專利名稱：雙極性晶體管中的增益恢復(fù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙極性晶體管，且更具體地，涉及用于恢復(fù)由于例如熱載流子效應(yīng)而丟失或劣化的增益的方法和結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
雙極性晶體管是具有彼此緊靠的兩個(gè)p_n結(jié)的電子器件。典型的雙極性晶體管具有三個(gè)器件區(qū)發(fā)射極、集電極和布置在所述發(fā)射極和所述集電極之間的基極。理想地，兩個(gè)P_n結(jié)、即發(fā)射極-基極和集電極-基極結(jié)隔開了特定距離。通過改變?cè)谝粋€(gè)P_n結(jié)附近的偏壓來調(diào)制該一個(gè)P_n結(jié)中的電流被稱為“雙極性晶體管動(dòng)作”。如果發(fā)射極和集電極是摻雜的n型，且基極是摻雜的p型，則該器件是“npn”晶體管。或者，如果使用相反摻雜配置，則該器件是“pnp”晶體管。由于在npn晶體管的基極區(qū)中的少數(shù)載流子(即電子)的遷移性，用npn晶體管可以獲得更高頻率的操作和更高的速度性能。因此，本發(fā)明人相信npn晶體管包括用于構(gòu)造集成電路的許多雙極性晶體管。在圖1(a)和1(b)中，除了各個(gè)基極偏壓電路、開關(guān)P0、N0、集電極負(fù)載電路和發(fā)射極負(fù)載電路以夕卜，示出了現(xiàn)有技術(shù)的npn和pnp雙極性晶體管Q0、Q1。隨著器件(雙極性晶體管)工作壽命而帶來的性能損耗(wear-out)已經(jīng)成為所有半導(dǎo)體器件的主要問題。一種損耗機(jī)制是由于雙極性器件中的基極-發(fā)射極結(jié)的反向偏壓而導(dǎo)致的已知的熱載流子效應(yīng)。在一些電路應(yīng)用中，要求以高電壓(諸如Vbe=L 5伏特或更高)長(zhǎng)時(shí)間反向偏壓基極-發(fā)射極結(jié)，這將嚴(yán)重地劣化關(guān)鍵器件性能參數(shù)，特別是電流增益(hfe “aka”P)。電流增益P是集電極電流I。除以基極電流Ib的比率。以高電壓長(zhǎng)時(shí)間反向偏壓基極-發(fā)射極結(jié)顯著地縮短了雙極性晶體管的工作壽命。對(duì)于雙極性晶體管中的基極-發(fā)射極結(jié)的熱載流子效應(yīng)和反向偏壓的討論，見例如Sun 等人的 HOT-ELECTRON-INDUCED DEGRADATION AND POST-STRESS RECOVERY OFBIPOLAR TRANSISTOR GAIN AND NOISE CHARACTERISTICS,IEEE Transections on ElectronDevices,第 39 卷，第 9 號(hào)，1992 年 9 月，第 2178-2180 頁(yè)；Huang 等人的 TEMPERATUREDEPENDENCE AND POST-STRESS RECOVERY OF HOT ELECTRON DEGRADATION EFFECTS INBIPOLAR TRANSISTORS, IEEE 1991Bipolar Circuits and Technology.5/91，170-173 頁(yè)。傳統(tǒng)地，雙極性器件制造商和設(shè)計(jì)者受限于最大允許基極-發(fā)射極反向電壓(Vbe)，以便確保晶體管工作壽命的可靠性。但是，因?yàn)樵诰哂懈量痰男阅苄枨蠛瓦M(jìn)一步縮小的器件尺寸的先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)中反向電壓極限繼續(xù)減小，因此電路設(shè)計(jì)者使用從先前技術(shù)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)電路庫(kù)(例如，更大的技術(shù)節(jié)點(diǎn))變得很有問題。例如，消費(fèi)者可能希望半導(dǎo)體鑄造廠使用例如IBM的BiCM0S6WL技術(shù)來支持具有3. OV的反向偏壓(Vbe)的晶體管電路(器件)，該BiCM0S6WL技術(shù)提供大約(±10%) I. 75V的反向電壓偏壓極限。使用傳統(tǒng)的可靠性指導(dǎo)和模型，這種設(shè)計(jì)明顯地影響在晶體管壽命期間的可靠性，因此是有問題的。滿足這種晶體管設(shè)計(jì)的可靠性需求是極富挑戰(zhàn)性的。因此， 很重要的是，例如半導(dǎo)體鑄造廠或其他半導(dǎo)體制造商具有減輕該基極-發(fā)射極結(jié)反向偏壓極限的解決方案。