具有多泄放通道可控自钳位ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ复合横向功率器件，属于半导体功率器件技术和功率集成电路技术领域。本发明专利技术将功率变换器的主开关管与ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ器件集成于同一Ｐ型衬底上，二者采用共用阳极结构；其中的ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ器件完成对功率变换器主开关管进行电流采样和对内部控制电路进行充电的功能；而功率变换器中的主开关管具有电压钳位结构，通过电压钳位，使功率变换器初级线圈电压维持在ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ器件的瞬态安全工作区以内；同时，当功率变换器中的主开关器件关断时，初级线圈存储的雪崩能量通过ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ器件的可控栅区调控泄放，实现对泄放能量和钳位时间的控制；且部分泄放电流短暂开启主开关器件，为雪崩能量的泄放提供了更多的泄放通道，从而显著改善初级线圈雪崩能量的泄放能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电子
，涉及半导体功率器件技术和功率集成电路技术。
技术介绍
二十世纪80年代，新型功率MOS器件和以其为基础的智能功率集成电路(Smart PowerIntegrated Circuit, SPIC)随着微电子技术的进步迅速发展起来。SPIC是逻辑控制 电路与功率器件，直至调制模式的集成，具有低成本，高效率，高可靠性等优点，成为航空航 天技术、工业自动化、汽车电子、未来家电和其它高新技术工业的基础。单片集成开关电源 作为SPIC的一个重要分支，具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构 成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等特点。目前，在单片集成开关电源电路设计中，为了实现对高压电路和功率器件的保护， 其信号采样主要有两种方式，分别是电压采样和电流采样。选择合适的采样方案，并辅以正 确的电路设计，是开关电源电路设计成败的关键之一。在智能功率集成电路设计中，主要 通过信号采样反馈控制的方式实现对高压电路和功率器件的保护以及对工作状态的监控。 图1为一简化的智能开关电源电路图。AC to DC转换电路11将交流电压10转换成直流 电压。当栅电极15加上5. 8V电压时，功率主开关管14开启，电流流过变压器12的初级线 圈。电流检测与自充电复合器件16将会产生与流过功率主开关管14的导通电流成比例的 电流，并将该电流输入电流检测电路18。电流检测电路18将会产生一控制信号111，该控 制信号111通过主控制电路110来反馈控制主开关器件14。当功率主开关管14关断时，流 过电流检测与自充电复合器件16的电流将通过充电电路17对内部芯片进行充电，同时输 出端的反馈信号112也被送入主控制电路110用以调整占空比。电流检测与自充电器件承 担着对主开关器件电流状态的检测，同时也承担着对内部电路的供电，为更好地设计充电 与检测电路，需要对电流检测与自充电复合器件进行有效的设计。李泽宏，等提出了一种高 压SensorFET器件，专利CN1937257，如图2所示。利用器件漏端为较小电压(主开关器件 导通并处于线性区)时工作在线性区，通过电阻分流的原理，实现采样主开关器件导通电 流的功能；利用漏端为大电压(主开关器件关断)时工作在饱和区，实现提供电源的功能。 但是当流过变压器12初级线圈的电流发生变化时，初级线圈两端有电压V = L*(di/dt)。 功率主开关器件14关断时，初级线圈上的电压会上升到几百伏，初级线圈存储的雪崩能量 会通过电流检测与自充电复合器件16进行泄放。由于SensorFET的器件宽度通常远小于 主开关器件的宽度，所以上述高压SensorFET器件在主开关器件关断时，面临无法有效地 对雪崩能量进行泄放的问题，这时，高压SensorFET被置于高压或/和大电流的条件下，器 件温度会迅速上升。当硅的温度达到1173K或表面温度达到金属-硅共熔温度(铝-硅为 850K)时，器件或芯片就会遭到损坏。