CN104347627A - 基于场效应管充电的半导体启动器件及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于场效应管充电的半导体启动器件，包括场效应管、电子开关、低压电源模块、电阻、电容、反馈控制模块，由场效应管直接为电容充电，由反馈控制模块配合电子开关和低压电源模块根据输出电压大小控制场效应管的通、断。本发明还公开了一种半导体启动器件的制造工艺，主要针对场效应管Q1和低压电源模块的制造进行改进。本发明所述半导体启动器件采用场效应管直接对电容充电，因其自身导通时电阻小、功耗小，所以在输入电压较小时也能产生较大的充电电流，可降低电阻功耗和发热量；充电结束后，由反馈控制模块使电子开关导通而关断场效应管，停止充电，只有很小的漏电电流，达到降低损耗、提高电源效率的目的。

Description

基于场效应管充电的半导体启动器件及制造工艺

技术领域

本发明涉及一种集成电路启动器件，尤其涉及一种基于场效应管充电的半导体启动器件及制造工艺。

背景技术

开关电源启动电路是集成电路中一种常用的启动器件，目前大部分开关电源启动电路的结构(或基本原理)如图1所示，包括电阻R1、电容C1、稳压二极管ZD1、辅助绕组N1、二极管D1和控制IC，其工作原理是：在电源启动瞬间，输入电压Vin通过电阻R1给电容C1充电，电阻R1上流过的电流大于控制IC的启动电流，电容C1的电压上升至控制IC的正常工作电压后，控制IC开始工作，当启动电路的输出电压Vout稳定后，辅助绕组N1产生的电压经二极管D1整流和电容C1滤波后给控制IC供电，控制IC的VCC和输出电压Vout稳定在一定的电压范围，开关电源正常工作。比如，专利号为“201110099831.5”、授权公开号为“CN102158067B”的发明专利，其基本的结构就与上述结构类似。

上述传统的开关电源启动电路的缺陷在于：在输入电压Vin范围较宽时，为了保证能够在最低输入电压时为控制IC提供足够大的启动电流，使开关电源能正常启动，那么电阻R1的阻值不能太大。由于电阻R1一直与输入端相连，所以电阻R1产生的功耗P＝(Vin-VCC)2/R1，显然，如果当开关电源工作在高压输入的情况下，电阻R1上的功耗将会非常大，将会影响电源转换效率、散热和可靠性，降低电源效率，而且，电阻R1必须选用大功率电阻，从而使开关电源的体积大、成本高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种损耗低、效率高的基于场效应管充电的半导体启动器件及制造工艺。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于场效应管充电的半导体启动器件，其电源输入端的输入电压为电容充电，所述电容的两端为电源输出端，N型高浓度衬底上设有N型轻掺杂外延层，N型轻掺杂外延层的其中一半区域内设有并排的两个P型埋层，两个P型埋层上均设有第一P阱和第二P阱，两个第二P阱上均设有第一N型重掺杂和第一P型重掺杂，两个第一P阱相邻，两个第一P阱的表面为场效应管的沟道，两个第一P阱经过对应的P型埋层、第二P阱和第一P型重掺杂引出并相互连接构成场效应管的B端(衬底端)，两个第一N型重掺杂相互连接构成场效应管的S端(即源极)，N型高浓度衬底和N型轻掺杂外延层构成场效应管的D端(即漏极)，两个第一P阱上设有厚氧化层，厚氧化层上设有多晶硅，多晶硅构成场效应管的G端(即栅极)；N型轻掺杂外延层的另一半区域内设有第二N型重掺杂，第二N型重掺杂的两侧分别设有第三P阱，两个第三P阱内分别设有第二P型重掺杂；第二N型重掺杂与场效应管的G端连接，场效应管的B端串联电阻后与电子开关的第一端连接，场效应管的S端分别与电容的第一端和反馈控制模块的正极输入端连接，反馈控制模块的输出端与电子开关的控制输入端连接，两个第二P型重掺杂、电容的第二端、反馈控制模块的负极输入端、电子开关的第二端均接地，N型高浓度衬底引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输入端的正极，电容的第一端引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输出端的正极。

