專利名稱：半導(dǎo)體裝置、電源裝置及信息處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用MOS晶體管作為輸出裝置的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
如圖9所示，常規(guī)的電源裝置通過打?qū)ê徒刂馆敵鯩OS晶體 管900的柵極，經(jīng)由輸出端子30輸出所需的輸出電壓。這里，在輸出 MOS晶體管900的源極區(qū)和漏極區(qū)之間，通常存在作為寄生器件的體 二極管BD。因而，如果由于某些原因，在輸入端子20和輸出端子30 之間施加反向偏置，那么電流將通過體二極管BD而在源極和漏極之 間流動，并且這使得不可能在源極區(qū)和漏極區(qū)之間絕緣。
在如下列出的專利文件1中，公開了一種克服由于體二極管BD 的存在而導(dǎo)致的上述問題的方法。然而，這種方法需要多個開關(guān)。因 此需要很大的電路面積。而且，這種方法使用串連的MOS晶體管， 因而在穩(wěn)定輸出狀態(tài)時，在MOS晶體管兩端存在高導(dǎo)通狀態(tài)電阻， 導(dǎo)致效率低下。
圖10中所示的另一種方法是，將MOS晶體管910的背柵極連接 到基準(zhǔn)電勢，從而不能形成體二極管BD。這使得可以將源極區(qū)和漏 極區(qū)之間絕緣。
當(dāng)采用圖10中所示的配置時，MOS晶體管910工作在非飽和區(qū)。 因而，下面的公式(1)(非飽和區(qū)公式)給出了 MOS晶體管910的 漏極電流Id。在公式(1)中，參數(shù)Vgs表示MOS晶體管910的柵極 -源極電壓，以及參數(shù)Vds表示MOS晶體管910的漏極-源極電壓。
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
專利文件l: JP-A-H10-341141 專利文件2: JP-A-S62-03042
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題
當(dāng)然，釆用圖10中所示的配置有助于去除體二極管，因而有助 于將MOS晶體管910的源極區(qū)和漏極區(qū)絕緣。
然而，例如，如圖10中所示將MOS晶體管910的背柵極區(qū)固定 在地電勢，由于所謂的襯底偏置效應(yīng)，就在MOS晶體管910的源極 區(qū)和背柵極區(qū)之間產(chǎn)生了正電勢差Vbs。因此，同沒有襯底偏置效應(yīng) (Vbs=0)時相比，公式(3)所給出的MOS晶體管910的器件閾值 電壓Vt更高，并且因此公式(1)所給出的漏極電流Id相應(yīng)地更小。 因此，圖10中所示的常規(guī)配置存在MOS晶體管910低性能的缺點(diǎn)。
上面所列的專利文件2公開了一種減少襯底偏置效應(yīng)的方法。然 而，在這種方法中，如果施加反向偏置，那么電流流過寄生二極管，
可能導(dǎo)致過多的電流流過MOS晶體管。
本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體裝置，其包括作為輸出器件的 MOS晶體管，而且即使在輸入端子和輸出端子之間施加反向偏置時， 其仍然能夠?qū)烧呓^緣，并且還可以減少襯底偏置效應(yīng)導(dǎo)致的漏極電 流。
解決問題的技術(shù)手段
為了實(shí)現(xiàn)上面的目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了包括MOS 晶體管的半導(dǎo)體裝置，所述MOS晶體管含有背柵極區(qū)、用作源極區(qū) 和漏極區(qū)中之一的第一區(qū)、和用作源極區(qū)和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)， 所述半導(dǎo)體裝置可以具有輸入電壓端子，其連接到第一區(qū)并且從半 導(dǎo)體裝置之外接收輸入電壓；輸出電壓端子，其連接到第二區(qū)，并且 將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝置之外；以及背柵極控制電路，其在輸入 電壓和輸出電壓之間選擇，并饋送輸入電壓和輸出電壓之一到背柵極 區(qū)。(第一配置)
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，更為具體的，提供了包括N溝道MOS 晶體管的半導(dǎo)體裝置，所述N溝道MOS晶體管含有背柵極區(qū)、用作 源極區(qū)和漏極區(qū)的第一區(qū)、和用作源極區(qū)和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)， 所述半導(dǎo)體裝置可以具有輸入電壓端子，其連接到第一區(qū)并且從半 導(dǎo)體裝置之外接收輸入電壓；輸出電壓端子，其連接到第二區(qū)，并且 將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝置之外；以及背柵極控制電路，其在輸入 電壓和輸出電壓之間選擇，并饋送輸入電壓和輸出電壓中較低的電壓 到背柵極區(qū)。(第二配置)
