共源共柵晶體管和控制共源共柵晶體管的方法
【專利摘要】提供了一種共源共柵晶體管和控制共源共柵晶體管的方法。該共源共柵晶體管包括：第一開關(guān)；第二開關(guān)，其耐電壓高于第一開關(guān)的耐電壓，并且第二開關(guān)級聯(lián)耦合至第一開關(guān)的漏極；以及電路，在該電路中第三開關(guān)和電容器彼此串聯(lián)耦合，該電路被設(shè)置在連接節(jié)點與第一開關(guān)的源極之間，該連接節(jié)點是第一開關(guān)和第二開關(guān)彼此耦合的節(jié)點。
【專利說明】共源共柵晶體管和控制共源共柵晶體管的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文中所討論的實施方式涉及其中常通型晶體管和常斷型晶體管彼此共源共柵地連接的共源共柵晶體管，并且涉及控制共源共柵晶體管的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，如下電子器件(化合物半導(dǎo)體器件)的發(fā)展較活躍:在該電子器件中，GaN層和AlGaN層依次形成在由例如藍(lán)寶石、SiC、氮化鎵(GaN)或Si構(gòu)成的襯底上，并且GaN層被用作電子渡越層。
[0003]GaN的帶隙為3.4eV，其與Si的1.leV的帶隙和GaAs的1.4eV的帶隙相比是較大的。因此，在這種化合物半導(dǎo)體器件中預(yù)期以較高的耐電壓進(jìn)行操作。
[0004]這樣的化合物半導(dǎo)體器件的一個示例為基于GaN的高電子遷移率晶體管(HEMT)。此后，基于GaN的高電子遷移率晶體管將被稱為GaN-HEMT。HEMT是其中采用在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中引起的高遷移率二維電子氣(2DEG)作為溝道的場效應(yīng)晶體管。
[0005]當(dāng)GaN-HEMT被用作電源逆變器開關(guān)時，可以實現(xiàn)導(dǎo)通電阻的減小以及耐電壓的提高。另外，與Si基晶體管相比，可以實現(xiàn)待機期間降低的功耗并且實現(xiàn)提高的工作頻率。
[0006]因此，可以降低逆變器的開關(guān)損耗和功耗。另外，對于同等性能的晶體管，可以使GaN-HEMT小于Si基晶體管。
[0007]然而，相關(guān)技術(shù)中的硅M0S-FET是在未向其柵極施加電壓的狀態(tài)下處于關(guān)斷的常斷型(增強模式)晶體管，而GaN-HEMT通常是在未向其柵極施加電壓的狀態(tài)下處于導(dǎo)通的常通型(抑制模式)晶體管。
[0008]因此，存在如下共源共柵晶體管:其中，增強模式FET與抑制模式GaN-HEMT組合使用以在增強模式下工作，以便切換該抑制模式GaN-HEMT。
[0009]以下是參考文獻(xiàn):
[0010][文獻(xiàn)1]日本公開特許公報N0.2011-166673，以及
[0011][文獻(xiàn)2]美國專利 N0.2012/0262220A1。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，共源共柵晶體管包括:第一開關(guān)；第二開關(guān)，其耐電壓高于第一開關(guān)的耐電壓，并且級聯(lián)耦合至第一開關(guān)的漏極；以及電路，在該電路中第三開關(guān)和電容器彼此串聯(lián)耦合，并且該電路設(shè)置在連接節(jié)點與第一開關(guān)的源極之間，該連接節(jié)點是第一開關(guān)和第二開彼此耦合的節(jié)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1A和圖1B是共源共柵晶體管的電路圖；
[0014]圖2是采用共源共柵晶體管的升壓電路的電路圖；
[0015]圖3是用于說明升壓電路的工作的圖；
[0016]圖4A和圖4B是用于說明寄生電感的圖；
[0017]圖5是第一實施方式的共源共柵晶體管的電路圖；
[0018]圖6A和圖6B是說明第一實施方式的共源共柵晶體管的效果的圖；
[0019]圖7A和圖7B是說明第一實施方式的共源共柵晶體管的效果的圖；
[0020]圖8A和圖8B是說明第一實施方式的共源共柵晶體管的效果的圖；
[0021]圖9是第二實施方式的共源共柵晶體管的電路圖；
[0022]圖10是第三實施方式的共源共柵晶體管的電路圖；
[0023]圖11是用于第三實施方式的共源共柵晶體管的控制電路的圖；
[0024]圖12是第一實施方式的共源共柵晶體管的半導(dǎo)體芯片的截面圖；以及
