串疊開關(guān)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種串疊開關(guān)裝置，包含：高壓晶體管及低壓晶體管。高壓晶體管包含第一漏極、第一源極以及第一柵極。低壓晶體管包含第二漏極、第二源極以及第二柵極。低壓晶體管與高壓晶體管相串疊。串疊開關(guān)裝置在第二源極以及第二漏極間的第二漏源極電容值、第二柵極以及第二漏極間的柵漏極電容值以及第一柵極及第一源極間的柵源極電容值的等效電容，相對第一源極及第一漏極間的第一漏源極電容值間的第一比值，由高壓晶體管的漏極電壓與低壓晶體管的擊穿電壓間的第二比值決定，以提供低壓晶體管電壓保護(hù)機(jī)制。
【專利說明】串疊開關(guān)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電路技術(shù)，且特別涉及一種串疊開關(guān)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在電源管理應(yīng)用中，常開裝置經(jīng)常用來和常閉裝置相串疊，以產(chǎn)生加強(qiáng)型(enhancement mode)的串疊開關(guān)裝置。然而，串疊開關(guān)裝置的效能及耐用度受限于其包含的低電壓裝置的特性。舉例來說，串疊開關(guān)裝置的耐用度可能受限于低電壓裝置的擊穿電壓。為了使這樣的串疊開關(guān)裝置適合在偶爾會出現(xiàn)高突波電壓的電源管理系統(tǒng)中運(yùn)作，串疊開關(guān)裝置必需提供低電壓裝置一個電壓保護(hù)的機(jī)制。
[0003]因此，如何設(shè)計(jì)一個新的串疊開關(guān)裝置，以解決上述的問題，乃為此一業(yè)界亟待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，本發(fā)明的一態(tài)樣是在提供一種串疊(cascode)開關(guān)裝置，包含:高壓晶體管以及低壓晶體管。高壓晶體管包含第一漏極、第一源極以及第一柵極。低壓晶體管包含第二漏極、第二源極以及第二柵極，低壓晶體管與高壓晶體管相串疊，以使第一源極電性連接于第二漏極。其中串疊開關(guān)裝置在第一源極以及第一漏極間具有第一漏源極電容值，在第一柵極以及第一源極間具有柵源極電容值，在第二源極以及第二漏極間具有第二漏源極電容值，以及在第二柵極以及第二漏極間具有柵漏極電容值。其中第二漏源極電容值、柵漏極電容值以及柵源極電容值的等效電容，相對第一漏源極電容值間的第一比值由高壓晶體管的漏極電壓與低壓晶體管的擊穿電壓間的第二比值決定，以提供低壓晶體管電壓保護(hù)機(jī)制。
[0005]因此，本發(fā)明的另一態(tài)樣是在提供一種串疊開關(guān)裝置，包含:常開(normally-on)高壓晶體管以及常閉(normally-off)低壓晶體管。常開高壓晶體管包含第一漏極、第一源極以及第一柵極。常閉低壓晶體管包含第二漏極、第二源極以及第二柵極，常閉低壓晶體管與常開高壓晶體管相串疊。其中串疊開關(guān)裝置在第一源極以及第一漏極間具有第一漏源極電容值，在第一柵極以及第一源極間具有柵源極電容值，在第二源極以及第二漏極間具有第二漏源極電容值，以及在第二柵極以及第二漏極間具有柵漏極電容值。其中第二漏源極電容值、柵漏極電容值以及柵源極電容值的等效電容，相對第一漏源極電容值間的第一比值由常開高壓晶體管的漏極電壓與常閉低壓晶體管的擊穿電壓間的第二比值決定，以提供常閉低壓晶體管電壓保護(hù)機(jī)制。
[0006]應(yīng)用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過使高壓晶體管與低壓晶體管間的部分內(nèi)部電容間的第一比值與高壓晶體管的漏極電壓與低壓晶體管的擊穿電壓間的第二比值相關(guān)，以提供低壓晶體管電壓保護(hù)機(jī)制，而輕易地達(dá)到上述的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中，一種串疊開關(guān)裝置的電路圖；
