专利名称：内建启动晶体管的功率晶体管芯片及其应用电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电压调节器(Voltage Regulator)电路，且尤其涉及一种内建结型场效应晶体管(Junction Field Effect Transistor,简称JFET)与金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,简称M0SFET)，以作为启动晶体管的功率晶体管芯片及应用此芯片的交/直流电压转换电路。
背景技术：
随着半导体科技的快速演进，使得例如计算机及其外围数字产品等也日益地更新。在计算机及其外围数字产品的应用集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)中，由于半导体工艺的快速变化，造成集成电路电源的更多样化需求，以致应用如升压器(BoostConverter)、降压器(Buck Converter)等各种不同组合的电压调节器电路，来达成各种集成电路的不同电源需求，也成为能否提供多样化数字产品的极重要因素之一。在各种电压调节器电路中，交/直流电压转换电路(AC/DC Voltage Converter)由于能将一般市售的交流电源转换为所需稳定的直流电源输出，因而广泛地作为电压调节器电路的前级电路使用。 参照图1所示，其为现有的一种交/直流电压转换电路图，图中显示，交/直流电压转换电路10包括桥式整流电路11、功率晶体管芯片12、脉宽调制(Pulse WidthModulation,简称P丽)电路13、启动(Start Up)电路14、变压器电路15、滤波与反馈电路16与工作电源电路17。其中，脉宽调制电路13用于依据输出的直流电源Vo的反馈电压大小，来产生调制的脉宽调制信号，由此控制并输出稳定的直流电源Vo。但是，脉宽调制电路13通常需依赖低压直流电源来驱动，而交/直流电压转换电路10启始时，并无可供脉宽调制电路13工作所需的直流电源，因而应用图中的启动电路14与工作电源电路17，来接续提供其运作所需的电源。 交/直流电压转换电路10启始时，桥式整流电路11的输出端会输出具有纹波的直流电源，因此，即可通过组成启动电路14的电阻引入脉宽调制电路13中，以作为其启始运作的电源。之后，脉宽调制电路13即得以开始正常工作，以依据输出的直流电源Vo的反馈电压大小，来产生调制的脉宽调制信号，由此控制功率晶体管芯片12的功率晶体管的启闭时间长短，进而输出稳定的直流电源Vo。在交/直流电压转换电路10启动并输出稳定的直流电源Vo后，连接变压器电路15的工作电源电路17，即可接手提供较为稳定的工作电源，使脉宽调制电路13可以更为稳定地工作。 前述作法虽可使交/直流电压转换电路10正常地工作，然而，当电路稳定工作后，启动电路14应可功成身退但却仍处于其原始状态，于工作效能而言，不免有所缺失。因此，如图2与图3所示，以耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管(D印letion Metal OxideSemiconductor Field EffectTransistor，简称D印letion M0SFET) 221与331来取代，并通过脉宽调制电路23或33输出的启动信号st，来分别断开耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管221与331的运作，以节省功率的消耗。