[0025]圖13是包含第一實施方式的共源共柵晶體管的電子部件的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0026]首先，圖1A中示出共源共柵晶體管的示例。共源共柵晶體管是其中常斷型第一開關(guān)元件Trl和常通型第二開關(guān)元件Tr2彼此串聯(lián)連接的電路，第二開關(guān)元件Tr2的源極S2連接到第一開關(guān)元件Trl的漏極D1。第二開關(guān)元件Tr2的柵極G2和第一開關(guān)元件Trl的源極S1接地。常斷型第一開關(guān)元件Trl例如為常用的硅基η型M0S-FET。常通型第二開關(guān)元件Tr2例如為GaN-HEMT。
[0027]接下來，將描述共源共柵晶體管的操作。首先，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)元件Trl關(guān)斷時，第一開關(guān)元件Trl的電阻增加，并且由于第一開關(guān)元件Trl的電阻被仍然導(dǎo)通的第二開關(guān)元件Tr2的電阻平衡，所以第一開關(guān)元件Trl的漏極電壓增加。然后，第二開關(guān)元件Tr2的柵極電壓為0V并且因此第二開關(guān)元件Tr2的源極電壓變得高于該柵極電壓。在此，如果使第二開關(guān)元件Tr2關(guān)斷和導(dǎo)通的閾值為例如-5V，那么在第二開關(guān)元件Tr2的源極電壓變?yōu)?V的時刻，第二開關(guān)元件Tr2被關(guān)斷。
[0028]第二開關(guān)元件Tr2的漏極D2起共源共柵晶體管的漏極的作用，并且第一開關(guān)元件Trl的源極S1起共源共柵晶體管的源極的作用。類似地，第一開關(guān)元件Trl的柵極G1起共源共柵晶體管的柵極的作用。
[0029]接下來，將描述共源共柵晶體管的問題。當(dāng)以數(shù)百KHz或更高的頻率來開關(guān)共源共柵晶體管時，由各個晶體管的漏極-源極電容的大小確定漏極-源極電壓分布。第一開關(guān)元件Trl的漏極-源極電壓Vdsl由第二開關(guān)元件Tr2的漏極-源極電容Cds2確定。
[0030]Vdsl = VDDXCds2/(Cdsl+Cgs2+Cds2)...(等式 1)
[0031]Cdsl:第一開關(guān)元件Trl的漏極-源極電容
[0032]Cgs2:第二開關(guān)元件Tr2的柵極-源極電容
[0033]第二開關(guān)元件Tr2例如為GaN-HEMT并且具有大電容，因此第一開關(guān)元件Trl的漏極-源極電壓Vdsl大于第二開關(guān)元件Tr2的漏極-源極電壓。第二開關(guān)元件Tr2具有大的耐電壓，但在開關(guān)操作時向第一開關(guān)元件Trl施加較大的電壓。
[0034]第一開關(guān)元件Trl例如為高速S1-MOS并且具有低輸入電容和高跨導(dǎo)(gm)，因此在短的柵極長度下具有低耐電壓，作為結(jié)果，由于第一開關(guān)元件Trl的漏極-源極電壓Vdsl超過第一開關(guān)元件Trl的源極-漏極耐電壓而出現(xiàn)可靠性方面劣化或壽命降低的問題。
[0035]因此，如果試圖也使用具有大耐電壓的晶體管作為第一開關(guān)元件Trl，則共源共柵晶體管構(gòu)造的小輸入電容和高速工作的優(yōu)點會丟失。
[0036]另外，如圖1B所示，存在其中在第一開關(guān)元件Trl的漏極和源極之間并聯(lián)連接齊納二極管的構(gòu)造。
[0037]在圖1B所示的此配置中，齊納二極管D_zener連接在第一開關(guān)元件Trl的源極和漏極之間，使得第一開關(guān)元件Trl的源極-漏極電壓Vdsl不超過第一開關(guān)元件Trl的耐電壓。然而，由于與實際的齊納二極管串聯(lián)地存在較大的內(nèi)部電阻R_Zener，所以第一開關(guān)元件Trl的源極-漏極電壓Vdsl不固定。因而，共源共柵晶體管的特性由于齊納二極管的性能而在速率上受限，并且因此可能不會得到共源共柵晶體管的最大性能。
[0038]本發(fā)明人進(jìn)行了與采用共源共柵晶體管的電路的損耗有關(guān)的研究。
[0039]圖2示出了采用共源共柵晶體管的升壓電路的示例。圖3示出了圖2的升壓電路中的工作波形以及出現(xiàn)開關(guān)損耗的地方。
