CN111863939B - 一种集成可控硅晶闸管的双向光触发固态继电器 - Google Patents

一种集成可控硅晶闸管的双向光触发固态继电器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成可控硅晶闸管的双向光触发固态继电器，属于电子技术领域。本发明的双向光触发固态继电器在N型衬底依次扩散出彼此相隔的第一n+阱、第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱、第四P型阱区和第四n+阱，并在第一P型阱和第三P型阱上部扩散有第二n+阱和第三n+阱，再在N型衬底上方覆盖绝缘层且绝缘层上开有引线孔，之后再引线孔上方覆盖金属导电层即可。本发明的双向光触发固态继电器不再需要独立的可控硅，独立的可控硅集成进光触发电路中，将整个固态继电器的生产成本降低了30％以上，同时开关时间可达10微秒之内。

Description

一种集成可控硅晶闸管的双向光触发固态继电器
技术领域
本发明涉及一种集成可控硅晶闸管的双向光触发固态继电器，属于电子技术领域。
背景技术
固态继电器(英文：Solid State Relay，简称：SSR)是由半导体控制负载流经固态开关的无接点继电器，输入端利用发光二极管、晶体管、功率晶体管等半导体电路组成光耦合器，经内部控制电路触发输出端的硅控整流器(英文：Silicon Controlled Rectifier，简称：SCR)或三端双向可控硅开关元件(英文：Triode for Alternating Current，简称：TRIAC)进而导通负载电流，固态继电器可以在接受低压直流或交流信号输入之后，导通高压、高功率的输出电流，从而能够隔离输入输出以及控制高功率输出电流。
图1是传统的包含可控硅的固态继电器，共包含三个芯片，LED发光二极管、光触发电路、可控硅器件，主要工作原理是：输入电压Vin给LED发光二极管提供电源，LED点亮后，发出近红外和可见光；所发出的光被光触发电路接收后，光触发电路将开启，输出触发电流。该电流流入可控硅的门极，使得可控硅开通。可控硅的阳极和阴极连接待控电压VD，从而完成了继电器的控制功能。
图1所示的传统的固态继电器，其中的可控硅器件为外部连接器件，也即传统的固态继电器没有集成可控硅，这是因为固态继电器集成结构为纵向，而可控硅为平面型结构，二者无法进行集成，图1所示通过外接连接可控硅的方式，降低了固态继电器整体的可靠性。
发明内容
为了提高固态继电器整体的可靠性，本发明提供了一种新型光触发固态继电器，不再需要独立的可控硅，将可控硅集成进光触发电路中，这样，节省了独立的可控硅，降低了整个固态继电器的生产成本，同时提高了固态继电器整体的可靠性。
本发明的第一个目的在于提供了一种光触发固态继电器，所述光触发固态继电器包括：
N型衬底；
在所述N型衬底上从一端到另一端扩散有第一n+阱、第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱、第四P型阱区和第四n+阱；
其中，所述第一n+阱、第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱、第四P型阱和第四n+阱彼此间隔，所述第一P型阱和第二P型阱之间以及第三P型阱和第四P型阱区之间扩散有P型电阻；
所述第一P型阱和第四P型阱上分别扩散有第二n+阱和第三n+阱；
所述N型衬底上方淀积有绝缘层，绝缘层对应第一n+阱、第二n+阱、第二P型阱、第三P型阱、第三n+阱和第四n+阱的位置处开有引线孔；
绝缘层表面淀积有金属导电层；
金属导电层上刻蚀有光敏区，所述光敏区位置为：第一P阱区和第四P阱区对应区内，除了其中第二n+阱和第三n+阱扩散所占据的区域外，剩余的区域均为光敏区。
可选的，所述第一P型阱与第二P型阱之间、第三P型阱与第四P型阱之间的距离为10～50μm。
可选的，所述第二P型阱与第三P型阱之间的距离为50～200μm。
可选的，所述第二P型阱与第三P型阱之间的距离为70μm。
可选的，所述光敏区长为1微米至20微米，宽度为1微米至20微米。