图2与图3不同的是，耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管221与331，分别整合于功率晶体管芯片22与脉宽调制电路33的芯片中。但是，无论采用何方式，应用耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管221或331，来作为启动电路的交/直流电压转换电路，其芯片的制造过程，都会因为耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管221或331所增加的沟道(N沟道或P沟道)工艺，使得其芯片的工艺更为复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种功率晶体管芯片及应用此芯片的交/直流电压转换电路，其使用结型场效应晶体管结合金属氧化物半导体场效应晶体管来作为启动电路，并将结型场效应晶体管与金属氧化物半导体场效应晶体管，内建于功率晶体管芯片中。因此，不仅具有节省功率消耗的功效，更不会增加额外的掩膜与工艺，进而可简化工艺、节省成本。 为达上述及其它目的，本发明提供一种内建启动晶体管的功率晶体管芯片，可适用于交/直流电压转换电路。此功率晶体管芯片包括第一接脚、第二接脚、第三接脚、第四接脚、第五接脚、功率晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管与结型场效应晶体管。其中，功率晶体管用于作为交/直流电压转换电路的功率开关，其具有第一源/漏极、第二源/漏极与功率晶体管栅极。第一源/漏极耦接第一接脚，第二源/漏极耦接第二接脚，功率晶体管栅极耦接第三接脚。金属氧化物半导体场效应晶体管具有第五源/漏极、第六源/漏极与金属氧化物半导体场效应晶体管栅极，第五源/漏极耦接第一接脚，第六源/漏极耦接第四接脚。结型场效应晶体管用于与金属氧化物半导体场效应晶体管一同作为交/直流电压转换电路的启动电路，其具有第三源/漏极、第四源/漏极与结型场效应晶体管栅极，第三源/漏极耦接第一接脚，第四源/漏极耦接金属氧化物半导体场效应晶体管栅极，结型场效应晶体管栅极耦接第五接脚。 本发明还提供一种交/直流电压转换电路，可将输入的交流电源转换为稳定的直流电源输出。此交/直流电压转换电路除应用前述的内建启动晶体管的功率晶体管芯片外，还包括桥式整流电路、脉宽调制电路、变压器电路、滤波与反馈电路及工作电源电路。
其中，桥式整流电路具有电源输入端与整流输出端，电源输入端用于接收输入的交流电源。变压器电路具有主线圈、次线圈与副线圈，主线圈的一端耦接桥式整流电路的整流输出端、另一端耦接功率晶体管芯片的第一接脚，也就是耦接功率晶体管的第一源/漏极、金属氧化物半导体场效应晶体管的第五源/漏极与结型场效应晶体管的第三源/漏极。
脉宽调制电路具有启动电源控制端、工作电源端、脉宽调制信号输出端与电流检测端，启动电源控制端耦接功率晶体管芯片的第五接脚，也就是结型场效应晶体管栅极，以控制结型场效应晶体管的启闭，进而得以控制金属氧化物半导体场效应晶体管的启闭。工作电源端耦接功率晶体管芯片的第四接脚，也就是金属氧化物半导体场效应晶体管的第六源/漏极，以接收金属氧化物半导体场效应晶体管输出的启动电源。脉宽调制信号输出端耦接功率晶体管芯片的第三接脚，也就是功率晶体管栅极，用于依据反馈电压的大小，来输出调制直流电源的脉宽调制信号。电流检测端耦接功率晶体管芯片的第二接脚，也就是功率晶体管的第二源/漏极，用于检测流经功率晶体管的电流。 工作电源电路耦接变压器电路的副线圈与脉宽调制电路的工作电源端，用于在脉宽调制电路断开金属氧化物半导体场效应晶体管输出的启动电源后，持续提供脉宽调制电路工作所需的电源。滤波与反馈电路则耦接变压器电路的次线圈，用于滤波并输出稳定的直流电源、以及提供脉宽调制电路调制所需的反馈电压。 综上所述，由于本发明所提供的一种功率晶体管芯片及应用此芯片的交/直流电压转换电路，使用结型场效应晶体管与金属氧化物半导体场效应晶体管来作为启动电路，因而可于交/直流电压转换电路稳定工作后，断开结型场效应晶体管与金属氧化物半导体场效应晶体管的运作，以节省功率的消耗。此外，由于将结型场效应晶体管与金属氧化物半导体场效应晶体管等启动晶体管，内建于功率晶体管芯片之中，而结型场效应晶体管与金属氧化物半导体场效应晶体管，可用功率晶体管的相同工艺来制作，故不会增加额外的掩膜与工艺，进而可简化工艺、节省成本。 为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特以优选实施例，并结合附图，作详细说明如下
