CN201134434Y - 一种恒流源器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可直接应用于交流电源及直流电源的具有过流过压保护功能的恒流源器件。本实用新型包括硅衬底(1)，形成于硅衬底(1)正面的氧化层(6)，位于氧化层(6)正面的漏极金属(2)、源极金属(3)、栅极金属(4)，植入到硅衬底(1)中的P+保护环(50)、N+漏区(52)、N+源区(53)，位于N+源区(53)内的P+衬底区(51)，连接N+漏区(52)与N+源区(53)之间的N－通道区(54)，漏极金属(2)、源极金属(3)分别与N+漏区(52)、N+源区(53)、P+衬底区(51)相连接，源极金属(3)、栅极金属(4)通过连接金属(7)相电连接。本实用新型可广泛应用于电子器件领域。

Description

一种恒流源器件

技术领域

本实用新型涉及一种恒流源器件。

背景技术

“MOSFET”是英文“metal-oxide-semiconductor field effect transistor”的缩写，意即“金属氧化物半导体场效应晶体管”，其原理是所有现代集成电路芯片的基础。一个耗尽型MOSFET器件由三个基本部分构成：源极(S)、栅极(G)和漏极(D)。一个N-通道耗尽型MOS场效应管在源极及漏极之间接近栅极表面，有一个与源漏同极性的浅层掺杂层将源极与漏极相连接。当栅极与源极电压为正时，其饱和导通电流也随电压增高而增大，此点与增强型MOS场效应管相同。但是当栅极与源极同电位时，当漏极施以正压时，耗尽管先是经过电流急速上升的线性区，然后就进入恒流导通的饱和区，此时的漏极电压被称作饱和电压，漏极导通电流之大小与浅层掺杂层的浓度与深度有关，一般浓度与深度越大则电流越大。当栅极与源极之间施以负电压，则通道可以被截止，导通电流为零，此时的栅极电压被定义为开启电压，但是如果通道浓度太浓、深度太深，则栅极将无法截断通道电流。耗尽型MOS管由于在栅极与源极电压为零时，漏源极电流已呈恒流导通，这点导致其不如增强型MOS管在逻辑应用上方便，所以迄未被工业界单独做成器件来使用。由于耗尽型MOS管在栅极电压为零时已导通的特性及其在漏极电压增加时电流基本在饱和区直到漏极雪崩击穿，故先天注定可作为一个恒流源。如将耗尽管的工作电压范围即漏极雪崩电压能予以提高至50伏以上，则耗尽型MOS管可被广泛应用，作为直接与经整流滤波后交流电源相连接的直流负载的有过压保护的恒流源；如果耗尽管漏极雪崩电压在15伏以内，则耗尽管仍可作为直流电源的低压恒流源如作为LED矿灯的恒流源之用。

在实际应用中，很多负载虽然功耗不大，但却要求所提供的电源必须电流、电压在一定范围内保持相对稳定，同时要求对负载内的部分元件有一定的保护作用，解决这类负载的供电通常是采用恒流或稳压电源，而且在电源电路中还需要加入对负载中某些元件在异常情况下的过电流保护电路，这就使得这类电源元件多、电路复杂、浪费的功率比例大。

目前，LED的应用越来越广泛，用于日常室内和户外照明的LED灯具也正越来越普及。但是目前的LED驱动电路都需要设置稳流电路，这种电路外围元件多，虽然LED的照度稳定性较好，发光亮度变化小，但是其周边外围电路成本过高，另外，其消耗在外围电路上的功率相对于LED本身消耗的功率比例较大，常常是损耗功率占全部功率的20％～30％，使LED的节能省耗的优点并未能完全发挥出来。如果设置一种与LED串联的恒流源器件，则可解决上述问题，但是，目前还没有一种这样的独立的恒流源器件。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可直接应用于交流电源及直流电源的具有过流过压保护功能的恒流源器件，所述恒流源器件应用于LED发光电路中可节省整个电路的功耗。

本实用新型所采用的技术方案是：本实用新型恒流源器件包括P型硅衬底，形成于所述硅衬底正面的氧化层，位于所述氧化层正面的漏极金属、源极金属、栅极金属，植入到所述硅衬底中的P+保护环、N+漏区、N+源区，位于所述N+源区内的P+衬底区，连接所述N+漏区与所述N+源区之间的N-通道区，所述氧化层上有若干个漏极通孔、源极N+通孔、源极P+衬底通孔，所述漏极金属填充若干个所述漏极通孔并与所述N+漏区相连接，所述源极金属分别填充若干个源极N+通孔、源极P+衬底通孔并分别与所述N+源区、所述P+衬底区相连接，所述源极金属、所述栅极金属通过连接金属相电连接。

