CN111464166A - 一种可控硅驱动电路及可控硅芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，提供了一种可控硅驱动电路及可控硅芯片中，通过可控硅器件的控制极可控硅驱动电路的控制端，可控硅器件的第一电极作为可控硅驱动电路的输出端，可控硅器件的第二电极与齐纳二极管的阴极共接作为可控硅驱动电路的电源输入端，齐纳二极管的阳极与二极管的阴极共接作为可控硅驱动电路的补偿信号端，二极管的阳极作为可控硅驱动电路的接地端，从而提供一种自带直流功能的可控硅驱动电路，解决当前的可控硅器件功能单一的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种可控硅驱动电路及可控硅芯片。
背景技术
可控硅(Silicon Controlled Rectifier，SCR)是一种大功率电器元件，也称晶闸管，具有体积小、效率高、寿命长等优点。目前的可控硅结构主要有全平面、单凸台、双凸台等，其优化方向主要在于降低高温漏电，提升电压变动率以及调节关断时的动态电流等。
然而，当前的可控硅器件整体上依然属于单一可控硅，其等效电路可由8个晶体管构成，存在功能单一的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可控硅驱动电路及可控硅芯片，旨在解决当前的可控硅器件功能单一的问题。
本发明提供的一种可控硅驱动电路，包括：可控硅器件、齐纳二极管以及二极管；所述可控硅器件的控制极所述可控硅驱动电路的控制端，所述可控硅器件的第一电极作为所述可控硅驱动电路的输出端，所述可控硅器件的第二电极与所述齐纳二极管的阴极共接作为可控硅驱动电路的电源输入端，所述齐纳二极管的阳极与所述二极管的阴极共接作为所述可控硅驱动电路的补偿信号端，所述二极管的阳极作为所述可控硅驱动电路的接地端。
可选的，所述可控硅驱动电路内还包括信号补偿电路，所述信号补偿电路设于所述补偿信号端与所述齐纳二极管的阳极之间。
可选的，所述信号补偿电路包括第一电阻和第一电容；所述第一电容的第一端与所述齐纳二极管的阳极连接，所述第一电容的第二端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与补偿信号端连接。
可选的，所述可控硅器件为双向可控硅。
可选的，所述可控硅器件的结构为全平面结构、单凸台结构以及双凸台结构中的任意一种。
可选的，所述齐纳二极管包括基底，在所述基底中形成有阱区，在所述阱区中形成有掺杂类型不同的第一掺杂区和第二掺杂区，所述阱区、所述第一掺杂区和所述第二掺杂区暴露于所述基底的表面，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区横向排列并且所述第一掺杂区和所述第二掺杂区相接，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区的相接区域组成所述齐纳二极管的pn结。
可选的，所述第一掺杂区包括第一掺杂本体区和与所述第一掺杂本体区横向相接的第一掺杂扩散区，所述第二掺杂区包括第二掺杂本体区和与所述第二掺杂本体区横向相接的第二掺杂扩散区；其中，所述第一掺杂扩散区和所述第二掺杂扩散区横向相接，并且所述第一掺杂扩散区和所述第二掺杂扩散区的相接区域组成所述齐纳二极管的pn结。
可选的，所述齐纳二极管为温度补偿型齐纳二极管。
本申请实施例还提供了一种可控硅芯片，包括封装体以及如上述任一项所述的可控硅驱动电路，所述可控硅驱动电路封装于所述封装体内。
可选的，所述可控硅芯片包括主电极引脚、次电极引脚、控制引脚、虚拟接地引脚以及信号补偿引脚；其中，所述主电极引脚与所述可控硅驱动电路的输出端连接，所述次电极引脚与所述可控硅驱动电路的电源输入端连接，所述控制引脚与所述可控硅驱动电路的控制端连接，所述虚拟接地引脚与所述可控硅驱动电路的接地端连接，所述信号补偿引脚与所述可控硅驱动电路的补偿信号端连接。
本发明提供的可控硅驱动电路及可控硅芯片中，通过可控硅器件的控制极可控硅驱动电路的控制端，可控硅器件的第一电极作为可控硅驱动电路的输出端，可控硅器件的第二电极与齐纳二极管的阴极共接作为可控硅驱动电路的电源输入端，齐纳二极管的阳极与二极管的阴极共接作为可控硅驱动电路的补偿信号端，二极管的阳极作为可控硅驱动电路的接地端，从而提供一种自带直流功能的可控硅驱动电路，解决当前的可控硅器件功能单一的问题。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的可控硅驱动电路的电路结构示意图；