图1显示现有的一种交/直流电压转换电路图； 图2显示现有的一种应用耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管作为启动电路
的交/直流电压转换电路简图； 图3显示图2的另一种实施方式； 图4显示根据本发明优选实施例的一种交/直流电压转换电路图； 图5显示图4的功率晶体管芯片的结型场效应晶体管与金属氧化物半导体场效应
晶体管启动导通示意图； 图6显示图4的功率晶体管芯片的结型场效应晶体管与金属氧化物半导体场效应晶体管断开时的示意图。
具体实施例方式
参照图4所示，其为根据本发明优选实施例的一种交/直流电压转换电路图，此交/直流电压转换电路40可将电源输入端411输入的交流电源Vin，转换为稳定的直流电源Vo后输出。图中，交/直流电压转换电路40包括桥式整流电路41、功率晶体管芯片42、脉宽调制电路43、变压器电路45、滤波与反馈电路46及工作电源电路47等功能框。
如图所示，功率晶体管芯片42具有第一接脚421、第二接脚422、第三接脚423、第四接脚424、第五接脚425、功率晶体管426、金属氧化物半导体场效应晶体管429与结型场效应晶体管427。故知，此芯片将作为交/直流电压转换电路40的启动电路用的启动晶体管，包括结型场效应晶体管427与金属氧化物半导体场效应晶体管429，整合内建于功率晶体管芯片42中，以达成简化交/直流电压转换电路40所使用芯片的工艺的目的。图中，功率晶体管426、金属氧化物半导体场效应晶体管429与结型场效应晶体管427，虽然是以N型金属氧化物半导体场效应晶体管与N型结型场效应晶体管为例，并于功率晶体管芯片42中，同时内建连接功率晶体管426的栅极的电阻428，然本领域技术人员应知，亦可采用P型金属氧化物半导体场效应晶体管或P型结型场效应晶体管等不同型式的晶体管。另外，内建的电阻428亦可选择性地整合于脉宽调制电路43的芯片中，而无须包含于此功率晶体管
6芯片42内。 其中，功率晶体管426用于作为交/直流电压转换电路40的功率开关，其具有耦 接功率晶体管芯片42第一接脚421的第一源/漏极、耦接功率晶体管芯片42第二接脚422 的第二源/漏极与耦接功率晶体管芯片42第三接脚423的功率晶体管栅极。金属氧化物 半导体场效应晶体管429具有耦接功率晶体管芯片42第一接脚421的第五源/漏极、耦接 功率晶体管芯片42第四接脚424的第六源/漏极与金属氧化物半导体场效应晶体管栅极。 结型场效应晶体管427具有耦接功率晶体管芯片42第一接脚421的第三源/漏极D、耦接 金属氧化物半导体场效应晶体管429的金属氧化物半导体场效应晶体管栅极的第四源/漏 极S与耦接功率晶体管芯片42第五接脚425的结型场效应晶体管栅极G。
当交/直流电压转换电路40启始时，桥式整流电路41自其电源输入端411接收 输入的交流电源Vin，经全波整流后自其整流输出端412输出具有纹波的直流电源，再经一 端与整流输出端412耦接的变压器电路45的主线圈451，到达另一端所耦接的功率晶体管 芯片42的第一接脚421，也就是结型场效应晶体管427的第三源/漏极D、金属氧化物半导 体场效应晶体管429的第五源/漏极与功率晶体管426的第一源/漏极。
为了提供脉宽调制电路43启始运作的电源，脉宽调制电路43的工作电源端432 耦接至功率晶体管芯片42的第四接脚424，也就是金属氧化物半导体场效应晶体管429的 第六源/漏极。此时，由于脉宽调制电路43所输出的启动信号st为低电位，其内建的晶体 管436并未导通，使得脉宽调制电路43的启动电源控制端431具有VCC的电位。
另夕卜，由于脉宽调制电路43的启动电源控制端431耦接至功率晶体管芯片42的 第五接脚425，也就是结型场效应晶体管栅极G，因此，结型场效应晶体管427导通而使得其 第四源/漏极S具有高电位，并进而驱动导通金属氧化物半导体场效应晶体管429 (如图5 所示)，故可将桥式整流电路41输出的具有纹波的直流电源，传送至金属氧化物半导体场 效应晶体管429的第六源/漏极，也就是功率晶体管芯片42的第四接脚424。
