CN104049666B - 一种二端恒流器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二端恒流器件，包括第一耗尽型晶体管和电阻，所述第一耗尽型晶体管的源极与所述电阻的第一端连接，所述第一耗尽型晶体管的栅极与所述电阻的第二端连接，其中，所述第一耗尽型晶体管为氮化镓耗尽型晶体管。本发明利用电阻的负反馈作用，从而实现二端恒流器件的恒流作用，利用氮化镓晶体管反应速度快、可承受较高的耐压且受温度影响小的特点，使得二端恒流器件具有响应速度快、击穿电压高、耐高温、恒流特性好和温度稳定性高的优点。

Description

一种二端恒流器件

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种二端恒流器件。

背景技术

二端恒流器件是一种当电压变化时提供稳定电流的器件，相当于一个恒流源或最大峰值电流的限流电路，即使出现电压不稳定或负载电阻变化很大的情况，都能保证供电电流稳定。

由恒流器件构成的恒流源具有结构简单、恒流特性好和使用方便等优点，使得恒流器件具有广阔的应用范围。现有技术中，常用的半导体恒流器件是基于双极型晶体管或场效应晶体管的器件，其中基于场效应晶体管的器件具有噪声低、稳定性高等优点，更适合作为恒流器件或构成恒流源。目前，主流的半导体恒流器件是基于硅材料场效应晶体管的器件，但是由于硅物理性质的限制，实际制作的半导体恒流器件响应速度慢、击穿电压低、恒流区域窄、温度稳定性差，甚至高温下完全不能工作，所以仅适用于低功率范围。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种二端恒流器件，以解决目前二端恒流器件响应速度慢、击穿电压低、恒流区域窄、温度稳定性差和不耐高温的问题。

本发明实施例提供了一种二端恒流器件，包括第一耗尽型晶体管和电阻，

所述第一耗尽型晶体管的源极与所述电阻的第一端连接，所述第一耗尽型晶体管的栅极与所述电阻的第二端连接，其中，所述第一耗尽型晶体管为氮化镓耗尽型晶体管，所述电阻是分离电阻或与第一耗尽型晶体管集成的电阻；

所述二端恒流器件还包括第一型电极和第二型电极，其中，所述第一耗尽型晶体管的漏极作为所述第一型电极，所述第一耗尽型晶体管的栅极作为所述第二型电极；

所述第一耗尽型晶体管为N型耗尽型晶体管，所述第一型电极为所述二端恒流器件的阳极，所述第二型电极为所述二端恒流器件的阴极。

进一步地，所述二端恒流器件还包括第二耗尽型晶体管，所述第二耗尽型晶体管的漏极与所述第一耗尽型晶体管的源极连接，所述第二耗尽型晶体管的源极与所述电阻的第一端连接，所述第二耗尽型晶体管的栅极与所述第一耗尽型晶体管的栅极及电阻的第二端连接。其中，所述第二耗尽型晶体管为氮化镓耗尽型晶体管，所述电阻是分离电阻或与第一耗尽型晶体和第二耗尽型晶体管集成的电阻。

进一步地，所述第一耗尽型晶体管的漏极作为所述第一型电极，所述第二耗尽型晶体管的栅极与第一耗尽型晶体管的栅极连接作为所述第二型电极。

进一步地，所述第二耗尽型晶体管由N个第三耗尽型晶体管构成，所述第三耗尽型晶体管为氮化镓耗尽型晶体管，其中，N为大于等于2的整数；

所述N个第三耗尽型晶体管的栅极连接到一起作为所述第二耗尽型晶体管的栅极，所述第一个第三耗尽型晶体管的漏极作为所述第二耗尽型晶体管的漏极，每个所述第三耗尽型晶体管的漏极与其前一个所述第三耗尽型晶体管的源极连接，第N个所述第三耗尽型晶体管的源极作为所述第二耗尽型晶体管的源极。

