D7b的面积的10倍。 可以预期的是，其他可能的倍数或者面积差异也可适用。第一SBD7a和第二SBD7b上的 电压之差AVSBD从而形成为PTAT电路10的温度信号44。因此，利用SBD的面积的缩放，通 过将SBD7a、7b运行于不同的电流密度，可以产生出温度有关的输出电压（AVSBD)。电流源 42和43可以设计为利用GaNHEMT和电阻。在PTAT电路配置中的SBD从而作动为温度感 应元件。4m=KMi)，其中SBD7a的面积，A2为SBD7b的面积，A 10*A2。
[0034] 温度保护元件9包括比较元件，比较元件包括比较器12,比较器12配置为接收温 度信号44,将其与预定的阈值温度（在本实施方式中例如为200°C)相比较，并且响应于超 过所述阈值温度而产生逻辑信号。从而，比较器12可以配置为当温度感应元件探测到的温 度低于阈值时生成逻辑"〇"信号，而当所述预定温度被超过时生成逻辑" 1"信号。使得代 表预定温度被超过的逻辑"1"信号包含比逻辑"〇"信号更高的电压是有利的，因为其可以 用作HEMT3的控制信号。可以理解的是，逻辑信号的两种状态可以具有任意大小或符号， 且并不必限定于制定的逻辑电压水平。
[0035] 图5中示出了比较器12的更多细节。比较器12利用耗尽型（D-mode)HEMT进行 设计，并且特别地，只利用D-modeHEMTQ1-Q9。在50处，偏置信号施加到HEMTQ1和Q2的 漏极端。HEMTQ1至Q4形成上拉结构，以将输入信号提拉到特定的水平。HEMTQ5和Q6的 栅极施加提升信号，其将通过增大HEMT的输出电阻而增大直流增益。HEMTQ9的栅极施加 外部参考电压，例如-1.5V。对于作为负载的HEMT(Q1、Q2、Q3、Q4)来说，D-modeHEMT负载 Q1、Q2的宽长比（W/L)(远）小于Q3、Q4的。这种配置给出了比单个HEMT负载更大的输出 电阻。温度信号44送到第一输入端51。代表阈值的信号送到第二输入端52。比较器提供 两个输出53和54。第一输出53包括逻辑信号。第二输出54提供互补输出。偏置信号施 加到HEMTQ9的源极55处。
[0036] 温度保护元件9进一步包括电平转换器14。电平转换器14配置为对由比较器 12所接收的逻辑信号的电性属性进行转换，以便其适用于控制HEMT3。从而，逻辑信号的 电平可以被转换到适当的电压上，以向HEMT3施加一个栅-源电压Vgs。通过施加该信号， HEMT可以被关断。可选地，HEMT可以运行在耗尽模式中，在这种情况下，关断HEMT3所需的 栅-源阈值电压Vgs(th)可以是负的。相应地，来自电平转换器14的控制信号需要比Vgs(th) 负得更多，才能关断HEMT3。从而，电平转换器14可以包括极性变换器，以变换逻辑信号的 极性。
[0037] 电平转换器14可配置为监听HEMT3的运行状态，以保证其将逻辑信号转换到适 当的电压，并具有适当的极性，从而关断HEMT3。可选地，电平转换器14可以配置为输出具 有预定的大小和极性的控制信号。
[0038] 图6中示出了电平转换器的更多细节。电平转换器14在输入端60处接收逻辑信 号，并在输入端61处接收参考电压。输入信号从而由放大器62进行放大至合适的电压，以 便输出为控制信号（在图6中标记为"栅极保护"）。电平转换器可以是标准电路。其可以 包括电阻分压器和GaNHEMT以及SBD作为有源元件。
[0039] 相应地，如图2所示，控制信号被施加到HEMT3的栅极16以将其关断，从而其转 为关断状态。从而，由于HEMT3不运行，其温度可以降低。由温度感应元件7所感测到的 温度将会降低，直至比较器12确定温度信号不再超过预定的阈值温度。比较器随后将逻辑 信号设置为逻辑"〇"，施加到HEMT3的栅极上的电压移除，允许其正常运行。比较器12可 以配置为待温度下降到比阈值温度低一个预定量时才提供逻辑"〇"信号。这将有利于防止 由于HEMT的温度通过温度保护元件9进行启用和不启用而快速上升以及掉落阈值温度所 引起的振荡。
[0040] 图3所示的是温度感应结构8和温度保护元件9的第二种实施方式。在该实施方 式中，绝对温度比例（PTAT)电路10由电压频率（VoltageToFrequency，VTF)转换器30所 取代。图7中显示了VTF转换器30的更多细节，VTF转换器30配置为使用两个SBD7c和 7d作为温度感应元件。SBD7c和7d具有相同的面积。两个SBD并联连接并且极性相反， 并向放大器71的反相输入端提供一个输入。电路30的频率输出与输入处SBD7c和7d的 正向电压或膝点电压成比例。VTF转换器包括方波发生器（多谐振荡器），其使用SBD对7c 和7d来在输出端72处产生具有适当频率的信号。输出频率与由SBD7c和7d所感测到的 温度成比例，从而当温度上升时，输出频率上升。方波信号包括温度信号，其中其频率代表 了温度。