此时，脉宽调制电路43即通过与金属氧化物半导体场效应晶体管429的第六源/ 漏极耦接的工作电源端432，来取得启始运作的电源而开始工作。之外，并依据交/直流电 压转换电路40输出的直流电源Vo的反馈电压大小，来产生调制的脉宽调制信号自其脉宽 调制信号输出端433输出，再经与其耦接的功率晶体管芯片42的第三接脚423及电阻428， 传送至功率晶体管芯片42的功率晶体管栅极，由此控制功率晶体管426的启闭时间长短， 并结合耦接功率晶体管芯片42的第二接脚422、用于检测流经功率晶体管426的电流的电 流检测端434，来调整脉宽调制信号的脉宽，使交/直流电压转换电路40可以输出稳定的直 流电源Vo。 当脉宽调制电路43开始工作后，变压器电路45的次线圈452即会感应电压，并经 与其耦接的滤波与反馈电路46的滤波，而输出稳定的直流电源Vo。脉宽调制电路43调制 所需参考的反馈电压，则通过图中滤波与反馈电路46的发光二极管461与光敏晶体管435 的隔离检测而得。 另外，变压器电路45的副线圈453也会同时感应电压，并经由与其耦接的工作电 源电路47的滤波，而传送至脉宽调制电路43的工作电源端432。此时，由于工作电源电路 47所提供的稳定工作电源，已能供应脉宽调制电路43更为稳定地工作所需，因此，脉宽调 制电路43将输出的启动信号st拉升为高电位，使其内建的晶体管436导通，进而将脉宽调制电路43的启动电源控制端431拉低至GND地电位，造成结型场效应晶体管427的第四源 /漏极S与结型场效应晶体管栅极G间的逆偏压而夹止，并进而断开金属氧化物半导体场效 应晶体管429 (如图6所示)。故可通过断开结型场效应晶体管427与金属氧化物半导体场 效应晶体管429的运作，来关闭金属氧化物半导体场效应晶体管429输出的启动电源。之 后，便由工作电源电路47所提供的稳定工作电源，来持续地提供脉宽调制电路43工作所需 的电源，以节省交/直流电压转换电路40的功率消耗。 参照图5与图6所示，由于根据本实施例所提供的内建启动晶体管的功率晶体管 芯片42，将包括结型场效应晶体管427与金属氧化物半导体场效应晶体管429的启动晶体 管，内建于功率晶体管芯片42之中，且因结型场效应晶体管427、金属氧化物半导体场效应 晶体管429与功率晶体管426间，均具有类似的掺杂结构，故可以使用相同的工艺来制作， 而不会增加额外的掩膜与工艺，进而可达成简化工艺、节省成本的目的。
虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用于限定本发明，任何本领域技 术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与润饰，亦属本发明的范围。因 此，本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。
权利要求
一种内建启动晶体管的功率晶体管芯片，适用于交/直流电压转换电路，包括第一接脚；第二接脚；第三接脚；第四接脚；第五接脚；功率晶体管，用于作为所述交/直流电压转换电路的功率开关，具有第一源/漏极、第二源/漏极与功率晶体管栅极，所述第一源/漏极耦接所述第一接脚，所述第二源/漏极耦接所述第二接脚，所述功率晶体管栅极耦接所述第三接脚；金属氧化物半导体场效应晶体管，具有第五源/漏极、第六源/漏极与金属氧化物半导体场效应晶体管栅极，所述第五源/漏极耦接所述第一接脚，所述第六源/漏极耦接所述第四接脚；以及结型场效应晶体管，用于与所述金属氧化物半导体场效应晶体管一同作为所述交/直流电压转换电路的启动电路，具有第三源/漏极、第四源/漏极与结型场效应晶体管栅极，所述第三源/漏极耦接所述第一接脚，所述第四源/漏极耦接所述金属氧化物半导体场效应晶体管栅极，所述结型场效应晶体管栅极耦接所述第五接脚。
2. 如权利要求1所述的功率晶体管芯片，还包括介于所述功率晶体管栅极与所述第三 接脚间的电阻。
3. 如权利要求1所述的功率晶体管芯片，其中所述功率晶体管为N型金属氧化物半导 体场效应晶体管。