上述结构中，N型高浓度衬底、N型轻掺杂外延层、两个P型埋层、两个第一P阱、两个第二P阱、两个第一N型重掺杂和两个第一P型重掺杂共同构成了高阈值电压功率的场效应管，N型高浓度衬底、N型轻掺杂外延层、第三P阱、第二P型重掺杂和第二N型重掺杂共同构成了低压电源模块，输入电压通过场效应管为电容充电，场效应管通过低压电源模块控制通、断，低压电源模块也可以有其它结构变形，在此不作具体描述；反馈控制模块将输出电压采集后进行判断，在高出设定电压后输出电压控制电子开关接通，从而使场效应管的B端产生衬底偏压，使低压电源提供的栅压低于场效应管的开启电压，断开场效应管，停止充电。

优选地，所述反馈控制模块为比较器，所述比较器的正极信号输入端与所述场效应管的S端连接，所述比较器的负极信号输入端与基准电压源的正极连接，所述基准电压源的负极接地，所述比较器的输出端与所述电子开关的控制输入端连接。反馈控制模块也可以直接采用控制芯片。

具体地，所述电子开关为三极管，所述三极管的基极为所述电子开关的控制输入端，所述三极管的集电极为所述电子开关的第一端，所述三极管的发射极为所述电子开关的第二端。

或者，所述电子开关为MOS管，所述MOS管的栅极为所述电子开关的控制输入端，所述MOS管的漏极为所述电子开关的第一端，所述MOS管的源极为所述电子开关的第二端。电子开关也可以为其它具有三个连接端的电子元件。

一种基于场效应管充电的半导体启动器件的制造工艺，包括以下步骤：

(1)在N型高浓度衬底上设置N型轻掺杂外延层，N型高浓度衬底的电阻率为0.0001～0.1欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层的电阻率为10～200欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层作为场效应管的漏极漂移区；

(2)在N型轻掺杂外延层上通过注入P型杂质，注入剂量为1e12atom/cm2～1e15atom/cm2；

(3)通过高温氧化推结，炉管温度为850℃～1200℃，持续时间为30～300分钟，激活P型杂质，形成P型埋层；

(4)通过化学气相淀积生长N型掺杂薄外延层，然后再通过高能B11注入来形成第一P阱、第二P阱和第三P阱，注入后通过LOCOS即“硅的局部氧化”生长厚氧化层并进行阱的推进；

(5)在厚氧化层上通过低压化学气相淀积生长多晶硅；通过N型杂质注入形成第一N型重掺杂和第二N型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2，通过P型杂质注入形成第一P型重掺杂和第二P型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2。

本发明的有益效果在于：

本发明所述半导体启动器件采用场效应管直接对电容充电，因其自身导通时电阻小、功耗小，所以在输入电压较小时也能产生较大的充电电流，使输出电压快速达到主电路最低要求的电压，由于通过对场效应管的G端控制其通、断，所以只需要较小的驱动电流，可降低电阻功耗和发热量；当输出电压到达预定值后，可由反馈控制模块使电子开关导通，使场效应管通过B接地产生衬偏，使场效应管的栅压低于阈值电压+衬底偏压，从而关断场效应管，停止充电，只有很小的漏电电流，达到降低损耗、提高电源效率的目的；本发明所述半导体启动器件电路简单，不需要额外的电容、二极管等器件，易于集成，占用芯片面积小。