进一步地，当施加于所述二端恒流器件两端的电压逐渐增大时，所述第二耗尽型晶体管在所述第一耗尽型晶体管之前达到饱和。

进一步地，所述二端恒流器件的最大耐压根据所述第一耗尽型晶体管的栅漏雪崩击穿电压确定，当施加于所述第一耗尽型晶体管的电压达到第一耗尽型晶体管的栅漏雪崩击穿电压时，所述二端恒流器件被击穿。

进一步地，所述第一耗尽型晶体管为N型耗尽型晶体管，所述第二耗尽型晶体管为N型耗尽型晶体管，所述第一型电极为所述二端恒流器件的阳极，所述第二型电极为所述二端恒流器件的阴极。

进一步地，所述第一耗尽型晶体管是氮化镓高电子迁移率晶体管，所述第二耗尽型晶体管是氮化镓高电子迁移率晶体管。

进一步地，所述第一耗尽型晶体管是氮化镓耗尽型金属-绝缘体-半导体场效应晶体管，所述第二耗尽型晶体管是氮化镓耗尽型金属-绝缘体-半导体场效应晶体管。

本发明实施例提供的二端恒流器件，通过将氮化镓耗尽型晶体管的栅极与源极通过电阻连接，一方面利用电阻的负反馈作用，使得氮化镓耗尽型晶体管的导电沟道逐渐夹断，从而实现二端恒流器件的恒流作用；另一方面利用氮化镓晶体管可承受较高的耐压且受温度影响小的特点，使得二端恒流器件具有响应速度快、击穿电压高、耐高温、恒流特性好和温度稳定性高的优点。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：

图1是本发明实施例一提供的一种二端恒流器件的原理图；

图2是本发明实施例一提供的一种二端恒流器件的输出伏安特性图；

图3是本发明实施例二提供的一种二端恒流器件的原理图；

图4是本发明实施例三提供的一种二端恒流器件的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

本发明实施例通过利用氮化镓耗尽型晶体管来制作二端恒流器件，该二端恒流器件具有响应速度快、动态阻抗大、恒流特性好、恒流区域宽和击穿电压高的特点，可应用于电子设备及装置中，该电子设备及装置包括但不限制于：电真空器件(示波管、显像管或功率发射管等)、各种标准灯(光强度标准灯或LED灯等)、物性型敏感器件(热敏、力敏、光敏、磁敏或湿敏等传感器)、自动化仪表等，或作为限流保护器件用于其他场合。

此处以N型氮化镓耗尽型晶体管形成的二端恒流器件作为具体实施例，来解释本发明。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种二端恒流器件的原理图，参见图1。该二端恒流器件包括：第一N型耗尽型晶体管T1和电阻R，其中，所述第一N型耗尽型晶体管的源极与所述电阻R的第一端连接，所述第一N型耗尽型晶体管T1的栅极与所述电阻R的第二端连接，其中，所述第一N型耗尽型晶体管T1为氮化镓耗尽型晶体管，所述电阻R是分离电阻或与第一N耗尽型晶体管T1集成的电阻。

在本实施例中，所述二端恒流器件还包括第一型电极和第二型电极。其中，所述第一型电极为所述二端恒流器件的阳极PP，所述第一N型耗尽型晶体管T1的漏极作为所述阳极PP，所述第二型电极为所述二端恒流器件的阴极NP，所述第一N型耗尽型晶体管T1的栅极作为所述阴极NP。