Guarin等人的美國(guó)專利號(hào)7，238，565B2,2007年7月3日授權(quán)的題為“METHODOLOGY FOR RE⑶VERY OF HOT CARRIER INDUCED DEGRADATION IN BIPOLARDEVICES”公開了使用熱退火來恢復(fù)由基極-集電極結(jié)中的熱載流子效應(yīng)導(dǎo)致的劣化。也在該專利中公開了正向偏壓雙極性晶體管用于劣化恢復(fù)的方法。在’ 565B2專利中公開的若干實(shí)施例之一中，向雙極性晶體管提供大約峰值fT電流的高正向電流，同時(shí)該雙極性晶體管工作在雪崩條件之下(小于I伏特的Vra)。高正向電流有助于將雙極性晶體管的溫度增加到大約200°C或更高。更具體地，適當(dāng)?shù)卦黾踊鶚O-集電極結(jié)和基極-發(fā)射極結(jié)的溫度有助于顯著地恢復(fù)該劣化。美國(guó)專利號(hào)7，238，565B2在此通過引用整體并于此。
本發(fā)明人相信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)美國(guó)專利號(hào)7，238，565中公開的發(fā)明的改進(jìn)，尤其是針對(duì)雙極性晶體管中的增益恢復(fù)的實(shí)施方式(方法和布置)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種恢復(fù)雙極性晶體管中的增益的方法，包括提供雙極性晶體管，所述雙極性晶體管包括發(fā)射極、集電極和在所述發(fā)射極和所述集電極處的結(jié)之間布置的基極；對(duì)于操作時(shí)間段用操作電壓來反向偏壓所述發(fā)射極和基極之間布置的結(jié)，使得所述晶體管的電流增益P劣化；使所述晶體管空閑；以及對(duì)于修復(fù)時(shí)間段(TK)，在用第一修復(fù)電壓(Vbek)正向偏壓所述發(fā)射極和所述基極之間布置的結(jié)時(shí)，且在至少部分地同時(shí)用第二修復(fù)電壓(Vcbk)反向偏壓所述集電極和所述基極之間布置的結(jié)時(shí)，向所述基極中生成修復(fù)電流Ifc，使得至少部分地恢復(fù)所述增益；其中，VBEK、VraK和Tk具有比例關(guān)系 Te (A^)2X exp [I/(Tam+RthX IeX VCEE) ], Vcee=VBEE+VCBE,且 Ie= 3 X Ibr,^是所述晶體管的正常電流增益，A 0是以百分比為單位的晶體管的目標(biāo)恢復(fù)增益，Tam是以度K為單位的周圍溫度，Ib,是以y安培為單位的到所述基極的修復(fù)電流，Rth是以K/W為單位的所述晶體管的自加熱熱電阻，Te是以秒為單位的。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種雙極性晶體管恢復(fù)布置，包括雙極性晶體管，所述雙極性晶體管包括發(fā)射極、集電極和在所述發(fā)射極和所述集電極處的結(jié)之間布置的基極，所述晶體管具有劣化的電流增益(￠);連接到所述集電極的集電極負(fù)載電路、連接到所述發(fā)射極的發(fā)射極電路和連接到所述基極且與所述集電極負(fù)載電路并聯(lián)連接的基極偏壓電路；以及連接到所述基極且與基極偏壓電路并聯(lián)連接的增益恢復(fù)電路，所述增益恢復(fù)電路包括與電流鏡并聯(lián)連接的電流源，用于在修復(fù)時(shí)間段(Ir)期間向所述基極生成修復(fù)電流(Ibr );其中，VBER、Vcbr和Tr具有比例關(guān)系Te ( A ^ )2X exp [I/(Tam+RthX IeX VCEE) ], VCEE=VBEE+VCBE,且 Ie= ^ X Ibr, ^ 是所述晶體管的正常電流增益，A ^是以百分比為單位的晶體管的目標(biāo)恢復(fù)增益，Tam是以K為單位的周圍溫度，Ifc是以U安培為單位的到所述基極的修復(fù)電流，Rth是以K/W為單位的所述晶體管的自加熱熱電阻，Te是以秒為單位的。根據(jù)本發(fā)明的方法的進(jìn)一步的實(shí)施例，包括監(jiān)視所述劣化，然后當(dāng)所述劣化到達(dá)預(yù)設(shè)閾值時(shí)使所述晶體管空間。通常，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，較高的Ito和相應(yīng)的Vbek導(dǎo)致更短的恢復(fù)時(shí)間(修復(fù)時(shí)間)Tk。


