本發(fā)明實(shí)施例涉及半導(dǎo)體器件和電路保護(hù)方法。

背景技術(shù)：

功率器件用于輸出高功率信號(hào)。例如，功率器件可集成在發(fā)送器中，從而用于驅(qū)動(dòng)大功率傳輸信號(hào)。功率器件也可集成在功率轉(zhuǎn)換器件中。盡管功率器件設(shè)計(jì)為處理大功率信號(hào)，仍可通過(guò)高壓尖峰破壞功率器件。高壓尖峰可導(dǎo)致功率器件中的瞬時(shí)高電流，從而擊穿功率器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括：第一晶體管，布置為根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)；以及鉗位電路，布置為根據(jù)輸入信號(hào)產(chǎn)生所述控制信號(hào)，并且布置為當(dāng)所述輸入信號(hào)超過(guò)預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，將所述控制信號(hào)鉗制在所述預(yù)定的信號(hào)電平處。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，還提供了一種半導(dǎo)體器件，包括：第一晶體管，布置為根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)；以及第二晶體管，布置為將所述控制信號(hào)鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平處；其中，所述預(yù)定的信號(hào)電平基于所述第二晶體管的閾值電壓。

根據(jù)本發(fā)明的又一些實(shí)施例，還提供了一種電路保護(hù)方法，包括：提供第一晶體管以根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)；提供第二晶體管以根據(jù)輸入信號(hào)產(chǎn)生所述控制信號(hào)；當(dāng)所述輸入信號(hào)超過(guò)預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，使用所述第二晶體管將所述控制信號(hào)鉗制在所述預(yù)定的信號(hào)電平處。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，從以下詳細(xì)描述可最佳地理解本發(fā)明的各個(gè)方面。應(yīng)該注意，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各個(gè)部件未按比例繪制。實(shí)際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增大或減小。

圖1是根據(jù)一些實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的電路圖。

圖2是根據(jù)一些實(shí)施例示出圖1中的半導(dǎo)體器件的第一晶體管的柵極電流和第二晶體管的漏極電流的特性的圖。

圖3是根據(jù)一些實(shí)施例示出圖1中的半導(dǎo)體器件的第一晶體管的柵極電流和第二晶體管的漏極電流的特性變化的圖。

圖4是根據(jù)一些實(shí)施例示出圖1中的半導(dǎo)體器件的漏極電流的圖。

圖5是根據(jù)一些實(shí)施例示出半導(dǎo)體器件的圖。

圖6是根據(jù)一些實(shí)施例示出圖5中的半導(dǎo)體器件的第一晶體管的柵極電流和第二晶體管的漏極電流的特性的圖。

圖7是根據(jù)一些實(shí)施例示出電路保護(hù)方法的流程圖。

圖8是根據(jù)一些實(shí)施例示出半導(dǎo)體器件的圖。

具體實(shí)施方式

以下公開(kāi)內(nèi)容提供了許多用于實(shí)現(xiàn)所提供主題的不同特征的不同實(shí)施例或?qū)嵗?。下面描述了組件和布置的具體實(shí)例以簡(jiǎn)化本發(fā)明。當(dāng)然，這些僅僅是實(shí)例，而不旨在限制本發(fā)明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接觸的方式形成的實(shí)施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之間可以形成額外的部件，從而使得第一部件和第二部件可以不直接接觸的實(shí)施例。此外，本發(fā)明可在各個(gè)實(shí)例中重復(fù)參考標(biāo)號(hào)和/或字符。該重復(fù)是為了簡(jiǎn)單和清楚的目的，并且其本身不指示所討論的各個(gè)實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系。

而且，為了便于描述，在此可以使用諸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)以描述如圖所示的一個(gè)元件或部件與另一個(gè)(或另一些)元件或部件的關(guān)系。除了圖中所示的方位外，空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。裝置可以以其他方式定向(旋轉(zhuǎn)90度或在其他方位上)，并且在此使用的空間相對(duì)描述符可以同樣地作出相應(yīng)的解釋。

