专利名称：二极管电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及二极管电路，尤其涉及利用晶体管来实现具有使电流向单方向流动， 向反方向阻止这样特征的二极管特性的二极管电路。
背景技术：
以往，为了进一步改善二极管特性，而使用专用的半导体器件，或者，使用通过包含晶体管等的主动元件的电路来改善二极管特性的二极管电路(所谓，主动二极管)。对于专用的半导体器件，周知的方法是，利用硅衬底上的PN结的方法，以及利用肖特基结的方法。在利用PN结的情况下，专用的半导体器件成为，硅衬底的P型杂质被扩散的部分和N型杂质被扩散的部分相接的器件结构。在利用肖特基结的情况下，专用的半导体器件，成为具有白金等的金属与硅的接合的器件结构。根据禁带结构而物理性地决定二极管的正向电压，该禁带结构是根据材料和器件结构而决定的。因此，对于正向电压，在PN结硅二极管的情况下，在IA以下程度的小电流区域成为0. 6V左右，在P肖特基结二极管的情况下，在IA以下程度的小电流区域成为0. 4V
左右ο在想要改变正向电压的情况下，可以改变材料以及杂质浓度等的器件结构，但是可变范围也不过是比上述的电压值仅0. IV左右。因此，也可以说，不管怎样使扩散过程最佳化，或者使器件结构以及尺寸设计最佳化，也不能设定为所谓理想的二极管特性的OV附近的正向电压。于是，周知的是，利用晶体管来实现二极管特性的二极管电路。二极管电路被称为主动二极管。并且,将 MOSi7ET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 金氧半场效晶体管)作为二极管来利用的二极管电路被称为MOS 二极管。图5是示出以往的MOSFET的结构的图。在图5中，以往的MOS 二极管被构成为，P 型MOSFET (以下，记载为PchMOSFET)的栅极端子503与漏极端子502连接，背栅极端子504 与电源电压505连接。图6是示出图5的等效电路或通常的二极管元件的电路图。并且，图5的源极端子501相当于图6的阳极601，图5的漏极端子502相当于图6的阴极602。对于如图5所示构成的主动二极管，以下说明其工作。以往，大多是利用MOSFET来构成如图5的MOS 二极管。在此结构中，由于集成多个MOSFET来进行相邻的晶体管间的元件间分离，因此将以与背栅极端子504同等电位而连接的被称为体(body)或阱(well)的部分，以最低电位或最高电位来连接。在图5的例子中，由于晶体管是PchMOSFET，因此，体或阱与作为最高电位的电源电压505连接。在该例子的情况下，虽然具有能够将MOS 二极管的尺寸变小的优点，但是，在很多情况下，像图7示出的以往的MOS 二极管的电流电压特性702那样，二极管特性的正向电压与PchMOSFET的阈值电压大致一致，即0. 7V左右。于是，专利文献1公开能够使二极管特性的正向电压进一步降低的二极管电路。
图8是示出用于利用专利文献1记载的PchMOSFET来实现理想的二极管特性的主动二极管的结构的图。在图8中，PchMOSFET的栅极端子803、漏极端子802与背栅极端子 804连接。图8的源极端子801相当于图6的阳极601，图8的漏极端子802相当于图6的阴极602。如专利文献1所记载，为了改善正向电压，在图8中，若将PchMOSFET的体或阱成为独立的一个元件区域，并将背栅极端子804与漏极端子802连接，则PchMOSFET的阈值电
