三电极单向导通场效应管.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103023470 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103023470 A *CN103023470A* (21)申请号 201110301169.7 (22)申请日 2011.09.28 H03K 17/687(2006.01) (71)申请人 上海岭芯微电子有限公司 地址 200233 上海市徐汇区宜山路 810 号 1 号楼 4 楼 (72)发明人 曾蕴浩 杨小荣 (74)专利代理机构 上海专利商标事务所有限公 司 31100 代理人 骆希聪 (54) 发明名称 三电极单向导通场效应管 (57) 摘要 本发明涉及一种三电极单向导通场效应管， 。

2、包括主开关管、 电源选择器、 主开关栅极控制电 路、 以及主开关衬底控制电路。主开关管具有源 极、 漏极、 栅极和衬底。电源选择器选择主开关管 的源极电压和漏极电压中的较高电压作为内部电 压， 利用内部电压和一第一电压来对场效应管的 内部电路供电。主开关栅极控制电路， 比较主开 关管的源极电压和漏极电压， 并根据比较结果选 择内部电压和第一电压之一为主开关管的栅极电 压， 当主开关管的栅极施加第一电压时， 主开关管 导通， 当主开关管的栅极施加内部电压时， 主开关 管关闭。主开关衬底控制电路依据栅极电压控制 主开关管的衬底电压， 当主开关管关闭时， 施加在 主开关管的衬底电压是内部电压， 从而。

3、使主开关 管截止。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 4 页 1/1 页 2 1. 一种三电极单向导通场效应管， 包括 ： 主开关管， 具有源极、 漏极、 栅极和衬底 ； 电源选择器， 选择所述主开关管的源极电压和漏极电压中的较高电压作为内部电压， 利用所述内部电压和一第一电压来对场效应管的内部电路供电 ； 主开关栅极控制电路， 比较主开关管的源极电压和漏极电压， 并根据比较结果选择所 述内部电压和所述第一电压之一为主开关管的栅极电压， 当所述主开关管的。

4、栅极施加所述 第一电压时， 所述主开关管导通， 当所述主开关管的栅极施加所述内部电压时， 所述主开关 管关闭 ； 主开关衬底控制电路， 依据所述栅极电压控制所述主开关管的衬底电压， 当所述主开 关管关闭时， 施加在所述主开关管的衬底电压是所述内部电压， 从而使所述主开关管截止。 2. 如权利要求 1 所述的三电极单向导通场效应管， 其特征在于， 所述主开关衬底控制 电路包括第一开关管、 第二开关管和反相器 ； 所述反相器输入端连接所述主开关栅极控制电路的输出端 ； 所述第一开关管的栅极连接所述主开关管的栅极， 所述第一开关管的源极和漏极之一 者连接所述主开关管的衬底， 所述第一开关管的源极和漏。

5、极之另一者连接所述主开关管的 源极和漏极之一者 ； 所述第二开关管的栅极连接所述反相器的输出端， 所述第二开关管的 源极和漏极之一者连接所述主开关管的衬底， 所述第二开关管的源极和漏极之另一者连接 所述主开关管的源极和漏极之另一者。 3. 如权利要求 1 所述的三电极单向导通场效应管， 其特征在于， 所述主开关管为 PMOS 管。 4. 如权利要求 2 所述的三电极单向导通场效应管， 其特征在于， 所述第一开关管和所 述第二开关管是 PMOS 管。 5. 如权利要求 1 所述的三电极单向导通场效应管， 其特征在于， 所述主开关管为 NMOS 管。 6. 如权利要求 2 所述的三电极单向导通场效。

6、应管， 其特征在于， 所述第一开关管和所 述第二开关管是 NMOS 管。 7. 如权利要求 1 所述的三电极单向导通场效应管， 其特征在于， 所述主开关栅极控制 电路为一比较器， 所述比较器的两输入端之间具有一失调电压。 权 利 要 求 书 CN 103023470 A 2 1/3 页 3 三电极单向导通场效应管 技术领域 0001 本发明涉及应用于集成电路和电子线路上的晶体管， 尤其是涉及一种三电极单向 导通场效应管。 背景技术 0002 传统 MOSFET( 金属氧化物半导体场效应管 ) 有源极、 漏极、 栅极和衬底四个电极。 参照图 1 所示， 三电极的 MOSFET 衬底和源极在内部直。

