同步開關(guān)變換器及用于同步開關(guān)變換器的集成半導(dǎo)體開關(guān)器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及電子電路，更具體地涉及集成半導(dǎo)體開關(guān)器件。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子設(shè)備的發(fā)展，半導(dǎo)體開關(guān)器件已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種開關(guān)變換器中。例如，同步降壓式開關(guān)變換器包括耦接在輸入端和系統(tǒng)地之間的上側(cè)功率開關(guān)管和下側(cè)同步開關(guān)管，同步降壓式開關(guān)變換器通過其上側(cè)功率開關(guān)管和下側(cè)同步開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷將輸入電壓轉(zhuǎn)換為具有一定占空比的脈沖信號，并通過輸出濾波電路產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出電壓。然而，由于下側(cè)同步開關(guān)管的體二極管導(dǎo)通時的正向?qū)▔航递^大，其導(dǎo)通損耗較大，并且體二極管較慢的反向恢復(fù)特性進一步的增大了動態(tài)損耗，導(dǎo)致同步降壓式開關(guān)變換器的整體效率難以大幅提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)中的一個或多個問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種集成半導(dǎo)體開關(guān)器件和一種同步開關(guān)變換器。
[0004]根據(jù)本發(fā)明一實施例的一種用于同步開關(guān)變換器的集成半導(dǎo)體開關(guān)器件，包括:第一半導(dǎo)體單元，包括具有體二極管的MOS元件，所述MOS元件具有源極、漏極和柵極；以及第二半導(dǎo)體單元，與第一半導(dǎo)體單元并聯(lián)連接，所述第二半導(dǎo)體單元包括二極管，所述二極管具有陽極和陰極，其中陽極耦接至MOS元件的源極，陰極耦接至MOS元件的漏極，所述二極管的導(dǎo)通壓降小于MOS元件體二極管的導(dǎo)通壓降；其中第二半導(dǎo)體單元根據(jù)流過集成半導(dǎo)體開關(guān)器件的電流分布而不均勻地分布于第一半導(dǎo)體單元中不均勻地分布。
[0005]根據(jù)本發(fā)明一實施例的一種用于同步開關(guān)變換器的集成半導(dǎo)體開關(guān)器件，包括:第一半導(dǎo)體單元，包括具有體二極管的MOS元件，所述MOS元件具有源極、漏極和柵極；以及第二半導(dǎo)體單元，與第一半導(dǎo)體單元并聯(lián)連接，所述第二半導(dǎo)體單元包括金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，所述金屬氧化物場效應(yīng)晶體管具有源極、漏極和柵極，其中金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的漏極耦接至MOS元件的漏極，金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的源極和柵極耦接至MOS元件的源極，所述金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的開啟電壓小于MOS元件的開啟電壓;其中第二半導(dǎo)體單元根據(jù)流過集成半導(dǎo)體開關(guān)器件的電流分布而不均勻地分布于第一半導(dǎo)體單元中。
[0006]根據(jù)本發(fā)明一實施例的一種同步開關(guān)變換器，包括輸入端口和提供輸出信號的輸出端口，所述同步開關(guān)變換器包括:輸入電容，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至輸入端口，第二端耦接至系統(tǒng)地;功率開關(guān)，可控制為調(diào)節(jié)輸出信號；電感，在功率開關(guān)導(dǎo)通時儲存能量，以及在功率開關(guān)關(guān)斷時釋放能量；同步開關(guān)，可控制為在功率開關(guān)關(guān)斷時提供電感電流的傳導(dǎo)路徑；以及輸出電容，具有第一端和第二端，其中所述輸出電容的第一端耦接至輸出端口，所述輸出電容的第二端耦接至系統(tǒng)地;其中同步開關(guān)包括上述集成半導(dǎo)體開關(guān)器件。