圖1是根據(jù)一些實(shí)施例的半導(dǎo)體器件100的電路圖。半導(dǎo)體器件100可包括電壓驅(qū)動(dòng)器件。電壓驅(qū)動(dòng)器件可以是高壓功率器件。然而，這并不是對(duì)本發(fā)明的限定。電壓驅(qū)動(dòng)器件可以是低或正常電壓功率器件，例如，具有適當(dāng)?shù)碾妷旱钠骷?。高壓功率器件可以是能夠產(chǎn)生具有高于40v(伏特)的電壓的信號(hào)的晶體管。例如，高壓功率器件可以是ⅲ族-ⅴ族器件。ⅲ族-ⅴ族器件是指化合物半導(dǎo)體，該半導(dǎo)體可包括至少一個(gè)ⅲ族元素和至少一個(gè)v族元素，諸如，但不限于，氮化鎵(gan)、砷化鎵(gaas)、氮化銦鋁鎵(inalgan)、氮化銦鎵(ingan)等。參照?qǐng)D1，半導(dǎo)體器件100包括晶體管102和鉗位電路104。晶體管102布置為根據(jù)控制信號(hào)vgs1來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)so。鉗位電路104布置為根據(jù)輸入信號(hào)vi產(chǎn)生控制信號(hào)vgs1，并且布置為當(dāng)輸入信號(hào)vi超過(guò)預(yù)定的信號(hào)電平vp時(shí)，將控制信號(hào)vgs1鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp處(見(jiàn)圖2)。根據(jù)應(yīng)用，當(dāng)輸入信號(hào)vi高于或低于預(yù)定的信號(hào)電平vp時(shí)，鉗位電路104可將控制信號(hào)vgs1鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp。在本實(shí)施例中，鉗位電路104包括第二晶體管1042。晶體管102和晶體管1042可以是ⅲ族-v族晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管102是增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管(e-hemt)以及晶體管1042是耗盡型高電子遷移率晶體管(d-hemt)。然而，這并不是對(duì)實(shí)施例的限制。晶體管的其他類型在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

在一些實(shí)施例中，晶體管1042的第一連接端子布置為接收輸入信號(hào)vi。此外，第一連接端子可以是晶體管1042的漏極端子。晶體管1042的第二連接端子布置為連接晶體管102的柵極端子以將控制信號(hào)vgs1輸出至晶體管102的柵極。此外，第二連接端子可以是晶體管1042的源極端子。晶體管102的第一連接端子布置為輸出輸出信號(hào)so。此外，第一連接端子可以是晶體管102的漏極端子。晶體管102的第二連接端子布置為連接至晶體管1042的柵極端子。此外，第二連接端子可以是晶體管102的源極端子。在一些實(shí)施例中，輸入電路可連接至晶體管1042的漏極端子，輸出或負(fù)載電路可連接至晶體管102的漏極端子，以及負(fù)載電路可連接至晶體管102的源極端子。為了簡(jiǎn)明，可省略這些電路。

為了示出的目的，然而，晶體管102的源極端子連接至諸如接地電壓的參考電壓，以及輸入信號(hào)vi是晶體管1042的漏極端子和接地電壓之間的電壓。控制信號(hào)vgs1是晶體管102的柵極端子和晶體管102的源極端子之間的電壓降。在一些實(shí)施例中，晶體管1042布置為當(dāng)輸入信號(hào)vi高于預(yù)定的信號(hào)電平vp時(shí)，將控制信號(hào)vgs1鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp處。

由于晶體管102是e-hemt并且晶體管1042是d-hemt，晶體管102和晶體管1042具有不同的閾值電壓。因此，晶體管102的閾值電壓vth1不同于晶體管1042的閾值電壓vth2。在一些實(shí)施例中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fet)的閾值電壓是在fet的源極端子和漏極端子創(chuàng)建導(dǎo)電路徑所需要的最小的柵極至源極電壓降。e-hemt和d-hemt的閾值電壓具有不同的極性。例如，e-hemt的閾值電壓是正電壓，而d-hemt的閾值電壓是負(fù)電壓。因此，閾值電壓vth1是正電壓，并且閾值電壓vth2是負(fù)電壓。

在一些實(shí)施例中，晶體管1042的源極端子和柵極端子分別連接至晶體管102的柵極端子和源極端子。有效地，晶體管102的柵極-源極端子之間的偏壓與晶體管1042的柵極-源極端子之間的偏壓相反。當(dāng)輸入信號(hào)vi高于預(yù)定的信號(hào)電平vp時(shí)，將晶體管102的控制信號(hào)vgs1和柵極電流ig分別鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp和預(yù)定的電流ip處。

在一些實(shí)施例中，假設(shè)從晶體管1042的柵極端子至源極端子的電壓降是vgs2，然后可通過(guò)下面的等式(1)來(lái)表示晶體管102和晶體管1042的柵極-源極電壓之間的關(guān)系。

vgs1＝-vgs2(1)

當(dāng)晶體管102的柵極電流ig等于晶體管1042的漏極電流id時(shí)，可獲得下文中的等式(2)：

然后，基于等式(1)和(2)可獲得等式(3)：

參數(shù)a是晶體管102的增益因子，而參數(shù)b是晶體管1042的增益因子。參數(shù)q表示晶體管102和1042的多數(shù)載流子的元電荷。參數(shù)k是玻爾茲曼常數(shù)。參數(shù)t表示溫度。

根據(jù)等式(3)，可解決控制信號(hào)vgs1。當(dāng)晶體管102的柵極電流ig等于晶體管1042的漏極電流id時(shí)，控制信號(hào)vgs1可視為預(yù)定的信號(hào)電平vp，并且預(yù)定的信號(hào)電平的vp是固定值且取決于參數(shù)a、b、q、k、t和vth2。換言之，當(dāng)參數(shù)a、b、q、k和t是固定值時(shí)，預(yù)定的信號(hào)電平vp取決于晶體管1042的閾值電壓vth2。

