專利名稱：單向?qū)ㄑb置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種單向?qū)ㄑb置，且特別是有關(guān)于一種具有低順向電壓的單向?qū)ㄑb置。
(2)背景技術(shù)在電子電路中，二極管(diode)的使用有相當(dāng)悠久的歷史，其單向?qū)ǖ奶匦猿１粦?yīng)用于各類電路中，重要性實(shí)不亞于電阻及電容，是不可或缺的重要元件。雖然二極管的應(yīng)用十分廣泛，但不可諱言的是，二極管一直存在著本質(zhì)上的缺陷，就是導(dǎo)通時(shí)的順向電壓仍嫌太高。
一般的二極管其順向電壓約為0.7伏特左右，此是物理特性并無法消除。雖然借重半導(dǎo)體制程的改進(jìn)已可制出順向電壓較低的蕭特基二極管(SchottkyDiode)，但蕭特基二極管約0.4伏特的順向電壓，對(duì)許多需要單向?qū)ㄌ匦郧译妷狠^低的工作環(huán)境而言，耗費(fèi)在晶體管上的功率損失仍無法令人滿意。因此，實(shí)有必要發(fā)展出順向電壓極低的單向?qū)ㄑb置，以降低功率損失，提高電源使用的效率。
(3)發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種單向?qū)ㄑb置，以極低的順向偏壓實(shí)現(xiàn)單向?qū)ㄌ匦浴?br> 根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一種單向?qū)ㄑb置，此裝置的簡述如下單向?qū)ㄑb置包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管及驅(qū)動(dòng)裝置，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的源極與汲極是分別作為單向?qū)ㄑb置的N極與P極，驅(qū)動(dòng)裝置例如是比較器或放大電路等，用以檢測金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管汲極與源極間的電位差。當(dāng)P極電位高于N極電位時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置便輸出一驅(qū)動(dòng)電位至金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的閘極使其導(dǎo)通，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通后，電流即可由P極經(jīng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管流向N極。反之，若P極電位低于N極電位，驅(qū)動(dòng)裝置便無法輸出開啟金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管所需的驅(qū)動(dòng)電位，故P極與N極間處于斷路狀態(tài)，亦即單向?qū)ㄑb置此時(shí)為關(guān)閉。
為讓本發(fā)明的上述目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，以下特舉一較佳實(shí)施例并配合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。
(4)


圖1是依照本發(fā)明的實(shí)施例一所提供的單向?qū)ㄑb置方塊圖。
圖2是運(yùn)算放大器的接腳定義示意圖。
圖3依照本發(fā)明的實(shí)施例一所提供的單向?qū)ㄑb置電路圖。
圖4是單向?qū)ㄑb置的電壓-電流曲線。
圖5是實(shí)施例一所提供的單向?qū)ㄑb置應(yīng)用于電源供應(yīng)電路中的情形。
圖6是依照本發(fā)明的實(shí)施例二所提供的單向?qū)ㄑb置電路圖。
(5)具體實(shí)施方式
金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，MOSFET)在導(dǎo)通時(shí)，汲極(drain)與源極(source)間的順向電壓極低，若能利用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管實(shí)現(xiàn)單向?qū)ǖ奶匦裕憧扇〈O管成為良好的單向?qū)ㄑb置。眾所周知，二極管具有P極及N極，理想上，當(dāng)P極電位高于N極電位時(shí)二極管即可導(dǎo)通(turn on，相當(dāng)于短路)，當(dāng)P極電位低于N極電位時(shí)二極管即關(guān)閉(turn off，相當(dāng)于斷路)，故謂二極管具有單向?qū)ㄌ匦?。本發(fā)明所提供的單向?qū)ㄑb置同樣具有P極及N極，并具備如二極管般的單向?qū)ㄌ匦?，下文中將有詳?xì)的探討。