可选的，所述第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱和第四P型阱区的阱深为5～50μm。
可选的，P型电阻的阻值为10K至100K欧姆。
本发明的第二个目的在于提供上述光触发固态继电器的制备方法，所述方法包括：
(1)选择N型衬底；
(2)在N型衬底上扩散出P型阱，包括第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱和第四P型阱区；
(3)在第(2)步基础上扩散得到n+阱，包括第一n+阱，第二n+阱，第三n+阱和第四n+阱；其中，第二n+阱和第三n+阱分别位于第一P型阱和第四P型阱上；
(4)p型高阻区扩散：在所述第一P型阱和第二P型阱之间以及第三P型阱和第四P型阱区之间扩散阻值为10K至100K欧姆的P型电阻；
(5)在N型衬底表面淀积绝缘层；
(6)在绝缘层对应第一n+阱、第二n+阱、第二P型阱、第三P型阱、第三n+阱和第四n+阱的位置处设置贯穿绝缘层的引线孔；
(7)在绝缘层表面淀积金属导电层；
(8)通过刻蚀的工艺，在金属导电层上将光敏区上覆盖的金属刻蚀掉；所述光敏区位置为：第一P阱区和第四P阱区对应区内，除了其中第二n+阱和第三n+阱扩散所占据的区域外，剩余的区域均刻蚀为光敏区。
可选的，采用离子注入的方法或高温扩散的方法进行扩散。
可选的，所述光敏区长为1微米至20微米，宽度为1微米至20微米。
可选的，所述第一P型阱与第二P型阱之间、第三P型阱与第四P型阱之间的距离为10～50μm。
可选的，所述第二P型阱与第三P型阱之间的距离为50～200μm。
可选的，所述第二P型阱与第三P型阱之间的距离为70μm。
可选的，所述第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱和第四P型阱区的阱深为5～50μm。
本发明的第三个目的是提供上述光触发固态继电器在控制电路、家用电器中的应用。
本发明取得的有益技术效果：
(1)本发明提出的光触发固态继电器，通过集成电路的方式发挥了固态继电器的作用，与传统的固态继电器相比，不再需要独立的可控硅，而是将独立的可控硅集成进光触发电路中，这样节省了独立的可控硅，将整个固态继电器的生产成本降低了30％以上。
(2)本发明提出的光触发固态继电器的开关时间可达10微秒之内，而现有外接可控硅的继电器开关时间都在100微妙以上。
附图说明
图1为传统的包含可控硅的固态继电器。
图2为本发明提出的集成可控硅晶闸管的双向光触发固态继电器。
图3为本发明的集成可控硅晶闸管的双向光触发固态继电器的光触发等效电路示意图。
图4为本发明的所示为双向光触发固态继电器的芯片版图和A-A′剖面图；
其中，1—N型衬底；2—第一n+阱；3—第一P型阱；4—第二P型阱；5—第三P型阱；6—第四P型阱；7—第四n+阱；8—第二n+阱；9—第三n+阱；10—P型电阻；11—绝缘层；12—引线孔；13—金属导电层；14—光敏区。
图5本发明的所示为双向光触发固态继电器的芯片版图、A-A′剖面图和B-B′剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种光触发固态继电器，参见图4，所述光触发固态继电器包括：
N型衬底1；
在所述N型衬底1的上从一端到另一端扩散有彼此间间隔的第一n+阱2、第一P型阱3、第二P型阱4、第三P型阱5、第四P型阱区6和第四n+阱7。
所述第一P型阱3和第二P型阱4之间以及第三P型阱5和第四P型阱6区之间设有P型电阻10；所述第一P型阱3和第四P型阱6上部扩散有第二n+阱8和第三n+阱9。
所述第一P型阱3和第二P型阱4之间以及第三P型阱5和第四P型阱6之间均扩散有P型电阻。
所述N型衬底1上方淀积有绝缘层11，绝缘层11对应第一n+阱2、第二n+阱8、第二P型阱4、第三P型阱5、第三n+阱9和第四n+阱7的位置处分别开有引线孔12。
绝缘层11表面淀积有金属导电层13；
金属导电层13上刻蚀有光敏区14，所述光敏区14位置为：第一P阱区3和第四P阱区6对应区内，除了其中第二n+阱8和第三n+阱9扩散所占据的区域外，剩余的区域均为光敏区14。