根據(jù)本發(fā)明的上述方面，可選的，提供了包括P溝道MOS晶體 管的半導(dǎo)體裝置，所述P溝道MOS晶體管含有背柵極區(qū)、用作源極 區(qū)和漏極區(qū)的第一區(qū)、和用作源極區(qū)和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)，所 述半導(dǎo)體裝置可以具有輸入電壓端子，其連接到第一區(qū)并且從半導(dǎo) 體裝置之外接收輸入電壓；輸出電壓端子，其連接到第二區(qū)，并且將
輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝置之外；以及背柵極控制電路，其在輸入電 壓和輸出電壓之間選擇，并饋送輸入電壓和輸出電壓中較高的電壓到 背柵極區(qū)。(第三配置)
根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種半導(dǎo)體裝置具有MOS晶體管，所 述MOS晶體管含有第一傳導(dǎo)性類型的半導(dǎo)體襯底，在該半導(dǎo)體襯底 上形成的第二傳導(dǎo)性類型的第一第二傳導(dǎo)性類型區(qū)，在第一第二傳導(dǎo) 性類型區(qū)內(nèi)形成的第一傳導(dǎo)性類型的第一第一傳導(dǎo)性類型區(qū)，在第一 第一傳導(dǎo)性類型區(qū)內(nèi)形成的第二傳導(dǎo)性類型的第二第二傳導(dǎo)性類型 區(qū)，并且用作源極區(qū)和漏極區(qū)中之一，在第一第一傳導(dǎo)性類型區(qū)內(nèi)形 成的第二傳導(dǎo)性類型的第三第二傳導(dǎo)性類型區(qū)，并且用作源極區(qū)和漏 極區(qū)中的另一個，以及在第一第一傳導(dǎo)性類型區(qū)內(nèi)形成的第一傳導(dǎo)性 類型的第二第一傳導(dǎo)性類型區(qū)；以及輸入電壓端子，其連接到第二第 二傳導(dǎo)性類型區(qū)，并且從半導(dǎo)體裝置之外接收輸入電壓；輸出電壓端 子，其連接到第三第二傳導(dǎo)性類型區(qū)，并且將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體 裝置之外；以及背柵極控制電路，其將輸入電壓和輸出電壓之一施加 到第二第一傳導(dǎo)性類型區(qū)。(第四配置)
在如上所述的第四配置的半導(dǎo)體裝置中，優(yōu)選的，第一傳導(dǎo)性類 型是P型傳導(dǎo)性，第二傳導(dǎo)性類型是N型傳導(dǎo)性，并且背柵極控制電 路將輸入電壓和輸出電壓中較低的一個施加到背柵極區(qū)。(第五配置)
可選的，在如上所述的第四配置的半導(dǎo)體裝置中，優(yōu)選的，第一 傳導(dǎo)性類型是N型傳導(dǎo)性，第二傳導(dǎo)性類型是P型傳導(dǎo)性，并且背柵 極控制電路將輸入電壓和輸出電壓中較高的一個施加到背柵極區(qū)。 (第六配置)
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了包括MOS晶體管的半導(dǎo)體裝置， 所述MOS晶體管含有背柵極區(qū)、用作源極區(qū)和漏極區(qū)中之一的第一 區(qū)、和用作源極區(qū)和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)，所述半導(dǎo)體裝置具有 輸入電壓端子，其連接到第一區(qū)并且從半導(dǎo)體裝置之外接收輸入電壓； 輸出電壓端子，其連接到第二區(qū)，并且將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝置 之外；以及背柵極控制電路，其施加電壓到背柵極區(qū)，使得施加到源 極區(qū)的電壓和施加到背柵極區(qū)的電壓是相等的。(第七配置)在第一到第七配置中的任一個半導(dǎo)體裝置中，優(yōu)選的，還提供了 柵極控制電路，其控制施加到MOS晶體管柵極的電壓，使得輸出電 壓保持不變。(第八配置)
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了包括MOS晶體管的半導(dǎo)體裝置， 所述MOS晶體管含有背柵極區(qū)、用作源極區(qū)和漏極區(qū)中之一的第一
區(qū)、和用作源極區(qū)和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)，所述半導(dǎo)體裝置包括: 輸入電壓端子，其連接到第一區(qū)并且從半導(dǎo)體裝置之外接收輸入電壓； 輸出電壓端子，其連接到第二區(qū)，并且將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝置 之外；比較器，其根據(jù)輸入電壓和輸出電壓之間的電壓關(guān)系，反轉(zhuǎn)其 輸出；第一開關(guān)，其根據(jù)比較器的輸出而打開和閉合，第一開關(guān)的第 一端連接到輸入電壓端子，第一開關(guān)的第二端連接到MOS晶體管的 背柵極區(qū)；第二開關(guān)，其根據(jù)比較器的輸出與第一開關(guān)互補(bǔ)地打開和 閉合，第二開關(guān)的第一端連接到輸出電壓端子，第二開關(guān)的第二端連 接到MOS晶體管的背柵極區(qū)；以及用于控制MOS晶體管柵極端子的 控制裝置，所述控制裝置具有低電壓輸出端子，控制裝置在低電壓輸 出端子輸出最小柵極電壓，使得背柵極區(qū)連接到出現(xiàn)較低的電壓的端 子。(第九配置)