實(shí)施例一請參照圖1，它是依照本發(fā)明的實(shí)施例一所提供的一種單向?qū)ㄑb置方塊圖。單向?qū)ㄑb置包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管110及驅(qū)動(dòng)裝置150，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管110的汲極與源極是分別作為單向?qū)ㄑb置的P極與N極(至于何者為P極或N極當(dāng)視設(shè)計(jì)需求而定，下文將進(jìn)一步說明)，驅(qū)動(dòng)裝置150則用以檢測金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管110源極與汲極間的電位差。當(dāng)P極電位高于N極電位時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置150便輸出一驅(qū)動(dòng)電位DS至金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管110的閘極(gate)使其導(dǎo)通，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通后，電流即可由P極經(jīng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管110流向N極。反之，若P極電位低于N極電位，驅(qū)動(dòng)裝置150便無法輸出開啟金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管110所需的驅(qū)動(dòng)電位DS，故P極與N極間處于斷路狀態(tài)，亦即單向?qū)ㄑb置此時(shí)為關(guān)閉。
符合上述驅(qū)動(dòng)裝置150設(shè)計(jì)需求的電路種類很多，例如比較器或放大電路等，只要能達(dá)到本發(fā)明驅(qū)動(dòng)裝置150的功能均可；而運(yùn)算放大器(operationamplifier，OP)是用以實(shí)現(xiàn)比較器與放大電路的常用元件，故此處以運(yùn)算放大器為例，將其接腳定義加以說明。請參照圖2，它是運(yùn)算放大器的接腳定義示意圖。運(yùn)算放大器200具有非反相輸入端1、反相輸入端3、高電源端5、低電源端2及輸出端4。非反相輸入端1與反相輸入端3為信號(hào)輸入端，輸出端4為信號(hào)輸出端。高電源端5及低電源端2需分別接至高電源V+及低電源V-，以取得運(yùn)算放大器200操作所需的電源。
接著請參照圖3，它是依照本發(fā)明的實(shí)施例一所提供的一種單向?qū)ㄑb置電路圖。單向?qū)ㄑb置包括互相耦接的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管310及驅(qū)動(dòng)裝置350，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管310為P通道(P channel)晶體管(即PMOS)，其源極S與汲極D是分別作為單向?qū)ㄑb置的N極與P極。驅(qū)動(dòng)裝置350是一由運(yùn)算放大器200與電阻R1，R2所組成的反相放大器，屬放大電路的一種。運(yùn)算放大器200具有非反相輸入端1、反相輸入端3、高電源端5、低電源端2及輸出端4。非反相輸入端1耦接至源極S，輸出端4耦接至閘極G，反相輸入端3耦接至電阻R1的一端，電阻R1的另一端耦接至汲極D。電阻R2的一端耦接至反相輸入端3，電阻R2的另一端耦接至輸出端4。高電源端5耦接至源極S、低電源端2接地，以取得運(yùn)算放大器200操作所需的電源。
以下將說明圖3的工作原理。單向?qū)ㄑb置的P極與N極的電氣特性相當(dāng)于二極管的P極與N極，并假設(shè)N極電壓為5V，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管310導(dǎo)通時(shí)汲極D與源極S間的電阻為0.05歐姆，電阻R1為10K歐姆，電阻R2為5M歐姆。當(dāng)順向偏壓時(shí)，P極比N極電壓高，根據(jù)反相放大器的放大原理可知(R2/R1)*Vi＝-Vo，其中Vi為運(yùn)算放大器200的輸入電壓，Vo為輸出電壓。假設(shè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管310完全導(dǎo)通時(shí)閘極G的電位為-5伏特(以運(yùn)算放大器200的非反相輸入端1為參考點(diǎn))，由于閘極G的電位即為運(yùn)算放大器200的輸出電壓，為使運(yùn)算放大器200的輸出電壓滿足設(shè)計(jì)需求，故P極電壓需高于N極至少10mV(5M/10K*10mV＝-5V)，使金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管310能完全導(dǎo)通。由于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管310恰恰完全導(dǎo)通時(shí)順向電流約等于0.2安培(10mV/0.05Ω＝0.2A)，故可知當(dāng)順向電流大于0.2安培即可使金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管310完全導(dǎo)通。換句話說，P極至N極的順向電壓(VF)＝順向電流*0.05歐姆，若順向電流為1A，所對(duì)應(yīng)的順向電壓僅為0.05伏特，較蕭特基二極管的順向電壓(約0.4V)低了甚多，該單向?qū)ㄑb置的電壓-電流曲線如圖4所示。因?yàn)樯鲜鲰樝螂妷嚎梢罁?jù)電阻R1與R2作調(diào)整，可調(diào)整至極低甚至趨近理想的單向?qū)顟B(tài)。