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，该复合功率器件复合了功率变换器中的主开关管和一个SensorFET器件，其中的SensorFET器 件完成对功率变换器主开关管进行电流采样和对内部控制电路进行充电的功能；而功率变 换器中的主开关管具有电压钳位结构，通过电压钳位，使功率变换器初级线圈电压维持在 SensorFET器件的瞬态安全工作区以内；同时，当功率变换器中的主开关器件关断时，初级 线圈存储的雪崩能量通过SensorFET器件的可控栅区调控泄放，实现对泄放能量和钳位时 间的控制；且部分泄放电流短暂开启主开关器件，为雪崩能量的泄放提供了更多的泄放通 道，从而显著改善初级线圈雪崩能量的泄放能力。本专利技术技术方案如下具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，如图3所示，包括一个 功率变换器的主开关管和一个SensorFET器件；所述功率变换器的主开关管和SensorFET 器件集成于同一 P型衬底11上。所述SensorFET器件包括一个由第一 P型层9、N_漂移区10和P型衬底11构成 的Double-RESURF结构，其中第一 P型层9位于N—漂移区10中；一个由金属阳电极3所连 接的N+区7、N_漂移区10和金属阴电极5所连接的N+区7构成的充电与电流检测通道，其 中金属阳电极3所连接的N+区7和金属阴电极5所连接的N+区7分别位于第一 P型层9 两侧的N_漂移区10中；一个位于第一 P型层9和金属阴电极5所连接的N+区7之间、且由 金属控制电极4所连接P+区6和包围金属控制电极4所连接P+区6的P型区8构成的可 控栅区；第一 P型层9表面是场氧化层12，场氧化层12和金属阴电极5之间具有一个多晶 硅区131，各金属电极之间是起隔离作用的氧化层14。所述功率变换器的主开关管与所述SensorFET器件共用阳极，但所述功率变换器 的主开关管中电流方向与所述SensorFET器件中电流方向相互垂直(即功率变换器的主开 关管的横向轴线与SensorFET器件的横向轴线相互垂直)。图5为上述多泄放通道可控自 钳位SensorFET复合横向功率器件的俯视图。图3与图4为沿着图5中切线Α-0-Α’方向 的器件剖面展开图。自钳位可控SensorFET器件制作在主开关器件某一分支的尾部，同时 为减小SensorFET器件对主开关器件的影响，SensorFET器件与主开关器件采用垂直布局 的方式，其中O-A方向为SensorFET器件，0-A，方向为主开关器件。所述功率变换器的主开关管可以是横向的MOS复合类器件，也可以是横向的常规 MOS器件。若所述功率变换器的主开关管是横向MOS复合类器件，包括一个由一个第二P型 层9或若干个并排的第二 P型层9、N漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结 构，其中一个或若干个并排的第二 P型层9位于N—漂移区10中；由金属阳电极3所连接的 P+区6、N_漂移区10、包围与主开关管自身金属阴电极1所连接的N+区7和P+区6的P型 区8、以及与主开关自身金属阴电极1所连接的N+区7和P+区6构成的导电通道；位于主 开关管金属控制电极2与金属阳电极3之间、由若干N型多晶硅131与P型多晶硅132交 替形成的钳位二极管串13，所述钳位二极管串13 —端与主开关管金属控制电极2相连，另 一端与金属阳电极3相连；所述第二 P型层9与所述二极管串之间是场氧化层12，各金属 电极之间是起隔离作用的氧化层14。若所述功率变换器的主开关管是常规横向MOS器件，如图4所示，包括一个 由一个第二 P型层9或若干个并排的第二 P型层9、N—漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结构，其中一个或若干个并排的第二 P型层9位于N—漂移区10中；由金属 阳电极3所连接的N+区7、N_漂移区10、包围与主开关管自身金属阴电极1所连接的N+区 7和P+区6的P型区8、以及与主开关自身金属阴电极1所连接的N+区7和P+区6构成的 导电通道；位于主开关管金属控制电极2与金属阳电极3之间、由若干N型多晶硅131与P 型多晶硅132交替形成的钳位二极管串13，所述钳位二极管串13—端本文档来自技高网...