附图说明

图1是传统开关电源启动电路的电路图；

图2是本发明所述基于场效应管充电的半导体启动器件的结构示意图；

图3是本发明所述基于场效应管充电的半导体启动器件的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图2所示，图2中的电源输入端、电源输出端、电阻R1、电容C1分别与图1对应，所以采用了相同的标记符号；本发明所述基于场效应管充电的半导体启动器件，其电源输入端的输入电压Vin为电容C1充电，电容C1的两端为电源输出端，其输出电压Vout为主电路(图中未示)供电，N型高浓度衬底1上设有N型轻掺杂外延层2，N型轻掺杂外延层2的其中一半区域内设有并排的两个P型埋层3，两个P型埋层3上均设有第一P阱4和第二P阱4’，两个第二P阱4’上均设有第一N型重掺杂6和第一P型重掺杂7，两个第一P阱4相邻，两个第一P阱4的表面为场效应管Q1的沟道，两个第一P阱4经过对应的P型埋层3、第二P阱4’和第一P型重掺杂7引出并相互连接构成场效应管Q1的B端，两个第一N型重掺杂6相互连接构成场效应管Q1的S端，N型高浓度衬底1和N型轻掺杂外延层2构成场效应管Q1的D端，两个第一P阱4上设有厚氧化层9，厚氧化层9上设有多晶硅8，多晶硅8构成场效应管Q1的G端；N型轻掺杂外延层2的另一半区域内设有第二N型重掺杂6’，第二N型重掺杂6’的两侧分别设有第三P阱5’，两个第三P阱5’内分别设有第二P型重掺杂7’；第二N型重掺杂6’与场效应管Q1的G端连接，场效应管Q1的B端串联电阻R1后与电子开关S1的第一端连接，场效应管Q1的S端分别与电容C1的第一端和比较器Comp1的正极信号输入端连接，比较器Comp1的负极信号输入端与基准电压源Vref的正极连接，比较器Comp1的输出端与电子开关S1的控制输入端连接，两个第二P型重掺杂7’、电容C1的第二端、基准电压源Vref的负极、电子开关S1的第二端均接地，N型高浓度衬底1引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输入端的正极，电容C1的第一端引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输出端的正极。电子开关S1可采用三极管、MOS管或其它具有三个连接端的电子元件。上述N型高浓度衬底1、N型轻掺杂外延层2、第三P阱5’、第二P型重掺杂7’和第二N型重掺杂6’共同构成了低压电源模块，比较器Comp1和基准电压源Vref构成反馈控制模块。

图3示出了图2的等效电路，使本半导体启动器件的结构更加简化、清楚。

如图2和图3所示，本半导体启动器件的工作原理如下：

初始状态下，电子开关S1断开，场效应管Q1的B端与S端短接，衬偏电压VBS为0。在芯片启动的瞬间，输入电压Vin经过低压电源模块提供一个稳定的Vg(Vg须高于场效应管Q1的阈值电压Vth0)输出到场效应管Q1的G端，使场效应管Q1开启，输入电压Vin向电容C1充电，输出电压Vout逐渐上升。当输出电压Vout上升到预计值V1的时候，反馈控制模块发出信号使电子开关S1导通，此时场效应管Q1的S端电压为V1，B端电压为0，衬底偏压VBS为-V1(设定Vg<Vth0+V1)，此时场效应管Q1需要的开启电压Vth为Vth0+V1，但Vg<Vth0+V1即Vg<Vth，故此时场效应管Q1关断，完成启动功能。当本半导体启动器件需要重启，即输出电压Vout下降到设定值时，反馈控制模块发出信号使电子开关S1断开，使场效应管Q1的B端与S端短接，衬偏电压VBS为0，Vg就能使场效应管Q1再次导通，开始对电容C1充电。

本发明所述半导体启动器件的制造工艺主要在于场效应管Q1和低压电源模块的制造，其包括以下步骤：

(1)在N型高浓度衬底上设置N型轻掺杂外延层，N型高浓度衬底的电阻率为0.0001～0.1欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层的电阻率为10～200欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层作为场效应管的漏极漂移区；

