CN1111909C - 电路装置及适用于该电路装置的结型场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于如放电灯较大功率的一种电路装置。利用半导体电流限制器部件保护电路装置，耐大电流，特别是由启动影响或瞬变影响引起的大电流。电流限制器部件包括具有如n^-型的给定导电类型的半导体基片(5)。在半导体基片的上下表面设置主电极，还包括用高掺杂接触区(8、9)连接半导体基片的金属电极(10、11)。如此设置插入区的掺杂(浓度)，使得当主电极之间电压升到某一电压时，则电流达到饱和。在第1实施例中，在插入区形成埋入的浮置P-型区(12)，使元件成为具有浮栅的结型场效应晶体管。在第2实施例中选择中间层(21)的厚度和/或掺杂浓度，则由于速度饱和而限制电流。上述电流限制器部件非常适用于具有放电灯的系统，因为它耐高电压，高耗散，能在两方向通过电流，此外能用简单方法进行制造，所以它非常便宜。

Description

电路装置及适用于该电路装置的 结型场效应晶体管

本发明涉及利用加电压作用负载的电路装置，设有输入端，用来连接电压源的各电极；电路部件，用于限制加压工作期间通过输入端的输入电流，该电路部件包括具有两个主电极的半导体元件，主电极与电路装置中的接点相连，以使输入电流流过两个主电极。本发明还涉及适用于该电路装置的结型场效应晶体管。

众所周知，利用电流限制器来保护电路，以便防止过大的输入电流。例如，在包括大电容器的设备中设置上述限制器是必要的，因而当在开通期间当电力线电压偶然达到最大值时，由于没设置限流器，在开通时可能产生大的峰值电流，这种缺陷可能因大电流引起开通或熔断。例如，利用其公共开关上设有镇流器的几个气体放电灯(PL或TL)时，可能发生问题。限制启动电流的最简单方法，是在电路中设置串联电阻。由于正常工作电流也必须通过串联电阻，而其电阻必须限于相当低的数值，这样仍要产生相对大的峰值电流。

在S.M.Sze，2 nd.ed.，John Wiley&Sons，New York等著的书“Physics of Semiconduc tor Devices”中叙述了电流限制器，其在达到一定电压的第1电压范围内，实际上起电阻的作用，在超过该电压时起电流源作用，流过元件的电流不因电压进一步升高而升高。在此书353页及图32给出的例子是“饱和速度二极管”，其基本上由P型Ge衬底中的浅n-型表面区构成。在该区的整个侧面设置高掺杂的n⁺型接触区用于通过电流。在浅表面区中的这个二极管根据饱和速度进行工作，这种情况下，电荷载流子，即电子的速度，当电场超过给定值时，不因强电场而再增加。设计这种公知的电流限制器是用于mA范围电流和最大为几十伏电压的情况。但是，这种部件不适用于较大功率的情况，例如，电流为1A的数量级，电压为几百伏的情况，即气体放电灯的情况。要求电流限制器部件用于下述情况，其能在正常工作状态耐高耗散，能耐在短时间耗散可能很大的起动电流，还能耐高压，例如1KV的数量级。在许多情况下，例如，气体放电灯，电源可以包括交流电压源和把交流电压转变成直流的桥式整流器。在上述电路中用于保护桥式整流器的电流限制器部件是所要求的，其位于桥式整流器的前面，于是能在两个方向限制电流。

本发明的目的是提供开头所述的电流装置，能用于大功率和高电压的情况。本发明另一目的是提供适用于大功率的上述的电路装置，其中，通过电流限制器使桥式整流器和交流电压源相连。