請參照圖4，當(dāng)順向電流小于0.2安培時(shí)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管310并不會(huì)完全導(dǎo)通，而是隨著順向電流降低晶體管阻抗會(huì)增加，直到電流為零時(shí)晶體管將完全關(guān)閉。因此，當(dāng)P極與N極間的順向偏壓介于0至10mV時(shí)電壓-電流并非線性關(guān)系，而實(shí)際曲線將由晶體管特性決定。
當(dāng)N極比P極電壓高時(shí)(此時(shí)為逆向偏壓)，非反相輸入端1的電位會(huì)比反相輸入端3高，此時(shí)運(yùn)算放大器200將輸出高電位使金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管310完全關(guān)閉。因此逆向偏壓時(shí)單向?qū)ㄑb置將不導(dǎo)通，僅在順向偏壓時(shí)導(dǎo)通，故具備單向?qū)ㄌ匦浴?br> 另外，電阻R1，R2與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管310的閘極轉(zhuǎn)態(tài)電壓決定了順向電壓切入點(diǎn)，可記為順向電壓切入點(diǎn)＝閘極轉(zhuǎn)態(tài)電壓*(R1/R2)，在本實(shí)施例中順向電壓切入點(diǎn)為10mV。在實(shí)務(wù)上可提高順向電壓切入點(diǎn)使其大于運(yùn)算放大器的抵補(bǔ)(Offset)電壓，以確保無逆向電流的產(chǎn)生，例如調(diào)整電阻R1，R2的比值就是一個(gè)可行的方式。
接著請參照圖5，其繪示實(shí)施例一所提供的單向?qū)ㄑb置應(yīng)用于電源供應(yīng)電路中的情形。電池BT1與電池BT2是用以提供負(fù)載所需的電源，此負(fù)載例如是筆記本電腦。當(dāng)電池BT1的電位高于電池BT2的電位時(shí)，由于此時(shí)單向?qū)ㄑb置500順向偏壓而單向?qū)ㄑb置550逆向偏壓，故單向?qū)ㄑb置500導(dǎo)通而單向?qū)ㄑb置550關(guān)閉，負(fù)載可由電位較高的電池BT1取得電源供應(yīng)。反之若電池BT1的電位低于電池BT2的電位時(shí)，負(fù)載可由電位較高的電池BT2取得電源供應(yīng)。
實(shí)施例二接著請參照圖6，它是依照本發(fā)明的實(shí)施例二所提供的一種單向?qū)ㄑb置電路圖。單向?qū)ㄑb置包括互相耦接的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管610及驅(qū)動(dòng)裝置650，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管610為N通道(N channel)晶體管(即NMOS)，其源極S與汲極D是分別作為單向?qū)ㄑb置的P極與N極。驅(qū)動(dòng)裝置650是一由運(yùn)算放大器200與電阻R1，R2所組成的反相放大器，其中非反相輸入端1耦接至源極S，輸出端4耦接至閘極G，反相輸入端3耦接至電阻R1的一端，電阻R1的另一端耦接至汲極D。電阻R2的一端耦接至反相輸入端3，電阻R2的另一端耦接至輸出端4。高電源端5耦接至高于源極S的電位的電源V+，低電源端2耦接至源極S，以取得運(yùn)算放大器200操作所需的電源。
實(shí)施例二與實(shí)施例一最大的不同處，在于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管610為NMOS，且高電源端5是耦接至電源V+。換句話說，實(shí)施例一適用于運(yùn)算放大器的電源低于N極電位的環(huán)境，而實(shí)施例二適用于運(yùn)算放大器的電源高于P極電位的環(huán)境。在實(shí)施例二中，運(yùn)算放大器200的輸出電壓＝P極與N極間的順向電壓*R2/R1(以運(yùn)算放大器200的非反相輸入端1為參考點(diǎn))，若金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管610的閘極轉(zhuǎn)態(tài)電壓為5伏特，電阻R1為10K歐姆，電阻R2為5M歐姆，則可推知順向電壓切入點(diǎn)僅為10mV左右。
本發(fā)明上述實(shí)施例所揭示的單向?qū)ㄑb置，至少具有以下優(yōu)點(diǎn)1.由此電路組成的二極管等效電路順向電壓極低。
2.逆向漏電電流比蕭特基二極管低。
3.順向?qū)ㄅc逆向截止極為準(zhǔn)確，不會(huì)有逆向大電流狀況。
4.金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管由順向的飽和區(qū)到工作區(qū)再到逆向的截止區(qū)，為漸近式變化，故接近零點(diǎn)時(shí)運(yùn)算放大器不會(huì)有振蕩不穩(wěn)定現(xiàn)象。
5.運(yùn)用于整流電路可提高效率。