接下來，將參考附圖描述本公開的實(shí)施例，在附圖中圖IA是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的npn晶體管、基極偏壓電路、集電極負(fù)載電路、發(fā)射極電路、開關(guān)PO、電勢(shì)H)、Vrc、IN、gnd的源的示意電路圖；圖IB示出同樣根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的適合于包括pnp晶體管的布置的等同組件。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的(由熱載流子壓力影響的在2. 75伏特反向偏壓的Vbe)增益劣化和增益恢復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖，該本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例使用根據(jù)IBM BiCMOS 6WL技術(shù)的跨越pnp雙極性晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)的高正向有源偏壓(VBE_ repair=l. I伏特)和跨越pnp雙極性晶體管的集電極-基極結(jié)的低反向偏壓(Vra_repair=2伏特)。圖3A是根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選電路實(shí)施例的示意電路圖；圖3B示出包括具有pnp晶體管Ql的配置(布置)的增益恢復(fù)電路100P (具有輸入信號(hào)GRC)的等同組件，其包括具有對(duì)npn晶體管QO的輸入信號(hào)GRC_b的增益恢復(fù)電路100N。圖3C和3D是圖3A所示的實(shí)施例的優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)的示意電路圖，其包括連接到電流鏡T2、T3的修復(fù)電流源13。圖4A是圖3C中的增益恢復(fù)電路100N的示意電路圖(更大尺寸):P2、P0和Pl分別對(duì)應(yīng)于T4、T2和T3 ;圖4B是增益恢復(fù)電路100P的優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)的示意電路圖(更大尺寸)。圖5是本發(fā)明的第二優(yōu)選電路實(shí)施例的方塊示意電路圖，其包括與集電極負(fù)載電路串聯(lián)連接且與增益恢復(fù)電路100N和npn晶體管QO的基極偏壓電路并聯(lián)連接、且也與所示的增益恢復(fù)控制器300N連接的電流鏡200N。圖6是檢測(cè)并輸出電流I。的電流鏡200N的優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)的自說明的示意電路電流圖。圖7是增益恢復(fù)控制器300N的優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)的自說明的示意電路電流圖，并且包括優(yōu)選時(shí)序信號(hào)(Ic_det> Ie_check、溢出(over flow))。圖8是根據(jù)本發(fā)明的增益恢復(fù)的方法的第一優(yōu)選實(shí)施例的流程圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明的增益恢復(fù)的方法的第二優(yōu)選實(shí)施例的流程圖。圖10是圖8所示的方法的更詳細(xì)流程圖。圖11是圖9所示的方法的更詳細(xì)流程圖。
具體實(shí)施例方式可以通過將劣化的器件切換到修復(fù)模式來顯著地恢復(fù)由跨越基極-發(fā)射極結(jié)的高電壓反向偏壓導(dǎo)致的性能劣化，在該修復(fù)模式中，高正向電流使得高正向偏壓Vbek和低反向偏壓Vcbk達(dá)適當(dāng)?shù)?例如短)時(shí)間段。在上下文中對(duì)于Vbe的使用的“高”意味著對(duì)于6WL中的Vbe高(對(duì)于6WL技術(shù)中的Vbe的低偏壓大約是0. 81伏特)。在上下文中對(duì)于Vra的使用的“低”意味著對(duì)于6WL中的Vra低(對(duì)于6WL中的Vcb的高偏壓大約是4伏特)。如圖2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖所示，器件(pnp)的電流增益在小于5個(gè)小時(shí)中在跨越基極-發(fā)射極結(jié)的升高的反向偏壓(2. 75V)處減小了多達(dá)18%。當(dāng)該器件被切換到修復(fù)模式(即，正向BE結(jié)在I. IV偏壓的有源模式)時(shí)，在僅幾秒內(nèi)顯著恢復(fù)(大約67%恢復(fù))電流增益W)。