了所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。相反，术语“由……组成”在本说明书中使用时规定了所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或组件，并且排除了附加的特征、步骤、操作、元件和/或组件。此外，如本文中所使用的，词语“和/或”可以指代并且涵盖一个或多个相关联的所列项目的任何可能的组合。

尽管本文参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述并非旨在以限制性的意义来解释。相反，说明性实施例的目的是使本领域技术人员更好地理解本发明的精神。为了不模糊本发明的范围，省略了众所周知的工艺和制造技术的许多细节。参考说明书，示例性实施例以及其他实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改。

此外，可以在不对应使用其他特征的情况下有利地使用本发明的优选实施例的一些特征。这样，前面的描述应被认为仅是本发明原理的说明，而不是对其的限制。本领域技术人员将理解落入本发明范围内的上述实施例的变型。结果，本发明不限于以上讨论的特定实施例和说明，而是由所附权利要求及其等同来限定。