[0040]當(dāng)輸出功率較小時，升壓電路通常在電流斷續(xù)模式下工作。參照圖3，共源共柵晶體管導(dǎo)通，電感器電流IL和晶體管電流Ids流動，并且能量存儲在電感器L1中。然后，共源共柵晶體管被關(guān)斷，能量以電流的形式釋放到輸出側(cè)。術(shù)語“電流斷續(xù)模式”是指電流在共源共柵晶體管的關(guān)斷時段中消失的狀態(tài)。
[0041]在電流消失的時段，在具有儲存能量的作用的電感器L1與從共源共柵晶體管的輸出端子所看到的等效電容之間發(fā)生串聯(lián)諧振，因此共源共柵晶體管的輸出端子處的電壓振蕩。此振蕩的頻率是由電感器L1和從共源共柵晶體管的輸出端子所看到的等效電容確定的諧振頻率?，F(xiàn)在，當(dāng)在諧振狀態(tài)下使共源共柵晶體管導(dǎo)通時，此時共源共柵晶體管的輸出端子處的電壓的初始值依賴于共源共柵晶體管導(dǎo)通的定時。
[0042]如圖3所示，在電流斷續(xù)模式下，由于源極-漏極電壓Vds與漏極電流Ids的重疊而出現(xiàn)開關(guān)損耗。當(dāng)在源極-漏極電壓Vds較大的狀態(tài)下接通柵極電壓Vgs時，源極-漏極電壓Vds與漏極電流Ids的重疊較大并且開關(guān)損耗較大。在相關(guān)技術(shù)中，在斷續(xù)模式下，尚不可能通過使源極-漏極電壓Vds的大小與開關(guān)柵極電壓Vgs的定時適當(dāng)匹配來控制開關(guān)損耗。
[0043]另外，本發(fā)明人研究了在采用共源共柵晶體管的電路中出現(xiàn)的振鈴效應(yīng)(ringing)或振蕩。
[0044]參照圖4A，實際的晶體管被安裝在例如印刷電路板上作為以模制封裝進(jìn)行密封或以金屬封裝進(jìn)行密封的器件。特別地，連接到源極端子的布線常常充當(dāng)電感，并且存在于封裝中和電路板上的寄生電感LG和LS被連接到晶體管的端子。
[0045]有時，在這樣的寄生電感和所使用的晶體管的柵極-源極電容之間生成諧振，作為其結(jié)果，晶體管可能會導(dǎo)致振鈴效應(yīng)或振蕩。如果晶體管的上升時間(tr)和下降時間(tf)較短并且跨導(dǎo)(Λ Ids/Λ Vgs = gm)較大，則容易使諧振放大并且容易造成振鈴效應(yīng)或振蕩。因此，不僅晶體管的開關(guān)操作變得不穩(wěn)定，而且存在招致開關(guān)損耗增加的風(fēng)險。
[0046]圖4B示出了在生成振鈴效應(yīng)或振蕩時的一段時間內(nèi)的波形。在相關(guān)技術(shù)的控制振鈴效應(yīng)和振蕩的方法中，與柵極端子串聯(lián)地插入大電阻以去除從輸出端子流動的電流，并且還在輸出端子與地之間設(shè)置緩沖電路以產(chǎn)生損耗，由此抑制振鈴效應(yīng)和振蕩。然而，在此方法中，柵極電壓Vgs的上升時間較大，因此在接通和斷開源極-漏極電壓Vds和漏極電流Ids時的過渡時間較大并且因此開關(guān)損耗較大。
[0047]關(guān)于在第一開關(guān)元件Trl的漏極和源極之間施加等于或大于耐電壓的電壓的第一問題、在升壓電路中電流斷續(xù)模式下開關(guān)損耗較大的第二問題以及由于寄生電感的作用而使晶體管的開關(guān)操作不穩(wěn)定的第三問題，本發(fā)明人關(guān)注于共源共柵連接的中點處的電壓，并且提出了以下實施方式。
[0048]下面將參照附圖詳細(xì)描述本公開內(nèi)容的技術(shù)的優(yōu)選實施方式。
[0049]圖5是示出應(yīng)用了所公開的技術(shù)的第一實施方式的共源共柵晶體管的圖。在圖5中，用相同的符號來表示與圖1A和圖1B中所示的共源共柵晶體管的構(gòu)成元件相同或等同的構(gòu)成元件，并且省略其描述。
[0050]本實施方式的共源共柵晶體管是其中常斷型第一開關(guān)元件Trl和常通型第二開關(guān)元件Tr2彼此串聯(lián)連接的電路，第二開關(guān)元件Tr2的源極S2連接到第一開關(guān)元件Trl的漏極D1。第二開關(guān)元件Tr2的柵極G2和第一開關(guān)元件Trl的源極S1接地。常斷型第一開關(guān)元件Trl例如為常用的硅基η型M0S-FET。常通型第二開關(guān)元件Tr2例如為GaN-HEMT。
[0051]另外，在節(jié)點mid與第一開關(guān)元件Trl的源極S1之間并聯(lián)地連接其中開關(guān)SW和電容器Cadd彼此串聯(lián)連接的電路，在節(jié)點mid處，第二開關(guān)元件Tr2的源極S2和第一開關(guān)元件Trl的漏極D1彼此連接。