用在2伏特處的V-反向偏壓了集電極-基極結(jié)。從發(fā)明人的觀點(diǎn)，該數(shù)據(jù)清楚地演示了本發(fā)明對(duì)于半導(dǎo)體雙極性器件修復(fù)的益處。在圖8中示出且在圖10中更詳細(xì)地示出根據(jù)本發(fā)明的方法的第一優(yōu)選實(shí)施例。在圖8中，進(jìn)行以下步驟通電，對(duì)于預(yù)設(shè)時(shí)間恢復(fù)雙極性，然后返回到正常電路操作。在圖10中，依序且根據(jù)在塊E中引用的比例關(guān)系來進(jìn)行步驟A-D。步驟C可以對(duì)應(yīng)于圖8的通電步驟。在本發(fā)明的所有實(shí)施例的實(shí)際實(shí)施方式中，可以使用更精確或嚴(yán)格的關(guān)系。例如見在“更嚴(yán)格的關(guān)系”下的描述。根據(jù)在此公開的本發(fā)明的方法和裝置(例如電路)的優(yōu)選實(shí)施例，在如下闡述的各個(gè)附加說明內(nèi)列出的圖中示出本發(fā)明的各種特征。所示的具體值用于IBM的MCM0S6WL或BiCM0S8HP 技術(shù)。器件修復(fù)偏壓條件和時(shí)序(圖3-圖11):通過向基極供應(yīng)修復(fù)電流Ifc來正向偏壓發(fā)射極-基極結(jié)，使得發(fā)射極電流接近峰值fT電流密度，且Veb_repair=0. 8V^1. 2V,且以Veb_repair=0. 5V^2V反向偏壓集電極-基極結(jié)。取決于影響修復(fù)發(fā)射極電流Iel 以及電壓Veb_repair (Vbek)和Veb_repair (Vcbk)的修復(fù)基極電流Ite，修復(fù)時(shí)間(TJ在從I秒到100秒的范圍，如本領(lǐng)域技術(shù)人員鑒于本說明書和附圖很容易理解的。貫穿剩余的描述，本發(fā)明人意圖以下符號(hào)的每個(gè)表示等于跨越雙極性結(jié)晶體管的發(fā)射極-基極結(jié)的直流正向偏壓的修復(fù)電壓VBEK、Veb_repair、VBE EEPAIE> VBE_repair、VEBK、Veb(在等式(4)中，且針對(duì)等式(5))。貫穿剩余的描述，本發(fā)明人意圖以下符號(hào)的每個(gè)表示等于跨越雙極性結(jié)晶體管的集電極-基極結(jié)的直流反向偏壓的修復(fù)電壓VraK、Vcb_repair> VCB_repair> Vcb (在等式(4)中，且針對(duì)等式(5))。Ibr在幾百ii A的范圍內(nèi)，以便確保發(fā)射極電流Ie接近峰值fT電流。優(yōu)選地，6WL Ibr處于大約10 ii A到大約300 u A的范圍內(nèi)；8HP: Ifc在大約100 u A到大約300 u A的范圍內(nèi)。器件修復(fù)電路(圖3、4、8、10):向雙極性器件電路布置中的正常功能塊中添加修復(fù)電路塊100N、100P，向雙極性器件電路布置中的正常功能塊包括發(fā)射極-偏壓塊、基極-偏壓塊和集電極-偏壓塊。在器件Q0、Q1的正常操作期間，修復(fù)塊被隔離，且不影響器件Q0、Ql的正常操作。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的修復(fù)處理期間(例如，在通電序列中)，各個(gè)修復(fù)塊100N、100P被接通，然后在修復(fù)模式(Ib,、Vbee, Vcbe)偏壓各個(gè)劣化的雙極性器件Q0、Ql。(2)器件電流增益監(jiān)視器(圖5、6、7、9、11)向具有雙極性器件電路布置中的正常功能塊的布置中添加修復(fù)電路塊100N、100P，雙極性器件電路布置中的正常功能塊包括發(fā)射極-偏壓塊、基極-偏壓塊和集電極_偏壓塊。在器件Q0、Q1的正常操作期間，修復(fù)塊100NU00P不操作，且不影響器件Q0、Q1的
正常操作。當(dāng)監(jiān)視的器件劣化超過預(yù)定水平時(shí)，啟用修復(fù)模式。例如，依靠監(jiān)視器200N對(duì)器、件QO監(jiān)視劣化，且在控制器300N中進(jìn)行劣化超過預(yù)定水平或閾值的任何判定。在修復(fù)方法期間(S卩，當(dāng)由監(jiān)視器和控制器觸發(fā)該修復(fù)模式時(shí))，則在修復(fù)模式(Ibr> Vbee, Vcbe)偏壓劣化的雙極性器件Q0、Q1，例如Ifc 2幾百y A0在通電序列期間的器件修復(fù)(圖8)。當(dāng)器件電流增益變得小于預(yù)定值時(shí)，開始需要的器件修復(fù)(圖9)。在以下部分I和2中描述電路實(shí)施例的進(jìn)一步詳細(xì)信息。