[0008]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中，圖1中的串疊開關(guān)裝置更詳細(xì)的示意圖；
[0009]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中，圖2所繪示的電容的等效電路的電路圖；
[0010]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例中，串置開關(guān)裝置的不意圖；
[0011]圖5為本發(fā)明一實(shí)施例中，圖4所繪示的電容的等效電路的電路圖；
[0012]圖6為本發(fā)明一實(shí)施例中，串疊開關(guān)裝置的示意圖；以及
[0013]圖7為本發(fā)明一實(shí)施例中，串疊開關(guān)裝置的示意圖。
[0014]其中，附圖標(biāo)記說明如下:
[0015]1:串置開關(guān)裝置 10:聞壓晶體管
[0016]100:漏源極等效電容102:柵源極等效電容
[0017]12:低壓晶體管 120:漏源極等效電容
[0018]122:棚漏極等效電容4:串置開關(guān)裝置
[0019]40:聞壓晶體管 400:漏源極等效電容
[0020]402:柵源極等效電容42:低壓晶體管
[0021]420:漏源極等效電容422:柵漏極等效電容
[0022]424:第一附加電容 426:第二附加電容
[0023]6:串置開關(guān)裝置 60:聞壓晶體管
[0024]600:漏源極等效電容602:柵源極等效電容
[0025]62:低壓晶體管 620:漏源極等效電容
[0026]622:柵漏極等效電容624:第一附加電阻
[0027]626:第二附加電阻 7:串疊開關(guān)裝置
[0028]70:聞壓晶體管 700:漏源極等效電容
[0029]702:柵源極等效電容72:低壓晶體管
[0030]720:漏源極等效電容722:棚漏極等效電容

【具體實(shí)施方式】
[0031]請參照圖1。圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中，一種串疊(cascode)開關(guān)裝置I的電路圖。串疊開關(guān)裝置I包含高壓晶體管10以及低壓晶體管12。
[0032]于本實(shí)施例中，高壓晶體管10為三族氮化物功率晶體管，可例如包含由多個堆疊的氮化物半導(dǎo)體層形成的有源層，其中，氮化物半導(dǎo)體層可為例如氮化鎵(galliumnitride ；GaN)層及堆疊于氮化鎵層上的氮化招鎵(alumin gallium nitride ；AlGaN)層形成。并且，高壓晶體管10可實(shí)現(xiàn)為例如絕緣柵極場效晶體管(Insulated-GateField Effect Transistor ；IGFET)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效晶體管(heterostructure FET ；HFET)。于一實(shí)施例中，三族氮化物功率晶體管可由金屬絕緣體半導(dǎo)體場效晶體管(metal-1nsulator-semiconductor FET)形成，例如金屬氧化半導(dǎo)體晶體管(metal-oxi de-semi conductor FET ；M0SFET)。更進(jìn)一步地,在一實(shí)施例中，高壓晶體管10的結(jié)構(gòu)可承受約600伏特的漏極電壓，并具有約40伏特的柵極額定電壓。
[0033]于一實(shí)施例中，低壓晶體管12為硅基(silicon-based)場效晶體管或是氮化物場效晶體管。更進(jìn)一步地，于一實(shí)施例中，低壓晶體管12為氮化物場效晶體管，例如氮化物場效晶體管，并與高壓晶體管10單片地(monolithically)形成于同一基板上。于另一實(shí)施例中，高壓晶體管10及低壓晶體管12形成于不同的芯片，但封裝于同一封裝元件中。