从图1中可以看出，第一耗尽型晶体管T1的栅源电压Vgs等于电阻R两端压降的相反值。二端恒流器件的阳极PP刚开始施加电压时，流过该二端恒流器件的电流为零。相应的，电阻R两端的压降为零，第一耗尽型晶体管T1的栅源电压也为零。所述第一耗尽型晶体管的栅源电压为零时，所述第一耗尽型晶体管T1的导电沟道处于开启状态，允许电流流过。随着施加于二端恒流器件阳极PP上的电压Vd逐渐增大，流过该二端恒流器件的电流Ids也逐渐增大，电阻R两端的压降也逐渐增大，所述栅源电压Vgs从零开始逐渐降低，第一耗尽型晶体管T1的导电沟道逐渐夹断，输出电流Ids增大的幅度逐渐降低。最终第一耗尽型晶体管T1的栅源电压Vgs与输出电流Ids达到动态平衡状态。此后，输出电流Ids基本恒定，与外加电压Vd的大小无关。

一旦进入动态平衡状态，流过二端恒流器件的电流Ids稍有增加时，电阻R两端的压降也随之增大，栅源电压Vgs变得更负，电流Ids开始下降，反之亦然。由于第一耗尽型晶体管T1的栅源电压Vgs与电阻R之间的负反馈作用，使得本发明第一实施例中提供的二端恒流器件的输出电流非常稳定，恒流特性好。

即使恒流器件工作在恒流区时，当工作电压发生变化时，输出电流也会发生微小的变化，此时，电压变化量与电流变化量之比定义为恒流器件的动态阻抗。动态阻抗如下式(1)所示：

$r=\frac{{\∂V}_d}{{\∂I}_{\mathrm{ds}}}---\left(1\right)$

从式1可知，二端恒流器件的动态阻抗r的值越大，则当施加于该二端恒流器件上的电压Vd变化很大时，流过该二端恒流器件的电流Ids变化的比较小，因此，二端恒流器件的动态阻抗越大，则该二端恒流器件的恒流特性越好。

动态阻抗是一个与测试频率有关的交流参数。理论上，在本实施例中，该二端恒流器件的动态阻抗r如下式(2)所示：

$r=\frac{1+g_{m1}R}{g_{d1}}+R---\left(2\right)$

在式(2)中，g_m1是第一N型耗尽型晶体管T1的跨导，g_d1是第一N型耗尽型晶体管T1的输出电导，可知，当第一N型耗尽型晶体管T1的跨导越大g_m1，输出电导g_d1越小，该二端恒流器件的动态阻抗越大，恒流特性越好，输出电流越稳定。所述电阻R的阻值不是固定的，该二端恒流器件恒流值的大小可以通过电阻R的电阻值进行调节。

在本实施例中，所述二端恒流器件的耐压值根据所述第一耗尽型晶体管T1的栅漏雪崩击穿电压确定。所述二端恒流器件处于恒流状态时，如果施加于二端恒流器件阳极PP上的外加电压Vd小于所述第一耗尽型晶体管T1的栅漏雪崩击穿电压，则所述二端恒流器件的输出电流基本恒定，与外加电压大小基本没有关系。当所述外加电压达到所述第一耗尽型晶体管T1的栅漏雪崩击穿电压时，所述第一耗尽型晶体管T1被击穿，所述二端恒流器件的输出电流骤增，该二端恒流器件发生击穿。

图2是本发明第一实施例中的二端恒流器件的输出伏安特性图，其中，横坐标表示施加在二端恒流器件两端的外加电压，纵坐标表示流过二端恒流器件的电流。

从图2中可以看出，当施加于二端恒流器件阳极PP的外加电压从零开始逐渐增加时，流过该二端恒流器件的电流也随之增加。当输出电流增加到恒定电流值I_H的0.8倍时，此时对应的外加电压定义为恒流器件的起始电压V_k。随着外加电压的进一步增加，输出电流继续缓慢增大，最终稳定在恒定值I_H。此后，即便外加电压继续增大，但输出电流几乎不变。当外加电压进一步增加到第一耗尽型晶体管T1的漏栅雪崩击穿电压V_B时，第一耗尽型晶体管T1的漏栅结发生雪崩击穿，所述二端恒流器件的输出电流骤增，该二端恒流器件被击穿。在施加于二端恒流器件的电压在起始电压V_k与第一耗尽型晶体管T1的漏栅雪崩击穿电压V_B之间，所述二端恒流器件的输出电流基本保持恒定。