所述恒流源器件还包括植入到所述硅衬底中的N+保护环，所述N+保护环位于所述P+保护环的内侧，所述N+保护环将所述N+漏区包围或将所述N+漏区与所述N+源区包围。

所述漏极金属、所述源极金属、所述栅极金属为铝或铜或硅铝合金。

本实用新型的有益效果是：由于本实用新型恒流源器件包括P型硅衬底，形成于所述硅衬底正面的氧化层，位于所述氧化层正面的漏极金属、源极金属、栅极金属，植入到所述硅衬底中的P+保护环、N+漏区、N+源区，位于所述N+源区内的P+衬底区，连接所述N+漏区与所述N+源区之间的N-通道区，所述氧化层上有若干个漏极通孔、源极N+通孔、源极P+衬底通孔，所述漏极金属填充若干个所述漏极通孔并与所述N+漏区相连接，所述源极金属分别填充若干个源极N+通孔、源极P+衬底通孔并分别与所述N+源区、所述P+衬底区相连接，所述源极金属、所述栅极金属通过连接金属相电连接，即本实用新型构成一个耗尽型场效应晶体管，在栅极不加电压的情况下也保持导通状态，作为一个独立的恒流源器件，方便替换现有的外围稳压及稳流电路，使得电路元件少、电路简单，故本实用新型的恒流源器件可直接应用于交流电源及直流电源并且具有过流过压保护功能，将其应用于LED发光电路中可节省整个电路的功耗；

由于本实用新型所述恒流源器件还包括植入到所述硅衬底中的N+保护环，所述N+保护环位于所述P+保护环的内侧，所述N+保护环将所述N+漏区包围或将所述N+漏区与所述N+源区包围，所述N+保护环能够进一步提高所述恒流源器件的耐压值，故本实用新型的恒流源器件过压保护性更好。

附图说明

图1是本实用新型恒流源器件的正面结构示意图；

图2是图3所示本实用新型实施例一的恒流源器件的A-A断面结构示意图；

图3是图2所示本实用新型实施例一的恒流源器件的B-B断面结构示意图；

图4～图12是本实用新型实施例一的恒流源器件的制造方法的各个步骤状态的断面结构示意图；

图13是本实用新型恒流源器件的一个应用电路的示意图；

图14是本实用新型恒流源器件的另一个应用电路的示意图；

图15是图16所示本实用新型实施例二的恒流源器件的C-C断面结构示意图；

图16是图15所示本实用新型实施例二的恒流源器件的D-D断面结构示意图；

图17是图18所示本实用新型实施例三的恒流源器件的E-E断面结构示意图；

图18是图17所示本实用新型实施例三的恒流源器件的F-F断面结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1～图3所示，本实施例的恒流源器件包括P型硅衬底1，形成于所述硅衬底1正面的氧化层6，位于所述氧化层6正面的漏极金属2、源极金属3、栅极金属4，植入到所述硅衬底1中的P+保护环50、N+漏区52、N+源区53，位于所述N+源区53内的P+衬底区51，连接所述N+漏区52与所述N+源区53之间的N-通道区54，所述氧化层6上有若干个漏极通孔82、源极N+通孔83、源极P+衬底通孔81，所述漏极金属2填充若干个所述漏极通孔82并与所述N+漏区52相连接，所述源极金属3分别填充若干个源极N+通孔83、源极P+衬底通孔81并分别与所述N+源区53、所述P+衬底区51相连接，所述源极金属3、所述栅极金属4通过连接金属7相电连接。所述漏极金属2、所述源极金属3、所述栅极金属4为铝，当然也可以采用铜或硅铝合金。

本实用新型构成一个耗尽型场效应晶体管，在栅极不加电压的情况下也保持导通状态，作为一个独立的恒流源器件，方便替换现有的外围稳压及稳流电路。

当然，所述硅衬底1也可以为N型，此时除了保护环50极性保持不变仍为P+保护环外，其余带有极性的特征均相反，如衬底区51改为N+衬底区51，漏区52改为P+漏区，源区53改为P+源区，通道区54改为P-通道区54。此种情况，理应是本发明权利要求的等同特征。

如图3～图12所示，本实施例的恒流源器件的制造方法包括以下步骤：

(a)将所述P型硅衬底1的上表面在氧化炉管内热氧化生长出厚度为3000埃的氧化层保护膜，所述氧化层保护膜的厚度范围可控制在1000～5000埃，然后在光刻机上利用第一光刻版进行光刻，用含HF的腐蚀液对氧化层保护膜蚀刻，此步骤如图4、图5所示；