[0034]于一實(shí)施例中，高壓晶體管10為一常開(normally-on)裝置,且低壓晶體管12為一常閉(normal Iy-off)裝置。
[0035]如圖1所示，高壓晶體管10包含第一漏極D1、第一源極SI以及第一柵極G1。低壓晶體管12包含第二漏極D2、第二源極S2以及第二柵極G2。高壓晶體管10的第一源極SI通過節(jié)點(diǎn)P電性連接于低壓晶體管12的第二漏極D2。于本發(fā)明的一實(shí)施例中，高壓晶體管10的第一柵極Gl電性連接于低壓晶體管12的第二源極S2。于一實(shí)施例中，如圖1所示，第一柵極Gl透過電阻Rl電性連接于第二源極S2。
[0036]于一實(shí)施例中，低壓晶體管12的第二柵極G2接收控制信號C，控制信號C可控制串疊開關(guān)裝置I的運(yùn)作。
[0037]需注意的是，上述的物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)僅為一范例。于其他實(shí)施例中，高壓晶體管10及低壓晶體管12可由其他物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)形成。舉例來說，于一實(shí)施例中，高壓晶體管10及低壓晶體管12可同時為氮化物場效晶體管。
[0038]串疊開關(guān)裝置I的操作可由示例性的參數(shù)來進(jìn)行說明。舉例來說，當(dāng)高壓晶體管10導(dǎo)通時，將在低壓晶體管12造成跨壓。電壓經(jīng)過低壓晶體管12后將反轉(zhuǎn)以施加于高壓晶體管10的第一柵極G1。高壓晶體管10將根據(jù)施加于第一柵極Gl的電壓而關(guān)閉。而任何在第一漏極Dl上額外增加的電壓，將會跨越并維持在高壓晶體管10的第一漏極Dl及第一源極SI上。因此低壓晶體管12將無法承受超過上述低壓晶體管12的跨壓。
[0039]為了提供低壓晶體管12有效的保護(hù)機(jī)制，以可靠的方式建立低壓晶體管12的第二漏極D2上的電壓非常重要，以避免此電壓超過低壓晶體管12的額定擊穿電壓(例如約30伏特至40伏特)。
[0040]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中，圖1中的串疊開關(guān)裝置I更詳細(xì)的示意圖。
[0041]高壓晶體管10在第一源極SI以及第一漏極Dl間具有第一漏源極電容值Cdsl。第一漏源極電容值Cdsl可僅由高壓晶體管10的內(nèi)部電容值提供，或是由高壓晶體管10的內(nèi)部電容值和至少一外部電路元件共同等效提供。于本實(shí)施例中，第一漏源極電容值Cdsl是由高壓晶體管10中，漏源極等效電容100的內(nèi)部電容值Cds gan所提供。
[0042]更進(jìn)一步地，高壓晶體管10在第一柵極Gl以及第一源極SI間具有柵源極電容值Cgst5類似地，柵源極電容值Cgs可僅由高壓晶體管10的內(nèi)部電容值提供，或是由高壓晶體管10的內(nèi)部電容值和至少一外部電路元件共同等效提供。于本實(shí)施例中，柵源極電容值Cgs是由高壓晶體管10中，柵源極等效電容102的內(nèi)部電容值Cgs gan所提供。
[0043]低壓晶體管12在第二源極S2以及第二漏極D2間具有第二漏源極電容值Cds2。類似地，第二漏源極電容值Cds2可僅由低壓晶體管12的內(nèi)部電容值提供，或是由低壓晶體管12的內(nèi)部電容值和至少一外部電路元件共同等效提供。于本實(shí)施例中，第二漏源極電容值Cds2是由低壓晶體管12中，漏源極等效電容120的內(nèi)部電容值Cds si所提供。
[0044]更進(jìn)一步地，低壓晶體管12在第二柵極G2以及第二漏極D2間具有柵漏極電容值Cgdo類似地，柵漏極電容值Cgd可僅由低壓晶體管12的內(nèi)部電容值提供，或是由低壓晶體管12的內(nèi)部電容值和至少一外部電路元件共同等效提供。于本實(shí)施例中，柵漏極電容值Cgd是由低壓晶體管12中，柵漏極等效電容122的內(nèi)部電容值Cgd si所提供。