7、接相连， 仅引出源极 (S)、 漏极 (D)、 栅 极 (G) 三个电极。由于场效应管的寄生体二极管的存在， 当漏极电压高于源极电压时， 寄生 体二极管 D1 导通， 产生了反向电流。因此， 此类三电极的场效应管无法实现反向电流截止。 在需要反向截止的应用中， 通常使用肖特基管 D2 与场效应管串联。由于串联的肖特基二极 管存在正向压降， 导致了电能的损耗。 并且， 肖特基二极管的反向击穿电压， 也限制了应用。 以上是以 PMOS 为例描述现有技术的缺陷， 这一缺陷也存在于 NMOS 中。 发明内容 0003 本发明的一个目的是提供一种三电极单向导通场效应管， 其通过动态检测场效应 管的源漏电。

8、压， 来控制场效应管的衬底电压和栅极驱动电压， 来达到正向导通， 反向截止的 特性。 0004 本发明提出一种三电极单向导通场效应管， 包括主开关管、 电源选择器、 主开关栅 极控制电路、 以及主开关衬底控制电路。主开关管具有源极、 漏极、 栅极和衬底。电源选择 器选择主开关管的源极电压和漏极电压中的较高电压作为内部电压， 利用内部电压和一第 一电压来对场效应管的内部电路供电。主开关栅极控制电路， 比较主开关管的源极电压和 漏极电压， 并根据比较结果选择内部电压和第一电压之一为主开关管的栅极电压， 当主开 关管的栅极施加第一电压时， 主开关管导通， 当主开关管的栅极施加内部电压时， 主开关管 。

9、关闭。 主开关衬底控制电路依据栅极电压控制主开关管的衬底电压， 当主开关管关闭时， 施 加在主开关管的衬底电压是内部电压， 从而使主开关管截止。 0005 在本发明的一实施例中， 主开关衬底控制电路包括第一开关管、 第二开关管和反 相器 ； 反相器输入端连接主开关栅极控制电路的输出端。第一开关管的栅极连接主开关管 的栅极， 第一开关管的源极和漏极之一者连接主开关管的衬底， 第一开关管的源极和漏极 之另一者连接主开关管的源极和漏极之一者 ； 第二开关管的栅极连接反相器的输出端， 第 二开关管的源极和漏极之一者连接主开关管的衬底， 第二开关管的源极和漏极之另一者连 接主开关管的源极和漏极之另一者。。

10、 0006 在本发明的一实施例中， 主开关管为 PMOS 管。第一开关管和第二开关管是 PMOS 管。 0007 在本发明的一实施例中， 主开关管为 NMOS 管。第一开关管和第二开关管是 NMOS 管。 0008 在本发明的一实施例中， 主开关栅极控制电路为一比较器， 比较器的两输入端之 说 明 书 CN 103023470 A 3 2/3 页 4 间具有一失调电压。 0009 本发明的三电极单向导通场效应管通过衬底控制电路和栅极控制电路， 使得只有 在主开关管正向导通时才有电流， 而主开关管关闭时， 会反向截止， 没有反向电流。本发明 的场效应管兼容于主流集成电路制造工艺， 可以方便地在各。

11、平台上实现三电极单向导通的 PMOS/NMOS。 附图说明 0010 为让本发明的上述目的、 特征和优点能更明显易懂， 以下结合附图对本发明的具 体实施方式作详细说明， 其中 ： 0011 图 1 示出传统的三电极场效应管的电路结构。 0012 图 2、 图 3 示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的电路结构， 其中 图 2 为 PMOS 结构， 图 3 为 NMOS 结构。 0013 图 4 为根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的工作波形图。 0014 图 5 示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的转移特性曲线。 0015 图 6 示出根据本发明一实施例的三电极单。

12、向导通场效应管的输出特性曲线。 具体实施方式 0016 图 2 示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的电路结构， 这一场效 应管是基于 PMOS 的单向开关。参照图 2 所示， 本实施例的场效应管包括主开关管 MPSW， 由 衬底连接开关管 MPB1、 MPB2 和反相器 I2 构成的主开关衬底控制电路， 电源选择器 I0， 以及 主开关栅极控制电路。主开关管 MPSW 负责电流的导通和关断。 0017 在主开关衬底控制电路中， 反相器 I2 把 gate_buf 信号转换成反向的 g_ 信号。 gate_buf 和 g_ 信号分别控制主开关管 MPSW 的衬底连接开关管 MPB1 。