根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種電源裝置具有上述第八或第九配 置中的半導(dǎo)體裝置； 一端連接到半導(dǎo)體裝置輸出端子的電感元件；以 及電容元件，其一端連接到電感元件的另一端，其另一端連接到施加 基準(zhǔn)電壓的節(jié)點(diǎn)。(第十配置)
根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種信息處理裝置具有上述第八或第 九配置中的半導(dǎo)體裝置；連接到半導(dǎo)體裝置輸入端子的交流-直流轉(zhuǎn)換 裝置；連接到半導(dǎo)體裝置輸出端子的二次電池；以及由交流-直流轉(zhuǎn)換 裝置和二次電池供電的控制裝置。
發(fā)明的有益效果
根據(jù)本發(fā)明，在沒有增加背柵極區(qū)和源極區(qū)之間，或是背柵極區(qū) 和漏極區(qū)之間的電勢差的情況下，可以防止寄生二極管起作用，因此， 可以將輸入端子和輸出端子之間絕緣。
換句話說，根據(jù)本發(fā)明，可以防止輸出端子到輸入端子的反向電 流，并且還可以使施加到背柵極取得電壓等于施加到源極區(qū)或漏極區(qū) 的電壓。因而，可以減少背柵極區(qū)和源極區(qū)之間的電勢差，并且因此
可以減少漏極電流Id的降低。即，根據(jù)本發(fā)明，可以防止MOS晶體 管進(jìn)行不佳的操作。
而且，根據(jù)本發(fā)明，不必提供多個串連的MOS晶體管，因而， 可以避免增加電路的面積或是增加輸出導(dǎo)通狀態(tài)電阻。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在包括MOS晶體管作為輸出器件的半 導(dǎo)體裝置中，通過根據(jù)MOS晶體管的源極區(qū)或漏極區(qū)電壓，控制其 背柵極區(qū)，更為具體的，通過選擇等于MOS晶體管漏極區(qū)或源極區(qū) 電壓的電壓，并將所選擇的電壓施加到MOS晶體管的背柵極區(qū)，即 使在輸入端子和輸出端子之間施加反向偏置時，也可以將兩個端子絕 緣。此外，在穩(wěn)定輸出狀態(tài)，可以減少襯底偏置效應(yīng)導(dǎo)致的漏極電流 Id的降低。因而，實(shí)現(xiàn)了此前所述的本發(fā)明的目的。
簡而言之，根據(jù)本發(fā)明，可以在沒有降低MOS晶體管性能的情 況下，實(shí)現(xiàn)輸入端子和輸出端子之間的絕緣。
圖1示出了使用根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的電源裝置，其作為第 一實(shí)施例。
圖2是示出了背柵極控制電路40的詳細(xì)情況的電路圖。 圖3示出了MOS晶體管IO的截面結(jié)構(gòu)，以及其與背柵極控制電
路40等的相互連接。
圖4示出了具有不同于圖3所示的截面結(jié)構(gòu)的MOS晶體管11與
背柵極控制電路40等的相互連接。
圖5是使用根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的降壓電源裝置的電路圖。 圖6示出了使用根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的電源裝置，其作為第
二實(shí)施例。
圖7示出了使用根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的信息處理裝置的配置。 圖8示出了信息處理裝置7000周圍的電氣連接。
圖9是示出了常規(guī)電源裝置示例的電路圖。
圖io是示出了常規(guī)電源裝置另一個示例的電路圖。
參考符號列表
10、 11MOS晶體管
20輸入端子
30輸出端子
40背柵極控制電路
41比較器
100、 110半導(dǎo)體裝置
200控制電路(柵極控制電路)
210比較器
300電感元件
400電容元件
500負(fù)載
1000半導(dǎo)體裝置
7000信息處理裝置
710AC-DC轉(zhuǎn)換裝置
720二次電池
730控制裝置(主板)
760控制電路
SWK SW2開關(guān)
hivl反相器
VL低電壓輸出端子
具體實(shí)施例方式
首先，描述本發(fā)明的第一實(shí)施例。
圖1示出了使用根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的電源裝置，其作為第
一實(shí)施例。
如圖1中所示，該實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置100構(gòu)成了半導(dǎo)體裝置
1000的一部分。半導(dǎo)體裝置100由如下組成MOS晶體管IO，所述 晶體管具有背柵極端子"a"，用作源極區(qū)和漏極區(qū)中之一的第一區(qū)"b"， 以及用作源極區(qū)和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)"c";輸入端子20，其連 接到第一區(qū)"b"，并且，例如，作為輸入電壓的電源電壓Vcc從半導(dǎo) 體裝置1000的外部施加到該輸入端子；輸出端子30，其連接到第二 區(qū)"c"并且輸出電壓Vout從該輸出端子輸出到半導(dǎo)體裝置1000之外； 以及背柵極控制電路40，其施加輸入電壓Vcc或是輸出電壓Vout到 背柵極端子"a"。