[0045]請參照圖3。圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中，圖2所繪示的電容的等效電路3的電路圖。圖3標(biāo)示出此些電容的電容值。
[0046]于一實(shí)施例中，等效電路3下半部的等效電容值，相當(dāng)于第二漏源極電容值Cds2、柵漏極電容值Cgd以及柵源極電容值Cgs的和，亦即為Cds2+Cgd+Cgs。更進(jìn)一步地，等效電路3上半部的等效電容值，相當(dāng)于第一漏源極電容值Cdsl。
[0047]在暫態(tài)操作中，低壓晶體管12的第二漏極D2所連接的節(jié)點(diǎn)P的電壓Vp是由等效電路3的上半部及下半部的等效電容間的比值所決定:
[0048]Vp - ((Cdsl) / (Cds2+Cgd+Cgs)) *VSS
[0049]因此，于一實(shí)施例中，第二漏源極電容值Cds2、柵漏極電容值Cgd以及柵源極電容值Cgs的等效電容，相對第一漏源極電容值Cdsl間的第一比值，是由高壓晶體管10的漏極電壓Vss與低壓晶體管12的擊穿電壓Vfc間的第二比值決定，以提供低壓晶體管12電壓保護(hù)機(jī)制。其中，擊穿電壓Vfc為低壓晶體管12在節(jié)點(diǎn)P所能承受的最高電壓，以避免低壓晶體管12發(fā)生擊穿的情形。
[0050]如果將高壓晶體管10的臨界電壓(threshold voltage) Vthjiv —并考慮,貝U第一比值和第二比值的關(guān)系可由下式表示:
[0051 ] ((Cds2+Cgd+Cgs) / (Cdsl)) > (Vss-Vbr) / (Vbr+Vthjv)
[0052]于一實(shí)施例中，系統(tǒng)電壓Vss的范圍約在100伏特至1200伏特間。擊穿電SVfc的范圍約在30伏特至40伏特間，而高壓晶體管10的臨界電壓Vth_HV的范圍約在-20伏特至5伏特間。在這樣的情形下，第一比值的范圍可表示為:
[0053]5<((Cds2+Cgd+Cgs)/(Cdsl)) <120
[0054]其中，第一比值約小于120且約大于5。
[0055]因此，圖1所示的串疊開關(guān)裝置I的第二漏源極電容值Cds2、柵漏極電容值Cgd以及柵源極電容值Cgs的等效電容，其相對第一漏源極電容值Cdsl間的第一比值，是由高壓晶體管10的漏極電壓Vss與低壓晶體管12的擊穿電壓Vfc間的第二比值決定，以提供低壓晶體管12電壓保護(hù)機(jī)制。
[0056]請參照圖4。圖4為本發(fā)明一實(shí)施例中，串疊開關(guān)裝置4的示意圖。與圖1及圖2所示的串疊開關(guān)裝置I類似，串疊開關(guān)裝置4包含高壓晶體管40以及低壓晶體管42。
[0057]高壓晶體管40以及低壓晶體管42與圖2所示的高壓晶體管10以及低壓晶體管12基本上為相同，其中，高壓晶體管40包含漏源極等效電容400以及柵源極等效電容402，且低壓晶體管42包含漏源極等效電容420及柵漏極等效電容422。因此不再就細(xì)節(jié)贅述。
[0058]于本實(shí)施例中，串疊開關(guān)裝置4更包含第一附加電容424以及第二附加電容426。第一附加電容424連接于低壓晶體管42的第二漏極D2以及第二源極S2間。第二附加電容426連接于低壓晶體管42的第二柵極G2以及第二漏極D2間。
[0059]請參照圖5。圖5為本發(fā)明一實(shí)施例中，圖4所繪示的電容的等效電路4的電路圖。圖4標(biāo)示出此些電容的電容值。
[0060]因此，第二漏源極電容值Cds2是由低壓晶體管42的漏源極等效電容420的內(nèi)部電容值Cds si，以及第一附加電容424的電容值Caddl所等效提供。柵漏極電容值Cgd是由低壓晶體管42的柵漏極等效電容422的內(nèi)部電容值Cgd si,以及第二附加電容426的電容值Cadd2所等效提供。
[0061]因此，當(dāng)漏源極等效電容420、柵漏極等效電容422以及柵源極等效電容402并未符合前述的比值要求時，第一附加電容424以及第二附加電容426可用以調(diào)整，以符合前述的比值要求。
