用于开关电路器件的结构和方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于接收电源电压和生成输出电压的开关电压变换器。电压变换器包括开关控制器和通信耦合至开关控制器的开关器件。开关控制器通过控制开关器件的占空比调节输出电压。确定开关器件的尺寸，使得开关器件的特征在于漏极-源极击穿电压大于或者基本等于电源电压和输出电压；并且进一步的特征在于，热载流子注入额定值小于电源电压或者输出电压。在又一些实施例中，确定开关器件的尺寸，使得开关器件的特征在于漏极-源极击穿电压大于或者基本等于峰值工作电压并且进一步的特征在于，热载流子注入额定值小于峰值工作电压。本发明还提供了用于开关电路器件的结构和方法。
【专利说明】用于开关电路器件的结构和方法
[0001]优先权数据
[0002]本申请要求于2012年6月I日提交的序列号为61/654，286的美国临时申请的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
【技术领域】
[0003]本发明一般地涉及半导体【技术领域】，更具体地来说，涉及半导体电路及其制造方法。
【背景技术】
[0004]半导体集成电路(IC)产业已经历快速增长。在IC发展的过程中，在几何尺寸(即，可以使用制造工艺生产的最小部件(或者线路))减小的同时，功能密度(即，单位芯片面积上的互连器件的数目)通常增加。这种按比例减小工艺通常通过提高生产效率和降低相关成本提供优势。然而，这种按比例减小工艺也通常伴有增加设计和制造结合这些IC的器件的复杂性，并且对于要实现的这些进步，需要器件设计的类似发展。
[0005]一类IC器件包括例如DC/DC电压变换器的开关电路器件。这类器件的进一步改进的特征在于已经证明很难实现。尤其对于电压变换器，部件必须承受相当大的电压的要求已经阻碍了按比例缩放IC部件的能力。必须考虑诸如热载流子劣化和它们对器件性能和寿命的影响的现实。因此，尽管现有的功率转换器件通常足以实现其预期目的，但是现有的功率变换器件不能在每个方面完全满足要求。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种用于接收电源电压并生成输出电压的半导体电路，所述电路包括:开关控制器；以及开关器件，与所述开关控制器通信耦合，所述开关控制器控制所述开关器件的占空比；其中，所述开关器件的特征在于，漏极-源极击穿电压大于或者基本等于所述电源电压和所述输出电压；并且所述开关器件进一步的特征在于，热载流子注入额定值小于所述电源电压或者所述输出电压。
[0007]在该半导体电路中，所述热载流子注入额定值为标称工作区域额定值。
[0008]在该半导体电路中，所述热载流子注入额定值为DC 0.2年安全工作区域额定值。
[0009]在该半导体电路中，所述开关器件是第一开关器件；所述半导体电路进一步包括与所述开关控制器通信耦合的第二开关器件，所述开关控制器进一步控制所述第二开关器件的占空比；所述第一开关器件和所述第二开关器件为互补器件对；所述第二开关器件的特征在于，漏极-源极击穿电压大于或者基本等于所述电源电压和所述输出电压；并且所述第二开关器件进一步的特征在于，热载流子注入额定值小于所述电源电压或者所述输出电压。
[0010]在该半导体电路中，所述半导体电路被配置为降压变换器，其中，所述输出电压小于所述电源电压。
[0011]在该半导体电路中，所述半导体电路被配置为升压变换器，其中，所述输出电压大于所述电源电压。
[0012]在该半导体电路中，所述开关器件为横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件；并且所述开关器件的漂移区域长度确定所述击穿电压和所述热载流子注入额定值。
[0013]在该半导体电路中，所述开关器件为场效应晶体管(FET)器件；并且所述开关器件的沟道区域长度确定所述击穿电压和所述热载流子注入额定值。
[0014]根据本发明的又一方面，提供了一种接收输入电压并生成输出电压的电路器件，所述电路器件包括:开关控制器；以及开关器件，与所述开关控制器通信耦合，所述开关控制器控制所述开关器件的占空比以生成所述输出电压；其中，所述开关器件被配置成接收峰值漏极-源极工作电压；所述开关器件的特征在于，漏极-源极击穿电压大于或者基本等于所述峰值工作电压；并且所述开关器件进一步的特征在于，热载流子注入额定值小于所述峰值工作电压。
[0015]在该半导体电路中，所述热载流子注入额定值为标称工作区域额定值。
[0016]在该半导体电路中，所述热载流子注入额定值为DC 0.2年安全工作区域额定值。
[0017]该电路器件进一步包括:开关电压变换器，所述开关电压变换器包括所述开关器件和所述开关控制器。
[0018]在该半导体电路中，所述开关器件为横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件，并且所述开关器件的漂移区长度确定所述击穿电压和所述热载流子注入额定值。