電路實(shí)施例I :器件修復(fù)電路為了有助于修復(fù)功能，向器件的基極端添加電流源，如圖3A到3D所示，其中，公開 的電路100NU00P分別是npn和pnp器件Q0、Q1的增益恢復(fù)電流電路(包括電流源)。在圖8的系統(tǒng)初始化(即通電)序列期間，對(duì)于從I秒到100秒的范圍的預(yù)定時(shí)間段(取決于修復(fù)偏壓Veb_repair和Veb_repair),輸入信號(hào)GRC_b對(duì)于npn處于邏輯低(或GRC對(duì)pnp處于邏輯高)，使得額外的基極電流流過劣化的雙極性晶體管，用于恢復(fù)電流增益0。每次在通電序列期間進(jìn)行器件修復(fù)，因?yàn)樵谠搶?shí)施例中，沒有監(jiān)視器電路檢測(cè)器件功能性。在圖3A的實(shí)施例中，以下是優(yōu)選的組件和參數(shù)的例子由IBM 公司制造的 Q0-npn 晶體管 BiCM0S6WL/8HP ；發(fā)射極電路包括例如具有幾十歐姆的電阻值的電阻器；集電極負(fù)載電路包括例如具有幾千歐姆的電阻值的電阻器；PO是由IBM制造的BiCM0S6WL/8HP的FET pMOSFET ;基極偏壓電路包括例如能夠生成具有(在大約10微安到大約100微安的范圍內(nèi))值的電流源；Vcc典型地在3伏特到4伏特的范圍內(nèi)；GRC_b是0伏特到Vcc的范圍內(nèi)的信號(hào)；IN是具有以下幾微伏特到幾百微伏特范圍的值的信號(hào)；以及增益恢復(fù)源100N生成具有典型的幾百微安的值的修復(fù)電流Ifc。本領(lǐng)域技術(shù)人員鑒于本說明書和附圖時(shí)很清楚在本說明書中描述或在附圖中示出的制造器件和其他組件的技術(shù)，且這些技術(shù)不需要被進(jìn)一步討論。見例如S. M. SZE的VLSI 技術(shù)(2d 版本，ISBN 0-07-062735-5)o圖3B示出連接到增益恢復(fù)電路100P的pnp和示出的其他組件的本發(fā)明的實(shí)施例。圖3C和3D是圖3A所示的本發(fā)明的實(shí)施例的優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)的示意電路圖。圖3C示出可以在IBM的BiCM0S8HP技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例的組件和組件值。對(duì)于6WL，組件值將不同，如由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的。圖4A和圖4B是圖3所示的增益恢復(fù)電路(npn型的100N和pnp型的100P)的更詳細(xì)電路圖。(npn型的)IOn和(pnp型的)IOp是電流源；(npn型的)P0、P1和(pnp型的)NO、NI形成具有可取決于鏡器件寬度比率調(diào)整的恢復(fù)偏壓電流的各個(gè)電流鏡；(npn型的)P2和(pnp型的)N2是切換FET。當(dāng)GRC_b對(duì)于npn處于邏輯低(或GRC對(duì)于pnp處于邏輯高)時(shí)，增益恢復(fù)電流Ifc流到要被修復(fù)的各個(gè)雙極性器件。在圖4A的實(shí)施例中，以下是優(yōu)選的組件和參數(shù)的例子PO、PU P2 是諸如由 IBM 公司制造的 BiCM0S6WL/8HP 中的 pMOSFET 的 FET ；IOn是能夠生成具有例如大約10 ii A到大約500 U A的值的電流的電流源。
Rn是具有以下例如幾百歐的值的電阻器。本領(lǐng)域技術(shù)人員鑒于本說明書和附圖可以容易地配置圖3B和圖4B所示的pnp晶體管Ql的實(shí)施例，因此這些實(shí)施例不需要進(jìn)一步詳細(xì)討論?？偨Y(jié) 在圖3A和圖3B的電路的正常操作期間，恢復(fù)塊(NPN的100N和PNP的100P)處于截止?fàn)顟B(tài)，且不影響電路的正常操作。在恢復(fù)模式中，恢復(fù)塊100NU00P向目標(biāo)雙極性器件Q0、Ql的基極生成恢復(fù)電流Im且強(qiáng)迫目標(biāo)器件進(jìn)入高電流正向有源模式，以恢復(fù)電流增益劣化。在對(duì)于NPN器件的圖3A和3C中且在對(duì)于PNP器件的圖3B中示出詳細(xì)操作。作為例子，對(duì)于NPN器件，圖3A，一個(gè)基極電流恢復(fù)電路塊100N包括在標(biāo)準(zhǔn)雙極性電路中。在正常電路操作期間，恢復(fù)控制信號(hào)GRC_b處于邏輯高，且塊100N處于截止?fàn)顟B(tài)，且對(duì)電路正 常操作沒有影響。圖3A中的所有其他塊、諸如向雙極性器件QO供應(yīng)正常操作偏壓的基極、發(fā)射極和集電極偏壓電路處于其正常操作狀況下。