圖2是根據(jù)一些實(shí)施例示出晶體管102的柵極電流ig和晶體管1042的漏極電流id的特性的圖。曲線202表示晶體管102的柵極電流ig的負(fù)載線。曲線204表示晶體管1042的漏極電流id的負(fù)載線。當(dāng)晶體管102的柵極電流ig等于晶體管1042的漏極電流id時(shí)，即當(dāng)柵極電流ig和漏極電流id等于預(yù)定的電流ip時(shí)，將控制信號(hào)vgs1鉗制在預(yù)定信號(hào)電平vp處。換言之，當(dāng)輸入信號(hào)vi持續(xù)增加時(shí)，晶體管102的控制信號(hào)vgs1和柵極電流ig將分別不斷地被鉗制在或鎖定至預(yù)定的信號(hào)電平vp和預(yù)定的電流ip處。

在一些實(shí)施例中，當(dāng)晶體管1042導(dǎo)通時(shí)，晶體管1042的漏極端子和源極端子之間的路徑被傳導(dǎo)。結(jié)果，晶體管1042的漏極端子和源極端子之間的電壓降相對(duì)較小并且因此可以省略。因此，當(dāng)晶體管1042導(dǎo)通時(shí)，輸入信號(hào)vi大致等于控制信號(hào)vgs1。

當(dāng)輸入信號(hào)vi超過(guò)預(yù)定的信號(hào)電平vp時(shí)，晶體管102的柵極端子和晶體管102的源極端子之間的電壓降(即，vgs1)高于閾值電壓vth1，并且晶體管1042的柵極端子和晶體管1042的源極端子之間的電壓降(即，vgs2)小于閾值電壓vth2。在一些實(shí)施例中，當(dāng)輸入信號(hào)vi小于預(yù)定的信號(hào)電平vp時(shí)，晶體管102和晶體管1042導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號(hào)vi高于預(yù)定的信號(hào)電平vp時(shí)，晶體管102導(dǎo)通并且晶體管1042截止。由于晶體管1042的柵極端子和源極端子之間的電壓降(即，vgs2)小于閾值電壓vth2，所以晶體管1042截止。當(dāng)晶體管1042截止時(shí)，將控制信號(hào)vgs1鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp處。因此，通過(guò)晶體管1042的閾值電壓vth2鉗制晶體管102的控制信號(hào)vgs1。

因此，當(dāng)高壓尖峰輸入至鉗位電路104(即，晶體管1042的漏極端子)時(shí)，鉗位電路104將晶體管102的最大控制信號(hào)vgs1和最大柵極電流ig限制于預(yù)定的信號(hào)電平vp和預(yù)定的電流ip，以分別保護(hù)晶體管102。

此外，鉗位電路104的輸入電阻ri定義為探測(cè)(lookinginto)晶體管1042的漏極端子的電阻。輸入電阻ri取決于輸入到鉗位電路104的輸入電流(即，柵極電流ig或漏極電流id)。例如，輸入電阻ri與晶體管1042的漏極電流id成反比。可通過(guò)晶體管1042的柵極寬度wg控制漏極電流id。當(dāng)晶體管1042的柵極寬度wg調(diào)整時(shí)，晶體管1042的閾值電壓vth2保持不變，因?yàn)榫w管1042的閾值電壓vth2獨(dú)立于晶體管1042的柵極寬度wg。因此，可優(yōu)化晶體管1042的柵極寬度wg以最小化鉗位電路104的輸入電阻ri，而不影響預(yù)定的信號(hào)電平vp。預(yù)定的信號(hào)電平vp取決于在上文的段中提及的晶體管1042的閾值電壓vth2。

在一些其他方法中，晶體管1042的柵極端子連接至晶體管102的柵極端子，而不連接至晶體管102的源極端子。在這些方法中，通過(guò)晶體管1042的柵極寬度決定晶體管1042的鉗位電流。換言之，晶體管1042的柵極寬度應(yīng)相對(duì)小，以將晶體管102的柵極電流鉗位至相對(duì)較小的電流。然而，當(dāng)晶體管1042的柵極寬度相對(duì)小時(shí)，探測(cè)晶體管102的柵極端子的輸入電阻相對(duì)高。因此，與這些方法相比，圖1中的實(shí)施例在輸入電阻方面具有更好的性能。