压变小。其结果为，像图7示出的改善后的MOS 二极管的电流电压特性701那样，二极管特性的正向电压与变小后的PchMOSFET的阈值电压大致一致，进一步接近理想的二极管。例如，能够将正向电压成为0. 3V左右。并且，专利文献2公开能够使二极管特性的正向电压进一步降低的二极管电路的其他的例子。图9是示出用于利用专利文献2记载的N型MOSFET (以下，记载为NchMOSFET)来实现理想的二极管特性的结构的图。在图9中的结构是，晶体管(三端子开关单元)900的源极端子、电压比较器902的正输入端子903与阳极端子A连接，晶体管900的漏极端子、 电压比较器902的负输入端子904与阴极端子K连接，电压比较器902的输出端子905与晶体管900的栅极端子连接。晶体管900是NchMOSFET，在源极端子与漏极端子之间包括固定二极管901。对于如图9示出构成的主动二极管，以下说明其工作。由电压比较器902比较阳极端子A的电压与阴极端子K的电压，在阳极端子A的电压大的情况下，晶体管900的栅极信号成为高电平，晶体管900导通。此时，二极管特性的正向电压大致成为0V，能够实现很理想的二极管特性。(现有技术文献)(专利文献)专利文献1 (日本)特开2001-230425号公报专利文献2 (日本)特表2002-511692号公报然而，在上述的以往的技术中存在如下问题。首先，在专利文献1所记载的二极管电路中，由于通过杂质浓度以及扩散深度等的扩散过程设计来进行正向电压的控制，因此设定为任意的设计值是非常困难的。并且，在专利文献2所记载的二极管电路中，由于在阳极端子A与阴极端子K之间插入有电压比较器，因此该电压比较器的耐压影响到二极管电路的耐压。电压比较器的输入耐压仅仅是40V左右，因此，专利文献2所记载的二极管电路的耐压也成为40V。因此， 在100V至MOV的电灯线电压的整流、或绝缘变压器的二次侧电压为40V以上的高电压大电力应用的整流中，不易使用专利文献2所记载的二极管电路。
发明内容
于是，本发明的目的在于提供，具有正向电压接近OV且具有足够的反向耐压的理想的二极管特性的二极管电路。为了解决上述的问题，本发明涉及的二极管电路具有阳极端子以及阴极端子，该二极管电路包括第一晶体管，该第一晶体管具有栅极端子、漏极端子、以及源极端子，所述漏极端子与所述阳极端子以及所述阴极端子之中的一方连接，所述源极端子与所述阳极端子以及所述阴极端子之中的另一方连接；以及栅极电压发生电路，该栅极电压发生电路是， 不与所述阴极端子连接而被设置在所述栅极端子与所述阳极端子之间的电路，该栅极电压发生电路将被调整为与所述第一晶体管的阈值电压相等的栅极电压供应给所述栅极端子。据此，由于将被调整为与第一晶体管的阈值电压相等的栅极电压供应给栅极端子，因此能够使正向电压接近0V。并且，由于栅极电压发生电路不与阴极端子连接，因此不影响到二极管电路的反向耐压。据此，由于二极管电路的耐压取决于第一晶体管的耐压，因此能够实现良好的反向耐压。并且，也可以是，所述二极管电路还包括第二晶体管，在所述第二晶体管与所述第一晶体管之间，栅极端子相互连接，并且，与所述阳极端子连接的漏极端子或源极端子相互连接，所述栅极电压发生电路，包括基准电压源，该基准电压源发生基准电压；电阻，该电阻用于发生电压，该电压相当于在所述第二晶体管流动的漏极电流；以及运算放大器，该运算放大器具有，所述基准电压被输入的正输入端子、在所述电阻发生的电压被输入的负输入端子、以及与所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极端子连接的输出端子，所述第二晶体管是所述运算放大器的负反馈电路的一部分。据此，能够在第二晶体管与第一晶体管之间，使栅极端子相互连接，使漏极端子 (或源极端子)相互连接，从而以运算放大器来构成负反馈电路，以利用第二晶体管的漏极电流，来使基准电压与漏电流设定值相等。因此，栅极电压发生电路能够准确地发生阈值电压附近的栅极电压，能够使正向电压接近0V。根据本发明，能够实现具有足够的反向耐压且正向电压接近OV的理想的二极管特性。