在本实施例中，所述第一耗尽型晶体管T1优选为氮化镓高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，简称HEMT)或氮化镓耗尽型金属-绝缘体-半导体(Metal Insulator Semiconductor，简称MIS)场效应晶体管，所述氮化镓作为第三代半导体材料，其击穿电场高达3MV/cm，远远高于第一代半导体硅材料，因此采用氮化镓耗尽型高电子迁移率晶体管制作的二端恒流器件可以承受更高的电压。与此同时，在氮化镓/铝镓氮抑制结界面附近，存在高电子浓度和高电子迁移率的二维电子气(2-DEG)沟道，在此异质结基础上制成的氮化镓高电子耗尽型HEMT具有高的电流密度。此外，采用氮化镓耗尽型HEMT制作的二端恒流器件可以工作在更高的频率下，同时还可适用于高温情况，二端恒流器件具有响应速度快、击穿电压高、恒流区域宽、恒流特性好、稳定性高等优点。

在本实施例提供的技术方案中，通过将氮化镓耗尽型晶体管的栅极与源极通过电阻连接，一方面利用电阻的负反馈作用，使得氮化镓耗尽型晶体管的导电沟道逐渐夹断，从而实现二端恒流器件的恒流作用；另一方面利用氮化镓晶体管可承受较高的耐压且受温度影响小的特点，使得二端恒流器件具有响应速度快，温度稳定性高，击穿电压高，可适用于大功率和高温环境中。

实施例二

图3是本发明实施例二提供的一种二端恒流器件的原理图。本实施例以实施例一为基础，参见图3，该二端恒流器件包括第一N型耗尽型晶体管T1、第二N型耗尽型晶体管T2和电阻R，其中，所述第二N型耗尽型晶体管T2的漏极与所述第一N型耗尽型晶体管T1的源极连接，所述第二N型耗尽型晶体管T2的源极与所述电阻R的第一端连接，所述第二N型耗尽型晶体管T2的栅极与所述第一N型耗尽型晶体管T1的栅极连接后与电阻R的第二端相连。其中，所述第一N型耗尽型晶体管T1和第二N型耗尽型晶体管T2为氮化镓耗尽型晶体管，所述电阻R是分离电阻或与第一N型耗尽型晶体管T1和第二N型耗尽型晶体管T2集成的电阻。

在本实施例中，所述二端恒流器件还包括第一型电极和第二型电极。其中，所述第一型电极为所述二端恒流器件的阳极PP，所述第一N型耗尽型晶体管T1的漏极作为所述阳极PP。所述第二型电极为所述二端恒流器件的阴极NP，所述第二N型耗尽型晶体管T2的栅极与第一N型耗尽型晶体管T1的栅极相连作为所述阴极NP作为所述阴极NP。

本实施例中，所述第一N型耗尽型晶体管T1和所述第二N型耗尽型晶体管T2优选是氮化镓高电子迁移率晶体管或氮化镓MIS场效应晶体管。

在本实施例中，当施加于所述二端恒流器件上的外加电压从零开始逐渐增加时，流过二端恒流器件的电流也逐渐增加。电流流过电阻R产生压降，所述第二N型耗尽型晶体管T2的栅源电压逐渐变负。所述第二N型耗尽型晶体管T2应在所述第一N型耗尽型晶体管T1之前达到饱和，此时外加电压主要降落在第二N型耗尽型晶体管T2上。当外加电压进一步增加时，所述第二N型耗尽型晶体管T2的漏极电压不断升高，导致第一N型耗尽型晶体管T1的栅源电压变得更负。在第一N型耗尽型晶体管T1的栅源电压和外加电压的共同作用下，第一N型耗尽型晶体管T1也逐渐达到饱和。此后，外加电压的增量主要由第一N型耗尽型晶体管T1承担。一旦第一N型耗尽型晶体管T1开始饱和，流过第一N型耗尽型晶体管T1和流过第二N型耗尽型晶体管T2的电流基本恒定，与外加电压的大小几乎没有关系，直到外加电压达到所述第一N型耗尽型晶体管T1的漏栅之间的雪崩击穿电压时，所述二端恒流器件的输出电流骤增，该二端恒流器件击穿。