[0052]第二開關(guān)元件Tr2的漏極D2起共源共柵晶體管的漏極的作用，并且第一開關(guān)元件Trl的源極S1起共源共柵晶體管的源極的作用。類似地，第一開關(guān)元件Trl的柵極G1起共源共柵晶體管的柵極的作用。
[0053]開關(guān)SW具有外部端子VI，可以通過外部端子VI從外部控制開關(guān)SW的切換，并且使用輸入到外部端子VI的信號來接通和斷開開關(guān)SW。開關(guān)SW例如是常用晶體管，如硅基η 型 M0S-FET 或 GaN HEMT。
[0054]關(guān)于開關(guān)SW的操作，緊接在共源共柵晶體管的柵極信號變?yōu)閿嚅_之前接通開關(guān)SW,因此電容器Cadd連接到節(jié)點mid。通過將電容器Cadd連接到節(jié)點mid,使節(jié)點mid處的電壓穩(wěn)定，因此可以避免在第一開關(guān)元件Trl的漏極和源極之間施加超過第一開關(guān)元件Trl的耐電壓的電壓。
[0055]另外，緊接在共源共柵晶體管的柵極信號變?yōu)榻油ㄖ皵嚅_開關(guān)SW，并且電容器Cadd與節(jié)點mid隔離，由此可以縮短在接通時充電所用的時間。
[0056]如果電容器Cadd在沒有開關(guān)SW的情況下簡單地連接到節(jié)點mid，可能僅獲得簡單過濾器的作用和使開關(guān)時的電壓穩(wěn)定的作用之一。然而，通過連接開關(guān)SW并且從外部控制該開關(guān)SW可以獲得這兩種作用。
[0057]接下來，將描述對上述第一問題的效果。
[0058]圖6A和6B示出了用本實施方式的共源共柵晶體管替換圖2所示的升壓電路中的共源共柵晶體管的情況的仿真波形。
[0059]左側(cè)的圖6A示出了如下情況的仿真波形:電容器Cadd的電容為OnF，也就是說，SW處于斷開狀態(tài)，這是等效于相關(guān)技術(shù)的配置的狀況。右側(cè)的圖6B示出了電容器Cadd的電容為2nF并且SW處于接通狀態(tài)的情況的仿真波形。
[0060]在圖6A和圖6B中，從頂部起示出:共源共柵晶體管的柵極電壓Vgs ;第二開關(guān)元件Tr2的源極S2和第一開關(guān)元件Trl的漏極D1彼此連接的節(jié)點mid處的電壓Vmid ;共源共柵晶體管的漏極-源極電流Ids ;共源共柵晶體管的漏極電壓Vds ;以及電感器電流IL。[0061 ] 第一開關(guān)元件Trl的漏極-源極耐電壓為20V，并且第二開關(guān)元件Tr2的漏極-源極耐電壓為600V。
[0062]作為仿真條件，將共源共柵晶體管的第一開關(guān)元件Trl的輸入信號的開關(guān)頻率設(shè)置為10kHz，并且將漏極電壓VDD設(shè)置為400V。端子之間的電容為Cdsl = 500pF、Cds2 =150pF 以及 Cgs2 = 500pF。
[0063]首先，使用簡單的計算，將暫時計算共源共柵晶體管的晶體管中的每個均關(guān)斷時的電壓。
[0064]假設(shè)由端子之間的電容來確定共源共柵晶體管的晶體管中的每個關(guān)斷時的電壓，根據(jù)以下等式來獲得在第二開關(guān)元件Tr2關(guān)斷時第二開關(guān)元件Tr2的漏極-源極電壓Vds2_0FF:
[0065]Vds2_0FF = VDDXZds2_0FF/(Zdsl_0FF+Zds2_0FF)
[0066]= VDDX (Cdsl+Cgs2)/(Cds2+Cdsl+Cgs2)
[0067]= 400 X (500p+500p)/(150p+500p+500p)
[0068]= 347.8261V...(等式 2)
[0069]并且根據(jù)以下等式來獲得在第一開關(guān)元件Trl關(guān)斷時第一開關(guān)元件Trl的漏極-源極電壓Vdsl_0FF:
[0070]Vds1_0FF = VDDXZds1_0FF/(Zdsl_0FF+Zds2_0FF)
[0071]= VDD X Cds2/ (Cds2+Cdsl+Cgs2)
[0072]= 400 X150p/ (150p+500p+500p)
[0073]= 52.1739V...(等式 3)。
[0074]在此，Zdsl_0FF為第一開關(guān)元件Trl關(guān)斷時第一開關(guān)元件Trl的漏極-源極阻抗，并且Zds2_0FF為第二開關(guān)元件Tr2關(guān)斷時第二開關(guān)元件Tr2的漏極-源極阻抗。
[0075]在圖6A所示的仿真結(jié)果中，柵極斷開時節(jié)點mid處的電壓Vmid為52.95V并且該電壓基本上與上述計算匹配。此時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過20V(其為第一開關(guān)元件Trl的漏極耐電壓)的電壓被施加到第一開關(guān)元件TrI。