图1是示出本发明的实施例1涉及的二极管电路的结构的一个例子的图。图2是示出本发明的实施例1涉及的二极管电路的电流电压特性的图。图3是示出本发明的实施例2涉及的二极管电路的结构的一个例子的图。图4是示出本发明的实施例2涉及的二极管电路的电流电压特性的图。图5是示出利用了以往的PchMOSFET的MOS 二极管的电路图。图6是示出MOS 二极管的等效电路或二极管元件的电路图。图7是示出以往的二极管的电流电压特性的图。图8是示出利用了作为第一以往例的PchMOSFET的二极管电路的图。图9是示出利用了作为第二以往例的NchMOSFET的二极管电路的图。符号说明100、300 主动二极管110、900 晶体管111、311、503、803 栅极端子112、312、316、502、802 漏极端子113、313、501、801 源极端子
120,320栅极电压发生电路201、202、203、205、402、701、702 电流电压特性204、401 漏电流310第一晶体管315第二晶体管321基准电压源322目标漏电流设定电阻323运算放大器324、325 PchMOSFET403基准电压504、804背栅极端子505电源电压601 阳极602 阴极901固定二极管902电压比较器903正输入端子904负输入端子905输出端子
具体实施例方式以下，参照
本发明的实施例涉及的二极管电路。(实施例1)本发明的实施例1涉及的二极管电路(主动二极管)包括晶体管以及栅极电压发生电路，该晶体管具有栅极端子、漏极端子、以及源极端子，该漏极端子与阳极端子以及阴极端子之中的一方连接，该源极端子与阳极端子以及阴极端子之中的另一方连接，该栅极电压发生电路将被调整为与晶体管的阈值电压相等的栅极电压供应给栅极端子。而且，栅极电压发生电路的特征是，不与阴极端子连接，而被设置在阳极端子与栅极端子之间。图1是示出本发明的实施例1的二极管电路(主动二极管100)的结构的一个例子的图。主动二极管100具有阳极端子A和阴极端子K。在主动二极管100中，在正向电压被施加到阳极端子A与阴极端子K之间的情况下，电流从阳极端子A向阴极端子K流动。 在此，正向电压是，使阴极端子K的电位比阳极端子A的电位低的电压。并且，在主动二极管100中，在反向电压被施加到阳极端子A与阴极端子K之间的情况下，电流几乎不流动。反向电压是，使阴极端子K的电位比阳极端子A的电位高的电压。 而且，对于主动二极管100的具体电流电压特性，在后面进行说明。如图1示出，主动二极管100包括晶体管110、以及将被调整为与晶体管的阈值电压相等的栅极电压供应给栅极端子的栅极电压发生电路120。晶体管110是第一晶体管的一个例子，例如是氮化镓栅极注入晶体管(以下，记载为GaN GIT)。晶体管110具有栅极端子111、漏极端子112、以及源极端子113。
如图1示出，栅极端子111与栅极电压发生电路120连接。漏极端子112与阴极端子K连接。源极端子113与阳极端子A连接。并且，源极端子113与被调整为与将被调整为与晶体管的阈值电压相等的栅极电压供应给栅极端子的栅极电压发生电路120连接。而且，晶体管110可以是PchMOSFET以及NchMOSFET之中的哪一方。例如，在晶体管110是高耐压PchMOSFET的情况下，PchMOSFET的源极端子与阴极端子连接，漏极端子与阳极端子连接。并且，在晶体管110是高耐压NchMOSFET的情况下，NchMOSFET的漏极端子与阴极端子连接，源极端子与阳极端子连接。栅极电压发生电路120，将被调整为与晶体管110的阈值电压相等的栅极电压供应给栅极端子111。具体而言，栅极电压发生电路120，以晶体管110的源极端子113为基准，向晶体管110的栅极端子111供应电压。也就是说，栅极电压发生电路120供应栅极与源极间电压。在图1中，将被调整为与晶体管的阈值电压相等的栅极电压供应给栅极端子111 的栅极电压发生电路120是一种电压源，由直流放大器对基准电压进行常数倍可变等，从而发生与预先测定的晶体管110的阈值电压一致的电压。例如，也可以是，使直流放大器与基准电压源串联连接，使直流放大器的负反馈电路与半固定电阻或可变电阻连接，从而构成栅极电压发生电路，以作为一个例子。