电流感测比率补偿的制作方法

电流感测比率补偿的制作方法
【专利摘要】一种用于感测高电子迁移率晶体管(HEMT)中的补偿该HEMT的漏极?源极电阻的变化的电流的方法。该方法包括接收一个代表该HEMT中的电流的感测电压，接收一个代表该HEMT的漏极?源极电压的补偿信号，以及输出该感测电压和该补偿信号的线性组合作为补偿的感测电压。
【专利说明】
电流感测比率补偿
技术领域
[0001] 本申请总体设及电流感测晶体管，且更具体地，设及补偿电流感测晶体管和主晶 体管之间的电流感测比率的变化的技术。
【背景技术】
[0002] 电流感测晶体管已经在集成电路应用中使用了许多年，在集成电路应用中，准确 电流感测可W为控制和过电流保护提供信息。感测晶体管典型地由较大晶体管的承载该器 件的主电流的一小部分或一小段构成。例如，在一个常规金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)器件中，感测晶体管可W包括主功率晶体管的沟道区域的一小段。在操作中，感测 晶体管可W对功率晶体管的沟道电流的一小部分采样，从而提供主晶体管中的电流的指 示。感测晶体管和主晶体管器件典型地共用共同的漏极和栅极，但是各自具有单独的源极。
[0003] 感测晶体管在许多功率递送应用中对于提供电流限制保护和准确功率递送是有 用的。在提供运些功能时，感测晶体管在宽的漏极电流范围QOOmA到10安培）、宽溫度范围 (-25 °C到125 °C) W及制造工艺变化和机械应力/封装变化内一般相对于主功率晶体管保持 一个恒定的电流感测比率(CSR)。主功率晶体管的漏极电流与感测晶体管的漏极电流的比 率的范围典型地在20:1到800:1 (或更大)之间。
[0004] 高电子迁移率晶体管化EMT)是用于实现高功率应用中的高性能的具有吸引力的 器件，运是因为它们具有高电子迁移率和宽带隙，且能够用与已为娃和现代化合物半导体 所开发的设备和方法没有本质差别的常规设备和方法加工。用于建立肥MT的一种特别理想 的材料是被称为氮化嫁(GaN)的宽带隙化合物半导体。氮化嫁基晶体管能够通过在例如氮 化侣嫁(AlGaN)势垒层和GaN层之间的异质结界面处形成量子阱来使电子迁移率最大化。对 于高功率应用，氮化嫁基晶体管备受关注，运是因为它们具有典型地比娃(Si)基晶体管或 神化嫁(GaAs)基晶体管的导通电阻小一个或多个数量级的导通电阻，且因此可W在较高溫 度下W较高电流工作且可W承受高电压应用。

【发明内容】

[0005] 根据本发明的第一方面，提供了一种高电子迁移率晶体管化EMT)电路，包括：
[0006] -个主肥MT，其包括第一主端子、第二主端子W及第一栅极，其中该第一栅极被布 置为控制该第一主端子和该第二主端子之间的电流；
[0007] 第一感测HEMT，其包括第=主端子、第四主端子W及第二栅极，其中该第=主端子 被禪合至该第一主端子且该第二栅极被禪合至该第一栅极，其中该第二栅极被布置为控制 该第=主端子和该第四主端子之间的电流；
[000引第二感测HEMT，其包括第五主端子、第六主端子W及第=栅极，其中该第五主端子 被禪合至该第一主端子且该第=栅极被禪合至该第一栅极，其中该第=栅极被布置为控制 该第五主端子和该第六主端子之间的电流；
[0009] -个电流感测电阻器，其被禪合在该第二主端子和该第四主端子之间，其中该电 流感测电阻器两端的电压代表该主HEMT中的电流；
[0010] -个电压感测电阻器，其被禪合在该第二主端子和该第六主端子之间，其中该电 压感测电阻器两端的电压代表该主HEMT的漏极-源极电压；W及
[0011] -个补偿电路，其被禪合为接收该电流感测电阻器两端的电压和该电压感测电阻 器两端的电压，且被配置为输出该电流感测电阻器两端的电压和该电压感测电阻器两端的 电压的线性组合作为补偿的感测电压。
[0012] 根据本发明的第二方面，提供了一种用于感测高电子迁移率晶体管化EMT)中的补 偿该HEMT的漏极-源极电阻的变化的电流的方法，该方法包括：
[001引接收一个代表该肥MT中的电流的感测电压；
[0014] 接收一个代表该HEMT的漏极-源极电压的补偿信号；
[0015] 输出该感测电压和该补偿信号的线性组合作为补偿的感测电压。
[0016] 根据本发明的第=方面，提供了一种器件，包括：
[0017] -个功率高电子迁移率晶体管她MT)，其包括：
[001引第一主端子；
[0019]第二主端子；W及
[0020] 第一栅极，其被布置为调节该功率肥MT的该第一主端子和该第二主端子之间的电 导率；
[0021] 一个电流感测肥MT,其包括：
[0022] 第=主端子，其被禪合至该功率肥MT的该第一主端子；
[0023] 第四主端子；W及
[0024] 第二栅极，其被布置为调节该电流感测HEMT的该第=主端子和该第四主端子之间 的电导率，其中该第二栅极被禪合至该功率肥MT的该第一栅极；
[0025] 一个电压感测肥MT,其包括：
[00%]第五主端子，其被禪合至该功率肥MT的该第一主端子；