在一些實(shí)施例中，由于晶體管102的柵極電流ig的負(fù)載線響應(yīng)于控制信號(hào)vgs1表現(xiàn)出指數(shù)特性，因此當(dāng)晶體管1042的柵極寬度wg改變時(shí)，晶體管102的柵極電流ig的變化也表現(xiàn)出指數(shù)特性。結(jié)果，當(dāng)圖3中示出的晶體管1042的柵極寬度wg改變時(shí)，預(yù)定的信號(hào)電平vp僅引入微小的變化。圖3是根據(jù)一些實(shí)施例示出晶體管102的柵極電流ig和晶體管1042的漏極電流id的特性變化的圖。曲線302表示相對(duì)于晶體管1042的第一柵極寬度wg1的晶體管102的柵極電流ig的負(fù)載線。曲線304表示相對(duì)于晶體管1042的第二柵極寬度wg2的晶體管102的柵極電流ig的負(fù)載線。曲線306表示晶體管1042的漏極電流id的負(fù)載線。第二柵極寬度wg2大于第一柵極寬度wg1。當(dāng)晶體管1042的柵極寬度wg設(shè)計(jì)為具有大的柵極寬度(例如，wg2時(shí))，晶體管102的控制信號(hào)vgs1和柵極電流ig分別鉗制在信號(hào)電平vh和電流ih處。當(dāng)晶體管1042的柵極寬度wg設(shè)計(jì)為具有小的柵極寬度(例如，wg1)時(shí)，晶體管102的控制信號(hào)vgs1和柵極電流ig分別鉗制在信號(hào)電平v1和電流i1處。信號(hào)電平vh非常接近信號(hào)電平v1。然而，電流ih遠(yuǎn)離電流i1，這是因?yàn)楫?dāng)改變晶體管1042的柵極寬度wg改變時(shí)，電流ih和電流i1之間呈指數(shù)變化。在圖3中，兩箭頭線308示出響應(yīng)于晶體管1042的柵極寬度wg的變化的曲線302和曲線304之間的指數(shù)變化。換言之，晶體管1042的柵極寬度wg的變化僅引入了在晶體管102的預(yù)定的信號(hào)電平vp中的微小改變，但是引入了在預(yù)定的電流ip中的大的改變。因此，當(dāng)調(diào)整晶體管1042的柵極寬度wg(例如，設(shè)計(jì)具有大的柵極寬度)以最小化半導(dǎo)體器件100的輸入電阻ri時(shí)，柵極寬度的調(diào)整沒(méi)有引入鉗位電路104的鉗位電壓(即，預(yù)定的信號(hào)電平vp)的大的變化。在一些實(shí)施例中，晶體管1042的柵極寬度的調(diào)整沒(méi)有改變晶體管1042的閾值電壓vth2。

在一些實(shí)施例中，晶體管102和鉗位電路104集成在單個(gè)芯片中?？赏ㄟ^(guò)相同的半導(dǎo)體制造工藝制造晶體管102和鉗位電路104。然而，這并不是對(duì)實(shí)施例的限制。晶體管102和鉗位電路104可制造為獨(dú)立器件。

圖4是根據(jù)一些實(shí)施例示出半導(dǎo)體器件100的電流io的圖。電流io是晶體管102的漏極電流。曲線402表示相對(duì)于輸入信號(hào)vi的晶體管102的漏極電流io的變化。當(dāng)輸入信號(hào)vi小于預(yù)定的信號(hào)電平vp時(shí)，晶體管1042導(dǎo)通，并且可省略晶體管1042的漏極端子和源極端子之間的電壓降。當(dāng)輸入信號(hào)vi大于閾值電壓vth1時(shí)，晶體管102導(dǎo)通，并且控制信號(hào)vgs1與輸入信號(hào)vi大致相等。當(dāng)輸入信號(hào)vi在閾值電壓vth1和預(yù)定的信號(hào)電平vp之間時(shí)，漏極電流io與輸入信號(hào)vi成正比。

當(dāng)輸入信號(hào)vi大于預(yù)定的信號(hào)電平vp時(shí)，晶體管1042截止。當(dāng)晶體管1042截止時(shí)，控制信號(hào)vgs1被鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp處并且漏極電流io被鉗制在預(yù)定的輸出電流iop處。換言之，當(dāng)輸入信號(hào)vi大于預(yù)定的信號(hào)電平vp時(shí)，漏極電流io固定至預(yù)定的輸出電流iop并且其不相對(duì)于輸入信號(hào)vi變化。因此，當(dāng)出現(xiàn)高壓尖峰時(shí)，晶體管102不立即產(chǎn)生大輸出電流以擊穿半導(dǎo)體器件100。

在圖1中，晶體管102是n型e-hemt并且晶體管1042是n型d-hemt。然而，這并不是對(duì)實(shí)施例的限制。在一些實(shí)施例中，晶體管102可以是n型e-hemt并且晶體管1042可以是p型d-hemt。在一些實(shí)施例中，晶體管102可以是p型e-hemt并且晶體管1042可以是n型d-hemt。在一些實(shí)施例中，晶體管102可以是p型e-hemt并且晶體管1042可以是p型d-hemt。在一些實(shí)施例中，晶體管102和晶體管1042包括垂直的分層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)ⅲ族氮化物(也稱為ⅲ族氮化物或ⅲ-n)半導(dǎo)體材料實(shí)施垂直的分層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，晶體管102可以是n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管并且晶體管1042可以是p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管102可以是p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管并且晶體管1042可以是n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管102可以是p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管并且晶體管1042可以是p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管102可以是npn雙極結(jié)晶體管并且晶體管1042可以是pnp雙極結(jié)晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管102可以是pnp雙極結(jié)晶體管并且晶體管1042可以是npn雙極結(jié)晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管102可以是pnp雙極結(jié)晶體管并且晶體管1042可以是pnp雙極結(jié)晶體管。晶體管的以上配置是實(shí)例。其他配置也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