按照本发明，为此目的在开头所述那种电路装置，其特征是，半导体元件包括某一种导电类型的半导体基片，下文称作为第1导电类型。其中，在两个相对的表面设置主电极，每个包含连接相应表面的区域，具有比相连半导体部分较高的掺杂浓度，其位于较高掺杂区之间，选择它的杂质浓度，使得当主电极之间的电压升高大于给定电压时，产生饱和电流。在上述电流限制器元件中，电流不与半导体基片的主表面平行，而是横向流动，最大电流正比于主表面的表面积。可以用比较简单的方法设计电流限制器元件，例如，用于气体放电灯的镇流电路、满足涉及耗散功率(散热)、击穿电压，设定的对称性，实际应用的上述要求。

按照本发明电路装置的第1实施例，其特征是，半导体元件形成结型场效应晶体管，其主要电极形成晶体管的源和漏电极，具有与第1导电类型相反的第2导电类型的埋层区位于半导体基片中，形成电浮栅电极，限定插入的沟道部分。因为栅电极是浮置的，电流限制器元件不需要控制电路，使电路简化。此外，可以对称地构成该元件，以使源和漏电极可以互换，可以把该元件设置在桥式整流器的前面或后面。当电压为0V左右时，元件作为一个电阻把阻值优选成尽可能的低。从某一电压开始，电流不(或基本上不)再增大。元件是根据下列实际情况工作的，例如，在具有n^-型沟道晶体管的情况，P-型浮栅电极的电位依从n^-型源的电位，即电极具有最低电位，以使当漏电压大于夹断电压时，则按照栅压为0V时的I-V特性，并且电流变成饱和电流。可采用各种方法选择饱和电流的数值，例如，利用埋层区之间的沟道宽度，其形成栅电极和/或晶体管的区域。一种优选实施例，其特征在于，埋层区至少基本上具有正六边形的形状，被分组成蜂窝状形式，其间插入第1导电类型自由区部分，该部分形成晶体管沟道区。已经发现，上述设计导致低阻和高击穿电压。

在工作期间，施加在漏电极上的电压脉冲可能阻断沟道，因为在埋层栅电极的Pn结加反偏压，以使晶体管暂时不通过电流。阻断电流是暂时现象，因为栅电极再放电产生漏电流，因此，对于某些应用不产生缺点。但是，在另外一些应用中，更多的连续的电流通过是需要的或者是所希望的，增加漏电流成为优点，以便缩短Pn结放电时间。相应地，另一个优选实施例，其特征在于，半导体基片包括一个区，其具有少数载流子的产生中心，离第2导电类型的埋层区有一定距离，至多等于第1导电类型的较弱掺杂区的扩散长度。借助于诸如Au或Pt的杂质，可以获得产生中心，众所周知，由此，形成增加漏电流的禁带状态，因为上述产生中心与复合中心或“扼杀中心”(“Killer”)有相同的作用时间，则半导体材料的电阻率，相应于晶体管的电阻，由于Au或Pt的存在，可能有些增加。如果这样要求，这可能明显地被补偿，例如，以使晶体管的大小被适用。

按照本发明第2种类型的电路装置，其特征在于，所述的第1导电类型的连接区，位于较高掺杂区之间，具有某一厚度和某一掺杂(浓度)，在电流—电压特性曲线中产生电流饱和段，这是由于工作在足够高电压期间，迁移电荷载流子的速度达到饱和引起的。在特定实施例中，电流限制器部件具有n⁺-n^--n⁺结构，而不包括单个Pn结，从而简化制造。