[0076]根據(jù)以下等式來獲得在添加2nF的電容Cadd的情況下在第二開關(guān)元件Tr2關(guān)斷時第二開關(guān)元件Tr2的漏極-源極電壓Vds2_0FF:
[0077]Vds2_0FF = VDDXZds2_0FF/(Zdsl_0FF+Zds2_0FF)
[0078]= VDDX (Cdsl+Cgs2)/(Cds2+Cdsl+Cgs2+Cadd)
[0079]= 400 X (500p+500p+2n)/(150p+500p+500p+2n)
[0080]= 350.9524V...(等式 4)
[0081]并且根據(jù)以下等式來獲得在第一開關(guān)元件Trl關(guān)斷時第一開關(guān)元件Trl的漏極-源極電壓Vdsl_0FF:
[0082]Vds1_0FF = VDDXZds1_0FF/(Zdsl_0FF+Zds2_0FF)
[0083]= VDD X Cds2/ (Cds2+Cdsl+Cgs2+Cadd)
[0084]= 400 X150p/ (150p+500p+500p+2n)
[0085]= 19.0476V...(等式 5)。
[0086]在圖6B所示的仿真結(jié)果中，柵極斷開時節(jié)點mid處的電壓Vmid為19.83V并且該電壓基本上與上述計算匹配。此時，未將超過20V(其為第一開關(guān)元件Trl的漏極耐電壓)的電壓施加到第一開關(guān)元件TrI。因此，可以避免第一開關(guān)元件Trl的劣化和壽命降低。
[0087]接下來，圖7A和圖7B將用于說明對上述第二問題的效果。
[0088]左側(cè)的圖7A示出了如下情況的仿真波形:其中，電容器Cadd的電容為OnF，也就是說，Sff處于斷開狀態(tài)，這是等效于相關(guān)技術(shù)的配置的狀況。右側(cè)的圖7B示出了其中電容器Cadd的電容為2nF并且SW處于接通狀態(tài)的情況的仿真波形。
[0089]在圖7A和圖7B中，從頂部起示出:共源共柵晶體管的柵極電壓Vgs ;共源共柵晶體管的漏極電壓Vds ;共源共柵晶體管的漏極電流Ids ;以及電感器電流IL。
[0090]參照圖7A，假設(shè)在處于諧振狀態(tài)的共源共柵晶體管的輸出漏極電壓Vds已到達(dá)峰值時使共源共柵晶體管的柵極導(dǎo)通，漏極電壓Vds在開關(guān)過渡時段從Vdspk改變到共源共柵晶體管的通常為數(shù)十mV的導(dǎo)通電壓Vds_0N，并且此時電壓關(guān)于時間的斜率dv/dt的絕對值非常大。如果共源共柵晶體管的輸出漏極電壓Vds隨時間的變化變得非常大，則伴隨著這種變化，與dv/dt的大小成比例的電流流至與共源共柵晶體管的輸出連接的等效電容Cds 和 Cgd。
[0091]當(dāng)例如漏極電壓Vds以較大的dv/dt改變時，在從連接在共源共柵晶體管的漏極端子和源極端子之間的源極-漏極電容Cds到晶體管溝道的漏極電流Ids中生成尖峰。
[0092]由于漏極電流Ids的尖鋒和存在于晶體管的溝道中的純電阻(在這種情況下為Ron)而在溝道內(nèi)部生成熱。源極-漏極電容Cds越大，在從關(guān)斷狀態(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)的過渡時段期間流過溝道的電流就越大，并且此時段期間的開關(guān)損耗Ross也越大。
[0093]參照圖7B，作為添加2nF的電容器Cadd的結(jié)果，處于諧振狀態(tài)的共源共柵晶體管的漏極電壓Vds在柵極信號接通時基本上到達(dá)導(dǎo)通電壓Vds_0N。不存在漏極電壓Vds的急劇變化，因此去除了當(dāng)圖7A中的柵極信號被接通時存在于漏極電流Ids中的尖峰。因而，通過將柵極導(dǎo)通的時間與漏極電壓Vds處于谷的時段匹配，可以抑制電壓浪涌(dv/dt)并且可以將在柵極信號從斷開轉(zhuǎn)變到接通時的開關(guān)損耗減小到零。
[0094]因而，當(dāng)電容器Cadd連接到節(jié)點mid時,漏極電壓Vds的波形的振蕩頻率被改變。這是因為漏極電壓Vds的波形由于從漏極端子看到的電容與連接到漏極端子的電感器之間的諧振而振蕩。因此，電容器Cadd的電容被確定為使得緊接在柵極信號被接通之前的漏極電壓Vds的波形的振蕩處于其最低點。
[0095]圖8A和8B將用于說明對上述第三個問題的效果。