[0027] 第六主端子；W及
[0028] 第=栅极，其被布置为调节该第五主端子和该第六主端子之间的电导率，其中该 第=栅极被禪合至该功率HEMT的该第一栅极；
[0029 ] -个电流感测电阻，其被禪合在该功率HEMT的该第二主端子和该电流感测肥MT的 该第四主端子之间；W及
[0030] -个电压感测电阻，其被禪合在该功率HEMT的该第二主端子和该电压感测肥MT的 该第六主端子之间。
[0031] 根据本发明的第四方面，提供了一种用于补偿来自HI族化合物半导体功率HEMT 的电流感测信号的补偿电路，该补偿电路包括：
[0032] 第一输入，其被禪合为接收一个代表通过该III族化合物半导体功率皿MT的电流 的电流感测信号；
[0033] 第二输入，其被禪合为接收一个代表该III族化合物半导体功率皿MT两端的电压 的电压感测信号；W及
[0034] -个或多个放大器，其被禪合为输出一个代表该电流感测信号的缩放型式与该电 压感测信号的缩放型式之间的差的补偿的感测电流信号。
【附图说明】
[0035] 参考下面的附图描述本发明的非限制性且非穷举性实施方案，其中在所有多个视 图中相同的参考数字指示相同的部分，除非另有指明。
[0036] 图IA是一个横向沟道HEMT的横截面视图的示意性表示。
[0037] 图IB是包括禪合在一起的两个HEMT的一个HEMT器件的俯视图的示意性表示。
[0038] 图2A是包括一个主晶体管和一个用于感测该主晶体管的漏极电流的感测晶体管 的一个示例HEMT器件的电路示意图。
[0039] 图2B是例示图2A的肥MT器件的一个等效表示的电路示意图。
[0040] 图2C是包括一个主晶体管和两个感测晶体管的一个肥MT器件的电路示意图。
[0041] 图3示出对应于代表图2A-图2C的HEMT器件的主晶体管的漏极电流的感测电压、补 偿信号W及补偿的感测电压的示例波形。
[0042] 图4A是例示输出补偿的感测电压的补偿电路的一个示例实施方式的电路示意图。
[0043] 图4B是例示输出补偿的感测电压的补偿电路的另一个示例实施方式的电路示意 图。
[0044] 图4C是例示输出补偿的感测电压的补偿电路的又一个示例实施方式的电路示意 图。
[0045] 图5示出对应于图2C中的HEMT器件的主晶体管的漏极电流与感测电流的比率W及 图2C中的肥MT器件的主晶体管的漏极电流与补偿的感测电流的比率的示例归一化曲线。
[0046] 图6是包括一个主晶体管和两个感测晶体管的另一个示例皿MT器件的电路示意 图。
【具体实施方式】
[0047] 在具有GaN基功率晶体管的功率集成电路(IC)中使用的感测晶体管的设计中出现 的挑战之一是功率晶体管的漏极-源极电阻相对于该功率晶体管的漏极-源极电压的变化。 因此，对于功率晶体管的固定的漏极电流，由感测晶体管采样的电流随着功率晶体管的漏 极-源极电压变化而变化。运导致电流感测比率偏离期望的恒定值。
[004引图IA是一个示例横向沟道HEMT 100的横截面视图的示意性表示。HEMT 100包括衬 底层110、第一半导体层120 W及第二半导体层130。第一半导体层120与第二半导体层130互 相接触W形成一个异质结。由于半导体层120和130的材料性能，在该异质结处出现二维电 子气（electron gas)。皿MT 100还包括源极电极140、漏极电极160W及栅极电极150。栅极 电极150的选择性偏置调节源极电极140和漏极电极160之间的电导率。
[0049] 在所例示的实施方式中，源极电极140和漏极电极160二者都直接安置在第二半导 体层130的上表面上W与其形成电接触。情况未必如此。例如，在一些实施方式中，源极电极 140和/或漏极电极160刺入第二半导体层130中。在一些实施方式中，此刺入足够深W至于 源极电极140和/或漏极电极160接触或甚至穿过异质结。作为另一个实施例，在一些实施方 式中，一种或多种填隙胶（interstitial glue)、金属或其他导电材料被布置在源极电极 140和/或漏极电极160与半导体层120、130的一个或两个之间。
[0050] 在所例示的实施方式中，栅极电极150通过具有均匀厚度的单电绝缘层170与第二 半导体层130电绝缘。情况未必如此。例如，在其他实施方式中，可W使用多层来使栅极电极 150与第二半导体层130绝缘。作为另一个实施例，可W使用具有非均匀厚度的单层或多层 来使栅极电极150与第二半导体层130绝缘。