[0062]請參照圖6。圖6為本發(fā)明一實(shí)施例中，串疊開關(guān)裝置6的示意圖。與圖1及圖2所示的串疊開關(guān)裝置I類似，串疊開關(guān)裝置6包含高壓晶體管60以及低壓晶體管62。
[0063]高壓晶體管60以及低壓晶體管62與圖2所示的高壓晶體管10以及低壓晶體管12基本上為相同，其中，高壓晶體管60包含漏源極等效電容600以及柵源極等效電容602，且低壓晶體管62包含漏源極等效電容620及柵漏極等效電容622。因此不再就細(xì)節(jié)贅述。
[0064]于本實(shí)施例中，串疊開關(guān)裝置6更包含第一附加電阻624以及第二附加電阻626。第一附加電阻624連接于低壓晶體管62的第二漏極D2以及第二源極S2間。第二附加電阻626連接于低壓晶體管62的第二柵極G2以及第二漏極D2間。
[0065]由于高壓晶體管60的漏電流遠(yuǎn)大于低壓晶體管62的漏電流，因此低壓晶體管62在關(guān)閉時，容易在節(jié)點(diǎn)P的電壓Vp大幅上升的情形下而產(chǎn)生崩潰。因此，第一附加電阻624提供電流放電的機(jī)制，以避免擊穿狀況的產(chǎn)生。
[0066]因此，為了使電流可以經(jīng)由第一附加電阻624放電，低壓晶體管62的關(guān)閉電阻值需大于第一附加電阻624的電阻值。另一方面來說，為了避免影響到低壓晶體管62在導(dǎo)通時的正常運(yùn)作，低壓晶體管62的導(dǎo)通電阻值需小于第一附加電阻624的電阻值。
[0067]第二附加電阻626提供與第一附加電阻624相同的功效，因此不再就細(xì)節(jié)贅述。
[0068]圖7為本發(fā)明一實(shí)施例中，串置開關(guān)裝置7的不意圖。與圖1及圖2所不的串置開關(guān)裝置I類似，串疊開關(guān)裝置7包含高壓晶體管70以及低壓晶體管72。
[0069]高壓晶體管70以及低壓晶體管72與圖2所示的高壓晶體管10以及低壓晶體管12基本上為相同，其中，高壓晶體管70包含漏源極等效電容700以及柵源極等效電容702，且低壓晶體管72包含漏源極等效電容720及柵漏極等效電容722。因此不再就細(xì)節(jié)贅述。
[0070]于本實(shí)施例中，串疊開關(guān)裝置7更包含圖4所繪示的第一附加電容424以及第二附加電容426，以及圖6所繪示的第一附加電阻624以及第二附加電阻626。因此，串疊開關(guān)裝置7可通過第一附加電容424以及第二附加電容426以符合上述的比值要求，并通過第一附加電阻624以及第二附加電阻626提供電流放電機(jī)制。
[0071]需注意的是，附加電容以及附加電阻的數(shù)目可視實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，并不為上述實(shí)施例中的數(shù)目所限。
[0072]雖然本揭示內(nèi)容已以實(shí)施方式揭露如上，然其并非用以限定本揭示內(nèi)容，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本揭示內(nèi)容的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾，因此本揭示內(nèi)容的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種串疊開關(guān)裝置，包含: 一高壓晶體管，包含一第一漏極、一第一源極以及一第一柵極；以及 一低壓晶體管，包含一第二漏極、一第二源極以及一第二柵極，該低壓晶體管與該高壓晶體管相串疊，以使該第一源極電性連接于該第二漏極； 其中該串疊開關(guān)裝置在該第一源極以及該第一漏極間具有一第一漏源極電容值，在該第一柵極以及該第一源極間具有一柵源極電容值，在該第二源極以及該第二漏極間具有一第二漏源極電容值，以及在該第二柵極以及該第二漏極間具有一柵漏極電容值；以及 其中該第二漏源極電容值、該柵漏極電容值以及該柵源極電容值的一等效電容，相對該第一漏源極電容值間的一第一比值由該高壓晶體管的一漏極電壓與該低壓晶體管的一擊穿電壓間的一第二比值決定，以提供該低壓晶體管一電壓保護(hù)機(jī)制。