MOS晶體管10的控制端子"d"連接到控制電路200。例如，將 控制電路200設(shè)置成，基于輸出電壓Vout控制MOS晶體管10，從而 使輸出電壓Vout保持不變，或是將控制電路200設(shè)置成，基于流過電 感元件300的電流控制MOS晶體管10，從而使輸出電流保持不變。 控制電路200可以基于流過負(fù)載500的電流控制MOS晶體管。這里， 應(yīng)注意的是，控制電路200與背柵極控制電路40無關(guān)的控制MOS晶 體管10。
從輸出端子30輸出的輸出電壓Vout經(jīng)電感元件300和電容元件 400平滑后，輸出到負(fù)載500。
圖2是示出了背柵極控制電路40詳細(xì)情況的電路圖。
如圖2所示，例如，背柵極控制電路40包括差分操作部分，該 部分由如下組成第一恒流源Il，其第一端連接到輸入端子20; P溝 道MOS晶體管Q1，其源極區(qū)連接到第一恒流源Il的第二端，并且其 柵極端子連接到MOS晶體管10的第一區(qū)"b"; P溝道MOS晶體管 Q2，其源極區(qū)連接到第一恒流源II的第二端，并且其柵極端子連接 到MOS晶體管10的第二區(qū)"c";以及P溝道MOS晶體管Q3，其源 極區(qū)連接到第一恒流源II的第二端，并且其柵極端子連接到MOS晶 體管10的背柵極端子"a"。
背柵極控制電路40還包括電流鏡像電路，該電流鏡像電路由如 下組成N溝道MOS晶體管Q4，其漏極區(qū)連接到晶體管Ql和Q2 的漏極區(qū)，并且其源極區(qū)連接到基準(zhǔn)電壓Vss所施加到的節(jié)點(diǎn)，同時 晶體管Q4的柵極端子連接到其自身的漏極區(qū)；以及N溝道MOS晶
體管Q5，其漏極區(qū)連接到晶體管Q3的漏極區(qū)，并且其源極區(qū)連接到 基準(zhǔn)電壓Vss所施加到的節(jié)點(diǎn)，同時晶體管Q5的柵極端子連接到晶 體管Q4的柵極端子。
背柵極控制電路40還包括反饋控制部分，該反饋控制部分由如 下組成第二恒流源I2，其第一端連接到輸入端子20;上述的晶體管 Q5;以及N溝道MOS晶體管Q6，其柵極端子連接到晶體管Q3的漏 極區(qū)，其漏極區(qū)連接到MOS晶體管10的背柵極端子"a"和第二恒 流源12的第二端，同時晶體管Q6的源極區(qū)連接到基準(zhǔn)電壓Vss所施 加到的節(jié)點(diǎn)。
這里，P溝道M0S晶體管Q1、 Q2和Q3是相同的類型，并且N 溝道MOS晶體管Q4、 Q5和Q6是相同的類型。
為了減輕襯底偏置效應(yīng)，如圖2中所示，這些MOS晶體管Ql 至Q6的背柵極區(qū)按需連接到其各自的源極區(qū)或漏極區(qū)。
現(xiàn)在描述上述配置的背柵極控制電路40的操作?？紤]這種情況， 其中電源電源Vcc是2V，并且基準(zhǔn)電壓Vss是OV，例如，現(xiàn)在假設(shè) 2V的電壓施加到第二區(qū)"c"并且IV的電壓施加到第一區(qū)"b"。在 這種條件下，由于施加到第二區(qū)"c"的電壓等于電壓電壓Vcc，所以 P溝道MOS晶體管Q2的柵-源電壓等于OV。因而，P溝道MOS晶體 管Q2處于截止?fàn)顟B(tài)(關(guān)斷狀態(tài))。另一方面，由于1V的電壓施加到 P溝道MOS晶體管Q1的柵極和源極之間，因此，與該電壓相當(dāng)?shù)穆?極電流流過N溝道MOS晶體管Q4。而且，由于N溝道MOS晶體管 Q4和Q5構(gòu)成了電流鏡像電路，所以與流過N溝道MOS晶體管Q4 的電流相當(dāng)?shù)溺R像電流，流過N溝道MOS晶體管Q5。
此外，由于相同的電流流過P溝道MOS晶體管Q3和N溝道MOS 晶體管Q5，所以與施加到第一區(qū)"b"的電壓相似的電壓，出現(xiàn)在P 溝道MOS晶體管Q1的柵極端子。因而，在施加到第一區(qū)"b"和第 二區(qū)"c"的電壓中，將較低的電壓(在當(dāng)前所討論的條件下，施加到 第一區(qū)"b"的電壓)施加到背柵極端子"a"。
在施加到第二區(qū)"c"的電壓低于施加到第一區(qū)"b"的電壓的條 件下，所存在的唯一的不同是，P溝道M0S晶體管Q1和Q2彼此切
換其狀態(tài)。在施加到第一區(qū)"b"和第二區(qū)"C"的電壓相近的條件下，
漏極電流流過P溝道MOS晶體管Ql和Q2，并且在施加到第一區(qū)"b" 和第二區(qū)"c"的電壓與施加到背柵極端子"a"的電壓之間出現(xiàn)差別。 然而，在本發(fā)明的實(shí)踐中，這不會引起問題，能夠提供如圖l所示的效果。
接下來，參見圖3，描述半導(dǎo)體裝置IOO的操作。
圖3示出了 MOS晶體管10的截面結(jié)構(gòu)，以及其與背柵極控制電 路40等的相互連接。
例如，MOS晶體管10的第一區(qū)"b"連接到輸入端子20，電源 電壓Vcc施加到該輸入端子；以及MOS晶體管10的第二區(qū)"c"連 接到輸出端子30，輸出電壓Vout從該輸出端子輸出。
首先，涉及電源電壓Vcc高于輸出電壓Vout的情況。在這種條 件下，用于將電壓施加到MOS晶體管10的背柵極區(qū)(即P型襯底 Psub)的背柵極端子"a"從背柵極控制電路40接收等于輸出電壓Vout 的電壓。因此，第二區(qū)"c"和背柵極端子"a"具有相等的電勢，并 且因此，在此前提到的方程(3)中的Vbs所表示的背柵極-源極電勢 差等于O，允許足夠的漏極電流。