[0041] 进一步地，在该第二实施方式中，比较器器件12包括频率电压变换器电路。电压 与预定的阈值电压进行比较，当阈值被超过时，产生逻辑"1"信号。在可替换的实施方式中， 比较器件包括频率捕获电路，其可以包括一个锁相回路（PhaseLockedLoop，PLL)，PLL配 置为利用异或逻辑门作为鉴相器而闩锁在感兴趣的频率上（例如与预定的阈值温度相应 的阈值频率）。从而，当温度信号频率到达一个相应于过温度条件的阈值时，PLL电路产生 逻辑"1"信号。PLL提供电压输出，该电压输出相应于温度变化快速反应。因此，PLL作动 为频率电压变换器。可以理解的是，逻辑电平不必要地对应于已知的逻辑电压水平，所述比 较器件可以生成任意可能的信号以表示温度已经达到和/或超过预定的阈值。
[0042] 如在前一个实施方式所述的，逻辑信号由电平转换器14接收。相应地，产生一个 控制信号，以控制HEMT3。在温度感应结构8和温度保护元件9之间还可以提供一个误差 积分器。该误差积分器可以形成为锁相回路结构的一部分。
[0043] 温度保护元件9可以只由肖特基二极管、电阻器、电容器和耗尽型晶体管构成。这 些元件可以利用GaN半导体工艺便利地形成。结构1可能有必要接收负电压功率以及正电 压功率。若使用增强型晶体管而不是耗尽型晶体管，将可能排除掉负电压供电单元的需求。
[0044] 在上述实施方式中，SBD7显示为分布在由HEMT3所占据的管芯区域。在其他实 施方式中，SBD可以设置为带状、阵列或群组。SBD可以设置在HEMT3的中央，位于导通通 道中。包括多个串联的SBD的带状或阵列胜于单个SBD。这将有利于生成足够大的电压， 并有利于将信号与噪声区隔开来。在上述的实施方式中，温度感应结构、比较元件和电平转 换器由SBD、D-modeHEMT、电阻以及电容形成。PTAT电路设计为使用SBD、电阻和D-mode HEMT。比较器使用D-modeHEMT和SBD来进行偏置，以及用作负载和驱动晶体管。电平转 换器使用基于GaN的电阻分压器以及使用D-modeHEMT作为有源器件。可以预期的是，使 用GaN工艺进行集成的其他元件的结构也是可行的。
【主权项】
1. 一种集成结构，其特征在于，包括：高电子迀移率晶体管（HEMT)和与HEMT相集成的 温度感应结构，所述温度感应结构配置为提供指示温度的信号，以为所述HEMT提供温度保 护。2. 如权利要求1所述的结构，其特征在于：所述结构进一步包括温度保护元件，所述温 度保护元件配置为接收所述指示温度的信号，并控制所述HEMT。3. 如权利要求1或2所述的结构，其特征在于：所述温度感应结构包括数个分布于 HEMT上的温度感应元件。4. 如权利要求3所述的结构，其特征在于：每个温度感应元件包括肖特基势皇二极管。5. 如任一在前权利要求所述的结构，其特征在于：所述HEMT是基于氮化镓的HEMT。6. 如权利要求2所述的结构，其特征在于：所述温度保护元件配置为提供HEMT控制信 号，以响应于来自所述温度感应结构的信号而关断所述HEMT。7. 如任一在前权利要求所述的结构，其特征在于：所述温度感应结构包括绝对温度比 例电路，所述绝对温度比例电路配置为使用适应于运行在不同电流密度下的一对温度感应 元件，来得到所述指示温度的信号。8. 如权利要求1至6中任一项所述的结构，其特征在于：所述温度感应结构包括多谐 振荡器，多谐振荡器配置为使用由一对温度感应元件所得到的信号，多谐振荡器配置为生 成指示温度信号的信号，所述指示温度信号的信号具有的频率是HEMT的温度的函数。9. 如权利要求2所述的结构，其特征在于：所述温度保护元件包括比较元件，比较元件 配置为将所述指示温度的信号与预定的设定点比较，并当所述设定点被超过时生成逻辑信 号。10. 如权利要求9所述的结构，其特征在于：所述比较元件包括频率电压变换器，并配 置为将感应的温度与预定的设定点比较，并当所述设定点被超过时生成逻辑信号。11. 如权利要求9或10所述的结构，其特征在于：所述温度保护元件包括电平转换器， 电平转换器配置为响应于所述逻辑信号而生成控制信号，以施加到HEMT的栅极。12. 如权利要求11所述的结构，其特征在于：所述电平转换器包括极性变换器。13. 如任一在前权利要求所述的结构，其特征在于：所述HEMT、温度感应结构以及温度 保护电路集成在同样的半导体主体中。14. 一种包括权利要求1至13中任意一项所述的结构的集成电路组件。15. -种包括权利要求1至13中任意一项所述的结构的电子器件。
【专利摘要】本发明为高电子迁移率晶体管温度传感器。一种集成结构(1)，包括：高电子迁移率晶体管(HEMT)(3)和与HEMT相集成的温度感应结构(8)，温度感应元件(7)配置为提供指示温度的信号，以为HEMT提供温度保护。
【IPC分类】G01K7/00, H01L23/40
【公开号】CN104934389
【申请号】CN201510113995
【发明人】迪利普·马达夫·瑞恩布德
【申请人】恩智浦有限公司
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年3月16日
【公告号】EP2922093A1, US20150270254