[0051] 横向沟道皿MT 100的多种特征可W由各种不同的材料形成，包括HI族化合物半 导体。例如，第一半导体层120可W是氮化嫁(GaN)、氮化铜（InN)、氮化侣(AlN)、氮化侣嫁 (AlGaN)、氮化铜嫁（InGaN) W及氮化铜嫁侣（InGaAlN)中的一个。在一些实施方式中，第一 半导体层120还可W包括含有神的化合物半导体，诸如，神化嫁(GaAs)、神化铜(InAs)、神化 侣(AlAs)、神化铜嫁（InGaAs)、神化侣嫁(AlGaAs) W及神化铜侣嫁（InGaAlAs)中的一个或 多个。第二半导体层130可W是例如AlGaN、GaN、InN、AlN、InGaN或AlInGaN。第二半导体层 130还可W包括含有神的化合物半导体，诸如，GaAsJnAs、AlAs JnGaAs、AlGaAs或InAlGaAs 中的一个或多个。第一和第二半导体层120、130-一其还可W被称为有源层一一的组分被 定制为使得在异质结处形成二维电子气。例如，在一些实施方式中，第一和第二半导体层 120、130的组分可W被定制为使得在异质结处出现在IOiicnf2到IOi4Cnf 2之间的薄层载流子 密度（sheet carrier density)。在一些实施方式中，在异质结处出现在5 X l〇i2cnf2至化X IOi3Cnf2之间或在8 X IOi2Cnf2到1.2 X l〇i3cm-2之间的薄层载流子密度。第一和第二半导体层 120、130可W被形成在衬底层110 W上，该衬底层可W是例如GaN、GaAs、碳化娃(SiC)、蓝宝 石(Ab化)或娃。第一半导体层120可W与运样的衬底层直接接触，或可W存在一个或多个中 间层。
[0052] 源极电极140、漏极电极160W及栅极电极150可W由多种电导体制成，所述电导体 包括例如金属，诸如，侣(Al)、儀(Ni)、铁(Ti)、铁鹤(TiW)、氮化铁(TiN)、铁金(TiAu)、铁侣 钢金(TiAlMoAu)、铁侣儀金(TiAlNiAu)、铁侣销金(TiAlPtAu)等。绝缘层170可W由适合于 形成栅极绝缘体的多种电介质制成，所述电介质包括例如(A12化）、二氧化错(Zr02)、氮化侣 (A1N)、氧化给化f〇2)、二氧化娃(Si〇2)、氮化娃(Si3N4)、氮化侣娃(AlSiN)或其他合适的栅 极电介质材料。绝缘层170还可W被称为纯化层，因为层170阻碍或阻止在下面的第二半导 体层130中的表面状态的形成和/或充电。
[0053] 图IB是包括禪合在一起的两个肥MT的一个示例HEMT器件的俯视图的示意性表示。 如所示出的，源极电极具有被禪合至源极金属母线192的金属焊盘，该源极金属母线被用来 将皿MT 180和190的源极电极禪合在一起。类似地，栅极电极具有被禪合至栅极金属母线 194的金属焊盘，该栅极金属母线被用来将皿MT 180和190的栅极电极禪合在一起，且漏极 电极具有被禪合至漏极金属母线196的金属焊盘，该漏极金属母线被用来将HEMT 180和190 的漏极电极禪合在一起。运样，在此配置中，所例示的皿MT器件包括两个并联禪合的皿MT。 在一个实施例中，肥MT 180和190中的一个可W被用作感测晶体管W感测可W被称为主晶 体管的另一个晶体管的漏极电流。在另一个实施例中，皿MT器件可W包括不止一个W如上 文解释的相同方式并联禪合至主晶体管的感测晶体管。主晶体管和一个或多个感测晶体管 可W被形成在单个忍片上。在一些实施例中，可W有一个禪合在每一个感测晶体管的源极 电极的金属焊盘和源极金属母线192之间的电阻器。此电阻器可W被用来测量感测晶体管 中的电流。在所描绘的实施例中，仅出于例示性目的，HEMT 180和190的栅极电极被绘制成 在一个维度上小于源极电极和漏极电极。在其他实施例中，栅极电极可W与源极电极和/或 漏极电极的大小近似相同。
[0054] 图2A是包括具有一个主晶体管和一个用于感测该主晶体管的漏极电流的感测晶 体管的一个示例HEMT器件的电路示意图。如所示出的，HEMT化202还被称为主晶体管202， 且在节点A和地参考210之间禪合在电流源200两端。地参考210代表测量或参考所例示的电 路的所有电压所参照的最低电压或电位。皿MT化202具有一个禪合至节点A的漏极端子、 一个禪合至地参考210的源极端子W及一个也禪合至地参考210的控制端子(栅极）。在图2A 的实施例中，晶体管202是耗尽型晶体管，当栅极端子比源极端子高的值小于一个阔值电压 时，处在导通状态。耗尽型晶体管有时被称为常开(normally-on)晶体管。因此，当源极端子 和栅极端子被禪合至相同的电位时，晶体管202处于导通状态。在一个典型应用中，栅极端 子可W被禪合至一个驱动电路，该驱动电路改变栅极端子处的电压W使晶体管在导通状态 和非导通状态之间切换。在一个实施例中，HEMT化202是HI族化合物半导体FET，诸如，例 如，GaN FET。应注意，通过适当修改，其他晶体管类型（诸如，例如，金属氧化物半导体FET (M0S阳T)或结型阳T(J阳T))也可W被用作为主晶体管。
[0055] 该肥MT器件包括一个用于感测主晶体管的漏极电流的肥MT感测晶体管化EN 204。 感测晶体管204与主晶体管202共享漏极端子和控制端子。感测晶体管204的源极端子通过 一个感测电阻器化EN 206禪合至地参考210。感测晶体管204也是耗尽型晶体管；因此，当它 的栅极端子处的电压比它的源极端子高的值小于一个阔值电压时，感测晶体管204处于导 通状态。