根据以上的结构，本发明的实施例1涉及的主动二极管100，由于将被调整为与晶体管110的阈值电压相等的栅极电压供应给栅极端子，因此能够使主动二极管100的正向电压接近0V。并且，由于在阳极端子A与阴极端子K之间没有插入晶体管110以外的元件， 因此，主动二极管100的耐压取决于晶体管110的耐压。通常，晶体管110的耐压在40V以上，因此，主动二极管100能够实现良好的反向耐压。接着，说明本发明的实施例1涉及的主动二极管100的电流电压特性。图2是示出图1是所示出的主动二极管100的电流电压特性的一个例子的图。像晶体管110这样具有代表性的GaN GIT的阈值电压，例如是2V。电流电压特性 201是，在由栅极电压发生电路120调整为与晶体管110的阈值电压几乎完全相等的基准电压被供应到栅极端子111的情况下，且在正向电压成为OV的情况下的电流电压特性。电流电压特性202是，在由栅极电压发生电路120调整为某种程度的基准电压被供应到栅极端子111的情况下，且在正向电压成为IV的情况下的电流电压特性。电流电压特性203是， 在栅极电压发生电路120不发生电压、即输出OV的情况下，且在正向电压成为2V的情况下的电流电压特性。对于如上构成的主动二极管100的工作，以下进行说明。而且，说明例如晶体管 110的阈值电压为2V的情况。在栅极电压发生电路120发生的栅极电压为2V的情况下，主动二极管100的电流电压特性成为正向电压OV的电流电压特性201，成为理想的二极管的电流电压特性。然而， GaN GIT的阈值电压的不均勻性，例如是士 IV左右。例如，在晶体管110的阈值电压为IV、且栅极电压发生电路120发生的栅极电压为2V的情况下，主动二极管100的电流电压特性成为，如图2示出的正向电压为-IV的电流电压特性205。据此，在整流工作中允许发生逆流(漏电流204)，因此导致脱离理想的二极管特性。
并且，在晶体管110的阈值电压为3V、且栅极电压发生电路120发生的电压为2V 的情况下，主动二极管100的电流电压特性成为，如图2示出的正向电压为IV的电流电压特性202。据此，损失比硅PN结二极管大。根据所述内容，为了实现理想的二极管特性，栅极电压发生电路120，需要以高精度来使供应给晶体管110的栅极端子111的栅极电压与晶体管110的阈值电压一致。具体而言，栅极电压发生电路120，通过由直流放大器对基准电压进行常数倍可变等的调整单元，来调整为与晶体管110的阈值电压相等，从而生成与晶体管110的阈值电压相等的栅极电压。如上所述，对于本发明的实施例1涉及的主动二极管100，栅极电压发生电路120， 将被调整为与晶体管110的阈值电压相等的栅极电压供应给晶体管110的栅极端子111。 据此，能够将主动二极管100的正向电压大致成为0V，能够实现良好的二极管特性。并且，对于本发明的实施例1涉及的主动二极管100，栅极电压发生电路120不监视晶体管110的漏极电压。因此，主动二极管100，在40V以上的高电压区域中，也不会导致控制电路(栅极电压发生电路120)的耐压不足，而能够得到良好的反向耐压。(实施例2)本发明的实施例2涉及的二极管电路(主动二极管)包括第一晶体管和第二晶体管、以及栅极电压发生电路，在所述第一晶体管和第二晶体管之间，栅极端子相互连接、并且与阳极端子连接的源极端子相互连接，该栅极电压发生电路将被调整为与第一晶体管的阈值电压相等的栅极电压供应给共同的栅极端子。而且，栅极电压发生电路的特征是，包括基准电压源、电阻、以及运算放大器，所述基准电压源发生基准电压，所述电阻发生相当于在第二晶体管流动的漏极电流的电压，所述算放大器具有输入基准电压的正输入端子、输入在电阻发生的电压的负输入端子、以及与栅极端子连接的输出端子。图3是示出本发明的实施例2涉及的二极管电路(主动二极管300)的结构的一个例子的图。主动二极管300具有阳极端子A和阴极端子K。如图3示出，主动二极管300包括第一晶体管310、第二晶体管315、以及栅极电压发生电路320。