2.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，其中該第一比值約小于120。
3.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，其中該第一比值約大于5。
4.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，其中該高壓晶體管為一三族氮化物功率晶體管。
5.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，其中該低壓晶體管為一硅基場效晶體管。
6.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，其中該高壓晶體管以及該低壓晶體管均為氮化物場效晶體管。
7.如權(quán)利要求6所述的串疊開關(guān)裝置，其中該高壓晶體管以及該低壓晶體管單片地形成于同一基板上。
8.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，其中該第二源極連接于該第一柵極。
9.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，其中該第二漏源電容值由該低壓晶體管的該第二漏極以及該第二源極間的一內(nèi)部電容值提供。
10.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，更包含一第一附加電阻，連接于該低壓晶體管的該第二漏極以及該第二源極間。
11.如權(quán)利要求10所述的串疊開關(guān)裝置，其中該低壓晶體管的一導(dǎo)通電阻值小于該第一附加電阻的一電阻值，且該低壓晶體管的該關(guān)閉電阻值大于該第一附加電阻的該電阻值。
12.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，其中該第二漏源極電容值由該低壓晶體管的一內(nèi)部電容值以及連接于該低壓晶體管的該第二漏極以及該第二源極間的一第一附加電容的一電容值等效提供。
13.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，其中該柵漏極電容值由該低壓晶體管的該第二柵極以及該第二漏極間的一內(nèi)部電容值提供。
14.如權(quán)利要求13所述的串疊開關(guān)裝置，更包含一第二附加電阻，連接于該低壓晶體管的該第二柵極以及該第二漏極間。
15.如權(quán)利要求1所述的串疊開關(guān)裝置，其中該柵漏極電容值由該低壓晶體管的一內(nèi)部電容值以及連接于該低壓晶體管的該第二柵極以及該第二漏極間的一第二附加電容的一電容值等效提供。
16.一種串疊開關(guān)裝置，包含: 一常開高壓晶體管，包含一第一漏極、一第一源極以及一第一柵極；以及 一常閉低壓晶體管，包含一第二漏極、一第二源極以及一第二柵極，該常閉低壓晶體管與該常開聞壓晶體管相串置； 其中該串疊開關(guān)裝置在該第一源極以及該第一漏極間具有一第一漏源極電容值，在該第一柵極以及該第一源極間具有一柵源極電容值，在該第二源極以及該第二漏極間具有一第二漏源極電容值，以及在該第二柵極以及該第二漏極間具有一柵漏極電容值；以及 其中該第二漏源極電容值、該柵漏極電容值以及該柵源極電容值的一等效電容，相對該第一漏源極電容值間的一第一比值與該常開高壓晶體管的一漏極電壓由該常閉低壓晶體管的一擊穿電壓間的一第二比值決定，以提供該常閉低壓晶體管一電壓保護(hù)機(jī)制。
【文檔編號】H03K17/08GK104283532SQ201410258461
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月12日
【發(fā)明者】楊長暻 申請人:臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司