所述第一P型阱3与第二P型阱4之间、第三P型阱5与第四P型阱6之间的距离为10～50μm。
所述第二P型阱4与第三P型阱5之间的距离为50～200μm。
所述光敏区14长为1微米至20微米，宽度为1微米至20微米。
所述第一P型阱3、第二P型阱4、第三P型阱5和第四P型阱6的阱深为5～50μm。
所述第一n+阱2与所述第二P型阱3之间的距离以及第四P型阱6与所述第四n+阱7之间的距离为5～50μm。
所述第二n+阱8和第三n+阱9的阱深和宽度对应不超过第一P型阱3和第四P型阱6的阱深和宽度。
两个P型电阻10的阻值为10K至100K欧姆。
本发明提供的固态继电器的工作原理为：
如图3所示的新型光触发等效电路，第二n+区8、第一p阱区3、N型衬底1等效为npn1晶体管，第二p阱区4、N型衬底1、第三p阱区5等效为pnp1晶体管；第三n+区9、第四p阱区6和N型衬底1组成npn2晶体管，第三p阱区5、N型衬底1、第二p阱区4等效为pnp2晶体管，这里pnp1和pnp2的等效结构相同，因为两个晶体管不同时工作，交流情况下，电压正半周的时候npn1和pnp1工作，而电压负半周的时候npn2和pnp2工作，所以这里可以用同一个部分来等效pnp1和pnp2；两个P型电阻分别等效于电阻R1和R2。
npn1，pnp1和R1组成正向触发导通回路，npn2，pnp2和R2组成反向触发导通回路。
其中npn1的基极和npn2的基极为光敏感区域，由LED光照后，npn1和npn2的基极会出现感应电流，经过晶体管npn1放大后，集电极电流会被放大，该电流会作为pnp1的基极电流，然后经过pnp1晶体管的放大后，从pnp1晶体管的集电极输出，如此反复，使得npn1和pnp1迅速进入饱和区，从而使得电路开启。
实施例2
本实施例提供了实施例1所述的光触发固态继电器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)选择N型衬底；
(2)在N型衬底上扩散出P型阱，包括第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱和第四P型阱区；
具体的，第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱、第四P型阱的阱深为5～50μm；
第一P型阱与第二P型阱之间以及第三P型阱与第四P型阱之间的距离为10～50μm，而第二P型阱于第三P型阱之间的距离为50～200μm；本实施例设置第二P型阱于第三P型阱之间的距离为70μm。
(3)在第(2)步基础上扩散得到n+阱，包括第一n+阱，第二n+阱，第三n+阱和第四n+阱；其中，第二n+阱和第三n+阱分别位于第一P型阱和第四P型阱上；
其中，第一n+阱与第一P型阱之间的距离以及第四P型阱区和第四n+阱之间的距离为5～50μm。
第二n+阱和第三n+阱的阱深和宽度对应不超过第一P型阱和第四P型阱的阱深和宽度。
(4)在所述第一P型阱和第二P型阱之间以及第三P型阱和第四P型阱区之间扩散P型电阻；
P型电阻的阻值为1～20KΩ。
(5)在N型衬底表面淀积绝缘层；
(6)在绝缘层对应第一n+阱、第二n+阱、第二P型阱、第三P型阱、第三n+阱和第四n+阱的位置处设置贯穿绝缘层的引线孔；
(7)在绝缘层表面淀积金属导电层；
(8)通过刻蚀的工艺，在金属导电层上将光敏区上覆盖的金属刻蚀掉；所述光敏区位置为：第一P阱区和第四P阱区对应区内，除了其中第二n+阱和第三n+阱扩散所占据的区域外，剩余的区域均刻蚀为光敏区。
所述光敏区长为1微米至20微米，宽度为1微米至20微米。
上述制备过程中，采用离子注入的方法或高温扩散的方法进行扩散。
为公开充分的要求，本申请附图5给出了光触发固态继电器的芯片版图、A-A′剖面图和B-B′剖面图。
实际应用中，可将本发明提供的光触发固态继电器应用于各种集成电路中，作为控制电路以及各种家用电器的一部分。本发明提供的光触发固态继电器通过集成电路的方式发挥了固态继电器的作用，与传统的固态继电器相比，不再需要独立的可控硅，而是将独立的可控硅集成进光触发电路中，这样节省了独立的可控硅，将整个固态继电器的生产成本降低了30％以上；并且开关时间可达10微秒之内，相对于现有外接可控硅的继电器的100微妙以上开关时间，本申请大大提高了继电器的性能。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种光触发固态继电器，其特征在于，所述光触发固态继电器包括：