接下來，涉及電源電壓Vcc低于輸出電壓Vout的情況，這種條 件被稱之為反向偏置條件。在這種條件下，背柵極端子"a"從背柵極 控制電路40接收等于電源電壓Vcc的電壓。因此，在P型襯底Psub 和第二區(qū)"c"之間存在的寄生二極管D2被反向偏置，并且因此沒有 電流流過第二區(qū)"c"和第一區(qū)"b"之間的P型襯底Psub，實(shí)現(xiàn)了漏 極區(qū)和源極區(qū)之間的絕緣。
具有如圖4所示結(jié)構(gòu)的M0S晶體管11可以替代用作輸出晶體管。 圖4中所示的MOS晶體管11，是在施加了電源電壓Vcc的P型傳導(dǎo) 性的半導(dǎo)體襯底Psub上形成的，其含有施加了基準(zhǔn)電壓Vss的N 型傳導(dǎo)性的第一N型傳導(dǎo)性區(qū)"e";在第一N型傳導(dǎo)性區(qū)"e"中形 成的P型傳導(dǎo)性的第一P型傳導(dǎo)性區(qū)"f";在第一P型傳導(dǎo)性區(qū)"f" 中形成的N型傳導(dǎo)性的第二N型傳導(dǎo)性區(qū)"b"(相應(yīng)于圖3中的第一 區(qū)"b"，并且因而下文中稱之為第一區(qū)"b")，并且用作源極區(qū)或漏極
區(qū)之一；在第一P型傳導(dǎo)性區(qū)"f"中形成的N型傳導(dǎo)性的第三N型 傳導(dǎo)性區(qū)"c"(相應(yīng)于圖3中的第二區(qū)"c"，并且因而下文中稱之為 第二區(qū)"c")，并且用作源極區(qū)或漏極區(qū)的另一個；以及在第一P型傳 導(dǎo)性區(qū)"f"中形成的P型傳導(dǎo)性的第二 P型傳導(dǎo)性區(qū)"a"(相應(yīng)于圖 3中的背柵極端子"a"并且因而下文中稱之為背柵極端子"a")。
艮口，在P型傳導(dǎo)性的半導(dǎo)體襯底Psub上形成的如圖4中所示的 MOS晶體管11含有第一 N型傳導(dǎo)性區(qū)"e"，并且含有在第一 N型傳 導(dǎo)性區(qū)"e"中形成的第一P型傳導(dǎo)性區(qū)"f"。這里，MOS晶體管IO 是在第一P傳導(dǎo)性區(qū)"f"中形成的，并且在這方面，這里的結(jié)構(gòu)不同 于圖3中所示的結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在描述圖4中所示的MOS晶體管11的操作。
例如，MOS晶體管11的第一區(qū)"b"連接到輸入端子20，電源 電壓Vcc施加到該輸入端子；并且MOS晶體管11的第二區(qū)"c"連 接到輸出端子30，輸出電壓Vout從該輸出端子輸出。
首先，涉及電源電壓Vcc高于輸出電壓Vout的情況。在這種條 件下，用于將電壓施加到MOS晶體管10的背柵極區(qū)(即第一P型傳 導(dǎo)性區(qū)"f")的背柵極端子"a"從背柵極控制電路40接收等于輸出 電壓Vout的電壓。因此，第二區(qū)"c"和背柵極端子"a"具有相等的 電壓，并且因此，在此前提到的方程(3)中的VbS所表示的背柵極-源極電勢差等于0， 允許足夠的漏極電流。
接下來，涉及電源電壓Vcc低于輸出電壓Vout的情況，這種條 件被稱之為反向偏置條件。在這種條件下，背柵極端子"a"從背柵極 控制電路40接收等于電源電壓Vcc的電壓。因此，在第一P型傳導(dǎo) 性區(qū)"f"和第二區(qū)"c"之間存在的寄生二極管D2被反向偏置，并且 因此沒有電流流過第二區(qū)"c"和第一區(qū)"b"之間的第一P型傳導(dǎo)性 區(qū)"f"，實(shí)現(xiàn)了漏極區(qū)和源極區(qū)之間的絕緣。
當(dāng)圖4中所示結(jié)構(gòu)的MOS晶體管11用作本發(fā)明中的輸出晶體管 時，MOS晶體管11的背柵極端子"a"從背柵極控制電路40接收輸 出電壓，而不受施加到半導(dǎo)體襯底Psub的噪聲影響。因而，同沒有第 一 P型傳導(dǎo)性區(qū)"f"(即，具有如圖3中所示的結(jié)構(gòu))的MOS晶體
管相比，可以更為有效的減少在MOS晶體管ll中的寄生二極管起作 用的可能性；即，可以在輸入端子20和輸出端子30之間絕緣。
圖5是使用根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的降壓電源裝置(降壓開關(guān) 穩(wěn)壓器)的電路圖。
在圖5所示的降壓電源裝置中，在圖l所示的控制電路200的位 置，使用的是比較器210。該比較器210具有連接到輸出端子30的反 相輸入端子(一)，和連接到基準(zhǔn)電壓Vref所施加到的節(jié)點(diǎn)的非反相 輸入端子(+ )。因而，根據(jù)從比較器210輸出的比較結(jié)果，控制用作 輸出晶體管的MOS晶體管10的柵極端子"d"。
下面，描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。
圖6示出了使用根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的電源裝置，其作為第 二實(shí)施例。