圖5是根據(jù)一些實(shí)施例示出半導(dǎo)體器件500的圖。半導(dǎo)體器件500可以是具有ⅲ族-ⅴ族元素的高壓功率器件。半導(dǎo)體器件500包括第一晶體管500和鉗位電路504。晶體管502布置為根據(jù)控制信號(hào)vgs1’來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)so’。鉗位電路504布置為根據(jù)輸入信號(hào)vi’產(chǎn)生控制信號(hào)vgs1’，并且布置為當(dāng)輸入信號(hào)vi’超過(guò)預(yù)定的信號(hào)電平vp’時(shí)，將控制信號(hào)vgs1’鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp’處(見(jiàn)圖6)。在一些實(shí)施例中，鉗位電路504包括第二晶體管5042和電阻元件5044。晶體管502和晶體管5042可以是ⅲ族-v族晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管502是增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管(e-hemt)以及晶體管5042是耗盡型高電子遷移率晶體管(d-hemt)。然而，這并不是對(duì)實(shí)施例的限制。電阻元件5044布置為調(diào)整預(yù)定的信號(hào)電平vp’。

在一些實(shí)施例中，晶體管5042的第一連接端子布置為接收輸入信號(hào)vi’，并且第一連接端子可以是晶體管5042的漏極端子。晶體管5042的第二連接端子布置為連接晶體管502的柵極端子以輸出控制信號(hào)vgs1’，并且第二連接端子可以是晶體管5042的源極端子。晶體管502的第一連接端子布置為輸出輸出信號(hào)so’，并且第一連接端子可以是晶體管502的漏極端子。電阻元件5044的第一端子連接至晶體管5042的柵極端子，并且電阻元件5044的第二端子連接至晶體管502的第二連接端子，并且第二連接端子可以是晶體管502的源極端子。在一些實(shí)施例中，輸入電路可連接至晶體管5042的漏極端子，輸出或負(fù)載電路可連接至晶體管502的漏極端子，并且負(fù)載電路可連接至晶體管502的源極端子。為了簡(jiǎn)明，可省略這些電路。

為了示出的目的，然而，晶體管502的源極端子連接至接地電壓，以及輸入信號(hào)vi’是晶體管5042的漏極端子和接地電壓之間的電壓。控制信號(hào)vgs1’是晶體管502的柵極端子和晶體管502的源極端子之間的電壓降。在一些實(shí)施例中，晶體管5042和電阻元件5044布置為當(dāng)輸入信號(hào)vi’高于預(yù)定的信號(hào)電平vp’時(shí)，將控制信號(hào)vgs1’鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp’處。

由于晶體管502是e-hemt并且晶體管5042是d-hemt，晶體管502和晶體管5042分別具有正閾值電壓vth1’和負(fù)閾值電壓vth2’。

在一些實(shí)施例中，晶體管5042的源極端子和柵極端子分別連接至晶體管502的柵極端子和源極端子。有效地，晶體管102的柵極-源極端子之間的偏壓與晶體管1042的柵極-源極端子之間的偏壓相反。然而，電阻元件5044進(jìn)一步提供了在晶體管5042的柵極端子和晶體管502的源極端子之間的電壓降。當(dāng)輸入信號(hào)vi’高于預(yù)定的信號(hào)電平vp’時(shí)，晶體管502的控制信號(hào)vgs1’和柵極電流ig’將被分別鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp’和預(yù)定的電流ip’處。

在一些實(shí)施例中，假設(shè)從晶體管5042的柵極端子至源極端子的電壓降是vgs2’，電阻元件5044的電阻是r’，流過(guò)電阻元件5044的柵極電流是ir’，然后可獲得下面的等式(4)：

vgs1’+vgs2’＝ir’r’(4)

當(dāng)晶體管502的柵極電流ig’等于晶體管5042的漏極電流id’時(shí)，可獲得下面的等式(5)：

然后，基于等式(4)和(5)可獲得等式(6)：

參數(shù)a’是晶體管502的增益因子，而參數(shù)b’是晶體管5042的增益因子。參數(shù)q’表示晶體管502和5042的多數(shù)載流子的元電荷。參數(shù)k’是玻爾茲曼常數(shù)。參數(shù)t表示溫度。