[0056] 电流源200被禪合为向节点A提供电流Id。电流Id近似等于主晶体管202的漏极电 流。此电流的相对较小的一部分(例如，百分之一或更少)被感测晶体管204汲取作为感测电 流Isen 208。因此，感测电流Isen 208代表主晶体管202的漏电流。因为感测电阻器化EN 206传 导与感测晶体管204相同的电流，所W在感测电阻器Rsen 206两端产生的电压(其被称为感 测电压Vsen 212)代表感测电流Isen 208。因此，感测电压Vsen 212也代表主晶体管202的漏极 电流。在运行时，感测电压Vsen 212小于感测晶体管204的阔值电压，W使得当主晶体管202 传导电流时感测晶体管204处于导通状态。
[0057] 图2B是肥MT化202和化EN 204处于导通状态时图2A的电路的等效电路的示意图。 当传导电流时，主晶体管202在它的漏极端子和源极端子之间存在一定量的电阻（即，漏极- 源极电阻）。运样，主晶体管202可W被建模为禪合在节点A和地参考210之间的电阻器Rfet 222。在此情况下，电阻器Rfet 222代表主晶体管202的漏极-源极电阻。类似地，感测晶体管 204可W被建模为禪合在感测电阻器化EN 206和节点A之间的电阻器224。电阻器224代表当 感测晶体管204处于饱和导电状态时感测晶体管204表现出的漏极-源极电阻。电阻器224可 W具有几倍于(例如，100倍)电阻器Rfet 222的电阻的电阻，使得感测电流Isen 208是通过电 阻器222的电流的相当小的一部分。
[0化引可W示出，感测电压Vsen 212由下式给出：
[0059]
(I)
[0060] 其中，K代表电阻器224的电阻与电阻器Rfet 222的电阻的比率。如可W从等式（1) 看出的，感测电压Vsen 212(且因此，感测电流Isen 208)取决于主晶体管202的漏极-源极电 阻（电阻器Rfet 222的电阻）。因此，主晶体管202的漏极电流与感测电流Isen 208的比率也取 决于主晶体管202的漏极-源极电阻。假设感测电流Isen 208比主晶体管202的漏极电流低几 个数量级(例如，至少100倍）（Isen?Id)，主晶体管202的漏极-源极电阻可W被近似为：
[0061 ]
(2)
[0062] 其中，Vds对应于主晶体管202的漏极端子和源极端子之间的电压（即，漏极-源极电 压）。将此表达式代替等式（1)中的电阻器化ET 222,可W获得感测电压Vsen 212的一个替代 表达式如下：
[0063]
《3 )
[0064] 运个等式表明，由于主晶体管202的漏极-源极电压的影响，可W通过将感测电压 Vsen 212除W感测电阻器化EN 206的电阻获得的感测电流Isen 208偏离Id/(1+K)。换句话说， 主晶体管202的漏极-源极电压导致感测电流Isen 208偏离主晶体管202的漏极电流的一个 固定部分。感测电流Isen 208偏离Id/(1+K)的量随着主晶体管202的漏极-源极电压增加而 减少。为了补偿此偏离，可能需要测量感测电压Vsen 212和主晶体管202的漏极-源极电压。
[0065] 图2C是包括具有一个主晶体管和两个感测晶体管的一个示例皿MT器件的电路的 示意图。此电路类似于图2A的电路，所不同的是图2C中的肥MT器件包括作为用于测量主晶 体管202的漏极-源极电压的第二感测晶体管化EN2 214的另一个皿MT。在一个实施例中，主 晶体管化202、感测晶体管化EN 204W及第二感测晶体管化EN2 214是HI族化合物半导体 HEMT。第二感测晶体管214与主晶体管202共享漏极端子和控制端子。如进一步示出的，第二 感测晶体管214的源极端子通过电阻器Rs 216禪合至地参考210。如果当第二感测晶体管 化EN2 214处于饱和导电状态时电阻器Rs 216的电阻（例如，104欧姆）比第二感测晶体管214 的漏极-源极电阻（例如，10和100欧姆之间）大几个数量级，则在电阻器化216两端产生的 电压近似等于主晶体管202的漏极-源极电压。主晶体管202的漏极-源极电压还可W被称为 电压Vds。因此，在此情况下，电阻器化216两端的电压可W被用来测量电压Vds。
[0066] 图3示出了呈现代表图2A-图2C的HEMT器件的主晶体管的漏极电流的感测电压、补 偿信号W及补偿的感测电压的示例曲线。曲线312是感测电压Vsen 212作为电压Vds的函数的 一个可能的表示。曲线312在电压Vds是零伏时在零处开始，且随着电压Vds增加W接近Vlim (其中Vlim对应于（IdRsen)/(1+K))。曲线314是补偿信号Ucmp作为是电压Vds的函数的电压的一 个可能的表示。补偿信号Ucmp可W被用来减少电压Vds对感测电压Vsen 212的影响，且因此减 少主晶体管202的漏极-源极电阻对感测电流Isen 208的影响。在一个实施例中，曲线314是 具有斜率-m的线性斜坡（即，具有负斜率的线性斜坡）。曲线316是可W通过将曲线314与曲 线312相加获得的补偿的感测电压Vsengmp的一个可能的表示。