[0019]在该半导体电路中，所述开关器件的所述漂移区长度小于可比较开关器件的漂移区长度，所述可比较开关器件的特征在于:漏极-源极击穿电压基本等于所述开关器件的击穿电压，以及热载流子注入额定值大于所述峰值工作电压。
[0020]在该半导体电路中，所述开关器件为场效应晶体管(FET)器件，并且所述开关器件的沟道区域长度确定所述击穿电压和所述热载流子注入额定值。
[0021]在该半导体电路中，所述开关器件的沟道区域长度小于可比较开关器件的沟道区域长度，所述可比较开关器件的特征在于:漏极-源极击穿电压基本等于所述开关器件的击穿电压；以及热载流子注入额定值大于所述峰值工作电压。
[0022]根据本发明的又一方面，提供了一种设计电压变换器的方法，所述方法包括:确定由所述电压变换器接收的输入电压；确定由所述电压变换器生成的输出电压；表征所述电压变换器的典型负载；以及选择用于所述电压变换器的开关器件，所述开关器件具有大于或者基本等于所述输入电压和所述输出电压的漏极-源极击穿电压以及小于所述输入电压或所述输出电压的热载流子注入额定值。
[0023]在该方法中，所述开关器件是第一开关器件；所述方法进一步包括选择具有大于或者基本等于所述输入电压和所述输出电压的漏极-源极击穿电压以及小于所述输入电压或者所述输出电压的热载流子注入额定值的第二开关器件；其中，所述第一开关器件和第二开关器件是互补器件对。
[0024]所述方法进一步包括确定用于所述开关器件的峰值工作电压，并且所选择的开关器件进一步具有大于或者基本等于所述峰值工作电压的漏极-源极击穿电压和小于所述峰值工作电压的热载流子注入额定值。[0025]在该方法中，所述热载流子注入额定值为DC 0.2年安全工作区域额定值。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该强调的是，根据工业中的标称实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。
[0027]图1是根据本发明的各个方面的电压变换器的示意图。
[0028]图2是根据本发明的各个方面的示例性场效应晶体管的工作电压和安全工作区域的曲线图。
[0029]图3是根据本发明的各个方面的用于开关DC/DC降压变换器中示例性高电平端器件(high-side device)和低电平端器件(low-side device)的测量的工作范围的曲线图。
[0030]图4是根据本发明的各个方面的LDMOS器件的截面图。
[0031]图5是根据本发明的各个方面的MOSFET器件的截面图。
[0032]图6是根据本发明的各个方面的降压变换器的示意图。
[0033]图7是根据本发明的各个方面的单开关降压变换器的示意图。
[0034]图8是根据本发明的各个方面的DC/DC变换器电路的示意图。
[0035]图9是根据本发明的各个方面的单开关DC/DC变换器电路的示意图。
[0036]图10是根据本发明的各个方面的设计电压变换器的方法流程图。
【具体实施方式】
[0037]应该理解，以下发明提供了用于实现各个实施例的不同部件的多个不同的实施例或实例。以下将描述部件和布置的特定实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不旨在进行限定。例如，以下描述中的第一部件形成在第二部件上或者上方可以包括以直接接触的方式形成第一部件和第二部件的实施例，并且还可以包括附加部件可以形成在第一部件和第二部件之间，使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。另外，本发明可以在各种实例中重复参考标号和/或字母。这种重复是为了简化和清楚，而且其本身并没有规定所述的各种实施例和/或结构之间的关系。
[0038]图1是根据本发明的各个方面的电压变换器100的示意图。在不同实施例中，电压变换器100可以称为降压变换器或者DC/DC降压变换器并且包括:开关控制器102、栅极驱动器104和106、高电平端器件108、低电平端器件110，电感器112、电容器114以及建模为电阻器116的负载。在一些实施例中，电压变换器100进一步包括反馈监控器118。
[0039]电压变换器100运转以将电源电压Vin转换成较低的输出电压Vwt。电源电压的范围是预期的并且在任何一个实施例中，电源电压可以随时间改变。在一个由锂离子电池提供Vin的示例性实施例中，最大Vin是4.2V。在另一个由处理器电源轨提供Vin的实施例中，Vin大约为IV。在又一个实施例中，Vin为14V。可以理解提供这些实施例仅作为实例。开关控制器通过控制电压变换器100的占空比(duty cycle)相对于电源电压Vin控制输出电压V-。在高电平处，开关控制器102通过在接通模式和关断模式之间交替来在电感器102充电和电感器102放电之间进行循环。在接通模式中，栅极驱动器104启动高电平端器件108。在各个实施例中，高电平端器件108包括η型或者P型横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件、功率MOSFET (例如，垂直扩散MOS (VDMOS)器件)、传统MOSFET器件和/或其他晶体管。在一些实施例中，高电平端器件108还包括集成式体二极管和/或分离式二极管(例如，肖特基二极管)。当启动高电平端器件108时，流经高电平端器件108的电流对电感器102进行充电。