13、和 MPB2。由于 gate_ buf 与 g_ 反向， 因此， 任何时候， MPB1 与 MPB2 仅有一个开启。由此， 实现了主开关衬底的控 制。 0018 电源选择器 I0 为内部电源电路。电源选择器 I0 具有两输入端 in1， in2 和一输出 端 out。电源选择器 I0 比较 in1， in2 输入电压， 即源极 S 与漏极 D 的电压的高低， 并选择 较高的电压作为内部电路的电源 Vdd_internal， 在此称为内部电压。由于内部电路的地线 全部连接到 G 端， 因此内部电路通过内部电压 Vdd_internal 与第一电压 V(G) 间供电。 0019 主开关栅极控制电路。

14、比较主开关管 MPSW 的源极 S 的电压和漏极 D 的电压， 并根据 比较结果选择内部电压 Vdd_internal 和第一电压 V(G) 之一为主开关管的栅极电压。当源 极 S 的电压大于漏极 D 的电压时， 主开关栅极控制电路会施加第一电压 V(G) 给主开关管的 栅极， 此时主开关管导通 ； 当源极 S 的电压小于漏极 D 的电压时， 主开关栅极控制电路会施 加内部电压 Vdd_internal( 等于此时的源极 S 的电压 ) 给主开关管的栅极， 此时主开关管 关闭。 0020 进而， 主开关衬底控制电路会依据主开关管的栅极电压控制主开关管 MPSW 的衬 底电压。当主开关管 MPS。

15、W 导通时， 施加在主开关管的衬底电压是源极 S 的电压， 从而主开 关管具有正向电流。 当主开关管MPSW关闭时， 施加在主开关管的衬底电压是内部电压Vdd_ internal( 等于此时的源极 S 的电压 )， 从而使主开关管截止， 没有反向电流。 说 明 书 CN 103023470 A 4 3/3 页 5 0021 主开关栅极控制电路具有比较器 I1， 比较器正、 负输入间具有 V0 的失调电压。 0022 图 4 为根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的工作波形图。结合参照 图 2 和图 4 所示， 比较器 I1 比较 S 与 D 端的电压， 当 V(S) V(D)+V0 时，。

16、 比较器 I1 输出低 电平。由于比较器地线为 G， 因此， 比较器输出电压 V(gate_buf) V(G)。主开关管 MPSW 打开， 此时衬底电压为 V(S)， 实现正向导通。 0023 当 V(S) V(D)+V0 时， 比较器 I1 输出 gate_buf 为高电平 ( 为电源选择器 I0 输 出的电压即 V(D)， 此时 g_ 为低电平 V(G)， 衬底连接开关管 MPB2 开启， 主开关管 MPSW 的栅 极电压为 V(D)， 衬底电压为 V(D)， 因此主开关管 MPSW 关闭， 并且实现反向截止。 0024 通过调节合适大小的 V0， V0 即为正向导通的最小正向电压。 00。

17、25 图 3 示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的电路结构， 这一场效 应管是基于 NMOS 的单向开关， 其原理和图 2 所示结构类似， 在此不再展开描述。 0026 图 5 示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的转移特性曲线。图 6 示出根据本发明一实施例的三电极单向导通场效应管的输出特性曲线。 由上述曲线可以看 出， 该器件具有单向导通功能， 并且， 在正向导通状态下， 直流特性与普通 MOS 管相同。反向 击穿电压可以到 8V 以上， 因此在应用上有很好的兼容性。 0027 本发明实施例的场效应管兼容于主流集成电路制造工艺， 可以方便地在各平台上 实现三电极单向导。

18、通的 PMOS/NMOS。 0028 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上， 然其并非用以限定本发明， 任何本领域技 术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内， 当可作些许的修改和完善， 因此本发明的保护范 围当以权利要求书所界定的为准。 说 明 书 CN 103023470 A 5 1/4 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103023470 A 6 2/4 页 7 图 3 说 明 书 附 图 CN 103023470 A 7 3/4 页 8 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103023470 A 8 4/4 页 9 图 6 说 明 书 附 图 CN 103023470 A 9 。