(b)将硼离子P型掺杂在50～200keV的能量下，以1×10¹⁴/cm²～5×10¹⁵/cm²的剂量注入所述硅衬底1内，再在1000～1150℃的温度下予以高温驱入30分钟至10小时，形成厚度为1000～5000埃氧化层，形成所述P+保护环50、所述P+衬底区51，当然P型离子注入也可以采用二氟化硼注入，此步骤如图6、图7所示；

(c)在光刻机上利用第二光刻版进行光刻，再用干法蚀刻工艺对氧化层进行蚀刻，然后用离子注入机在50～100keV的能量下将1×10¹⁵～1×10¹⁶/cm²剂量的砷离子注入所述硅衬底1，或者除上述砷离子外再在50～100keV的能量下，将1×10¹³～1×10¹⁵/cm²剂量的磷离子也注入所述硅衬底1，上述同时注入砷离子及磷离子，是利用磷离子的扩散速度较砷离子快，而剂量又较砷离子低，故可提高漏源极之间的耐压，再在900～1150℃的温度下予以高温驱入30分钟～3小时，形成N+重掺杂区，即形成所述N+漏区52、所述N+源区53，此步骤如图8、图9所示；

(d)在光刻机上利用第三光刻版进行光刻，用含HF的腐蚀液对栅极阻挡区的氧化层进行蚀刻，再以800～1000℃湿氧生成源漏区氧化层及栅极氧化层，由于所述源区及所述漏区为N型重掺杂，所以源漏区的氧化层厚度比栅极氧化层的厚度来的厚，然后再在50～200keV的能量下注入1×10¹⁰～1×10¹³/cm²剂量的磷离子，或除上述磷离子外再在80～200keV能量下注入1×10¹⁰～1×10¹²剂量硼离子，上述硼离子的注入旨在增加通道内的衬底浓度，以避免源漏极之间除了应只有表面通道导通外的穿通现象，再在1000～1150℃的温度下予以高温驱入10分钟～60分钟，形成连接所述源区及所述漏区之间的所述N-通道区54及所述氧化层6；

(e)最终形成所述P+保护环50、所述P+衬底区51、所述N-通道区54及所述氧化层6，此步骤如图10、图11所示；

(f)在光刻机上利用第四光刻版进行光刻，再用蚀刻工艺对所述氧化层6进行蚀刻，形成所述漏极通孔82、所述源极N+通孔83、所述源极P+衬底通孔81，此步骤如图12所示；

(g)以溅射或蒸镀的方法沉积厚度为10000埃的金属层，所述金属层的厚度范围可控制在5000～30000埃，然后在光刻机上利用金属层光刻掩模版进行光刻，再用干法蚀刻工艺对金属层进行蚀刻，当然也可以采用湿法蚀刻工艺进行蚀刻，形成所述漏极金属2、所述源极金属3、所述栅极金属4及所述连接金属7，此步骤最后形成的断面图如图3所示。

如图13所示，为本实用新型的恒流源器件的一个应用电路。该电路包括整流电路10、滤波电容20和负载30，同时还包括一个耗尽型场效应晶体管40即本实用新型的恒流源器件，所述整流电路10的交流输入端与交流电源连接，所述整流电路10的直流输出端并联所述滤波电容20，所述耗尽型场效应晶体管40的漏极与所述整流电路10的直流输出端的一端相连接，所述耗尽型场效应晶体管40的源极与栅极并联并与所述负载30的一端相连接，所述负载30的另一端与所述整流电路10的直流输出端的另一端相连接。所述负载30是LED发光二极管组件或由若干LED发光二极管串联或串并联组成的灯具，在实际应用中，可将系列LED相串联，使其串联后的总体耐压接近但是低于经过整流滤波后的直流电压，再将串联后的LED组件的正极端连接本实用新型所述恒流源器件的源极/栅极端，而将本实用新型所述恒流源器件的漏极连接整流及滤波后的正电压端即可。本实用新型所述恒流源器件在栅极、源极同电位时的饱和电流可视LED组件的电流需要而做调整，故可对LED组件提供恒流供应，同时当交流电压不稳定时，特别是高于常压的情形下，高出电压部分将会加到本实用新型所述恒流源器件的漏极及源极之间而不会影响LED组件，所以可以对LED组件达到稳压保护的功能。如果交流电压低于常压，则会将过低的电压先降低耗尽管的漏极及源极之间的电压，多余部分再平均分摊到每个串联的LED上，其结果除了造成通过LED的电流减小外，并不会对LED造成损伤，更不会造成无谓的能耗，故能使LED组件真正达到节能省耗的目的。对于每个白光LED工作在3.2伏/30毫安时，如果将96个LED串联在一起，其总体电压约为307.2伏，而220伏交流电压经整流滤波后其输出端约为311伏，故如果将一个输出电流为30毫安的所述恒流源器件的漏极接于整流滤波输出端而源极及栅极接于LED组件的正极端，则所述恒流源器件的漏极/源极之间将负荷约3.88伏电压，而整个电路的功耗约为9.33瓦(96×3.2×0.03+3.88×0.03)，而所述恒流源器件的损耗仅为0.116瓦(3.88×0.03)，损耗仅占全部功耗的1.2％。由于交流电压波动一般在±30伏之间，经过整流滤波后波动在±45伏之间，如果所述恒流源器件的耐压能达到50伏以上，则所述恒流源器件将对LED组件起到在交流电源电压不稳定时过压保护的功能，将其应用于LED发光电路中更可节省整个电路的功耗。当然，所述负载30也可以是工作电压高的其他电子电路或是高工作电压的直流电动机或是高阻性电热负载等，在应用于这些电路时，本实用新型的恒流源器件同样具有上述优点。