綜上所述，雖然本發(fā)明已以一些實(shí)施例予以揭示，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)本技術(shù)的人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與替換，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種單向?qū)ㄑb置，其特征在于，包括一晶體管，具有一源極、一汲極及一閘極；以及一驅(qū)動(dòng)裝置，耦接至該晶體管，用以依據(jù)該源極與該汲極間的電位差輸出一驅(qū)動(dòng)電位至該閘極以單向?qū)ㄔ摼w管。
2.如權(quán)利要求1所述的單向?qū)ㄑb置，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)裝置是一比較器。
3.如權(quán)利要求1所述的單向?qū)ㄑb置，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)裝置是一放大電路。
4.如權(quán)利要求3所述的單向?qū)ㄑb置，其特征在于，該放大電路是反相放大器。
5.如權(quán)利要求4所述的單向?qū)ㄑb置，其特征在于，該晶體管是金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管。
6.如權(quán)利要求5所述的單向?qū)ㄑb置，其特征在于，該汲極是作為該單向?qū)ㄑb置的P極，該源極是作為該單向?qū)ㄑb置的N極。
7.一種單向?qū)ㄑb置，具有一P極及一N極，其特征在于，該單向?qū)ㄑb置包括一金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，該金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管是P通道晶體管，并具有一源極、一汲極及一閘極，其中，該汲極是作為該P(yáng)極，該源極是作為該N極；以及一驅(qū)動(dòng)裝置，耦接至該金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，用以單向?qū)ㄔ摻饘傺趸锇雽?dǎo)體場效應(yīng)晶體管，該驅(qū)動(dòng)裝置包括一運(yùn)算放大器，具有一反相輸入端、一非反相輸入端及一輸出端，該非反相輸入端耦接至該源極，該輸出端耦接至該閘極；一第一電阻，該第一電阻的一端耦接至該汲極，該第一電阻的另一端耦接至該反相輸入端；及一第二電阻，該第二電阻的一端耦接至該反相輸入端，該第二電阻的另一端耦接至該輸出端。
8.如權(quán)利要求7所述的單向?qū)ㄑb置，其特征在于，該運(yùn)算放大器還包括一高電源端及一低電源端，該高電源端耦接至該源極，該低電源端耦接地。
9.一種單向?qū)ㄑb置，具有一P極及一N極，其特征在于，該單向?qū)ㄑb置包括一金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，該金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管是N通道晶體管，并具有一源極、一汲極及一閘極，其中，該汲極是作為該N極，該源極是作為該P(yáng)極；以及一驅(qū)動(dòng)裝置，耦接至該金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，用以單向?qū)ㄔ摻饘傺趸锇雽?dǎo)體場效應(yīng)晶體管，該驅(qū)動(dòng)裝置包括一運(yùn)算放大器，具有一反相輸入端、一非反相輸入端及一輸出端，該非反相輸入端耦接至該源極，該輸出端耦接至該閘極；一第一電阻，該第一電阻的一端耦接至該汲極，該第一電阻的另一端耦接至該反相輸入端；及一第二電阻，該第二電阻的一端耦接至該反相輸入端，該第二電阻的另一端耦接至該輸出端。
10.如權(quán)利要求9所述的單向?qū)ㄑb置，其特征在于，該運(yùn)算放大器還包括一高電源端及一低電源端，該低電源端耦接至該源極，該高電源端的電位高于該源極的電位。
全文摘要
一種單向?qū)ㄑb置，包括金氧半場效晶體管及驅(qū)動(dòng)裝置，金氧半場效晶體管的源極與汲極是分別作為單向?qū)ㄑb置的P極與N極，驅(qū)動(dòng)裝置例如是比較器或放大電路等，用以檢測金氧半場效晶體管源極與汲極間的電位差。當(dāng)P極電位高于N極電位時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置150便輸出一驅(qū)動(dòng)電位至金氧半場效晶體管的閘極使其導(dǎo)通，若P極電位低于N極電位，驅(qū)動(dòng)裝置便無法輸出開啟金氧半場效晶體管所需的驅(qū)動(dòng)電位，此時(shí)單向?qū)ㄑb置關(guān)閉，故單向?qū)ㄑb置具有單向?qū)ǖ奶匦浴?br> 文檔編號(hào)H03D1/10GK1499710SQ02149960
公開日2004年5月26日 申請日期2002年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月8日
發(fā)明者陳昇峰, 陳 峰 申請人:廣達(dá)電腦股份有限公司