[0007]根據(jù)本發(fā)明一實施例的一種用于同步開關(guān)變換器的半導(dǎo)體開關(guān)器件，包括:第一半導(dǎo)體單元，包括第一摻雜類型的半導(dǎo)體襯底，第二摻雜類型的外延層，在外延層中形成的第一摻雜類型的體區(qū)和第二摻雜類型的漂移區(qū)，在體區(qū)中形成的第二摻雜類型的源極，在漂移區(qū)中形成的第二摻雜類型的漏極，位于源極和漏極之間的柵介質(zhì)層，以及位于柵介質(zhì)層上方的柵極，其中所述第一摻雜類型和第二摻雜類型相反；以及第二半導(dǎo)體單元，包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，其中第一區(qū)域電連接至第一半導(dǎo)體單元的漏極，第二區(qū)域電連接至第一半導(dǎo)體單元的源極;其中第二半導(dǎo)體單元根據(jù)電流的分布不均勻地分布于第一半導(dǎo)體單元中。
[0008]根據(jù)本發(fā)明提出的實施例，從整體上減小了集成半導(dǎo)體開關(guān)器件的功率損耗，提高了效率。
【附圖說明】
[0009]結(jié)合附圖，根據(jù)對示例性實施例的以下說明，本發(fā)明的總體構(gòu)思的上述和/或其他方面將變得顯而易見并更易于理解，在附圖中，相同或相似的附圖標記指示相同或相似的組成部分。其中:
[0010]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的開關(guān)變換器100的電路框圖。
[0011]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1所示的同步開關(guān)12的布局圖200。
[0012]圖3a?3e不出了根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1所不的功率開關(guān)11、同步開關(guān)12、以及輸入電容Cin的布局圖300a?300e。
[0013]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的同步開關(guān)變換器400的電路框圖。
[0014]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例圖4所示同步開關(guān)12的剖視圖。
[0015]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的同步開關(guān)變換器600的電路框圖。
【具體實施方式】
[0016]下面將詳細描述本發(fā)明的具體實施例，應(yīng)當注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不用于限制本發(fā)明。在下面對本發(fā)明的詳細描述中，為了更好地理解本發(fā)明，描述了大量的細節(jié)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，沒有這些具體細節(jié)，本發(fā)明同樣可以實施。為了清晰明了地闡述本發(fā)明，本文簡化了一些具體結(jié)構(gòu)和功能的詳細描述。此外，在一些實施例中已經(jīng)詳細描述過的類似的結(jié)構(gòu)和功能，在其它實施例中不再贅述。盡管本發(fā)明的各項術(shù)語是結(jié)合具體的示范實施例來一一描述的，但這些術(shù)語不應(yīng)理解為局限于這里闡述的示范實施方式。
[0017]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的同步開關(guān)變換器100的電路框圖。同步開關(guān)變換器100包括接收輸入電壓的輸入端口 IN、耦接在輸入端口 IN和系統(tǒng)地之間的輸入電容Cin、輸出端口 OUT、耦接在輸出端口 OUT和系統(tǒng)地之間的輸出電容Cout、電感L、功率開關(guān)11、以及同步開關(guān)12。電感L在功率開關(guān)11導(dǎo)通時儲存能量，在功率開關(guān)11關(guān)斷時釋放能量?？赏ㄟ^控制功率開關(guān)11調(diào)節(jié)輸出端口 OUT提供的輸出信號。在一個實施例中，功率開關(guān)11包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)等半導(dǎo)體開關(guān)器件。圖1所示的實施例中，功率開關(guān)11包括源極S、漏極D和柵極G，其柵極接收開關(guān)控制信號Vgl。