下面参照几个实施例和附图，详细地叙述本发明：

图1表示本发明的电路装置；

图2表示用于该电路的电流限制器部件的剖视图；

图3是沿线III-III剖开的电流限制器部件的剖视图；

图4表示电流I与所加电压V的函数关系曲线图；

图5表示用于制造电流限制器部件的部分掺杂掩模；

图6是表示适于如图1所示电路装置另一电流限制器部件的剖视图；

图7表示如图6所示电流限制器部件的电流I与电压V的函数关系曲线图；

图8是用于如图1所示电路又一电路限制器部件的剖视图。

图1通过一个例子表示电路装置，适用于转变极性的交流电压源，其是借肋于二极管电桥DB实现全波整流的。例如利用输电线形成电源。用输入端K1和K2可能把电路连到电压源。在输入端K1和二极管电桥DB之间设有元件V。元件V把电流限制到预定值。另一输入端K2，连接二极管电桥的另一输入端。二极管电桥的输出端，例如，连接到气体放电灯电路的负载，并且具有缓冲电容C和用图表示的dc-ac(交-直流)变换器1，其形成一个或几个气体放电灯2的电源，放电灯2也用图表示。电路运作如下所述。当输入端K1和K2连到输送交流电压的电压源时，由电源供给的电流通过元件V。特别当(大的)缓冲电容器是空载或基本是空载时，同时电力线电压偶然达到最大值时，在电路装置开通期间，元件V两端的电压可能达到相当高的值。在没有限流器元件的情况，很大的电流将通过电路(启动电流)。输入端之间的电压，开通后在运行负载期间，由于瞬变也可以达到大的数值。元件V在电路中限制电流到预定值，防止过度耗散和对电路的损伤。元件V不需要控制电路，以简化电路装置。由于电流限制器位于电源和桥式整流器之间，电流限制器元件在相反的两个方向起作用。

在本实施例中，电流限制元件V包括结型场效应管3，其如图2剖视图所示，并联于主电极之间的主电流方向。晶体管最好由硅半导体基片5组成，但是也可由代替硅的其它适合的半导体材料组成。半导体基片基本上是n^-型半导体基片，所以由电子进行导电。显然，一般也使用P-沟道晶体管，但是，因为n^-沟道型晶体管有较低的电阻。后者通常优于P-沟道晶体管。半导体基片5主要由两个较高电阻的n^-型区6和7形成，其掺杂浓度在例如1.5×10¹⁴到5×10¹⁴/cm³之间。区6和7的厚度大约为125μm。高掺杂的n^-型接触区8和9设置在半导体基片的上下表面，和金属电极10及11相连，厚度为大约35μm。区8和9及电极10和11在半导体基片整个表面或至少基本上整个表面上延伸，形成结形场效应晶体管的源和漏极。在高电阻区6和7的界面区设置晶体管的高掺杂埋层P-型区的栅电极12，厚度为30到50μm。在区12之间留有n^-型空闲区13，其间宽度例如为5到15μm，形成晶体管沟道区。为了获得尽可能大的半导体基片单位表面区的沟道面积，这样可尽可能低地降低电阻，最好把栅电极12设置成多边形的图形。区12可适用的形状是方形。但是，本实施例选择了正六边形，因为这种形状由较小的锐角有利于提高击穿电压。如图3所示，用剖视图表示的器件，在区6和7之间表面区平行于主表面。

如上所述，在工作期间，可能使电浮栅区12充电。因为可能通过在半导体基片中产生带电载流子而使该区放电，它可能有利于在区12附近，即在等于区12扩散长度的距离内，掺杂区域14，由于具有产生能带图中禁带状态的Au和Pt原子，则增加了漏电流。在图2中，以虚线表示区14。

可用公知的方法制造晶体管。制造从硅衬底开始，该衬底形成晶体管的高电阻区7，在一侧具有P-型区，以后由此形成埋层区12。在同一侧，利用外延或焊片方法形成高电阻区6。在获得的结构侧面，例如通过扩散可能形成高掺杂的n^-型接触区9和11。在区6和7之间的界面区把P-型杂质扩散到硅中，由此，形成P-型区12。以后，用公知的方法，在上表面和下表面形成接触区10和11。

在如上所述的最后扩散步骤中，当利用具有六边形开口的掩模进行掺杂时，在扩散期间在拐角处可能使杂质耗尽。结果，区12的拐角可能变圆，使沟道通路的局部变大，限制电流不太满意。为防止上述问题发生，可利用图4所示的六边形掺杂掩模。用虚线表示的六边形15表示最终完成的区12的大小。相应于区12的掩模孔区16基本上由相等于六边形15的六边形组成，其具有伸长部分17的拐角，在拐角处提供另一个P-型掺杂区。