[0096]要仿真共源共柵晶體管安裝在印刷板上的狀態(tài)，并且因此執(zhí)行電感與共源共柵晶體管的柵極布線和源極布線串聯(lián)連接的仿真，如圖4A所示。
[0097]左側(cè)的圖8A示出了針對如下情況的仿真波形:電容器Cadd的電容為OnF，也就是說，SW處于斷開狀態(tài)，這是等效于相關(guān)技術(shù)的配置的狀況。右側(cè)的圖SB示出了針對電容器Cadd的電容為2nF并且SW處于接通狀態(tài)的情況的仿真波形。
[0098]在圖8A和圖SB中，從頂部起示出:共源共柵晶體管的柵極電壓Vgs ;共源共柵晶體管的漏極電壓Vds ;從共源共柵晶體管的源極端子流動的電流Is ;以及共源共柵晶體管的漏極電流Ids。
[0099]參照圖8A，在所有的波形中均看到振蕩現(xiàn)象(振鈴效應(yīng))，而參照圖SB，已經(jīng)從除柵極信號波形之外的所有波形中去除振鈴效應(yīng)現(xiàn)象。
[0100]如果緊接在共源共柵晶體管的柵極信號變?yōu)榻油ㄖ皩㈦娙萜鰿add的電容設(shè)置為InF，則除了針對對問題2的效果而受控的漏極電壓Vds的谷之外，振鈴效應(yīng)也可以被控制。結(jié)果，減小了開關(guān)損耗并且確保了穩(wěn)定的工作。
[0101]圖9是示出應(yīng)用了所公開的技術(shù)的第二實施方式的共源共柵晶體管的圖。在圖9中，用相同的符號來表示與圖5中所示的第一實施方式的共源共柵晶體管的構(gòu)成元件相同或等同的構(gòu)成元件，并且省略其描述。
[0102]關(guān)于本實施方式的共源共柵晶體管，在節(jié)點mid與第一開關(guān)元件Trl的源極SI之間并聯(lián)地連接其中開關(guān)SW和電容器CaddV彼此串聯(lián)連接的電路，在節(jié)點mid處，第二開關(guān)元件Tr2的源極S2和第一開關(guān)元件Trl的漏極Dl彼此連接。開關(guān)SW具有外部端子VI，通過外部端子Vl可以從外部控制該開關(guān)的切換。第二實施方式的共源共柵晶體管的電容器CaddV與第一實施方式的共源共柵晶體管的電容器Cadd的不同之處在于:電容器CaddV是電壓可變電容器并且具有用于使得能夠?qū)ζ潆娙葸M(jìn)行控制的控制端子V2。將其靜電電容隨著施加至其端子的電壓而改變的元件例如變?nèi)荻O管(可變電容二極管)用作電壓可變電容器。
[0103]當(dāng)使用本實施方式的共源共柵晶體管時，可以同時解決上述第一問題和第二問題。
[0104]例如，通過在柵極信號從斷開轉(zhuǎn)變到接通時將電容器CaddV的電容設(shè)置為例如InF，可以去除漏極電流Ids的尖峰。因此，可以控制電流浪涌(dv/dt)并且可以將在柵極信號從斷開轉(zhuǎn)變到接通時出現(xiàn)的開關(guān)損耗減小到零。
[0105]另外，第二開關(guān)元件Tr2的源極S2和第一開關(guān)元件Trl的漏極Dl彼此連接的節(jié)點mid處的電壓Vmid可以被減小為等于或小于第一開關(guān)元件Trl的漏極耐電壓，并且通過在柵極信號從接通轉(zhuǎn)變到斷開時使電容器CaddV的電容例如從InF到2nF，可以避免第一開關(guān)元件Trl的劣化和壽命降低。
[0106]圖10是示出應(yīng)用了所公開的技術(shù)的第三實施方式的共源共柵晶體管的圖。在圖10中，用相同的符號來表示與圖5中所示的第一實施方式的共源共柵晶體管的構(gòu)成元件相同或等同的構(gòu)成元件，并且省略其描述。
[0107]關(guān)于本實施方式的共源共柵晶體管，在節(jié)點mid與第一開關(guān)元件Trl的源極SI之間并聯(lián)地連接有多個其中開關(guān)SW和電容器Cadd彼此串聯(lián)連接的電路，在節(jié)點mid處，第二開關(guān)元件Tr2的源極S2和第一開關(guān)元件Trl的漏極Dl彼此連接。各個開關(guān)SW各自具有外部端子，通過該外部端子可以從外部控制該開關(guān)的切換。
[0108]例如，具有不同電容的電容器被布置成使得電容器Caddl、電容器Cadd2、電容器Cadd3和電容器Cadd4分別具有0.5pF、lnF、2nF和4nF的電容。然后，可以通過單獨地接通或斷開開關(guān)SWl至SWn來以0.5pF為單位設(shè)置連接到節(jié)點mid的電容。
[0109]通過在柵極信號從斷開轉(zhuǎn)變到接通時僅接通開關(guān)SWl以使連接到節(jié)點mid的電容器的電容為例如0.5pF，可以從漏極電流Ids去除尖峰。因此，可以控制電流浪涌(dv/dt)并且可以將在柵極信號從斷開轉(zhuǎn)變到接通時出現(xiàn)的開關(guān)損耗減小到零。