基于等式(6)，可以解決控制信號(hào)vgs1’。當(dāng)晶體管502的柵極電流ig’等于晶體管5042的漏極電流id’時(shí)，控制信號(hào)vgs1’可視為預(yù)定的信號(hào)電平vp’，并且預(yù)定的信號(hào)電平vp’是固定值且取決于參數(shù)a’、b’、q’、k’、t’、vth2’、ir’和r’。換言之，當(dāng)參數(shù)a’、b’、q’、k’和t’是固定值時(shí)，預(yù)定的信號(hào)電平vp’取決于晶體管1042的閾值電壓vth2’和由電阻元件5044導(dǎo)致的電壓降ir’*r’。例如，如圖6所示，通過(guò)電壓降ir’*r’調(diào)整預(yù)定的信號(hào)電平vp’。圖5的電阻元件5044不是對(duì)本實(shí)施例的限制?？捎镁哂蓄愃频碾娞匦缘钠渌娐诽娲娮柙?044。在一些實(shí)施例中，電阻元件5044可以是無(wú)源器件。無(wú)源器件可以是電阻器件、電感器件和/或電容器件的組合。在一些實(shí)施例中，電阻元件5044可以進(jìn)一步包括除了電阻元件5044的有源器件。有源器件可包括一個(gè)或多個(gè)晶體管。在一些實(shí)施例中，電阻元件5044是可調(diào)整的電阻器，該電阻器在制造半導(dǎo)體器件500后，可被控制為調(diào)整預(yù)定的信號(hào)電平vp’。

圖6是根據(jù)一些實(shí)施例示出晶體管502的柵極電流ig’和晶體管5042的漏極電流id’的特性圖。曲線602表示晶體管502的柵極電流ig’的負(fù)載線。曲線604表示晶體管5042的漏極電流id’的負(fù)載線。為了示出的目的，也示出曲線606，其中曲線606表示沒(méi)有電阻元件5044的晶體管502的柵極電流ig’的負(fù)載線。

在一些實(shí)施例中，當(dāng)晶體管502的柵極電流ig’等于晶體管5042的漏極電流id’時(shí)，即當(dāng)柵極電流ig’和漏極電流id’等于預(yù)定的電流ip’時(shí)，將控制信號(hào)vgs1’鉗制在預(yù)定信號(hào)電平vp’處。例如，當(dāng)電阻元件5044連接在晶體管5042的柵極端子和晶體管502的源極端子之間時(shí)，晶體管502的柵極電流ig’的負(fù)載線從606移動(dòng)至602。因此，與圖2中示出的預(yù)定的信號(hào)電平vp和預(yù)定的電流ip相比，當(dāng)電阻元件5044連接在晶體管5042的柵極端子和晶體管502的源極端子時(shí)，預(yù)定的信號(hào)電平vp’和預(yù)定的電流ip’降低了。因此，當(dāng)輸入信號(hào)vi’增加至比調(diào)整的信號(hào)電平vp’更大的電壓電平時(shí)，晶體管502的控制信號(hào)vgs1’和柵極電流ig’將分別被連續(xù)地鉗制在或鎖定至調(diào)整的信號(hào)電平vp’和調(diào)整的電流ip’處。

因此，當(dāng)高壓尖峰輸入至鉗位電路504(即，晶體管5042的漏極端子)時(shí)，鉗位電路504將晶體管502的最大控制信號(hào)vgs1’和最大柵極電流ig’分別限制于調(diào)整的信號(hào)電平vp’和調(diào)整的電流ip’，從而保護(hù)晶體管502。

對(duì)于半導(dǎo)體器件500，當(dāng)調(diào)整晶體管5042的柵極寬度以最小化半導(dǎo)體器件500的輸入電阻時(shí)，柵極寬度的調(diào)整沒(méi)有引入鉗位電路504的鉗位電壓(即，預(yù)定的信號(hào)電平vp’)中的大的變化。這個(gè)部件類似于上文中的半導(dǎo)體器件100，并且為了簡(jiǎn)明省略詳細(xì)地描述。

在圖5中，晶體管502是n型e-hemt并且晶體管5042是n型d-hemt。然而，這并不是對(duì)實(shí)施例的限制。在一些實(shí)施例中，晶體管502可以是n型e-hemt并且晶體管5042可以是p型d-hemt。在一些實(shí)施例中，晶體管502可以是p型e-hemt并且晶體管5042可以是n型d-hemt。在一些實(shí)施例中，晶體管502可以是p型e-hemt并且晶體管5042可以是p型d-hemt。在一些實(shí)施例中，晶體管502和晶體管5042包括垂直的分層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)ⅲ族氮化物(也稱為ⅲ氮化物或ⅲ-n)的半導(dǎo)體材料實(shí)施垂直的分層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，晶體管502可以是n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管并且晶體管5042可以是p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管502可以是p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管并且晶體管5042可以是n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管502可以是p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管并且晶體管5042可以是p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管502可以是npn雙極結(jié)晶體管并且晶體管5042可以是pnp雙極結(jié)晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管502可以是pnp雙極結(jié)晶體管并且晶體管5042可以是npn雙極結(jié)晶體管。在一些實(shí)施例中，晶體管502可以是pnp雙極結(jié)晶體管并且晶體管5042可以是pnp雙極結(jié)晶體管。晶體管的以上配置是實(shí)例。其他配置也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