【技术保护点】
具有多泄放通道可控自钳位ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ复合横向功率器件，包括一个功率变换器的主开关管和一个ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ器件；所述功率变换器的主开关管和ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ器件集成于同一Ｐ型衬底（１１）上；所述ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ器件包括：一个由第一Ｐ型层（９）、Ｎ↑［－］漂移区（１０）和Ｐ型衬底（１１）构成的Ｄｏｕｂｌｅ－ＲＥＳＵＲＦ结构，其中第一Ｐ型层（９）位于Ｎ↑［－］漂移区（１０）中；一个由金属阳电极（３）所连接的Ｎ↑［＋］区（７）、Ｎ↑［－］漂移区（１０）和金属阴电极（５）所连接的Ｎ↑［＋］区（７）构成的充电与电流检测通道，其中金属阳电极（３）所连接的Ｎ↑［＋］区（７）和金属阴电极（５）所连接的Ｎ↑［＋］区（７）分别位于第一Ｐ型层（９）两侧的Ｎ↑［－］漂移区（１０）中；一个位于第一Ｐ型层（９）和金属阴电极（５）所连接的Ｎ↑［＋］区（７）之间、且由金属控制电极（４）所连接Ｐ↑［＋］区（６）和包围金属控制电极（４）所连接Ｐ↑［＋］区（６）的Ｐ型区（８）构成的可控栅区；第一Ｐ型层（９）表面是场氧化层（１２），场氧化层（１２）和金属阴电极（５）之间具有一个多晶硅区（１３１），各金属电极之间是起隔离作用的氧化层（１２）；所述功率变换器的主开关管与所述ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ器件共用阳极，但所述功率变换器的主开关管中电流方向与所述ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ器件中电流方向相互垂直，即功率变换器的主开关管的横向轴线与ＳｅｎｓｏｒＦＥＴ器件的横向轴线相互垂直。...
【技术特征摘要】
具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，包括一个功率变换器的主开关管和一个SensorFET器件；所述功率变换器的主开关管和SensorFET器件集成于同一P型衬底(11)上；所述SensorFET器件包括一个由第一P型层(9)、N 漂移区(10)和P型衬底(11)构成的Double RESURF结构，其中第一P型层(9)位于N 漂移区(10)中；一个由金属阳电极(3)所连接的N+区(7)、N 漂移区(10)和金属阴电极(5)所连接的N+区(7)构成的充电与电流检测通道，其中金属阳电极(3)所连接的N+区(7)和金属阴电极(5)所连接的N+区(7)分别位于第一P型层(9)两侧的N 漂移区(10)中；一个位于第一P型层(9)和金属阴电极(5)所连接的N+区(7)之间、且由金属控制电极(4)所连接P+区(6)和包围金属控制电极(4)所连接P+区(6)的P型区(8)构成的可控栅区；第一P型层(9)表面是场氧化层(12)，场氧化层(12)和金属阴电极(5)之间具有一个多晶硅区(131)，各金属电极之间是起隔离作用的氧化层(12)；所述功率变换器的主开关管与所述SensorFET器件共用阳极，但所述功率变换器的主开关管中电流方向与所述SensorFET器件中电流方向相互垂直，即功率变换器的主开关管的横向轴线与SensorFET器件的横向轴线相互垂直。2.根据权利要求1所述的具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器 件，其特征在于，所述功率变换器的主开关管是横向MOS复合类器件，包括一个由一个第二P型层(9)或若干个并排的第二 P型层(9)、N—漂移区(10)和P型衬底(11)构成的 Double-RESURF结构，其中一个或若干个并排的第二 P型层(9)位于N...
【专利技术属性】
技术研发人员：李泽宏，邓光平，钱振华，胡涛，洪辛，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90
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