同步開關(guān)12可控制為在功率開關(guān)11關(guān)斷時提供電感電流的傳導(dǎo)路徑。同步開關(guān)12包括由第一半導(dǎo)體單元13和第二半導(dǎo)體單元14集成的半導(dǎo)體開關(guān)器件。第一半導(dǎo)體單元13包括具有體二極管Dl的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)元件，所述MOS元件具有源極S、漏極D和柵極G，其柵極G接收開關(guān)控制信號Vg2。第二半導(dǎo)體單元14與第一半導(dǎo)體單元13并聯(lián)連接。第二半導(dǎo)體單元14包括具有低開啟電壓的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管或具有快恢復(fù)特性的二極管。在一個實施例中，第二半導(dǎo)體單元14包括肖特基二極管，其陽極耦接至第一半導(dǎo)體單元13中MOS元件的源極S，其陰極耦接至第一半導(dǎo)體單元13中MOS元件的漏極D。在另一個實施例中，第二半導(dǎo)體單元14包括具有較低開啟電壓的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管。
[0018]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1所示的同步開關(guān)12的布局圖200。在圖2所示的實施例中，第二半導(dǎo)體單元14均勻的分布于第一半導(dǎo)體單元13中。同步開關(guān)12包括多個半導(dǎo)體模塊21，每個半導(dǎo)體模塊21均由第一半導(dǎo)體單元13與第二半導(dǎo)體單元14并聯(lián)組成，在每個半導(dǎo)體模塊21中，第一半導(dǎo)體單元13與第二半導(dǎo)體單元14都按總面積比均勻分布。
[0019]然而在實際應(yīng)用中，由印刷電路板(PCB)、集成電路的封裝等帶來的不均勻分布的寄生電感，導(dǎo)致流過同步開關(guān)12的電流Il并不是均勻分布的。圖3a?圖3e示出了優(yōu)化的實施例，第二半導(dǎo)體單元14根據(jù)流過同步開關(guān)12的電流Il的分布而不均勻地分布于第一半導(dǎo)體單元13中。在一個實施例中，第一半導(dǎo)體單元13與第二半導(dǎo)體單元14在保持總面積比不變的情況下，局部面積比隨著電流Il分布的變化而變化，從而在不改變同步開關(guān)12導(dǎo)通損耗等其它特性的同時，減小動態(tài)損耗，從整體上進一步提高電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。例如，在電流Il越大的區(qū)域，第二半導(dǎo)體單元14所占的面積越大，第一半導(dǎo)體單元13所占的面積越小。以及在電流Il越小的區(qū)域，第二半導(dǎo)體單元14所占的面積越小，第一半導(dǎo)體單元13所占的面積越大。
[°02°]圖3a?圖3e不出了根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1所不的功率開關(guān)11、同步開關(guān)12、以及輸入電容Cin的布局圖300a?300e。在圖3a?圖3e所示的實施例中，第二半導(dǎo)體單元14根據(jù)流過同步開關(guān)12的電流Il的分布而不均勻地分布于第一半導(dǎo)體單元13中。其中越靠近輸入電容Cin的區(qū)域，電流Il越大，第二半導(dǎo)體單元14所占的面積越大，第一半導(dǎo)體單元13所占的面積越小;反之，越遠離輸入電容Cin的區(qū)域，電流Il越小，第二半導(dǎo)體單元14所占的面積越小，第一半導(dǎo)體單元13所占的面積越大。在圖3a所示的實施例中，第二半導(dǎo)體單元14和第一半導(dǎo)體單元13的面積比在遠離輸入電容Cin的方向X上逐漸減小。在圖3b和圖3c所示的實施例中，第二半導(dǎo)體單元14和第一半導(dǎo)體單元13的面積比在遠離輸入電容Cin的方向X和方向Y上同時減小。在圖3d所示的實施例中，第二半導(dǎo)體單元14和第一半導(dǎo)體單元13的面積比在相反的兩個反向X、_X上同時增大。在圖3e所示的實施例中，第二半導(dǎo)體單元14和第一半導(dǎo)體單元13的面積比在方向X和方向-X上增大，在方向Y上減小，其中方向X和方向-X相反，方向Y垂直于方向X和方向-X。
[0021]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的同步開關(guān)變換器400的電路框圖。在圖4所示的實施