PO是被接通以對(duì)雙極性器件供應(yīng)V。。的pMOSFET。墊IN (圖3A)是雙極性器件QO的輸入AC信號(hào)墊。在恢復(fù)操作模式中，所有這些電路在與正常操作相同的狀況(除了通常不向墊IN施加AC信號(hào)以外；該正常狀態(tài)在此稱為使晶體管“空閑(idle)”)下操作，除了由處于邏輯低的控制信號(hào)GRC_b導(dǎo)通恢復(fù)塊100N以夕卜。在該恢復(fù)模式期間，向器件QO的基極供應(yīng)電流Ibr。通過從100N調(diào)整電流Ibr的幅值，可以強(qiáng)迫目標(biāo)器件QO進(jìn)入正向高電流模式，且恢復(fù)由正常操作導(dǎo)致的劣化。在器件恢復(fù)模式期間，沒有來自輸入墊IN的AC信號(hào)(即，晶體管是“空閑的”)；且Vc^apair是大約0. 5伏特到大約2. 0伏特，VBE_repair是大約0. 9伏特到大約I. 2伏特，且修復(fù)I； (Te)的時(shí)間段是大約10秒到大約100秒。對(duì)于npn器件的圖3C和3D和圖4中示出恢復(fù)電路塊100N、100P的細(xì)節(jié)。它們是具有開關(guān)晶體管(在100N中的pMOSFET P2和在100P中的nMOSFET N2)的電流源。通過電流源IOn、IOp和其電流鏡對(duì)NO、NI (PO、Pl)確定恢復(fù)電流的幅值。Rn和Rp是該范圍中的負(fù)載電阻器。采用100N作為例子，在正常電路操作期間，控制信號(hào)GRC_b處于邏輯高，且晶體管P2處于截止?fàn)顟B(tài)，且沒有到雙極性器件的電流。在恢復(fù)模型期間，GRC_b處于邏輯低，且開關(guān)晶體管P2被導(dǎo)通。因此，恢復(fù)電流Ifc流出到目標(biāo)雙極性器件中。電路實(shí)施例2 :器件電流增益監(jiān)視器圖5示出包括用來確定何時(shí)需要該修復(fù)處理的器件電流增益監(jiān)視器200N的另一電路實(shí)施例。為了簡(jiǎn)化，僅在圖5中示出用于PNP型的監(jiān)視器電路(用于PNP型的監(jiān)視器電路是類似的，且可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員直接推導(dǎo))。通過標(biāo)記為200N的塊PD_CM來替換掉電PFET (圖3 (a)中示出)。在系統(tǒng)初始化(即通電)序列期間，NPN器件處于正常偏壓狀況，且當(dāng)Ie_det處于邏輯高時(shí)，200N將集電極電流Ic鏡像(mirror)到GRC_控制器塊300N。因?yàn)橐阎鶚O電流Ib，因此可以用Ic直接計(jì)算NPN器件的增益(S卩，電流增益@=Ie/Ib)。塊300N檢查I。的值如果I。高于預(yù)定閾值，則不需要電流增益修復(fù)；如果I。低于閾值，則300N開始增益恢復(fù)過程，其中，當(dāng)對(duì)于從I秒到100秒的范圍的預(yù)定時(shí)間段(Tk)(取決于例如修復(fù)偏壓Veb_r印air和Veb_r印air)GRC_b處于邏輯低時(shí)，大基極電流Ifc被輸入到NPN器件。當(dāng)完成電流增益修復(fù)過程時(shí)，Ic_det處于邏輯低，且GRC_b處于邏輯高，因此該電路被切換回到正常操作模式。圖6是圖5中先前示出的塊200N的詳細(xì)電路圖。在電流增益修復(fù)過程的Ic檢測(cè)步驟期間1。_(1的處于邏輯高，且Ie_det_b處于邏輯低，且因此P2截止，掉電信號(hào)對(duì)PO沒有控制。P4和P5導(dǎo)通，且PO和Pl形成電流鏡。端子C連接到NPN器件，將集電極電流從主要側(cè)PFET PO鏡像到次要PFETPl，然后鏡像的電流通過端子Ic輸出到300N。當(dāng)該檢測(cè)步驟完成時(shí)1。_(1的處于邏輯低，且Ie_det_b處于邏輯高，且因此P2截止，信號(hào)TO具有對(duì)PO的控制。P4和P5截止，PO和Pl斷開，P3導(dǎo)通，Pl截止。該電路回到正常操作。在BiCMOS技術(shù)中，該反相器是任何傳統(tǒng)半導(dǎo)體反相器，且應(yīng)該具有以下參數(shù)或特征例如設(shè)置在(Vcc/2)的閾值電壓。圖7示出圖5先前示出的電流增益監(jiān)視器300N。在系統(tǒng)初始化(或接通)序列期間，信號(hào)init處于邏輯高，系統(tǒng)時(shí)鐘elk確定從與門Ul到計(jì)數(shù)器U2的輸入。通電復(fù)位信號(hào)por復(fù)位U2，然后U2開始計(jì)數(shù)時(shí)鐘。