[0110]另外，第二開關(guān)元件Tr2的源極S2和第一開關(guān)元件Trl的漏極Dl彼此連接的節(jié)點mid處的電壓Vmid可以被減小為等于或小于第一開關(guān)元件Trl的漏極耐電壓，并且通過在柵極信號從接通轉(zhuǎn)變到斷開時使開關(guān)SWl和開關(guān)SW2接通并且使電容器的電容為例如1.5nF，可以避免第一開關(guān)元件Trl的劣化和壽命降低。
[0111]連接至節(jié)點mid的電容器Cadd的電容依賴于緊接在柵極信號接通之前的漏極電壓Vds的波形。這是因為Vds的波形由于從漏極端子看到的電容與連接至漏極端子的升壓電感器之間的諧振而振蕩，但是當(dāng)連接了電容器Cadd時,振蕩頻率被改變。連接至節(jié)點mid的電容被設(shè)置為使得緊接在柵極信號接通之前的Vds的波形的振蕩正接近其最低點。
[0112]圖11示出單獨地接通和斷開第三實施方式的共源共柵晶體管的開關(guān)SWl至SWn的控制電路的具體示例?？刂齐娐肥归_關(guān)SWl至SWn與共源共柵晶體管的柵極信號同步地接通和斷開。
[0113]作為用于判定連接至節(jié)點mid的電容的值的條件，采用共源共柵晶體管的升壓電路的輸出電壓、輸出電流或輸入電流，或者共源共柵晶體管的柵極的振鈴效應(yīng)峰值電壓或漏極電壓波形或柵極信號被輸入作為輸入偏移電壓或轉(zhuǎn)換器的模擬輸入。連接至共源共柵晶體管的節(jié)點mid的電容可以被控制電路進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以匹配例如采用共源共柵晶體管的升壓電路的操作。結(jié)果，存在如下效果:提高了采用共源共柵晶體管的升壓電路等的可靠性并且降低了開關(guān)損耗。
[0114]圖12是其中在與第一開關(guān)元件Trl或第二開關(guān)元件Tr2相同的處理步驟中制造電容器Cadd和開關(guān)SW的半導(dǎo)體芯片的截面圖。在圖12的示例中，作為GaN-HEMT的第二開關(guān)元件Tr2和電容器Cadd以及開關(guān)SW被形成為單個半導(dǎo)體芯片。
[0115]圖13示出了其中將由圖5中所示的共源共柵晶體管電路構(gòu)成的器件容置在單個封裝中的電子部件的結(jié)構(gòu)的示例。
[0116]第二開關(guān)元件Tr2、電容器Cadd、開關(guān)SW和電介質(zhì)襯底被固定到接地金屬板上。第一開關(guān)元件Trl被安裝在電介質(zhì)襯底上，并且該電介質(zhì)襯底電連接至在第一開關(guān)元件Trl的背面上的漏極端子(未示出)，因此基本上電介質(zhì)襯底用作第一開關(guān)元件Trl的漏極端子Dl0
[0117]第一開關(guān)元件Trl的上表面用作源極端子SI并且其通過多根導(dǎo)線連接至接地金屬板。
[0118]第二開關(guān)元件Tr2的上表面上的源極端子S2和電介質(zhì)襯底通過多根導(dǎo)線彼此連接。第二開關(guān)元件Tr2的上表面上的柵極端子G2通過導(dǎo)線與接地金屬板連接。
[0119]電容器Cadd的背面上的下電極電連接至接地金屬板。電容器Cadd的上表面上的上電極通過導(dǎo)線連接至開關(guān)SW的上表面上的一個端子，并且開關(guān)SW的上表面上的另一端子和用作第一開關(guān)元件Trl的漏電極Dl的電介質(zhì)襯底通過導(dǎo)線彼此連接。
[0120]框架被安裝在接地金屬板的凹部中，框架上形成有輸入端子、輸出端子和用于控制開關(guān)SW的外部端子Vl的Vl端子。該框架的輸入端子通過多根導(dǎo)線與第一開關(guān)元件Trl的上表面上的柵極端子Gl連接。該框架的輸出端子通過多根導(dǎo)線與第二開關(guān)元件Tr2的上表面上的漏極端子D2連接。該框架的Vl端子與開關(guān)SW的上表面上的外部端子Vl利用導(dǎo)線而彼此連接。
[0121]另外，例如用樹脂將導(dǎo)線和器件密封。
【權(quán)利要求】