第一晶体管310，例如是GaN GIT0第一晶体管310具有栅极端子311、漏极端子 312、以及源极端子313。栅极端子311也是第二晶体管315的栅极端子，且与栅极电压发生电路320连接。 漏极端子312与阴极端子K连接。源极端子313也是第二晶体管315的源极端子，且与阳极端子A连接。也就是说，在第一晶体管310与第二晶体管315之间，栅极端子相互连接， 并且，与阳极端子A连接的源极端子相互连接。第二晶体管315，例如是GaN GIT0第二晶体管315具有栅极端子311、漏极端子 316、以及源极端子313。漏极端子316与栅极电压发生电路320连接。并且，第二晶体管 315是，栅极电压发生电路320包括的运算放大器323的负反馈电路的一部分。而且，第一晶体管310以及第二晶体管315可以是PchMOSFET以及NchMOSFET之中的哪一方。栅极电压发生电路320，将被调整为与第一晶体管310的阈值电压相等的栅极电压供应给栅极端子311。如图3示出，栅极电压发生电路320包括基准电压源321、目标漏电流设定电阻322、运算放大器323、PchM0SFET3M以及325。基准电压源321是发生基准电压的电压源。基准电压源321，与运算放大器323的正输入端子(+)连接。目标漏电流设定电阻322是用于设定漏电流的电阻。目标漏电流设定电阻322的一端，与运算放大器323的负输入端子(_)连接。目标漏电流设定电阻322的另一端，与基准电压源321以及源极端子313连接。运算放大器323将输入到正输入端子(+)和负输入端子(_)的电压差放大，并从输出端子输出。运算放大器323的输出端子，与第一晶体管310和第二晶体管315共同的栅极端子311连接。由PchM0SFET3M以及325构成所谓电流镜电路。在PchM0SFET3M与 PchM0SFET325之间，栅极端子相互连接，源极端子也相互连接。并且，PchM0SFET3M的漏极端子，与目标漏电流设定电阻322的一端以及运算放大器323的负输入端子连接。并且， PchM0SFET325的漏极端子，与PchM0SFET3M的栅极端子以及第二晶体管315的漏极端子 316连接。对于如上构成的主动二极管300的工作，以下进行说明。由栅极电压发生电路320和第二晶体管315构成负反馈电路。运算放大器323的输入电压差(=正输入电压-负输入电压)被放大，并由运算放大器323的输出端子，被输出到第二晶体管315的栅极端子。第二晶体管315，将输入到栅极端子的信号反转放大，并从漏极端子316输出，以作为漏极电流。第二晶体管315的漏极端子316，与PchM0SFET325的漏极端子以及栅极端子连接。 由PchM0SFET325和PchM0SFET3M构成所谓电流镜电路。因此，从第二晶体管315输入到 PchM0SFET325的漏极端子的电流，被镜像到PchM0SFET3M的漏极端子，其镜像比倍的电流流动。从PchM0SFET3M的漏极端子流出的漏极电流，流入到目标漏电流设定电阻322， 使电阻的一端发生比例于第二晶体管315的漏极电流的电压。运算放大器323，对与该漏电流成比例的电压与基准电压源321发生的基准电压进行比较，进行负反馈工作。其结果为，不会受到第一晶体管310与第二晶体管315的绝对离差，以及温度特性变化的影响，而能够准确地发生第一晶体管310的阈值附近的栅极电压。据此，本发明的实施例2涉及的主动二极管300，能够实现带来理想的二极管特性的正向电压0V。以下说明如上构成的主动二极管300的特性等。图4是示出本发明的实施例2涉及的主动二极管300的电流电压特性的一个例子的图。图4示出漏电流401、正向电压OV 的电流电压特性402、以及基准电压403。栅极电压发生电路320的运算放大器323工作，以使本发明的实施例2涉及的主动二极管300的电流电压特性，通过基准电压403与漏电流401的交叉点。