如圖6中所示，此實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置110由如下組成比較器 41，其非反相輸入端子(+ )連接到輸入端子20，并且其反相輸入端 子(一)連接到輸出端子30;反相器電路irwl，其接收比較器41的 輸出；第一開關(guān)SW1，其根據(jù)反相器電路invl的輸出而打開和閉合， 且第一開關(guān)SW1的第一端連接到輸入端子20，第一開關(guān)SW1的第二 端連接到MOS晶體管10的背柵極端子"a";以及第二開關(guān)SW2，其 根據(jù)比較器41的輸出而打開和閉合，且第二開關(guān)SW2的第一端連接 到輸出端子30，第二開關(guān)SW2的第二端連接到MOS晶體管10的背 柵極端子"a"。
因而，MOS晶體管10的背柵極端子"a"接收輸入電壓(電源電 壓Vcc)和輸出電壓Vout中的較低者。
控制電路200在高電平和低電平之間波動MOS晶體管10的柵極 電壓，從而控制MOS晶體管10的開關(guān)，并且MOS晶體管10的背柵 極端子"a"也連接到控制電路200的低電壓輸出端子VL (輸出最小 柵極電壓)。
現(xiàn)在描述上述配置的半導(dǎo)體裝置110的操作。當(dāng)輸出電壓Vout 低于輸入電壓(電源電壓Vcc)時，根據(jù)比較器41的比較結(jié)果，第二 開關(guān)SW2閉合，且第一開關(guān)SW1打開。此時，MOS晶體管10的背 柵極端子"a"接收等于輸出電壓Vout的電壓，在MOS晶體管10的 源極區(qū)和背柵極區(qū)之間沒有電勢差出現(xiàn)。因而，可以減輕襯底偏置效 應(yīng)，從而可以允許流過比通常大的漏極電流。
與之相比，當(dāng)輸入電壓(電源電壓Vcc)低于輸出電壓Vout時， 根據(jù)比較器41的比較結(jié)果，第一開關(guān)SW1閉合，且第二開關(guān)SW2 打開。因此，MOS晶體管10的背柵極端子"a"接收施加到輸入端子 20的電壓(電源電壓Vcc)，因而MOS晶體管10中的寄生二極管仍 為反向偏置，從而保持漏-源絕緣。
這里，同此前第一個實(shí)施例中描述的電路相比，使用比較器41 代替緩沖放大器以控制背柵極端子"a"，可以進(jìn)行更為穩(wěn)定的操作。
除了已經(jīng)提及的效果之外，向源極區(qū)"c"、背柵極端子"a"和柵 極端子"d"施加MOS晶體管10的最小柵極電壓，這使得可以完全 地切斷MOS晶體管IO。因而，可以減少電流泄漏，從而實(shí)現(xiàn)了低功 耗，使本發(fā)明適于應(yīng)用在電池供電的便攜裝置的電源中。
下面，描述本發(fā)明的第三實(shí)施例。
圖7示出了使用根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的信息處理裝置的配置。 在圖7中，參考符號710表示AC-DC (交流到直流)轉(zhuǎn)換裝置， 例如AC適配器，用于從分布在家庭中的交流電源產(chǎn)生直流電壓(例 如，21V)。參考符號720表示二次電池，即使用鋰的可充電電池，例 如鋰聚合物電池或鋰離子電池。參考符號1000表示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo) 體裝置，如此前描述的那些。參考符號730表示用于控制信息處理裝 置7000 (例如筆記本個人電腦)的裝置，如典型的是以主板730的形 式實(shí)現(xiàn)。在主板730上，除了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置IOOO之外，還 裝配了其他的控制電路(例如此后圖8中所示的控制電路760)。 圖8示出了信息處理裝置7000周圍的電氣連接。 裝配在主板730上的控制電路760的操作，由AC-DC轉(zhuǎn)換裝置 710或二次電池720分別通過二極管740或二極管750供電。半導(dǎo)體 裝置1000的輸入端子20連接到AC-DC轉(zhuǎn)換裝置710的電壓輸出端 子711，以及半導(dǎo)體裝置1000的輸出端子30連接到二次電池720的 電壓輸入端子721。此外，半導(dǎo)體裝置1000在其信號輸入端子80從
控制電路760中接收控制信號，以控制控制電路200。
在二次電池720單獨(dú)連接到信息處理裝置7000的情況下，從二 次電池720通過二極管750提供電源電壓到控制電路760。在AC-DC 轉(zhuǎn)換裝置710單獨(dú)連接到信息處理裝置7000的情況下，從AC-DC轉(zhuǎn) 換裝置710通過二極管740提供電源電壓到控制電路760。
下面，描述AC-DC轉(zhuǎn)換裝置710和二次電池720都連接，并且 AC-DC轉(zhuǎn)換裝置710所提供的電壓高于二次電池720所提供的電壓的 情況下的操作。在這種情況下，控制電路760監(jiān)視二次電池720的電 壓，并且，如果該電壓等于或是低于預(yù)定的電壓，那么控制電路760 饋送控制信號到半導(dǎo)體裝置1000，即從控制電路760的端子732到半 導(dǎo)體裝置1000的端子80，以便指示半導(dǎo)體裝置1000導(dǎo)通其輸出晶體 管的柵極，從而通過半導(dǎo)體裝置1000，從AC-DC轉(zhuǎn)換裝置710向二 次電池720提供電流。因此，對二次電池720充電。這里，同常規(guī)的 配置(輸出晶體管的背柵極只連接到基準(zhǔn)電壓)相比，根據(jù)本發(fā)明的 半導(dǎo)體裝置IOOO (更為具體的，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置100)允許 流過足夠大的漏極電流，并且因而可以在較短的時間內(nèi)對二次電池 720充電。
