CN102832219B - 一种集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器 - Google Patents
一种集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器 Download PDFInfo
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Abstract
一种集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，属于半导体功率器件技术领域。包括集成在一起的一个结型场效应晶体管JFET和一个可调热敏电阻，可调热敏电阻一端与JFET源极相连，另一端与JFET的栅极相连。该发明的核心为可调的热敏电阻，可调热敏电阻可以通过激光切割等方式得到满足输出电流大小要求的阻值，在同一批次中得到不同类型产品。热敏电阻为正温度系数，工作情况下，温度增加，电阻增大，降低输出电流，保护了所应用系统的可靠性。本发明具有集成度高、输出电流稳定、输电流大小可调节、温度特性好的优点，可应用于LED照明等领域。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及恒流驱动技术。
背景技术
恒流器是一种能向负载提供恒定电流的装置，它在外界电源产生波动和阻抗特性发生变化时仍能使输出电流保持恒定，它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为有源负载，以提高放大倍数。恒流器已有近50年的发展历史，从早期的电真空器件稳流管，发展成半导体恒流二极管、恒流三极管，现已进入集成恒流器(包括三端可调恒流器、四端可调恒流器、高压恒流器、恒流型集成温度传感器)全面发展的新时期。
半导体恒流器大体分为以下三种类型：
(1)晶体管恒流器，这类恒流器以三极管为主要组成器件,利用了三极管集电极电压变化对电流影响小的特点,并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流的恒定性。但是由于三极管参数受温度变化影响较大，大多还要采用温度补偿措施或增强电流负反馈的深度来进一步稳定输出电流。
(2)场效应管恒流器，其基本电路与晶体管恒流器类似。场效应管恒流器较之晶体管恒流器，结构简单、受温度影响较小；无需辅助电源是一个纯两端网络，可以非常方便地应用在电路中。
(3)集成运放恒流器，由集成运放构成的恒流器具有稳定性更好，恒流性能更高的优点。但是也有结构复杂、成本较高的缺点。
以上三种恒流器件各有特点，在实际使用中要按照产品的设计要求来合理选用相应的恒流器。
恒流器的基本要求是输出电流恒定和电流温度稳定性好。
发明内容
本发明提供一种集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，该恒流器由一个结型场效应晶体管JFET和一个热敏电阻构成，具有集成度高、输出电流稳定、输电流大小可调的优点。热敏电阻一端与JFET源极相连，另一端与JFET的栅极相连。可调热敏电阻可以通过激光等方式调节阻值得到不同大小的输出电流，在同一批次中得到不同类型产品。热敏电阻为正温度系数，正常工作的情况下，温度增加，电阻增大，降低输出电流，保护了所应用系统的可靠性。
本发明技术方案如下：
一种集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，如图2所示，包括P+衬底2、P+衬底2正面的N-外延层3和P+衬底2背面的金属化阴极1；N-外延层3中的具有彼此之间相互独立的N-阱区5、P+环4和P+电阻阱区9，其中P+环4包围着N-阱区5和P+电阻阱区9；N-阱区5中的具有彼此之间相互独立的N+源区8、N+漏区6和P+栅区7；P+环4和P+栅区7通过第三金属电极15相连接，N+漏区6表面与第一金属电极13相连；P+电阻阱区9中具有可调热敏电阻10，可调热敏电阻10的一端与N+源区8之间通过第二金属电极14相连接，可调热敏电阻10的另一端与P+栅区7之间通过第三金属电极15相连接；N-外延层3表面覆盖有氧化层12。
上述集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器的等效电路如图1(a)所示，包括一个N沟道结型场效应晶体管JFET和一个可调热敏电阻。所述N沟道结型场效应晶体管JFET由N-阱区5中的N+源区8、N+漏区6和P+栅区7构成。可调热敏电阻的一端与结型场效应晶体管JFET的源极S(N+源区8)相连，另一端与结型场效应晶体管JFET的栅极G(P+栅区7)相连。器件使用时，负载L连接于电源Vin的负极与结型场效应晶体管JFET的栅极G之间；电源Vin的正极与结型场效应晶体管JFET的漏极D相连。
起始状态，JFET的漏源电压VDS为零，流过JFET的电流ID也为零，可调热敏电阻R上的压降VR等于JFET的源栅电压VSG也为零。当VDS增大时，JFET处于线性区并且ID逐渐增大，VSG也增大。由于VDG＝VDS+VSG，所以JFET将随着漏极电位的升高，而首先在栅极靠近漏极的地方发生沟道夹断达到电流饱和。可调热敏电阻R不仅起给JFET提供栅压，而且与JFET一起构成负反馈使得输出电流更平稳。实际情况下，JFET进入饱和区后由于沟道长度调制效应以及漏区静电场对沟道区的反馈作用使得JFET的沟道电流ID并不饱和，即流经电阻R的电流会有所增大，使得VR＝-VGS也增大。由N沟道JFET的输出特性知VGS越负电流ID越小，因此可调热敏电阻R实际上与JFET构成一道负反馈，使得JFET饱和电流更稳定。同时JFET输出电流具有负温特性，从而进一步保证了整个器件的可靠性。