若将基准电压 403和漏电流401设定为作为原点的0V，0mA附近，则栅极电压发生电路320的运算放大器 323的输出电压，表示第一晶体管310的阈值电压附近的值，能够实现正向电压OV的电流电压特性。如上所述，本发明的实施例2涉及的主动二极管300，由于包括栅极电压发生电路320，因此能够将正向电压大致成为0V，且能够大大减少二极管损失。也就是说，在主动二极管300中，在第一晶体管310与第二晶体管315之间，使栅极端子相互连接，使源极端子相互连接，从而构成运算放大器323的负反馈电路，以利用第二晶体管315的漏极电流，来使基准电压与漏电流设定值相等。据此，栅极电压发生电路320，能够准确地发生阈值电压附近的栅极电压，能够使正向电压接近0V。并且，对于本发明的实施例2涉及的主动二极管300，栅极电压发生电路320，不监视第一晶体管310的漏极电压，在40V以上的高电压区域中，也不会导致运算放大器以及比较器等的控制电路的耐压不足，而能够得到良好的反向耐压。以上，根据实施例说明了本发明涉及的二极管电路(主动二极管)，但是，本发明不仅限于这样的实施例。只要不脱离本发明的宗旨，对该实施例施行本领域的技术人员想到的各种变形的形态、或组合不同的实施例中的构成要素而构成的形态，也包含在本发明的范围内。例如，对于本发明的实施例中的晶体管，设想了常闭型的几种功率晶体管，并且， 在上述的实施例中，具体而言，利用像GaN GIT中的漏极、栅极、源极这样的端子名来进行了说明。然而，对于其他的常闭型的功率晶体管，例如，也可以是具有所谓氮化镓金属-绝缘层-半导体(GaN MIS)的绝缘栅极结构的晶体管。或者，存在所谓氮化镓金属-半导体 (GaN MES)的金属与半导体的肖特基结的栅极结构的晶体管、M0SFET、双扩散金属氧化物硅 (DMOS)、或碳化硅FET(SiC FET)等能够利用于本发明涉及的晶体管。例如，本发明能够利用于在100V至MOV的电灯线电压的整流、绝缘变压器的二次侧电压在40V以上的高电压大电力应用的整流等中的整流电路。
权利要求
1.一种二极管电路，具有阳极端子以及阴极端子，该二极管电路具有第一晶体管，该第一晶体管具有栅极端子、漏极端子、以及源极端子，所述漏极端子与所述阳极端子及所述阴极端子之中的一个连接，所述源极端子与所述阳极端子及所述阴极端子之中的另一个连接；以及栅极电压发生电路，该栅极电压发生电路是不与所述阴极端子连接而被设置在所述栅极端子与所述阳极端子之间的电路，该栅极电压发生电路将被调整为与所述第一晶体管的阈值电压相等的栅极电压供应给所述栅极端子。
2.如权利要求1所述的二极管电路，所述二极管电路还具有第二晶体管，在所述第二晶体管与所述第一晶体管之间，栅极端子相互连接，并且，与所述阳极端子连接的漏极端子或源极端子相互连接， 所述栅极电压发生电路具有 基准电压源，该基准电压源发生基准电压；电阻，该电阻用于发生与在所述第二晶体管流动的漏极电流相当的电压；以及运算放大器，该运算放大器具有正输入端子，该正输入端子被输入所述基准电压；负输入端子，该负输入端子被输入在所述电阻发生的电压；以及输出端子，该输出端子与所述第一晶体管及所述第二晶体管的栅极端子连接，所述第二晶体管是所述运算放大器的负反馈电路的一部分。
全文摘要
提供具有正向电压接近0V且具有足够的反向耐压的理想的二极管特性的二极管电路。具有阳极端子A以及阴极端子K的主动二极管(100)包括晶体管(110)，其具有栅极端子(111)、漏极端子(112)、以及源极端子(113)，漏极端子(112)与阳极端子A以及阴极端子K之中的一方连接，源极端子(113)与阳极端子A以及阴极端子K之中的另一方连接；以及栅极电压发生电路(120)，其将被调整为与晶体管(110)的阈值电压相等的栅极电压供应给栅极端子(111)。
文档编号H03K19/0944GK102386911SQ20111015947
公开日2012年3月21日 申请日期2011年6月14日 优先权日2010年6月15日
发明者中村尚幸, 宫地博幸 申请人:松下电器产业株式会社