此前涉及控制電路760檢測二次電池720的輸出電壓是否等于或 是低于預(yù)定電壓的情況，可選的，還可以將AC-DC轉(zhuǎn)換裝置710的 信號端子712連接到半導(dǎo)體裝置1000的信號端子60，以及將二次電 池720的信號端子722連接到半導(dǎo)體裝置1000的信號端子70，以便 于半導(dǎo)體裝置IOOO (更為具體的，控制電路200)進(jìn)行這種檢測。
下面，描述AC-DC轉(zhuǎn)換裝置710和二次電池720都連接，并且 AC-DC轉(zhuǎn)換裝置710所提供的電壓低于二次電池720所提供的電壓的 情況下的操作。例如，這種情況在由于某種原因或其他原因而使得 AC-DC轉(zhuǎn)換裝置710的輸出發(fā)生故障并且電壓下降時，或是在沒有 AC-DC轉(zhuǎn)換裝置710連接的情況下，在適配器插座上聚集的灰塵使其 中的觸點(diǎn)短路連接到基準(zhǔn)電壓時出現(xiàn)。
在這種情況下，例如(此處針對圖3進(jìn)行描述)，與半導(dǎo)體裝置 100中用作輸出晶體管的MOS晶體管10的背柵極端子"a"連接的半
導(dǎo)體襯底Psub，將接收等于輸入端子20電壓的電壓(例如，基準(zhǔn)電 勢)。因此，存在于半導(dǎo)體襯底Psub和第二區(qū)"c"之間的寄生二極管 D2被反向偏置，并且因而沒有電流流過第二區(qū)"c"和第一區(qū)"b"之 間的半導(dǎo)體襯底Psub，實(shí)現(xiàn)了漏極區(qū)和源極區(qū)之間的絕緣。通過上面 描述的工作方式，使得MOS晶體管免于過流，并因此免于擊穿。
此前涉及的是N溝道MOS晶體管用作輸出晶體管的情況，可選 的，還可以使用P溝道MOS晶體管，在這種情況下，通過將施加到 第一區(qū)"b"和第二區(qū)"c"的電壓中較高的電壓作為背柵極控制電路 40的輸出電壓輸出，可以獲得與上面描述的相似的效果。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括MOS晶體管，所述MOS晶體管具有背柵極區(qū)、用作源極區(qū)和漏極區(qū)中之一的第一區(qū)、以及用作源極區(qū)和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)，所述半導(dǎo)體裝置包括輸入電壓端子，其連接到第一區(qū)，并從半導(dǎo)體裝置外部接收輸入電壓；輸出電壓端子，其連接到第二區(qū)，并將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝置外部；和背柵極控制電路，其在輸入電壓和輸出電壓之間選擇，并將輸入電壓和輸出電壓之一饋送到背柵極區(qū)。
2. —種半導(dǎo)體裝置，包括N溝道MOS晶體管，所述N溝道 MOS晶體管具有背柵極區(qū)、用作源極區(qū)和漏極區(qū)的第一區(qū)、以及用作 源極區(qū)和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)，所述半導(dǎo)體裝置包括輸入電壓端子，其連接到第一區(qū)，并從半導(dǎo)體裝置外部接收輸入 電壓；輸出電壓端子，其連接到第二區(qū)，并將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝 置外部；和背柵極控制電路，其在輸入電壓和輸出電壓之間選擇，并將輸入 電壓和輸出電壓中較低的電壓饋送到背柵極區(qū)。
3. —種半導(dǎo)體裝置，包括P溝道MOS晶體管，所述P溝道 MOS晶體管具有背柵極區(qū)、用作源極區(qū)和漏極區(qū)的第一區(qū)、以及用作 源極區(qū)和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)，所述半導(dǎo)體裝置包括輸入電壓端子，其連接到第一區(qū)，并從半導(dǎo)體裝置外部接收輸入 電壓；輸出電壓端子，其連接到第二區(qū)，并將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝 置外部；和背柵極控制電路，其在輸入電壓和輸出電壓之間選擇，并將輸入 電壓和輸出電壓中較高的電壓饋送到背柵極區(qū)。
4. 一種半導(dǎo)體裝置，包括 MOS晶體管，其具有第一傳導(dǎo)性類型的半導(dǎo)體襯底，在半導(dǎo)體襯底上形成的第二傳導(dǎo)性類型的第一第二傳導(dǎo)性類型區(qū)，在第一第二傳導(dǎo)性類型區(qū)內(nèi)形成的第一傳導(dǎo)性類型的第一第一 傳導(dǎo)性類型區(qū)，在第一第一傳導(dǎo)性類型區(qū)內(nèi)形成的第二傳導(dǎo)性類型的第二第二 傳導(dǎo)性類型區(qū)，其用作源極區(qū)和漏極區(qū)中之一，在第一第一傳導(dǎo)性類型區(qū)內(nèi)形成的第二傳導(dǎo)性類型的第三第二 傳導(dǎo)性類型區(qū)，其用作源極區(qū)和漏極區(qū)中的另一個，和在第一第一傳導(dǎo)性類型區(qū)內(nèi)形成的第一傳導(dǎo)性類型的第二第一 