所述二端恒流器件的耐压值由第一N型耗尽型晶体管T1的栅漏雪崩击穿电压决定，恒流值的大小可以通过电阻R的电阻值进行调节。

电压变化量与电流变化量之比定义为恒流器件的动态阻抗。动态阻抗是一个与测试频率有关的交流参数。理论上，在本实施例中，该二端恒流器件的动态阻抗如下式(3)所示：

$r=\frac{g_{d1}+g_{d2}+g_{m2}+(g_{d1}+g_{m1})(g_{d2}+g_{m2})R}{g_{d1}{g}_{d2}}---\left(3\right)$

在式(3)中，g_m1是第一N型耗尽型晶体管T1的跨导，g_d1是第一N型耗尽型晶体管T1的输出电导，g_m2是第二N型耗尽型晶体管T1的跨导，g_d2是第二N型耗尽型晶体管T1的输出电导。根据式(3)可知，本发明第二实施例中的二端恒流器件的动态阻抗非常大，恒流特性非常好。

本发明第二实施例提供的二端恒流器件与本发明第一实施例提供的二端恒流器件相比，第二实施例提供的二端恒流器件的一个明显优势是动态阻抗有了显著的提升，从而使得该二端恒流器件的恒流特性更好。

实施例三

图4是本发明实施例三提供的一种二端恒流器件的原理图。本实施例以上述实施例为基础，参见图4，该二端恒流器件包括第一N型耗尽型晶体管T1、第二N型耗尽型晶体管T2和电阻R。其中，所述第二N型耗尽型晶体管T2由N个第三N型耗尽型晶体管T3构成。所述第三N型耗尽型晶体管T3为氮化镓耗尽型晶体管，其中，N为大于等于2的整数。

所述N个第三N型耗尽型晶体管T3的栅极连接到一起作为所述第二N型耗尽型晶体管T2的栅极，所述第一个第三N型耗尽型晶体管T31的漏极作为所述第二N型耗尽型晶体管T2的漏极，每个所述第三N型耗尽型晶体管T3的漏极与前一个所述第三N型耗尽型晶体管T3的源极连接，第N个所述第三N型耗尽型晶体管T3N的源极作为所述第二N型耗尽型晶体管T2的源极。

在本实施例中，所述二端恒流器件还包括第一型电极和第二型电极。其中，所述第一型电极为所述二端恒流器件的阳极PP，所述第一N型耗尽型晶体管T1的漏极作为所述阳极PP，所述第二型电极为所述二端恒流器件的阴极NP，所述第二N型耗尽型晶体管T2的栅极与第一N型耗尽型晶体管T1的栅极相连作为所述阴极NP。

在本实施例中，所述二端恒流器件实现输出电流恒定的原理与本发明第二实施例中实现输出电流恒定的原理相同。

在本实施例中，所述第N个第三N型耗尽型晶体管T3N与所述电阻R连接后，由第N个第三N型耗尽型晶体管T3N与所述电阻R构成的动态阻抗如下式(4)所示：

$r_{3N}=\frac{1+g_{m3N}R}{g_{d3N}}+R---\left(4\right)$

在式(4)中，g_m3N为第N个第三N型耗尽型晶体管T3N的跨导，g_d3N为第N个第三N型耗尽型晶体管T3N的输出电导。

对于第N-1个晶体管来说，第N-1个晶体管的电阻R_N-1＝r_3N，因此，由第N-1个第三N型耗尽型晶体管T3N-1和第N个第三N型耗尽型晶体管T3N与所述电阻R构成的动态阻抗如下式(5)所示：