[0067] 在将补偿信号Ucmp与由等式（1)给出的感测电压Vsen 212相加且操作所产生的表达 式使得补偿的感测电压Vsencmp对于下限Vdsl和上限Vdsh具有相同的值之后，可W获得补偿的 感测电压Vsencmp的下面的表达式：
[0068] ( 4 )
[00例其中，下限Vdsl和上限Vdsh分别代表电压Vds对感测电压Vsen 212的影响旨在被减少 的电压Vds的值的范围的下限和上限。在等式(4)中，标称电压Vnom代表对于下限Vdsl和上限 Vdsh补偿的感测电压Vsencmp的值，该值导致补偿的感测电流（可^通过将补偿的感测电压 VsENCMP除?感测电阻器Rsen 206的电阻发现)与主晶体管202的漏极电流之间的期望的比率 (例如，l/(l+K))D在一个实施例中，标称电压VN0M等于VLIM，VLIM为IDRsEN/(l+K)D如由曲线316 进一步例不的，当电压Vds等于下限Vd化和上限Vdsh之间的Vdsm时，补偿的电压Vsencmp达到最大 值Vmaxd最大值￥組可1^被表不如下：
[0070]
( 5 )
[0071] 在所例示的实施例中，当电压Vds在下限Vdsl和上限Vdsh之间时，补偿的感测电压 Vsencmp可W相对于电压Vds变化较少。运意味着，当主晶体管202的漏极-源极电阻在低值化SL (即，Vdsl/Id)和高值化SH(即，Vdsh/Id)之间时，所产生的补偿的感测电流可W偏离Id/(1+K)较 少。W此方式，主晶体管202的漏极-源极电阻对感测电流Isen 208的影响可W被减少，使得 主晶体管202的漏极电流与感测电流Isen 208的比率偏离期望值(1+K)较少。
[0072] 图4A是例示输出补偿的感测电压的补偿电路的一个示例实施方式的电路示意图。 补偿电路400包括放大级410、420W及差分放大器430。放大级410被禪合为接收电阻器Rs 216两端的电压作为电压Vds且将电压Vds的放大型式输出到差分放大器430的负输入端子。 放大器420被禪合为接收感测电阻器Rsen 206两端的电压作为感测电压Vsen 212且将感测电 压Vsen 212的放大型式输出到差分放大器430的正输入端子。放大级410和420具有相应的增 益Al和A2。差分放大器430具有增益A3,且被禪合为输出它的正输入端子处的信号与在它的 负输入端子处的信号之间的差的放大型式。换句话说，差分放大器430输出一个等于A3倍 (AsVsen-Ai Vds )的信号。
[0073] 可W示出，如果Ai、A2W及A3的值被选择为如下：
[0074] Ai = I
[0075]
[0076]
[0077] 则差分放大器430的输出处的信号对应于由等式（4)给出的补偿的感测电压 VsENCMP。如先前解释的，当主晶体管202的漏极-源极电阻等于低值化SL或高值Rdsh时，此信号 将等于IdRsen/(1+K)。因此，如果此信号被施加到感测电阻器化EN 406(诸如，例如，通过将感 测电阻器Rsen 406禪合在差分放大器430的输出和地参考210之间），则当主晶体管202的漏 极-源极电阻等于低值Rdsl或高值化SH时，感测电阻器化EN 406(其与电阻器Rsen 206具有相同 的值）中的所产生的电流变成代表补偿的感测电流且等于Id/(1+K)。此外，当主晶体管202 的漏极-源极电阻在低值化SL和高值化SH之间变化时，补偿的感测电流与Id/(1+K)偏离小于 感测电流Isen 208与IdA 1+K)的偏离。因此，当主晶体管202的漏极-源极电阻在低值化SL和 高值化SH之间变化时，主晶体管202的漏极电流与补偿的感测电流的比率变为小于主晶体管 202的漏极电流与感测电流Isen 208的比率。W此方式，可W在主晶体管202的漏极-源极电 阻的值的范围内补偿由于主晶体管202的漏极-源极电阻的变化而造成的主晶体管202的漏 极电流与感测电流Isen 208的比率的变化。
[0078] 图4B是例示输出补偿的感测电压的补偿电路的另一个示例实施方式的电路示意 图。图4B中的补偿电路400相当于图4A中的补偿电路400,但是对于放大级410、420W及差分 放大器430W不同的增益值A4、AsW及As实施。对于A4、AsW及As的值具有如下选择：
[0079]
[0080]
[0081 ] Ae=I
[0082] 所产生的补偿的感测电压Vsencmp 416和补偿的感测电流与对于图4A所描述的那些 相同。