圖7是根據(jù)一些實(shí)施例示出電路保護(hù)方法700的流程圖。電路保護(hù)方法700能夠保護(hù)高功率器件。例如，電路保護(hù)方法700可應(yīng)用在上文中的半導(dǎo)體器件100和500中。為了簡(jiǎn)明，結(jié)合半導(dǎo)體器件500來(lái)描述電路保護(hù)方法700。參照?qǐng)D7，在操作702中，提供晶體管502以根據(jù)控制信號(hào)vgs1’來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)so’。

在操作704中，提供晶體管5042以根據(jù)輸入信號(hào)vi’來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)vgs1’。

在操作706中，提供電阻元件5044以連接在晶體管5042的柵極端子和晶體管502的源極端子之間。

在操作708中，晶體管5042和電阻元件5044布置為當(dāng)輸入信號(hào)vi’超過(guò)預(yù)定的信號(hào)電平vp’時(shí)，將控制信號(hào)vgs1’鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp’處。在一些實(shí)施例中，預(yù)定的信號(hào)電平vp’取決于晶體管5042的閾值電壓vth2’。通過(guò)電阻元件5044的電阻r’調(diào)整預(yù)定的信號(hào)電平vp’。

當(dāng)高壓尖峰輸入至鉗位電路504(即，晶體管5042的漏極端子)時(shí)，電路保護(hù)方法700能夠?qū)⒕w管502的最大控制信號(hào)vgs1’和最大柵極電流ig’限制于調(diào)整的信號(hào)電平vp’和調(diào)整的電流ip’，從而分別保護(hù)晶體管502。

圖1和圖5中的鉗位電路104、504不是對(duì)實(shí)施例的限制?？衫闷渌碾妷恒Q位電路替代鉗位電路104、504。應(yīng)當(dāng)理解，鉗位電路104(或504)可包括多于一個(gè)晶體管。半導(dǎo)體器件100(或500)可包括多于一個(gè)鉗位電路104(或504)。例如，鉗位電路104(或504)可包括多于一個(gè)d-hemt。鉗位電路104可進(jìn)一步包括除了d-hemt的其他有源器件或無(wú)源器件。圖8是根據(jù)一些實(shí)施例示出半導(dǎo)體器件800的圖。相比于圖5中的半導(dǎo)體器件500，可用半導(dǎo)體器件800中的二極管802替代電阻元件5044，并且為了簡(jiǎn)明，可用類似的標(biāo)號(hào)標(biāo)注半導(dǎo)體器件800中的其他器件。根據(jù)一些實(shí)施例，二極管802的陽(yáng)極連接至晶體管5042的柵極端子，并且二極管802的陰極連接至晶體管502的源極端子。因此，二極管802是從晶體管5042的柵極端子正向偏置至晶體管502的源極端子。二極管802提供了從晶體管5042的柵極端子至晶體管502的源極端子的電壓降。電壓降布置為調(diào)整預(yù)定的信號(hào)電平vp’。當(dāng)輸入信號(hào)vi’高于預(yù)定的信號(hào)電平vp’時(shí)，將晶體管502的控制信號(hào)vgs1’和柵極電流ig’分別鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平vp’和預(yù)定的電流ip’處。半導(dǎo)體器件800的詳細(xì)的操作類似于上文的段中描述的半導(dǎo)體器件500的操作，并且此處為了簡(jiǎn)明可省略部件和優(yōu)勢(shì)的詳細(xì)的描述。

簡(jiǎn)言之，當(dāng)e-hemt(例如，102)的柵極-源極端子之間的偏壓與d-hemt(例如，1042)的柵極-源極端子之間的偏壓相反時(shí)，通過(guò)d-hemt的閾值電壓(例如，veh2)鉗制e-hemt的柵極-源極電壓降(例如，vgs1)。結(jié)果，當(dāng)高壓尖峰輸入到e-hemt時(shí)，d-hemt可將e-hemt的柵極-源極電壓降限制于預(yù)定的信號(hào)電平vp，從而保護(hù)e-hemt?？赏ㄟ^(guò)使用連接在d-hemt的柵極端子和e-hemt的源極端子之間的電阻器來(lái)調(diào)整預(yù)定的信號(hào)電平vp。此外，可通過(guò)d-hemt的柵極寬度來(lái)調(diào)整e-hemt的輸入電阻，而不影響預(yù)定的信號(hào)電平vp。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，公開(kāi)了半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件包括第一晶體管和鉗位電路。第一晶體管布置為根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)。鉗位電路布置為根據(jù)輸入信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)，并且布置為當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，將控制信號(hào)鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平處。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，公開(kāi)了半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件包括第一晶體管和第二晶體管。第一晶體管布置為根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)。第二晶體管布置為將控制信號(hào)鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平處。預(yù)定的信號(hào)電平取決于第二晶體管的閾值電壓。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，公開(kāi)了電路保護(hù)方法。電路保護(hù)方法包括：提供了第一晶體管以根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)；提供第二晶體管以根據(jù)輸入信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)；并且當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，使用第二晶體管以將控制信號(hào)鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平處。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括：第一晶體管，布置為根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)；以及鉗位電路，布置為根據(jù)輸入信號(hào)產(chǎn)生所述控制信號(hào)，并且布置為當(dāng)所述輸入信號(hào)超過(guò)預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，將所述控制信號(hào)鉗制在所述預(yù)定的信號(hào)電平處。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述控制信號(hào)是所述第一晶體管的柵極端子和所述第一晶體管的源極端子之間的電壓降，并且當(dāng)所述輸入信號(hào)高于所述預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，所述鉗位電路布置為將所述控制信號(hào)鉗制在所述預(yù)定的信號(hào)電平處。