N型衬底；
在所述N型衬底上从一端到另一端扩散有第一n+阱、第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱、第四P型阱和第四n+阱；
其中，所述第一n+阱、第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱、第四P型阱和第四n+阱彼此间隔；
所述第一P型阱和第二P型阱之间扩散有第一P型电阻，并通过所述第一P型电阻连接；
所述第三P型阱和第四P型阱之间扩散有第二P型电阻，并通过所述第二P型电阻连接；
所述第一P型阱和第四P型阱上分别扩散有第二n+阱和第三n+阱；
所述N型衬底上方淀积有绝缘层，绝缘层对应第一n+阱、第二n+阱、第二P型阱、第三P型阱、第三n+阱和第四n+阱的位置处开有引线孔；
绝缘层表面淀积有金属导电层；
金属导电层上刻蚀有光敏区，所述光敏区位置为：第一P型阱和第四P型阱对应区内，除了其中第二n+阱和第三n+阱扩散所占据的区域外，剩余的区域均为光敏区；
所述光触发固态继电器的阴极和阳极都从芯片上表面引出；衬底不作为电极引出。
2.根据权利要求1所述的一种光触发固态继电器，其特征在于，所述第一P型阱与第二P型阱之间、第三P型阱与第四P型阱之间的距离为10～50μm。
3.根据权利要求1所述的一种光触发固态继电器，其特征在于，所述第二P型阱与第三P型阱之间的距离为50～200μm。
4.根据权利要求3所述的一种光触发固态继电器，其特征在于，所述第二P型阱与第三P型阱之间的距离为70μm。
5.根据权利要求1所述的一种光触发固态继电器，其特征在于，所述光敏区长为1～20μm，宽度为1～20μm。
6.根据权利要求1所述的一种光触发固态继电器，其特征在于，所述第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱和第四P型阱的阱深为5～50μm。
7.权利要求1～6任一所述的一种光触发固态继电器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)选择N型衬底；
(2)在N型衬底上扩散出P型阱，包括第一P型阱、第二P型阱、第三P型阱和第四P型阱；
(3)在第(2)步基础上扩散得到n+阱，包括第一n+阱，第二n+阱，第三n+阱和第四n+阱；其中，第二n+阱和第三n+阱分别位于第一P型阱和第四P型阱上；
(4)p型高阻区扩散：在所述第一P型阱和第二P型阱之间扩散阻值为10K至100K欧姆的第一P型电阻，使所述第一P型阱和第二P型阱通过所述第一P型电阻连接；在所述第三P型阱和第四P型阱之间扩散阻值为10K至100K欧姆的第二P型电阻，使所述第三P型阱和第四P型阱通过所述第二P型电阻连接；
(5)在N型衬底表面淀积绝缘层；
(6)在绝缘层对应第一n+阱、第二n+阱、第二P型阱、第三P型阱、第三n+阱和第四n+阱的位置处开设引线孔；
(7)在绝缘层表面淀积金属导电层；
(8)通过刻蚀的工艺，在金属导电层上将光敏区上覆盖的金属刻蚀掉；所述光敏区位置为：第一P型阱和第四P型阱对应区内，除了其中第二n+阱和第三n+阱扩散所占据的区域外，剩余的区域均刻蚀为光敏区。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光敏区长为1～20μm，宽度为1～20μm。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一P型阱与第二P型阱之间、第三P型阱与第四P型阱之间的距离为10～50μm；所述第二P型阱与第三P型阱之间的距离为50～200μm。
10.权利要求1～6任一所述的一种光触发固态继电器在控制电路、家用电器中的应用。
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