[0083] 图4C是例示输出补偿的感测电压的补偿电路的又一个示例实施方式的电路示意 图。图4C中的补偿电路400包括具有增益A的差分放大器440W及电阻器Ri 442、R2 444、R3 446和R4 448。差分放大器440具有一个被禪合至电阻器Ri 442的负输入端子和一个被禪合 至电阻器R3 446的正输入端子。电阻器Ri 442和电阻器R3 446在另一端分别被禪合为接收 电阻器化216两端的电压和感测电压Vsen 212。电阻器R2 444被禪合在差分放大器440的负 输入端子和输出之间，且电阻器R4 448被禪合在差分放大器440的正输入端子和地参考210 之间。差分放大器440的输出被禪合至感测电阻器406,该感测电阻器与电阻器化EN206具有 相同的值。在所例示的实施例中，电阻器Ri 442、R2 444、R3 446和R4 448W及增益值A可W 被选择为使得所产生的补偿的感测电压Vsencmp 416W及补偿的感测电流与对于图4A和图4B 之一所描述的那些相同。在图4C的示例电路中，差分放大器440可W是具有增益值A的运算 放大器，该增益值A足够高W在值的计算中对于电阻器的值可忽略，如本领域已知的。换句 话说，通过适当地选择电阻器Ri 442、R2 444、R3 446和R4 448W及增益值A，图4C中的补偿 电路400可W被制成等效于图4A和图4B之一中的补偿电路400。
[0084] 图5示出了对应于图2C中的肥MT器件的主晶体管的漏极电流与感测电流的比率W 及图2C中的肥MT器件的主晶体管的漏极电流与补偿的感测电流的比率的示例曲线。运些值 被归一化至一个期望的标称值W示出与该期望的标称值的相对偏离。曲线510是主晶体管 202的漏极电流与感测电流Isen 208的比率作为主晶体管202的漏极-源极电阻的函数的一 个可能的表示。曲线520是主晶体管202的漏极电流与补偿的感测电流的比率作为主晶体管 202的漏极-源极电阻的函数的一个可能的表示。可W通过使用图4A、图4BW及图4C之一中 的补偿电路400获得补偿的感测电流。在所例示的实施例中，主晶体管202的漏极-源极电阻 的低值Rdsl和高值化SH分别被选择为0.12欧姆和0.22欧姆。此外，对曲线510和曲线520不同 地调整K的值化代表电阻器224的电阻与电阻器Rfet 222的电阻的比率），使得对于主晶体管 202的漏极-源极电阻的高值化SH，曲线510和曲线520具有相同的值。在此情况下，曲线510和 曲线5 20的此值可W代表主晶体管20 2的漏极电流与感测电流I SEN 208的期望的比率。此外， 相对于此值使曲线510和曲线520归一化，使得在y轴上的数字代表W此值的百分比表示的 对应的比率。
[0085] 如进一步示出的，在运些条件下，曲线510随着主晶体管202的漏极-源极电阻从 0.22欧姆的高值化SH减小而增加，且当主晶体管202的漏极-源极电阻等于0.12欧姆的低值 Rdsl时变成近似等于期望的比率的110 % (例如，111 % )。换句话说，随着主晶体管202的漏 极-源极电阻在0.12欧姆的低值化SL与0.22欧姆的高值Rdsh之间变化，曲线510偏离期望的比 率多达11%。另一方面，当主晶体管202的漏极-源极电阻等于0.12欧姆的低值化SL时，曲线 520具有相同的期望的比率，且随着主晶体管202的漏极-源极电阻在0.12欧姆的低值化SL与 0.22欧姆的高值Rdsh之间变化而与期望的比率的偏离少于2%。因此，图4A、图4BW及图4C之 一中的补偿电路400可W被用来生成补偿的感测电流，使得主晶体管202的漏极电流与感测 电流Isen 208的比率的变化相对于主晶体管202的漏极-源极电阻的变化被减小。
[0086] 图6是包括一个具有一个主晶体管和两个感测晶体管的示例肥MT器件的另一个电 路的示意图。图6中的HEMT器件类似于图2C中的肥MT器件，所不同的是主晶体管202W及感 测晶体管204和214中的每一个都被禪合至一个对应的MOSFETW形成共源共栅(cascode)配 置。具体地，主晶体管202的源极端子被禪合至MOSFET化642的漏极端子，感测晶体管204 的源极端子被禪合至MOSFET化644的漏极端子，且第二感测晶体管214的源极端子被禪合 至MOSFET Q4 646的漏极端子。在一个实施例中，图6中的主晶体管202是常开皿MT(例如， GaN基的常开HEMT)。典型地，常开HEMT可^^共源共栅配置禪合至常闭(11〇脚曰117-(^門（增 强型)MOSFET，W确保可靠的且容易的切换。在所例示的实施例中，常闭MOSFET化642、化 644W及化646被禪合为在它们的相应的控制(栅极)端子处接收驱动信号化R 640。运样，驱 动信号Udr 640控制MOS阳T化642、化644 W及化646的切换。
[0087] 类似于图2C中的主晶体管202,图6中的主晶体管202可W使用图4A、图4B W及图4C 之一中的补偿电路400来生成补偿的电流感测信号，W在主晶体管202的漏极-源极电阻的 值的范围内使主晶体管202的漏极电流与感测电流Isen 208的比率的变化相对于主晶体管 202的漏极-源极电阻的变化减少。应注意到，在图6中的主晶体管202的情况下，主晶体管 202、感测晶体管204W及第二感测晶体管214的漏极-源极电阻还包括对应的MOSFET的漏 极-源极电阻。
【主权项】