解碼器U3生成兩個(gè)信號(hào)Ic_det和Ic_check，且在圖7中時(shí)序圖中示出兩個(gè)信號(hào)的時(shí)序。當(dāng)Ic_det時(shí)，Ic電流從200N鏡像到U4的300N輸入 I_in。如果在RO上的電壓由于Ic而大于電壓比較器U4的閾值電壓,則U4的輸出處于邏輯低，這阻止了 Ic_check的脈沖，因此不觸發(fā)RS寄存器U5，且GRC處于邏輯低，而GRC_b處于邏輯高。在該情況下，不觸發(fā)電流增益修復(fù)。另一方面，如果在RO上的電壓低于該閾值，則U4的輸出處于邏輯高。當(dāng)Ic_check和U4的輸出都處于邏輯高時(shí)，U5的輸出觸發(fā)U6，則GRC處于邏輯高，GRC_b處于邏輯低,且啟動(dòng)電流增益修復(fù)過程。當(dāng)U2溢出(over flowed)時(shí)，發(fā)送信號(hào)“over flow”以在U6中復(fù)位，然后將GRC從邏輯高改變?yōu)檫壿嫷?，同時(shí)將GRC_b從邏輯低改變?yōu)檫壿嫺摺Ｔ谶@種情況下，電流增益修復(fù)過程結(jié)束。圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的修復(fù)方法的高級(jí)流程圖，而圖10是該實(shí)施例的更詳細(xì)流程圖。如圖10所示，進(jìn)行以下步驟提供雙極性晶體管。對(duì)于一個(gè)時(shí)間段用電壓反向偏壓EB結(jié)，以便劣化電流增益1。/%。使該晶體管空閑。對(duì)于時(shí)間段Tk用第一修復(fù)電壓正向偏壓EB結(jié)，同時(shí)用第二修復(fù)電壓反向偏壓CB。其中，第一修復(fù)電壓、第二修復(fù)電壓和Tk具有如本說明書的權(quán)利要求I中闡述的關(guān)系Te c^c ( A )2 X exp [I/ (Tam+Rth X Ie XVcee) ] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的修復(fù)方法的高級(jí)流程圖，而圖11是該實(shí)施例的更詳細(xì)流程圖。如圖11所示提供雙極性晶體管。對(duì)于一個(gè)時(shí)間段用電壓反向偏壓EB結(jié)，以便劣化電流增益1。/%。當(dāng)劣化到達(dá)閾值時(shí)使該晶體管空閑。對(duì)于時(shí)間段Tk用第一修復(fù)電壓正向偏壓EB結(jié)，同時(shí)用第二修復(fù)電壓反向偏壓CB。其中，第一修復(fù)電壓、第二修復(fù)電壓和Tk具有如本說明書的權(quán)利要求I中闡述的關(guān)系Te c^c ( A @ )2 X exp [I/(Tam+Rth X Ie X Vcer)]。利用有源功率的雙極性器件恢復(fù)關(guān)系
在T,、Vcbe, Vebk、Vcee, Ibr之間的關(guān)系的更嚴(yán)格的計(jì)算電流增益劣化的恢復(fù)(AP)是晶體管內(nèi)部溫度Tj和時(shí)間(Tk)的函數(shù)，且通常是以下等式(I)
權(quán)利要求
1.一種恢復(fù)雙極性晶體管中的增益的方法，包括 提供雙極性晶體管，所述雙極性晶體管包括發(fā)射極、集電極和在所述發(fā)射極和所述集電極處的結(jié)之間布置的基極； 對(duì)于操作時(shí)間段用操作電壓來反向偏壓所述發(fā)射極和基極之間布置的結(jié)，使得所述晶體管的電流增益β劣化； 使所述晶體管空閑；以及 對(duì)于修復(fù)時(shí)間段(Ir)，在用第一修復(fù)電壓(Vbek)正向偏壓所述發(fā)射極和所述基極之間布置的結(jié)時(shí)，且在至少部分地同時(shí)用第二修復(fù)電壓(V )反向偏壓所述集電極和所述基極之間布置的結(jié)時(shí)，向所述基極中生成修復(fù)電流Ifc,使得至少部分地恢復(fù)所述增益； 其中，VBEE> Vcbe和Tk具有比例關(guān)系 Te ο- ( Λ β )2 X exp [I / (Tam+Rth XIeX VCEE) ]，VCEE=VBEE+VCBE,且 Ie= β X Ibr,β是所述晶體管的正常電流增益，Λ β是以百分比為單位的晶體管的目標(biāo)恢復(fù)増益，Tam是以度K為單位的周圍溫度，Ifc是以μ安培為單位的到所述基極的修復(fù)電流，Rth是以K/W為單位的所述晶體管的自加熱熱電阻，Te是以秒為單位的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，Vbek處于大約O.8伏特到大約I. 