(2)在N型轻掺杂外延层上通过注入P型杂质，注入剂量为1e12atom/cm2～1e15atom/cm2；

(3)通过高温氧化推结，炉管温度为850℃～1200℃，持续时间为30～300分钟，激活P型杂质，形成P型埋层；

(4)通过化学气相淀积生长N型掺杂薄外延层，然后再通过高能B11注入来形成第一P阱、第二P阱和第三P阱，注入后通过LOCOS即“硅的局部氧化”生长厚氧化层并进行阱的推进；

(5)在厚氧化层上通过低压化学气相淀积生长多晶硅；通过N型杂质注入形成第一N型重掺杂和第二N型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2，通过P型杂质注入形成第一P型重掺杂和第二P型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于场效应管充电的半导体启动器件，其电源输入端的输入电压为电容充电，所述电容的两端为电源输出端，其特征在于：N型高浓度衬底上设有N型轻掺杂外延层，N型轻掺杂外延层的其中一半区域内设有并排的两个P型埋层，两个P型埋层上均设有第一P阱和第二P阱，两个第二P阱上均设有第一N型重掺杂和第一P型重掺杂，两个第一P阱相邻，两个第一P阱的表面为场效应管的沟道，两个第一P阱经过对应的P型埋层、第二P阱和第一P型重掺杂引出并相互连接构成场效应管的B端，两个第一N型重掺杂相互连接构成场效应管的S端，N型高浓度衬底和N型轻掺杂外延层构成场效应管的D端，两个第一P阱上设有厚氧化层，厚氧化层上设有多晶硅，多晶硅构成场效应管的G端；N型轻掺杂外延层的另一半区域内设有第二N型重掺杂，第二N型重掺杂的两侧分别设有第三P阱，两个第三P阱内分别设有第二P型重掺杂；第二N型重掺杂与场效应管的G端连接，场效应管的B端串联电阻后与电子开关的第一端连接，场效应管的S端分别与电容的第一端和反馈控制模块的正极输入端连接，反馈控制模块的输出端与电子开关的控制输入端连接，两个第二P型重掺杂、电容的第二端、反馈控制模块的负极输入端、电子开关的第二端均接地，N型高浓度衬底引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输入端的正极，电容的第一端引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输出端的正极。

2.根据权利要求1所述的基于场效应管充电的半导体启动器件，其特征在于：所述反馈控制模块为比较器，所述比较器的正极信号输入端与所述场效应管的S端连接，所述比较器的负极信号输入端与基准电压源的正极连接，所述基准电压源的负极接地，所述比较器的输出端与所述电子开关的控制输入端连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于场效应管充电的半导体启动器件，其特征在于：所述电子开关为MOS管，所述MOS管的栅极为所述电子开关的控制输入端，所述MOS管的漏极为所述电子开关的第一端，所述MOS管的源极为所述电子开关的第二端。

4.根据权利要求1或2所述的基于场效应管充电的半导体启动器件，其特征在于：所述电子开关为三极管，所述三极管的基极为所述电子开关的控制输入端，所述三极管的集电极为所述电子开关的第一端，所述三极管的发射极为所述电子开关的第二端。

5.一种如权利要求1所述的半导体启动器件的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在N型高浓度衬底上设置N型轻掺杂外延层，N型高浓度衬底的电阻率为0.0001～0.1欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层的电阻率为10～200欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层作为场效应管的漏极漂移区；

(2)在N型轻掺杂外延层上通过注入P型杂质，注入剂量为1e12atom/cm2～1e15atom/cm2；

(3)通过高温氧化推结，炉管温度为850℃～1200℃，持续时间为30～300分钟，激活P型杂质，形成P型埋层；

(4)通过化学气相淀积生长N型掺杂薄外延层，然后再通过高能B11注入来形成第一P阱、第二P阱和第三P阱，注入后通过LOCOS即“硅的局部氧化”生长厚氧化层并进行阱的推进；

(5)在厚氧化层上通过低压化学气相淀积生长多晶硅；通过N型杂质注入形成第一N型重掺杂和第二N型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2，通过P型杂质注入形成第一P型重掺杂和第二P型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2。