1. 一种高电子迁移率晶体管化EMT)电路，包括： 一个主HEMT，其包括第一主端子、第二主端子W及第一栅极，其中该第一栅极被布置为 控制该第一主端子和该第二主端子之间的电流； 第一感测肥MT，其包括第Ξ主端子、第四主端子W及第二栅极，其中该第Ξ主端子被禪 合至该第一主端子且该第二栅极被禪合至该第一栅极，其中该第二栅极被布置为控制该第 Ξ主端子和该第四主端子之间的电流； 第二感测肥MT，其包括第五主端子、第六主端子W及第Ξ栅极，其中该第五主端子被禪 合至该第一主端子且该第Ξ栅极被禪合至该第一栅极，其中该第Ξ栅极被布置为控制该第 五主端子和该第六主端子之间的电流； 一个电流感测电阻器，其被禪合在该第二主端子和该第四主端子之间，其中该电流感 测电阻器两端的电压代表该主HEMT中的电流； 一个电压感测电阻器，其被禪合在该第二主端子和该第六主端子之间，其中该电压感 巧陆阻器两端的电压代表该主肥MT的漏极-源极电压；W及 一个补偿电路，其被禪合为接收该电流感测电阻器两端的电压和该电压感测电阻器两 端的电压，且被配置为输出该电流感测电阻器两端的电压和该电压感测电阻器两端的电压 的线性组合作为补偿的感测电压。2. 根据权利要求1所述的皿MT电路，其中该补偿电路被进一步被配置为基于该电压感 测电阻器两端的电压和该电流感测电阻器两端的电压产生一个放大的差分电压，其中该放 大的差分电压是该补偿的感测电压。3. 根据权利要求1所述的HEMT电路，其中该补偿电路进一步被配置为： 放大该电压感测电阻器两端的电压W产生一个放大的补偿信号， 放大该电流感测电阻器两端的电压W产生一个放大的感测电压，W及 放大该放大的感测电压和该放大的补偿信号之间的差W产生该补偿的感测电压。4. 根据权利要求1所述的皿MT电路，其中该第Ξ主端子和该第四主端子之间的电阻是 该第一主端子和该第二主端子之间的电阻的近似100倍。5. 根据权利要求1所述的皿MT电路，其中该电压感测电阻器具有的电阻是该第五主端 子和该第六主端子之间的电阻的近似100倍和近似1000倍之间。6. 根据权利要求1所述的肥MT电路，还包括： 第一 MOS阳T，其W共源共栅配置与该主肥MT禪合； 第二MOSFET，其W共源共栅配置与该第一感测HEMT禪合；W及 第^MOSFET，其W共源共栅配置与该第二感测HEMT禪合， 其中该第一 M0SFET的栅极端子、该第二M0SFET的栅极端子W及该第SM0SFET的栅极端 子被禪合在一起。7. 根据权利要求1所述的HEMT电路，其中该补偿电路包括： 第一放大级，其被禪合为接收该电压感测电阻器两端的电压且被配置为输出一个放大 的补偿信号； 第二放大级，其被禪合为接收该电流感测电阻器两端的电压且被配置为输出一个放大 的感测电压；W及 一个差分放大器，其包括一个负输入端子、一个正输入端子W及一个输出端子， 其中该差分放大器被禪合为在该负输入端子处接收该放大的补偿信号，且在该正输入 端子处接收该放大的感测电压，且被配置为在该输出端子处输出该补偿的感测电压。8. 根据权利要求7所述的HEMT电路，其中： 该第一放大级具有近似为1的增益； 该第二放大级具有近似夫3增益;且 该差分放大器具有近似为的增益， 其中化EN代表该电流感测电阻器的电阻，K代表该第Ξ主端子和该第四主端子之间的电 阻与该第一主端子和该第二主端子之间的电阻的比率，化SL代表当该主HEMT的漏极-源极电 压是第一电压时该第一主端子和该第二主端子之间的电阻，W及化SH代表当该主皿MT的漏 极-源极电压是第二电压时该第一主端子和该第二主端子之间的电阻。9. 根据权利要求7所述的HEMT电路，其中： 该第一放大级具有近似夫的增益； 该第二放大级具有近似）的增益;且 该差分放大器具有近似为1的增益， 其中化EN代表该电流感测电阻器的电阻，K代表该第Ξ主端子和该第四主端子之间的电 阻与该第一主端子和该第二主端子之间的电阻的比率，化SL代表当该主HEMT的漏极-源极电 压是第一电压时该第一主端子和该第二主端子之间的电阻，且化SH代表当该主HEMT的漏极- 源极电压是第二电压时该第一主端子和该第二主端子之间的电阻。10. 根据权利要求1所述的HEMT，其中该补偿电路包括： 一个差分放大器，其包括一个负输入端子、一个正输入端子W及一个输出端子； 第四电阻器； 第五电阻器； 第六电阻器；W及 第屯电阻器， 其中该差分放大器被禪合为通过该第四电阻器在该负输入端子处接收该电压感测电 阻器两端的电压，且通过该第六电阻器在该正输入端子处接收该电流感测电阻器两端的电 压，且被配置为在该输出端子处输出该补偿的感测电压， 其中该负输入端子通过该第五电阻器禪合至该输出端子，W及 其中该正输入端子通过该第屯电阻器禪合至参考电压。11. 一种用于感测高电子迁移率晶体管化EMT)中的补偿该皿MT的漏极-源极电阻的变 化的电流的方法，该方法包括： 接收一个代表该HEMT中的电流的感测电压； 接收一个代表该HEMT的漏极-源极电压的补偿信号； 输出该感测电压和该补偿信号的线性组合作为补偿的感测电压。12. 根据权利要求11所述的方法，还包括： 基于该补偿信号和该感测电压产生放大的差分电压，其中该放大的差分电压是该补偿 的感测电压。13. 根据权利要求11所述的方法，还包括： 放大该补偿信号W产生一个放大的补偿信号； 放大该感测电压W产生一个放大的感测电压；W及 放大该放大的感测电压和该放大的补偿信号之间的差W产生该补偿的感测电压。