还应特别指出的是：特定电流下的该线性恒流器的开启电压将由可调热敏电阻R的阻值和JFET的阈值电压决定；在JFET参数一定的情况下，通过调节热敏电阻R的阻值可以得到不同大小的输出电流；热敏电阻R若为正温系数，正常工作情况下，温度上升电阻上升，VR上升，栅源电压VGS越负电流ID越小，因此正温系数的电阻可以增加负反馈的深度，使得器件工作更稳定。
综上所述，本发明提供的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器具有集成度高、输出电流稳定、输电流大小可调的优点，可应用于LED照明等领域。可调热敏电阻可以通过激光等方式调节阻值得到不同大小的输出电流，在同一批次中得到不同类型产品。热敏电阻为正温度系数，正常工作的情况下，温度增加，电阻增大，降低输出电流，保护了所应用系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器的等效电路示意图。其中图1(a)中的结型场效应晶体管JFET为N沟道器件；图1(b)中的结型场效应晶体管JFET为P沟道器件。
图2是本发明提供的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器的结构示意图。对N沟道器件而言：1是金属化阴极、2是P+衬底、3是N-外延层、4是P+环、5是N-阱区、6是N+漏区、7是P+栅区、8是N+源区、9是P+电阻阱区、10是可调热敏电阻、12是氧化层、13是第一金属电极、14是第二金属电极、15是第三金属电极；16表示N沟道结型场效应晶体管JEFT。对P沟道器件而言：1是金属化阴极、2是N+衬底、3是P-外延层、4是N+环、5是P-阱区、6是P+漏区、7是N+栅区、8是P+源区、9是N+电阻阱区、10是可调热敏电阻、12是氧化层、13是第一金属电极、14是第二金属电极、15是第三金属电极；16表示P沟道结型场效应晶体管JEFT。
图3为本发明提供的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器中可调热敏电阻为阱电阻的结构示意图。多个阱电阻18并联与两端的金属电极17和19之间；通过激光切断多个阱电阻中的任意个阱电阻与两端的金属电极17和19之间的连接，可获得不同的阻值。
图4为本发明提供的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器中可调热敏电阻为多晶硅电阻或金属薄膜电阻的结构示意图。多晶硅薄膜或金属薄膜与两端的金属电极21连接形成多晶硅电阻或金属薄膜电阻，通过激光切割多晶硅薄膜或金属薄膜的方式可获得不同的阻值。
具体实施方式
实施例1
一种集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，如图2所示，包括P+衬底2、P+衬底2正面的N-外延层3和P+衬底2背面的金属化阴极1；N-外延层3中的具有彼此之间相互独立的N-阱区5、P+环4和P+电阻阱区9，其中P+环4包围着N-阱区5和P+电阻阱区9；N-阱区5中的具有彼此之间相互独立的N+源区8、N+漏区6和P+栅区7；P+环4和P+栅区7通过第三金属电极15相连接，N+漏区6表面与第一金属电极13相连；P+电阻阱区9中具有可调热敏电阻10，可调热敏电阻10的一端与N+源区8之间通过第二金属电极14相连接，可调热敏电阻10的另一端与P+栅区7之间通过第三金属电极15相连接；N-外延层3表面覆盖有氧化层12。
实施例2
一种集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，如图2所示，包括N+衬底2、N+衬底2正面的P-外延层3和N+衬底2背面的金属化阴极1；P-外延层3中的具有彼此之间相互独立的P-阱区5、N+环4和N+电阻阱区9，其中N+环4包围着P-阱区5和N+电阻阱区9；P-阱区5中的具有彼此之间相互独立的P+源区8、P+漏区6和N+栅区7；N+环4和N+栅区7通过第三金属电极15相连接，P+漏区6表面与第一金属电极13相连；N+电阻阱区9中具有可调热敏电阻10，可调热敏电阻10的一端与P+源区8之间通过第二金属电极14相连接，可调热敏电阻10的另一端与N+栅区7之间通过第三金属电极15相连接；P-外延层3表面覆盖有氧化层12。
上述集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器的等效电路如图1(b)所示，包括一个P沟道结型场效应晶体管JFET和一个可调热敏电阻。所述P沟道结型场效应晶体管JFET由P-阱区5中的P+源区8、P+漏区6和N+栅区7构成。可调热敏电阻的一端与结型场效应晶体管JFET的源极S(P+源区8)相连，另一端与结型场效应晶体管JFET的栅极G(N+栅区7)相连。器件使用时，负载L连接于电源Vin的正极与结型场效应晶体管JFET的栅极G之间；电源Vin的负极与结型场效应晶体管JFET的漏极D相连。其工作原理与结构N沟道恒流器相似。