傳導(dǎo)性類型區(qū)；以及輸入電壓端子，其連接到第二第二傳導(dǎo)性類型區(qū)，并且從半導(dǎo)體 裝置外部接收輸入電壓；輸出電壓端子，其連接到第三第二傳導(dǎo)性類型區(qū)，并且將輸出電 壓輸出到半導(dǎo)體裝置外部；和背柵極控制電路，其將輸入電壓和輸出電壓之一施加到第二第一 傳導(dǎo)性類型區(qū)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其中 第一傳導(dǎo)性類型是P型傳導(dǎo)性， 第二傳導(dǎo)性類型是N型傳導(dǎo)性，以及背柵極控制電路將輸入電壓和輸出電壓中較低的電壓施加到背 柵極區(qū)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其中 第一傳導(dǎo)性類型是N型傳導(dǎo)性， 第二傳導(dǎo)性類型是P型傳導(dǎo)性，以及背柵極控制電路將輸入電壓和輸出電壓中較高的電壓施加到背 柵極區(qū)。
7. —種半導(dǎo)體裝置，包括MOS晶體管，所述MOS晶體管具 有背柵極區(qū)、用作源極區(qū)和漏極區(qū)中之一的第一區(qū)、以及用作源極區(qū) 和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)，所述半導(dǎo)體裝置包括輸入電壓端子，其連接到第一區(qū)，并從半導(dǎo)體裝置外部接收輸入 電壓；輸出電壓端子，其連接到第二區(qū)，并將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝 置外部；和背柵極控制電路，其將電壓施加到背柵極區(qū)，使得施加到源極區(qū) 的電壓和施加到背柵極區(qū)的電壓是相等的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，還包括 柵極控制電路，其控制施加到MOS晶體管柵極的電壓，使得輸出電壓保持不變。
9. 一種半導(dǎo)體裝置，包括MOS晶體管，所述MOS晶體管具 有背柵極區(qū)、用作源極區(qū)和漏極區(qū)中之一的第一區(qū)、以及用作源極區(qū) 和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)，所述半導(dǎo)體裝置包括輸入電壓端子，其連接到第一區(qū)，并從半導(dǎo)體裝置外部接收輸入 電壓；輸出電壓端子，其連接到第二區(qū)，并將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝 置外部；比較器，其根據(jù)輸入電壓和輸出電壓之間的電壓關(guān)系，反轉(zhuǎn)其輸出；第一開關(guān)，其根據(jù)比較器的輸出而打開和閉合，所述第一開關(guān)的 第一端連接到輸入電壓端子，所述第一開關(guān)的第二端連接到MOS晶 體管的背柵極區(qū)；第二開關(guān)，其根據(jù)比較器的輸出與第一開關(guān)互補(bǔ)地打開和閉合， 所述第二開關(guān)的第一端連接到輸出電壓端子，所述第二開關(guān)的第二端 連接到MOS晶體管的背柵極區(qū)；和控制裝置，其用于控制MOS晶體管的柵極端子，所述控制裝置 具有低電壓輸出端子，所述控制裝置在所述低電壓輸出端子輸出最小 柵極電壓，使得背柵極區(qū)連接到較低電壓出現(xiàn)的端子。
10. —種電源裝置，包括 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的半導(dǎo)體裝置；電感元件，其一端連接到半導(dǎo)體裝置的輸出端子；和 電容元件，其一端連接到電感元件的另一端，其另一端連接到施 加基準(zhǔn)電壓的節(jié)點(diǎn)。
11.一種信息處理裝置，包括 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的半導(dǎo)體裝置；交流-直流轉(zhuǎn)換裝置，其連接到半導(dǎo)體裝置的輸入端子； 二次電池，其連接到半導(dǎo)體裝置的輸出端子；和 控制裝置，其由交流-直流轉(zhuǎn)換裝置和二次電池供電。
全文摘要
一種半導(dǎo)體裝置(100)包括MOS晶體管(10)，所述MOS晶體管含有背柵極區(qū)“a”、用作源極區(qū)和漏極區(qū)中之一的第一區(qū)“b”、和用作源極區(qū)和漏極區(qū)中另一個的第二區(qū)“c”。該半導(dǎo)體裝置還包括輸入端子(20)，其連接到第一區(qū)“b”，并從半導(dǎo)體裝置(100)向其施加輸入電壓；輸出端子(30)，其連接到第二區(qū)“c”，并將輸出電壓輸出到半導(dǎo)體裝置之外；以及背柵極控制電路(40)，其將輸入電壓或輸出電壓施加到背柵極區(qū)“a”。利用這種含有輸出MOS晶體管的半導(dǎo)體裝置的配置，即使在輸入和輸出端子之間施加反向偏置，端子之間仍彼此絕緣，并且可以抑制襯底偏置效應(yīng)導(dǎo)致的漏極電流的降低。
文檔編號H01L21/822GK101171678SQ20068001516
公開日2008年4月30日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日
發(fā)明者梅本清貴 申請人:羅姆股份有限公司