图2为本申请的另一个实施例提供的可控硅驱动电路的电路结构示意图；
图3为本申请的另一个实施例提供的可控硅驱动电路的电路结构示意图；
图4、5、6分别为本申请实施例提供的可控硅器件的三种结构；
图7、图8为本申请实施例提供的齐纳二极管的结构示意图；
图9为本申请实施例提供可控硅芯片的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
参见图1所示，本实施例中的可控硅驱动电路包括：可控硅器件T、齐纳二极管Z以及二极管D，所述可控硅器件T的控制极所述可控硅驱动电路80的控制端G，所述可控硅器件T的第一电极作为所述可控硅驱动电路80的输出端A，所述可控硅器件T的第二电极与所述齐纳二极管Z的阴极共接作为可控硅驱动电路80的电源输入端K，所述齐纳二极管Z的阳极与所述二极管D的阴极共接作为所述可控硅驱动电路80的补偿信号端Comp，所述二极管D的阳极作为所述可控硅驱动电路80的接地端GND。
在本实施例中，可控硅驱动电路80的电源输入端K用于接收电源信号，补偿信号端Comp用于接收补偿信号，控制端G用于接收控制信号，具体的，当可控硅驱动电路80工作时，通过在控制端G输入一个控制信号以控制可控硅器件T的导通或者关断，例如，可控硅器件T为双向可控硅时，无论在控制端G加以正向电压或是反向电压，也不管控制端G输入的触发信号是正向还是反向，可控硅器件T均能被触发导通。
在一个实施例中，可控硅器件T的第一端作为主电极T2，可控硅器件T的第二端作为次电极，可控硅器件具有以下四种触发方式：
当主电极T2对次电极Tl所加的电压为正向电压，控制端G对次电极Tl所加的也是正向触发信号。双向可控硅触发导通后，电流的方向从T2流向T1。
(2)如果主电极T2仍加正向电压，而把触发信号改为反向信号，这时双向可控硅触发导通后，通态电流的方向仍然是从主电极T2到次电极T1。
(3)主电极T2到次电极T1之间加上反向电压U12，输入正向触发信号，双向可控硅导通后，电流从T1流向T2。
(4)主电极T2到次电极T1之间仍然加反向电压U12，输入的是反向触发信号，双向可控硅导通后，通态电流仍从T1流向T2。
由于可控硅器件T中包括多个PN结，例如，从其阴极(即第二电极)到其阳极(第一电极)之间可以看做一个NPN型的晶体管(BG1)和一个PNP型的晶体管(BG2)，两个晶体管之间交迭，因此，可控硅器件T在具体应用中，通过在其控制极加上很小的电流或者电压，即可在其阳极(即第一电极)输出很大阳极电流或者阳极电压，例如，在可控硅器件T的阳极和阴极(即第二电极)之间加上一个正向电压Ea，并在其控制极与阴极之间输入一个正向触发信号，BG1将产生一个基极电流Ib，经过BG1放大后生成一个放大了β1倍的集电极电流IC1，由于BG1的集电极与BG2的基极连接，因此，该集电极电流IC1被放大β2倍生成集电极电流IC2后输出至BG1的基极，从而不断循环反馈，从而在触发信号即使消失的情况下也可以保持可控硅器件T的导通状态，只有断开电源Ea或者降低Ea，使得BG1和BG2中的集电极电流小于维持导通的最小值，才可以关断可控硅器件T，其中，放大倍数β1和β2取决于可控硅器件T的性能参数。
在一个实施例中，参见图2所示，所述可控硅驱动电路80内还包括信号补偿电路81，所述信号补偿电路81设于所述补偿信号端Comp与所述齐纳二极管Z的阳极之间。
在本实施例中，信号补偿电路81可以为电阻、电容及其组合电路中的一种。
在一个实施例中，参见图3所示，所述信号补偿电路81包括第一电阻R1和第一电容C1；所述第一电容C1的第一端与所述齐纳二极管Z的阳极连接，所述第一电容C1的第二端与所述第一电阻R1的第一端连接，所述第一电阻R1的第二端与补偿信号端Comp连接。
在一个实施例中，所述可控硅器件T为双向可控硅。
在一个实施例中，参见图4、图5以及图6所示，所述可控硅器件T的结构为全平面结构、单凸台结构以及双凸台结构中的任意一种。
图4为双凸台结构的可控硅的示意图，图5为单凸台结构的可控硅的示意图，图6为全平面的可控硅的示意图，其中，P表示P型元素掺杂的半导体，N表示N型元素掺杂的半导体，Anode表示阳极电极，Cathode表示阴极电极，Gate表示闸极电极，Oxyde表示氧化层，Passivation表示绝缘层，Metalizationg表示金属层，Glass表示玻璃填充。