如图14所示，为本实用新型所述恒流源器件的另一个应用电路，该电路包括一个可波动直流电源50，LED组件构成的负载30，同时还包括一个耗尽型场效应晶体管40即本实用新型的恒流源器件，所述可波动直流电源50的正极输出端与本实用新型的恒流源器件的漏极相连接，本实用新型的恒流源器件的源极及栅极与所述负载30的正极相连接，所述负载30的负极与所述直流电源50的负极相连接。由于一般N-型耗尽管的饱和电压约在1～3伏之间，而本实用新型的恒流源器件在所述直流电源50的输出电压在(1.0+V₀)及(0.8×V_雪崩电压+V₀)之间波动时可起到保护LED负载的功能。

实施例二：

如图1、图15、图16所示，本实施例的恒流源器件与实施例一的区别在于：本实施例的恒流源器件还包括植入到所述硅衬底1中的N+保护环55，所述N+保护环55位于所述P+保护环50的内侧，所述N+保护环55将所述N+漏区52与所述N+源区53包围。所述N+保护环55能够进一步提高所述恒流源器件的耐压值，使得所述恒流源器件的过压保护性更好。

本实施例的恒流源器件的制造方法与实施例一的区别在于：所述步骤(c)中在高温驱入后同时形成所述N+保护环55。

本实施例其余特征同实施例一。

实施例三：

如图1、图17、图18所示，本实施例与实施例二的区别在于：本实施例的恒流源器件的所述N+保护环55的环绕位置不同，本实施例所述N+保护环55仅将所述N+漏区52包围，其作用同实施例二。

本实施例其余特征同实施例二。

本实用新型恒流源器件的所述P+保护环50及所述N+保护环55的数量可以有若干个，不限于以上实施例中的数量。

本实用新型可广泛应用于电子器件领域。

Claims (3)

1、一种恒流源器件，包括P型硅衬底(1)，形成于所述硅衬底(1)正面的氧化层(6)，位于所述氧化层(6)正面的漏极金属(2)、源极金属(3)、栅极金属(4)，其特征在于：所述恒流源器件还包括植入到所述硅衬底(1)中的P+保护环(50)、N+漏区(52)、N+源区(53)，位于所述N+源区(53)内的P+衬底区(51)，连接所述N+漏区(52)与所述N+源区(53)之间的N-通道区(54)，所述氧化层(6)上有若干个漏极通孔(82)、源极N+通孔(83)、源极P+衬底通孔(81)，所述漏极金属(2)填充若干个所述漏极通孔(82)并与所述N+漏区(52)相连接，所述源极金属(3)分别填充若干个源极N+通孔(83)、源极P+衬底通孔(81)并分别与所述N+源区(53)、所述P+衬底区(51)相连接，所述源极金属(3)、所述栅极金属(4)通过连接金属(7)相电连接。

2、根据权利要求1所述的恒流源器件，其特征在于：所述恒流源器件还包括植入到所述硅衬底(1)中的N+保护环(55)，所述N+保护环(55)位于所述P+保护环(50)的内侧，所述N+保护环(55)将所述N+漏区(52)包围或将所述N+漏区(52)与所述N+源区(53)包围。

3、根据权利要求1所述的恒流源器件，其特征在于：所述漏极金属(2)、所述源极金属(3)、所述栅极金属(4)为铝或铜或硅铝合金。

Images