在上述半導(dǎo)體器件中，當(dāng)所述輸入信號(hào)高于所述預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，所述鉗位電路布置為將所述第一晶體管的柵極端子上的柵極電流鉗制在預(yù)定的電流處。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第一晶體管具有第一閾值電壓，并且所述鉗位電路包括：第二晶體管，具有與所述第一閾值電壓不同的第二閾值電壓。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第一閾值電壓和所述第二閾值電壓具有不同的極性。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第一晶體管是增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管(e-hemt)并且所述第二晶體管是耗盡型高電子遷移率晶體管(d-hemt)。

在上述半導(dǎo)體器件中，當(dāng)所述輸入信號(hào)超過(guò)所述預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，所述第一晶體管的柵極端子和所述第一晶體管的源極端子之間的第一電壓降高于所述第一閾值電壓，并且所述第二晶體管的柵極端子和所述第二晶體管的源極端子之間的第二電壓降小于所述第二閾值電壓。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第二晶體管的第一連接端子布置為接收所述輸入信號(hào)；所述第二晶體管的第二連接端子布置為連接至所述第一晶體管的柵極端子以輸出所述控制信號(hào)；所述第一晶體管的第一連接端子布置為輸出所述輸出信號(hào)；以及所述第一晶體管的第二連接端子布置為連接至所述第二晶體管的柵極端子。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述鉗位電路進(jìn)一步包括：電阻元件，布置為調(diào)整所述預(yù)定的信號(hào)電平。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述電阻元件連接在所述第二晶體管的柵極端子和所述第一晶體管的源極端子之間。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述電阻元件布置為降低所述預(yù)定的信號(hào)電平。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，還提供了一種半導(dǎo)體器件，包括：第一晶體管，布置為根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)；以及第二晶體管，布置為將所述控制信號(hào)鉗制在預(yù)定的信號(hào)電平處；其中，所述預(yù)定的信號(hào)電平基于所述第二晶體管的閾值電壓。

在上述半導(dǎo)體器件中，當(dāng)所述第二晶體管將所述控制信號(hào)鉗制在所述預(yù)定的信號(hào)電平處時(shí)，所述第二晶體管的柵極端子和所述第二晶體管的源極端子之間的電壓降小于所述閾值電壓。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第二晶體管的第一連接端子布置為接收輸入信號(hào)；所述第二晶體管的第二連接端子布置為連接至所述第一晶體管的柵極端子以輸出所述控制信號(hào)；所述第一晶體管的第一連接端子布置為輸出所述輸出信號(hào)；以及所述第一晶體管的第二連接端子布置為連接至所述第二晶體管的柵極端子。

在上述半導(dǎo)體器件中，還包括：電阻元件，布置為調(diào)整所述預(yù)定的信號(hào)電平。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述電阻元件連接在所述第二晶體管的柵極端子和所述第一晶體管的源極端子之間。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述電阻元件布置為降低所述預(yù)定的信號(hào)電平。

根據(jù)本發(fā)明的又一些實(shí)施例，還提供了一種電路保護(hù)方法，包括：提供第一晶體管以根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)；提供第二晶體管以根據(jù)輸入信號(hào)產(chǎn)生所述控制信號(hào)；當(dāng)所述輸入信號(hào)超過(guò)預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，使用所述第二晶體管將所述控制信號(hào)鉗制在所述預(yù)定的信號(hào)電平處。

在上述電路保護(hù)方法中，當(dāng)所述輸入信號(hào)超過(guò)所述預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，使用所述第二晶體管將所述控制信號(hào)鉗制在所述預(yù)定的信號(hào)電平處，包括：當(dāng)所述輸入信號(hào)超過(guò)所述預(yù)定的信號(hào)電平時(shí)，將所述第二晶體管的柵極端子和所述第二晶體管的源極端子之間的電壓降控制為小于第二閾值電壓。

在上述電路保護(hù)方法中，還包括：提供電阻元件以連接在所述第二晶體管的柵極端子和所述第一晶體管的源極端子之間，從而用于調(diào)整所述預(yù)定的信號(hào)電平。

上面概述了若干實(shí)施例的特征，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明的各方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，他們可以容易地使用本發(fā)明作為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)或修改用于實(shí)施與在此所介紹實(shí)施例相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)勢(shì)的其他工藝和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該意識(shí)到，這種等同構(gòu)造并不背離本發(fā)明的精神和范圍，并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，在此他們可以做出多種變化、替換以及改變。