通常，可控硅器件的击穿电压由衬底层的掺杂浓度决定，根据其击穿电压的不同采用不同掺杂浓度的硅基材作为衬底层，硅基材的掺杂浓度越高，制备的可控硅的击穿电压越低。
图7是本发明实施例提供的齐纳二极管的结构示意图，参见图7所示，本实施例中的齐纳二极管Z包括一基底201，在所述基底201中形成有一阱区202，在所述阱区202中形成有掺杂类型不同的第一掺杂区21和第二掺杂区22，所述阱区202、所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22暴露于所述基底201的表面，所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22横向排列并且所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22相接，所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22的相接区域组成所述齐纳二极管的pn结。
具体的，本实施例中所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22的掺杂类型不同，故在第一掺杂区21和第二掺杂区22的交界处，由于两种掺杂类型的接触，从而形成有横向的pn结。本实施例中采用的第一掺杂区21的掺杂类型例如为p型，第二掺杂区22的掺杂类型例如为n型。则与此相对应的，所述p型的第一掺杂区21上可接入正电极，所述n型的第二掺杂区22上可接入负电极。应当说明的是，所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22的掺杂类型也可以分别为n型和p型，则相应的n型的第一掺杂区21接入的电极为负极，p型的第二掺杂区22为正极。
此外，由于本实施例中的齐纳二极管的击穿电压取决于所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22的相接区域的横向pn结，而横向pn结的导电通路不需要经过所述阱区202，故对阱区202的掺杂类型并没有特殊的要求，进而，所述阱区202也可以任意选取n型或p型。
值得说明的是，本实施例中的齐纳二极管由于形成的是横向pn结，故不存在纵向pn结中的p区和n区纵向叠层的结构，进而，在制备过程中，并不需要采用一额外掩膜版以形成纵向叠层的pn结，具体原因将在制备方法中作详细解释，此处不作赘述。因此，本发明具有横向pn结的齐纳二极管能够节省了掩膜成本及制备成本。
作为优选的方案，所述第一掺杂区21包括第一掺杂本体区210和与所述第一掺杂本体区210横向相接的第一掺杂扩散区211，所述第二掺杂区22包括第二掺杂本体区220和与所述第二掺杂本体区220横向相接的第二掺杂扩散区221；
其中，所述第一掺杂扩散区211和所述第二掺杂扩散区221横向相接，并且所述第一掺杂扩散区211和所述第二掺杂扩散区221的相接区域组成所述齐纳二极管的pn结。
在一个实施例中，所述第一掺杂扩散区211由所述第一掺杂本体区210中的掺杂离子扩散形成，所述第二掺杂扩散区221由所述第二掺杂本体区220中的掺杂离子扩散形成。
具体的，本实施例中所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22并非在一个工艺步骤中直接形成的，而是先在基底201中形成有第一掺杂本体区210和第二掺杂本体区220，然后再利用扩散工艺，由第一掺杂本体区210扩散形成第一掺杂扩散区211，由第二掺杂本体区220扩散形成第二掺杂扩散区221。故，可以将所述第一掺杂扩散区211和第二掺杂扩散区221分别看作是第一掺杂本体区210和第二掺杂本体区220的延伸，从而通过控制形成第一掺杂扩散区211和第二掺杂扩散区221的工艺条件，可以控制pn结的耗尽区及浓度分布状况，从而调整所述齐纳二极管的击穿电压。
在一个实施例中，所述齐纳二极管的反向击穿电压随着所述第一掺杂扩散区211和所述第二掺杂扩散区221的横向长度之和的增大而增大；其中，所述横向长度之和为所述第一掺杂扩散区211和所述第二掺杂扩散区221沿横向扩散方向上的长度之和。