最后为散热目的采用适当封壳包封晶体管。

图5表示电流I(安)和电流限制器二端的电压V(伏)的函数关系。浮栅电极12电位依从电极10或11的电位，这些电极中无论那个都具有低电位。这个电极形成晶体管源极，以此，在栅极Vg＝0V时由晶体管特性确定通过晶体管的电流。在大约V＝0V时，晶体管作为具有电阻R_on(V_ds＝0V的电阻)的电阻，其值最好尽可能的低。在上述例子中，例如，发现关于4mm²表面面积12Ω的电阻R_on容易实现。正常情况下可接受的低电平的电流限制器部件两端的电压可能被保持。对于V₁(绝对值)的电压，晶体管成为电流源，其中电流不(或基本不)随电压升高而升高。在峰值电源电压情况下，有效地把电路中的电流限制在I_max，通过改变晶体管的表面面积来调整它的数值。应注意，电流不是在与V₁无关的整个电压范围内上升，而是随电压稍微增加。但是，这种增加对大多数应用情况是相当的小，比公知的结构小很多，在公知结构中，在半导体表面源区之间设有栅电极12。

晶体管具有对称结构，可在两个方向限制电流，所以能把它放置在桥式整流器DB的前面。可如此制造晶体管，适当选择尺寸和掺杂浓度，以使它耐高电压而不产生击穿。本发明可容易达到大约700伏的击穿电压。经实验发现，晶体管能够满意地处理高功率电平，稳定的或峰值的功率，具有气体放电灯的照明系统，尤其需要这样。

图6是另一半导体元件的剖视图，用它作为大功率的电流限制部件，因此用它代替如图1所示的结型场效应晶体管。在叙述中尽可能用与前述实施例的相同标记表示相应的部分。如图6所示的半导体器件，包含半导体基片20，完全由n^-型硅组成，上面和下面设有接触区10和11，由此把元件和桥式二极管DB(图1)相连接。为了获得良好欧姆接触，在半导体基片20的两侧设置高掺杂的n^-型接触区8和9。区8和9由相当低的弱掺杂n^-型区21相互分开。如此选择区21的厚度，由于区21中的电子漂移速度达到饱和，在某一应用中在增高电压时，使基片20中的电流受到限制。

图7表示上述电流限制器部件的电流—电压特性的曲线图。首先应注意，特性是关于V＝0V对称的，这是指部件运作与电流方向无关，因此可以把部件设置在桥式二极管的前面。而且，当电压V＝0V附近时，部件显示为电阻特性，其电流随电压增加。由于电荷载流子(电子)的迁移率随电场、电子的漂移速度的增加而增加，电极10和11之间的电流，随电压增加而变成饱和。在图1中用I_max表示最大电流值。电极10和11之间的电压可能达到击穿电压V_max。

除了I_max、V_max以外的几个特征值是，低电场的电阻值R_on，在图7中由切线24的斜率表示。粗略地包含这些值：

(1)I_max＝A·q·N·V_lim

(A＝表面积；N＝区21的掺杂(浓度)；

q＝电荷；V_lim＝强电场的电子漂移速度)

(2)R_on＝L/(μ·q·N·A)(μ＝电子迁移率；

                              L＝区21的厚度)

(3)V_max＝E_c·L(E_c＝击穿电压的临界电场)

量L取决于击穿电压的希望值，应注意，它适用于强电流：L＝2V_max/E_c。乘积R_on、I_max可能作为特征量。对于线性电阻，这乘积是V_max，在最大电力线电压300V的情况，它是等于300V。当利用非线性元件时，参量可能非常低，最好尽可能低。从上述方程可以导出，对于这个乘积，下式是正确的：