2伏特的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，處于大約O.5伏特到大約2. O伏特的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，Te處于大約I秒到大約100秒的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，所述晶體管是npn晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，所述晶體管是pnp晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的方法,其中，Ibr處于大約10μ A到大約150 μ A的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I的方法,其中，Ibr處于大約100μ A到大約300 μ A的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中Rth是6000Κ/瓦特。
10.根據(jù)前述任ー權(quán)利要求的方法，其中，使所述晶體管空閑發(fā)生在劣化到達(dá)閾值吋。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，所述空閑步驟包括監(jiān)視Ifc的值。
12.—種雙極性晶體管恢復(fù)布置，包括 雙極性晶體管，所述雙極性晶體管包括發(fā)射極、集電極和在所述發(fā)射極和所述集電極處的結(jié)之間布置的基極，所述晶體管具有劣化的電流增益(β); 連接到所述集電極的集電極負(fù)載電路、連接到所述發(fā)射極的發(fā)射極電路和連接到所述基極且與所述集電極負(fù)載電路并聯(lián)連接的基極偏壓電路；以及 連接到所述基極且與基極偏壓電路并聯(lián)連接的增益恢復(fù)電路，所述增益恢復(fù)電路包括與電流鏡并聯(lián)連接的電流源，用于在修復(fù)時(shí)間段(Tk)期間向所述基極生成修復(fù)電流(し)；其中，VBEE> Vcbe和Tk具有比例關(guān)系Te- ( Λ β )2 X exp [I / (Tam+Rth XIeX VCEE) ]，Vcek=V願(yuàn)+Vcbk，且 Ie= β X Ibr, β 是所述晶體管的正常電流增益，Δ β是以百分比為單位的晶體管的目標(biāo)恢復(fù)増益，Tam是以K為單位的周圍溫度，Ito是以μ安培為單位的到所述基極的修復(fù)電流，Rth是以K/W為單位的所述晶體管的自加熱熱電阻，Tk是以秒為單位的，Vbek是跨越發(fā)射扱-基極結(jié)的修復(fù)電壓(正向偏壓)，且Vcbk是跨越集電極-基極結(jié)的修復(fù)電壓(反向偏壓)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的布置，其中，Vbek處于大約O.8伏特到大約I. 2伏特的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的布置，其中，VraK處于大約O.5伏特到大約2. O伏特的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的布置，其中，Tk處于大約I秒到大約100秒的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的布置，其中Rth是6000。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的布置，其中β=4600。
全文摘要
一種恢復(fù)雙極性晶體管中的增益的方法，包括提供雙極性晶體管，所述雙極性晶體管包括發(fā)射極、集電極和在所述發(fā)射極和所述集電極處的結(jié)之間布置的基極；對(duì)于操作時(shí)間段用操作電壓來反向偏壓所述發(fā)射極和基極之間布置的結(jié)，使得所述晶體管的電流增益β劣化；使所述晶體管空閑；以及對(duì)于修復(fù)時(shí)間段(TR)，在用第一修復(fù)電壓(VBER)正向偏壓所述發(fā)射極和所述基極之間布置的結(jié)時(shí)，且在至少部分地同時(shí)用第二修復(fù)電壓(VCBR)反向偏壓所述集電極和所述基極之間布置的結(jié)時(shí)，向所述基極中生成修復(fù)電流Ibr，使得至少部分地恢復(fù)所述增益。
文檔編號(hào)H03F1/30GK102640416SQ201080054180
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者馮凱棣, 楊志堅(jiān), 王平川 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司