4. 如权利要求1所述的功率晶体管芯片，其中所述结型场效应晶体管为N型结型场效 应晶体管，所述金属氧化物半导体场效应晶体管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
5. —种交/直流电压转换电路，适用于将交流电源转换为稳定的直流电源，包括 功率晶体管，用于作为所述交/直流电压转换电路的功率开关，具有第一源/漏极、第二源/漏极与功率晶体管栅极；金属氧化物半导体场效应晶体管，具有第五源/漏极、第六源/漏极与金属氧化物半导 体场效应晶体管栅极，所述第五源/漏极耦接所述第一源/漏极；结型场效应晶体管，用于与所述金属氧化物半导体场效应晶体管一同作为所述交/直 流电压转换电路的启动电路，具有第三源/漏极、第四源/漏极与结型场效应晶体管栅极， 所述第三源/漏极耦接所述第一源/漏极，所述第四源/漏极耦接所述金属氧化物半导体 场效应晶体管栅极；桥式整流电路，具有电源输入端与整流输出端，所述电源输入端用于接收所述交流电源；变压器电路，具有主线圈、次线圈与副线圈，所述主线圈的一端耦接所述整流输出端、 另一端耦接所述功率晶体管的所述第一源/漏极；脉宽调制电路，具有启动电源控制端、工作电源端、脉宽调制信号输出端与电流检测 端，所述启动电源控制端耦接所述结型场效应晶体管栅极，以控制所述结型场效应晶体管 的启闭，进而得以控制所述金属氧化物半导体场效应晶体管的启闭，所述工作电源端耦接 所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述第六源/漏极，以接收所述金属氧化物半导体场效应晶体管输出的启动电源，所述脉宽调制信号输出端耦接所述功率晶体管栅极，用于 依据反馈电压的大小，来输出调制所述直流电源的脉宽调制信号，所述电流检测端耦接所 述功率晶体管的所述第二源/漏极，用于检测流经所述功率晶体管的电流；工作电源电路，耦接所述变压器电路的所述副线圈及所述脉宽调制电路的所述工作电 源端，用于在所述脉宽调制电路断开所述启动电源后，持续提供所述脉宽调制电路工作所 需的电源；以及滤波与反馈电路，耦接所述变压器电路的所述次线圈，用于滤波并输出所述直流电源 及提供所述脉宽调制电路调制所需的所述反馈电压。
6. 如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中还包括介于所述功率晶体管栅极 与所述脉宽调制信号输出端间的电阻。
7. 如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中所述功率晶体管为N型金属氧化 物半导体场效应晶体管。
8. 如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中所述结型场效应晶体管为N型结 型场效应晶体管，所述金属氧化物半导体场效应晶体管为N型金属氧化物半导体场效应晶 体管。
9. 如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中所述功率晶体管、所述金属氧化物 半导体场效应晶体管、及所述结型场效应晶体管整合于一芯片中。
全文摘要
一种内建启动晶体管的功率晶体管芯片及其应用电路，以结型场效应晶体管配合金属氧化物半导体场效应晶体管来作为交/直流电压转换电路的启动电路，以在交/直流电压转换电路的脉宽调制电路开始正常工作后，可以关闭启动电路的运作，以节省功率的消耗。此外，并将结型场效应晶体管与金属氧化物半导体场效应晶体管内建于功率晶体管芯片中，由于结型场效应晶体管与金属氧化物半导体场效应晶体管均可用功率晶体管的相同工艺来制作，故不会增加额外的掩膜与工艺，而可简化工艺、节省成本。
文档编号H01L27/02GK101783344SQ20091000271
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月19日 优先权日2009年1月19日
发明者黄志丰 申请人:立锜科技股份有限公司