稳压二极管中有两种可能的击穿情况，第一种为齐纳击穿，当pn结的掺杂浓度较高时，其耗尽区的宽度相应较小，内建电场强度较大，故仅施加较小的反向电压，就能够获得较大的电场，使得耗尽区内中性原子的共价键被破坏，从而将价电子转变为自由电子，激发出大量的载流子，形成齐纳击穿；第二种为雪崩击穿，当pn结的掺杂浓度较低时，外加较大的反向电压，使得载流子获得较大的动能，通过高能载流子碰撞中性原子，从而破坏共价键并释放载流子，新产生的载流子也会重复以上情况，进而形成了载流子雪崩式的增长，反向电流急剧增大，从而导致了雪崩击穿。由此可见，形成的pn结耗尽区的宽度不同，会导致不同情况的击穿发生。齐纳二极管，是稳压二极管的别称，并非仅指以齐纳击穿为工作原理的稳压二极管，然而，通常而言，集成电路中所采用的稳压二极管采用较多的是齐纳击穿的原理，以获得相对较小的击穿电压。
本实施例中，所述齐纳二极管的击穿方式例如为齐纳击穿。采用扩散工艺使得所述第一掺杂本体区210和所述第二掺杂本体区220中的掺杂离子扩散形成第一掺杂扩散区211和第二掺杂扩散区221，所述第一掺杂扩散区211和第二掺杂扩散区221的掺杂离子浓度分布会受到其横向扩散长度的限制，即，所述第一掺杂扩散区211和所述第二掺杂扩散区221沿横向扩散方向上的长度之和。本实施例中，所述第一掺杂扩散区211和所述第二掺杂扩散区221沿横向扩散方向上的长度之和，实际上也就是指第一掺杂本体区210和第二掺杂本体区220之间横向间隔的距离。其原因在于，在掺杂离子的总浓度不变的条件下，掺杂离子的扩散距离越长，扩散得到的离子浓度则越低，进而过长的扩散区使得扩散后形成的pn结两侧的掺杂离子浓度均偏低，同时也会导致pn结的耗尽区宽度增加。显然，当所述耗尽区增加时，耗尽区内的内建电场强度就相应减小了，从而导致实现齐纳击穿时所需要的外加电压相应地增大。由此可见，本实施例中所述齐纳二极管的反向击穿电压会随着所述第一掺杂扩散区211和所述第二掺杂扩散区221的横向长度之和的增大而增大。以及，为防止出现所述横向长度之和过大，而导致所述齐纳二极管无法发生齐纳击穿的情况，本实施例中所述第一掺杂扩散区211和所述第二掺杂扩散区221的横向长度之和小于等于0.4μm，以保证本实施例中齐纳二极管能够正常工作。
在一个实施例中，所述第二掺杂区22为环形区域，并横向包围所述第一掺杂区21。
具体而言，图7中仅示意性地示出了本实施例中齐纳二极管的横截面结构，为了更清楚全面地进行说明本实施例中的齐纳二极管结构，本实施例中还提供了图8，图8是本发明实施例一中齐纳二极管结构的俯视示意图，图8示意性的示出了所述第二掺杂区22为环形区域，并且包围了所述第一掺杂区21。此时，由于所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22的相接区域也是一环形区域，故所述第一掺杂扩散区211和所述第二掺杂扩散区221也为环形区域，进而所述第二掺杂区22包围了所述第二掺杂扩散区221，所述第二掺杂扩散区221包围了所述第一掺杂扩散区211，所述第一掺杂扩散区211包围了所述第一掺杂区21。由于所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22之间的相接面积增大，进而有效增加了所述齐纳二极管的pn结横截面积。
在一个实施例中，所述齐纳二极管为温度补偿型齐纳二极管。
本申请实施例还提供了一种可控硅芯片，参见图9所示，本实施例中的可控硅芯片包括封装体82以及如上述任一项所述的可控硅驱动电路，所述可控硅驱动电路封装于所述封装体82内。
在一个实施例中，可控硅芯片按其封装形式可分为金属封装可控硅、塑封可控硅和陶瓷封装可控硅三种类型。其中，金属封装可控硅又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封可控硅又分为带散热片型和不带散热片型两种。
在一个实施例中，可控硅芯片包括主电极引脚A、次电极引脚K、控制引脚G、虚拟接地引脚GND以及信号补偿引脚Comp；其中，所述主电极引脚A与所述可控硅驱动电路的输出端A连接，所述次电极引脚K与所述可控硅驱动电路的电源输入端K连接，所述控制引脚G与所述可控硅驱动电路的控制端G连接，所述虚拟接地引脚GND与所述可控硅驱动电路的接地端GND连接，所述信号补偿引脚Comp与所述可控硅驱动电路的补偿信号端Comp连接。