1.一種共源共柵晶體管，包括: 第一開關(guān)； 第二開關(guān)，其耐電壓高于所述第一開關(guān)的耐電壓，并且所述第二開關(guān)級聯(lián)耦合至所述第一開關(guān)的漏極；以及 電路，在所述電路中第三開關(guān)和電容器彼此串聯(lián)耦合，所述電路被設(shè)置在連接節(jié)點與所述第一開關(guān)的源極之間，所述連接節(jié)點是所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)彼此耦合的節(jié)點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共源共柵晶體管，其中，所述第三開關(guān)具有外部連接端子，所述外部連接端子使得能夠從外部切換所述第三開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的共源共柵晶體管，其中，在斷開所述第一開關(guān)的柵極信號之前，接通所述第三開關(guān)的信號被輸入到所述外部連接端子并且所述電容器被電耦合至所述連接節(jié)點。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的共源共柵晶體管，其中，在接通所述第一開關(guān)的柵極信號之前，斷開所述第三開關(guān)的信號被輸入到所述外部連接端子并且所述電容器和所述連接節(jié)點彼此電耦合隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共源共柵晶體管，其中，所述電容器的電容改變由于柵極-源極電容和耦合至所述共源共柵晶體管的源極的寄生電感而震蕩的漏極電壓的振蕩周期，使得在所述共源共柵晶體管的柵極被導(dǎo)通的時刻所述漏極電壓最小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共源共柵晶體管，其中，所述電容器是電壓可變電容器并且具有控制端子，其中通過所述控制端子來改變所述電容器的電容。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共源共柵晶體管，其中，電容器和第三開關(guān)彼此串聯(lián)耦合的所述電路被設(shè)置多個，所述電路并聯(lián)地耦合在所述連接節(jié)點與所述第一開關(guān)的所述源極之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的共源共柵晶體管，還包括對電容器和第三開關(guān)彼此串聯(lián)耦合的所述電路進(jìn)行控制的電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共源共柵晶體管，其中，所述第一開關(guān)為常斷型顯并且所述第二開關(guān)為常通型&冊1丁。
10.一種控制共源共柵晶體管的方法，所述共源共柵晶體管包括: 第一開關(guān)； 第二開關(guān)，其耐電壓高于所述第一開關(guān)的耐電壓，并且所述第二開關(guān)共源共柵地耦合至所述第一開關(guān)的漏極；以及 電路，在所述電路中第三開關(guān)和電容器彼此串聯(lián)耦合，所述電路被設(shè)置在連接節(jié)點與所述第一開關(guān)的源極之間，所述連接節(jié)點是所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)彼此耦合的節(jié)點， 所述方法包括: 在斷開所述第一開關(guān)的柵極之前，通過接通所述第三開關(guān)來將所述電容器電耦合至所述連接節(jié)點。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制共源共柵晶體管的方法，其中，在接通所述第一開關(guān)的所述柵極之前，通過斷開所述第三開關(guān)來使所述連接節(jié)點和所述電容器彼此電隔離。
12.—種半導(dǎo)體裝置，包括: 形成在半導(dǎo)體襯底上的第一開關(guān)，或者耐電壓高于所述第一開關(guān)的耐電壓的第二開關(guān)，所述第二開關(guān)共源共柵地耦合至所述第一開關(guān)并且形成在所述半導(dǎo)體襯底上；以及所述半導(dǎo)體襯底上的電路，在所述電路中第三開關(guān)和電容器彼此串聯(lián)耦合，所述電路被設(shè)置在連接節(jié)點與所述第一開關(guān)的源極之間，其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)在所述連接節(jié)點處彼此耦合。
【文檔編號】H03K17/687GK104467775SQ201410471704
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月20日
【發(fā)明者】廣瀨達(dá)哉, 常信和清 申請人:富士通株式會社