[0040]在关断模式中，高电平端器件108停用并且栅极驱动器106启动低电平端器件110。类似于高电平端器件108，低电平端器件110可以包括诸如LDMOS和/或规则MOS器件的晶体管，并且还可以包括二极管，例如，集成式体二极管或者分离式二极管(例如，肖特基二极管)。在关断模式中，电感器112释放存储的能量以保持电阻负载两端的恒定Vwt。由于布置和工作的对称性，高电平端器件108和低电平端器件110可称为互补开关器件对。
[0041]通过改变两个模式的占空比，开关控制器102控制电压Vwt。在一个实施例中，这使用包含在开关控制器102中的脉宽调制(PWM)控制器120来达到改变两个模式的占空比的目的。脉宽调制控制器120可以以交替方式启动栅极驱动器104和栅极驱动器106以控制占空比。在一些实施例中，开关控制器102保持占空比中的防护频带以防止高电平端器件108和低电平端器件110同时有效。称为交叉导通的这种状态允许电流从Vin流入地线，其中非常小的阻抗导致非常显著的能量损耗。为了对此进行补偿，在启动器件108和110中的任何一个之前，切换方案可以确保器件108和110都无效。这种失效时间影响占空比并且会阻止最佳性能。
[0042]为了对电压变换器100的行为进行精确建模，可以以两种不同的工作模式(连续和不连续)分析电源电压。在连续模式中，被定义为存储在电感器中的能量没有完全被消耗的占空比，电压变换器的理想行为可以被建模为:
[0043]Vout = DXVin
[0044]其中，D是占空比(接通模式的时间除以循环周期)。在不连续模式中，在关断模式周期结束之前，电感器中的能量被完全消耗。连续模式中的电压变换器的理想行为可以被建模为:
【权利要求】
1.一种用于接收电源电压并生成输出电压的半导体电路，所述电路包括: 开关控制器；以及 开关器件，与所述开关控制器通信耦合，所述开关控制器控制所述开关器件的占空比； 其中，所述开关器件的特征在于，漏极-源极击穿电压大于或者基本等于所述电源电压和所述输出电压；并且 所述开关器件进一步的特征在于，热载流子注入额定值小于所述电源电压或者所述输出电压。
2.根据权利要求1所述的半导体电路，其中，所述热载流子注入额定值为标称工作区域额定值。
3.根据权利要求1所述的半导体电路，其中，所述热载流子注入额定值为DC0.2年安全工作区域额定值。
4.根据权利要求1所述的半导体电路，其中， 所述开关器件是第一开关器件； 所述半导体电路进一步包括与所述开关控制器通信耦合的第二开关器件，所述开关控制器进一步控制所述第二开关器件的占空比； 所述第一开关器件和所述第 二开关器件为互补器件对； 所述第二开关器件的特征在于，漏极-源极击穿电压大于或者基本等于所述电源电压和所述输出电压；并且 所述第二开关器件进一步的特征在于，热载流子注入额定值小于所述电源电压或者所述输出电压。
5.根据权利要求1所述的半导体电路，其中，所述半导体电路被配置为降压变换器，其中，所述输出电压小于所述电源电压。
6.根据权利要求1所述的半导体电路，其中，所述半导体电路被配置为升压变换器，其中，所述输出电压大于所述电源电压。
7.根据权利要求1所述的半导体电路，其中， 所述开关器件为横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件；并且 所述开关器件的漂移区域长度确定所述击穿电压和所述热载流子注入额定值。
8.根据权利要求1所述的半导体电路，其中， 所述开关器件为场效应晶体管(FET)器件；并且 所述开关器件的沟道区域长度确定所述击穿电压和所述热载流子注入额定值。
9.一种接收输入电压并生成输出电压的电路器件，所述电路器件包括: 开关控制器；以及 开关器件，与所述开关控制器通信耦合，所述开关控制器控制所述开关器件的占空比以生成所述输出电压； 其中，所述开关器件被配置成接收峰值漏极-源极工作电压； 所述开关器件的特征在于，漏极-源极击穿电压大于或者基本等于所述峰值工作电压；并且 所述开关器件进一步的特征在于，热载流子注入额定值小于所述峰值工作电压。
10.一种设计电压变换器的方法，所述方法包括: 确定由所述电压变换器接收的输入电压； 确定由所述电压变换器生成的输出电压； 表征所述电压变换器的典型负载；以及 选择用于所述电压变换器的开关器件，所述开关器件具有大于或者基本等于所述输入电压和所述输出电压的漏极-源极击穿电压以及小于所述输入电压或所述输出电压的热载流子注入额定值。`
【文档编号】H02M3/155GK103457463SQ201210477601
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年11月21日 优先权日:2012年6月1日
【发明者】亚历克斯·卡尔尼茨基 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司