14. 一种器件，包括： 一个功率高电子迁移率晶体管化EMT)，其包括： 第一主端子； 第二主端子；W及 第一栅极，其被布置为调节该功率皿MT的该第一主端子和该第二主端子之间的电导 率. 一个电流感测HEMT，其包括： 第Ξ主端子，其被禪合至该功率肥MT的该第一主端子； 第四主端子；W及 第二栅极，其被布置为调节该电流感测HEMT的该第Ξ主端子和该第四主端子之间的电 导率，其中该第二栅极被禪合至该功率HEMT的该第一栅极； 一个电压感测HEMT，其包括： 第五主端子，其被禪合至该功率肥MT的该第一主端子； 第六主端子；W及 第Ξ栅极，其被布置为调节该第五主端子和该第六主端子之间的电导率，其中该第Ξ 栅极被禪合至该功率HEMT的该第一栅极； 一个电流感测电阻，其被禪合在该功率HEMT的该第二主端子和该电流感测HEMT的该第 四主端子之间；W及 一个电压感测电阻，其被禪合在该功率HEMT的该第二主端子和该电压感测HEMT的该第 六主端子之间。15. 根据权利要求14所述的器件，还包括： 第一常闭晶体管，其W共源共栅安排方式与该功率HEMT禪合； 第二常闭晶体管，其W共源共栅安排方式与该电流感测HEMT禪合；W及 第Ξ常闭晶体管，其W共源共栅安排方式与该电压感测HEMT禪合。16. 根据权利要求14所述的器件，其中： 当该电流感测HEMT处于饱和导电状态时，该电流感测电阻具有的电阻小于该第Ξ主端 子和该第四主端子之间的电阻；W及 当该电压感测HEMT处于饱和导电状态时，该电压感测电阻具有的电阻大于该第五主端 子和该第六主端子之间的电阻。17. 根据权利要求16所述的器件，其中： 当该电流感测HEMT处于饱和导电状态时，该电流感测电阻具有的电阻小于该第Ξ主端 子和该第四主端子之间的电阻的1/10; W及 当该电压感测HEMT处于饱和导电状态时，该电压感测电阻具有的电阻大于该第五主端 子和该第六主端子之间的电阻的10倍。18. 根据权利要求14所述的器件，其中该功率皿MT、该电流感测皿MT W及该电压感测 HEMT被形成在单个忍片上。19. 根据权利要求14所述的器件，其中该功率皿MT、该电流感测皿MT W及该电压感测 HEMT是ΠI族化合物半导体HEMT。20. 根据权利要求14所述的器件，其中处于饱和导电状态的该功率皿MT传导的电流大 于处于饱和导电状态的该电流感测肥MT传导的电流的10倍。21. 根据权利要求14所述的器件，还包括一个补偿电路，该补偿电路被禪合为： 从该电流感测HEMT接收一个代表通过该功率HEMT的电流的电流感测信号；W及 从该电压感测HEMT接收一个代表该功率HEMT两端的电压的电压感测信号。22. 根据权利要求21所述的器件，其中该补偿电路被禪合为输出一个代表该电流感测 信号的缩放型式和该电压感测信号的缩放型式之间的差的补偿的感测电流信号。23. 根据权利要求21所述的器件，其中该补偿电路包括一个或多个放大器，所述一个或 多个放大器被禪合为输出值为AiUiiVsEN-AiiiVDS的补偿的感测电流信号， 其中： Ai、Aii和Aiii是缩放值，Ai、Aii和Aiii的至少两个与当该功率HEMT处于饱和导电状态时该 功率HEMT的该第一主端子和该功率HEMT的该第二主端子之间的电阻有关； VSEN是该电流感测信号;且 Vds是该电压感测信号。24. -种用于补偿来自III族化合物半导体功率HEMT的电流感测信号的补偿电路，该补 偿电路包括： 第一输入，其被禪合为接收一个代表通过该III族化合物半导体功率皿MT的电流的电 流感测信号； 第二输入，其被禪合为接收一个代表该III族化合物半导体功率皿MT两端的电压的电 压感测信号；W及 一个或多个放大器，其被禪合为输出一个代表该电流感测信号的缩放型式与该电压感 测信号的缩放型式之间的差的补偿的感测电流信号。25. 根据权利要求24所述的补偿电路，其中该补偿的感测电流信号由Ai(AiiVsen-AiiiVds) 表不， 其中： Ai、Aii和Aiii是缩放值，Ai、Aii和Aiii的至少两个与当该功率HEMT处于饱和导电状态时该 功率HEMT的该第一主端子和该功率HEMT的该第二主端子之间的电阻有关； VsEN是该电流感测信号;且 Vds是该电压感测信号。26. 根据权利要求24所述的补偿电路，其中所述一个或多个放大器仅包括单个差分放 大器。
【文档编号】H01L29/06GK106098769SQ201610264904
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年4月26日 公开号201610264904.4, CN 106098769 A, CN 106098769A, CN 201610264904, CN-A-106098769, CN106098769 A, CN106098769A, CN201610264904, CN201610264904.4
【发明人】R·杜文雅克, W·M·波利夫卡
【申请人】电力集成公司