$r_{3N-1}=\frac{1+g_{m(3N-1)}{R}_{N-1}}{g_{d(3N-1)}}+R_{N-1}=\frac{1+g_{m(3N-1)}{r}_{3N}}{g_{d(3N-1)}}+r_{3N}---\left(5\right)$

依次类推，由N个第三N型耗尽型晶体管和电阻R构成的二端恒流器件的动态阻抗的值会非常大，需要说明的是，有关动态阻抗的计算为现有技术，因此在此不再赘述。

与本发明第二实施例不同的是，本发明第三实施例提供的二端恒流器件的动态阻抗比本发明第二实施例提供的二端恒流器件的动态阻抗大，因此，本发明第三实施例提供的二端恒流器件的输出特性更好，在本实施例中，该二端恒流器件的耐压值由第一N型耗尽型晶体管的栅漏雪崩击穿电压决定，电阻R的值并不是固定不变的，恒流值的大小可以通过电阻R的电阻值进行调节。

本发明实施例提供的二端恒流器件，一方面通过连接至少两个第三N型氮化镓耗尽型晶体管，使得二端恒流器件的动态阻抗变得更大，从而使得二端恒流器件的恒流特性更好；另一方面利用氮化镓晶体管可承受较高的耐压且受温度影响小的特点，使得二端恒流器件的响应速度快、击穿电压高、恒流区域宽、恒流特性好、温度稳定性好等优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种二端恒流器件，其特征在于，包括第一耗尽型晶体管、第二耗尽型晶体管和电阻，

所述第二耗尽型晶体管的漏极与所述第一耗尽型晶体管的源极连接，所述第二耗尽型晶体管的源极与所述电阻的第一端连接，所述第二耗尽型晶体管的栅极与所述第一耗尽型晶体管的栅极及电阻的第二端连接，其中，所述第一耗尽型晶体管是氮化镓耗尽型金属-绝缘体-半导体场效应晶体管，所述第二耗尽型晶体管是氮化镓耗尽型金属-绝缘体-半导体场效应晶体管，所述电阻是分离电阻或与第一耗尽型晶体管和第二耗尽型晶体管集成的电阻；

所述第一耗尽型晶体管为N型耗尽型晶体管，所述第二耗尽型晶体管为N型耗尽型晶体管；

所述第一耗尽型晶体管的漏极作为第一型电极，所述第二耗尽型晶体管的栅极与第一耗尽型晶体管的栅极连接作为第二型电极，所述第一型电极为所述二端恒流器件的阳极，所述第二型电极为所述二端恒流器件的阴极。

2.根据权利要求1所述的二端恒流器件，其特征在于，所述第二耗尽型晶体管由N个第三耗尽型晶体管构成，其中，N为大于等于2的整数；

所述N个第三耗尽型晶体管的栅极连接到一起作为所述第二耗尽型晶体管的栅极，第一个第三耗尽型晶体管的漏极作为所述第二耗尽型晶体管的漏极，其余每个第三耗尽型晶体管的漏极与其前一个第三耗尽型晶体管的源极连接，第N个第三耗尽型晶体管的源极作为所述第二耗尽型晶体管的源极。

3.根据权利要求1所述的二端恒流器件，其特征在于，当施加于所述二端恒流器件两端的电压逐渐增大时，所述第二耗尽型晶体管在所述第一耗尽型晶体管之前达到饱和。

4.根据权利要求1所述的二端恒流器件，其特征在于，所述二端恒流器件的最大耐压根据所述第一耗尽型晶体管的栅漏雪崩击穿电压确定，当施加于所述第一耗尽型晶体管的电压达到第一耗尽型晶体管的栅漏雪崩击穿电压时，所述二端恒流器件被击穿。