在一个实施例中，所述可控硅芯片采用TO-220封装结构、TO-3P封装结构以及TO-263封装结构中的任意一项封装。
本发明提供的可控硅驱动电路及可控硅芯片中，通过可控硅器件的控制极可控硅驱动电路的控制端，可控硅器件的第一电极作为可控硅驱动电路的输出端，可控硅器件的第二电极与齐纳二极管的阴极共接作为可控硅驱动电路的电源输入端，齐纳二极管的阳极与二极管的阴极共接作为可控硅驱动电路的补偿信号端，二极管的阳极作为可控硅驱动电路的接地端，从而提供一种自带直流功能的可控硅驱动电路，解决当前的可控硅器件功能单一的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可控硅驱动电路，其特征在于，包括：可控硅器件、齐纳二极管以及二极管；
所述可控硅器件的控制极所述可控硅驱动电路的控制端，所述可控硅器件的第一电极作为所述可控硅驱动电路的输出端，所述可控硅器件的第二电极与所述齐纳二极管的阴极共接作为所述可控硅驱动电路的电源输入端，所述齐纳二极管的阳极与所述二极管的阴极共接作为所述可控硅驱动电路的补偿信号端，所述二极管的阳极作为所述可控硅驱动电路的接地端。
2.如权利要求1所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述可控硅驱动电路内还包括信号补偿电路，所述信号补偿电路设于所述补偿信号端与所述齐纳二极管的阳极之间。
3.如权利要求2所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述信号补偿电路包括第一电阻和第一电容；所述第一电容的第一端与所述齐纳二极管的阳极连接，所述第一电容的第二端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与补偿信号端连接。
4.如权利要求1所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述可控硅器件为双向可控硅。
5.如权利要求1所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述可控硅器件的结构为全平面结构、单凸台结构以及双凸台结构中的任意一种。
6.如权利要求1所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述齐纳二极管包括基底，在所述基底中形成有阱区，在所述阱区中形成有掺杂类型不同的第一掺杂区和第二掺杂区，所述阱区、所述第一掺杂区和所述第二掺杂区暴露于所述基底的表面，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区横向排列并且所述第一掺杂区和所述第二掺杂区相接，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区的相接区域组成所述齐纳二极管的pn结。
7.如权利要求6所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述第一掺杂区包括第一掺杂本体区和与所述第一掺杂本体区横向相接的第一掺杂扩散区，所述第二掺杂区包括第二掺杂本体区和与所述第二掺杂本体区横向相接的第二掺杂扩散区；其中，所述第一掺杂扩散区和所述第二掺杂扩散区横向相接，并且所述第一掺杂扩散区和所述第二掺杂扩散区的相接区域组成所述齐纳二极管的pn结。
8.如权利要求1所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述齐纳二极管为温度补偿型齐纳二极管。
9.一种可控硅芯片，其特征在于，包括封装体以及如权利要求1-8任一项所述的可控硅驱动电路，所述可控硅驱动电路封装于所述封装体内。
10.如权利要求9所述的可控硅芯片，其特征在于，所述可控硅芯片包括主电极引脚、次电极引脚、控制引脚、虚拟接地引脚以及信号补偿引脚；其中，所述主电极引脚与所述可控硅驱动电路的输出端连接，所述次电极引脚与所述可控硅驱动电路的电源输入端连接，所述控制引脚与所述可控硅驱动电路的控制端连接，所述虚拟接地引脚与所述可控硅驱动电路的接地端连接，所述信号补偿引脚与所述可控硅驱动电路的补偿信号端连接。
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