(4)R_on·I_max＝V_lim·L/μ对于n^-型硅，V_lim＝10⁷cm/s，E_c＝2×10⁴V/cm。迁移率与温度无关，(在低电场)是1000到1400cm²/v·s。例如，根据该尺寸，给出V_max值。如果这值是，例如700V，则区21的厚度必须近似为70μm。乘积R_on·I_max近似50V，如果R_on近似12欧姆，则电流近似为4A。通过调节表面积A和/或n^-型区21的掺杂可以调节开态电阻R_on对于R_on＝12Ω，L＝70μm则对于掺杂浓度N＝10¹⁴/cm³，表面积A近似等于3mm²。

上述由坚固块工艺形成工件的部件，其对于热耗散、热瞬变、高电压是重要的。该元件制造成本低，不需控制结构，可以把其放在整流电桥的前面，使后者可以很便宜。

图8是垂直结型场效应晶体管的剖视图，其用作功率电路的电流限制器。该元件包括弱掺杂n^-型硅基片5，在下面设置高掺杂漏区9和漏电极11。源区包括许多高掺杂n^-型表面区30。栅电极不是由埋层区形成的，和图2所示的实施例不同，但是包含许多高掺杂的表面区31，设置在源区30之间。栅电极31借助于源电极10由源区30短路。在运作期间，由伸入高阻区5的虚线表示的耗尽区33，限定沟道区34，通过它，电流按箭头所示方向流入漏区。该电流限制器基本上具有前述电流限制器部件的各种优点，因为它具有不对称结构，必须把它连在桥式整流器DB后面。另一方面，栅电极32没有象图2埋栅那样进行电浮置，所以可避免使栅电极充电，使击穿危险减小。

显然，本发明不限于上述的实施例，本领域的技术人员，在本发明的范围内，可能进行各种变化。可采用半导体基片Ge代替Si，特别是，根据饱和速度来利用电流限制器元件，因为在Si和Ge中，电荷载流子的迁移率μ较高，漂移迁移率较低，则具有简化制造该元件的优点。

在上述实施例中，可以变换导电类型。

Claims (6)

1.一种利用电源电压运作负载的电路装置，设有：

输入端，用于连接电压源的两极；

电路部件，用于限制因加电源电压在运作期间流过输入端的输入电流，该电路部件包括具有两个主电极(10，11)的半导体元件，该主电极连接电路装置的接点，使输入电流通过两个主电极，其特征是，半导体元件包含以后称为第1导电类型的某一导电类型的半导体基片，其中两个主电极(10，11)设置在两个相互对置的表面上，所述两个表面中的每一个与一个区(8，9)相连，所述区(8，9)具有比半导体基片(5)的邻接部分高的掺杂浓度，半导体基片(5)位于较高掺杂区(8，9)之间，如此选择其掺杂，使得当主电极之间的电压大于给定电压时，电流达到饱和。

2.按照权利要求1的电路装置，其特征是，半导体元件形成结型场效应晶体管，其中的主电极形成晶体管的源极和漏极，位于半导体基片中的具有与第1导电类型相反的第2导电类型的埋层区形成电浮栅电极，限定插入的沟道部分。

3.按照权利要求2的电路装置，其特征是，埋层区是正六边形，按蜂窝形式分组，留下第1导电类型空闲区的插入部分，该部分形成晶体管的沟道。

4.按照权利要求2或3的电路装置，其特征是，半导体基片包括具有少数载流子产生中心的区域，其离开第2导电类型的埋层区有一定距离，该距离等于第1导电类型弱掺杂部分扩散长度。

5.按照权利要求1的电路装置，其特征是，所述位于较高掺杂区之间第1导电类型邻接部分具有一厚度和掺杂浓度，在以足够高电压运作期间，由于迁移电荷载流子的速度饱和，在电流—电压特性曲线中产生电流饱和区段。

6.一种适用于权利要求2到4中之一的电路装置的结形场效应晶体管。

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