实施例1和实施例2中的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，其中可调热敏电阻10可以是阱电阻、多晶硅电阻或金属薄膜电阻。
对于自反馈线性恒流器中场效应晶体管JEFT为N沟道器件时，相应阱电阻为N型阱电阻。对于自反馈线性恒流器中场效应晶体管JEFT为P沟道器件时，相应阱电阻为P型阱电阻。阱电阻的结构如图3所示，多个阱电阻并联与两端的金属电极17和19之间；通过激光切断多个阱电阻中的任意个阱电阻与两端的金属电极17和19之间的连接，可获得不同的阻值。
当可调热敏电阻10为多晶硅电阻或金属薄膜电阻时，其结构如图4所示，多晶硅薄膜或金属薄膜与两端的金属电极21连接形成多晶硅电阻或金属薄膜电阻，通过激光切割多晶硅薄膜或金属薄膜的方式可获得不同的阻值。
应当说明的是：本发明所提供的自反馈线性恒流器，其输出电流、开启电压和器件耐压由JFET和电阻共同决定，调节工艺参数和电阻将能够获得不同恒流值和耐压的自反馈线性恒流器；同时，也可通过激光切割等手段调节可调热敏电阻10的阻值，获得不同大小的输出电流，在同一批次中得到不同类型产品。
Claims (9)
1.一种集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，包括P+衬底(2)、P+衬底(2)正面的N-外延层(3)和P+衬底(2)背面的金属化阴极(1)；N-外延层(3)中的具有彼此之间相互独立的N-阱区(5)、P+环(4)和P+电阻阱区(9)，其中P+环(4)包围着N-阱区(5)和P+电阻阱区(9)；N-阱区(5)中的具有彼此之间相互独立的N+源区(8)、N+漏区(6)和P+栅区(7)；P+环(4)和P+栅区(7)通过第三金属电极(15)相连接，N+漏区(6)表面与第一金属电极(13)相连；P+电阻阱区(9)中具有可调热敏电阻(10)，所述可调热敏电阻(10)具有正温度系数的特性且，且可调热敏电阻(10)的一端与N+源区(8)之间通过第二金属电极(14)相连接，可调热敏电阻(10)的另一端与P+栅区(7)之间通过第三金属电极(15)相连接；N-外延层(3)表面覆盖有氧化层(12)。
2.一种集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，包括N+衬底(2)、N+衬底(2)正面的P-外延层(3)和N+衬底(2)背面的金属化阴极(1)；P-外延层(3)中的具有彼此之间相互独立的P-阱区(5)、N+环(4)和N+电阻阱区(9)，其中N+环(4)包围着P-阱区(5)和N+电阻阱区(9)；P-阱区(5)中的具有彼此之间相互独立的P+源区(8)、P+漏区(6)和N+栅区(7)；N+环(4)和N+栅区(7)通过第三金属电极(15)相连接，P+漏区(6)表面与第一金属电极(13)相连；N+电阻阱区(9)中具有可调热敏电阻(10)，，所述可调热敏电阻(10)具有正温度系数的特性且，且可调热敏电阻(10)的一端与P+源区(8)之间通过第二金属电极(14)相连接，可调热敏电阻(10)的另一端与N+栅区(7)之间通过第三金属电极(15)相连接；P-外延层(3)表面覆盖有氧化层(12)。
3.根据权利要求1所述的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，其特征在于，所述可调热敏电阻(10)为N型阱电阻。
4.根据权利要求2所述的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，其特征在于，所述可调热敏电阻(10)为P型阱电阻。
5.根据权利要求1或2所述的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，其特征在于，所述可调热敏电阻(10)为多晶硅电阻或金属薄膜。
6.根据权利要求3所述的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，其特征在于，所述N型阱电阻由多个N型阱电阻并联与两端的金属电极(17和19)之间；通过激光切断多个N型阱电阻中的任意个N型阱电阻与两端的金属电极(17和19)之间的连接，可获得不同的阻值。
7.根据权利要求4所述的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，其特征在于，所述P型阱电阻由多个P型阱电阻并联与两端的金属电极(17和19)之间；通过激光切断多个P型阱电阻中的任意个P型阱电阻与两端的金属电极(17和19)之间的连接，可获得不同的阻值。
8.根据权利要求5所述的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，其特征在于，所述多晶硅电阻由多晶硅薄膜与两端的金属电极(21)连接而成，通过激光切割多晶硅薄膜的方式可获得不同的阻值。
9.根据权利要求5所述的集成可调热敏电阻的自反馈线性恒流器，其特征在于，所述金属薄膜由金属薄膜与两端的金属电极(21)连接而成，通过激光切割金属薄膜的方式可获得不同的阻值。
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