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恒电流二极管单元及其制作专利与流程

来源:未知 编辑:晚一步 时间:2017-11-23
技术领域本发明涉及一种恒电流二极管单元及其制作方法,属于恒电流二极管(CRD)制作技术领域。

背景技术:
恒电流源是电子设备和装置中常用的一种技术,一般采用电子线路或电子元器件实现。恒流二极管(CRD)是实现恒流源的一种基础半导体器件。具有低恒定电流启动电压,高速的电物理特性。主要用于电子电路中的基准电流设定。直接驱动恒定电流负载,实现恒电流电源。目前,现有技术中的恒电流二极管普遍存在着恒定电流的启动电压较高、在恒定电流时所对应的电压变化范围较窄等缺点,因此还是不能满足使用的需要。

技术实现要素:
本发明的目的在于,提供一种恒定电流启动电压较低、在恒定电流时所对应的电压变化范围较宽、并且结构简单、制作方便、工作性能稳定可靠的恒电流二极管单元及其制作方法,以克服现有技术的不足。本发明的技术方案是这样实现的:本发明的一种恒电流二极管单元的制作方法是:采用低阻高掺杂的N型半导体硅片作为N+e衬底硅片,然后在N+e衬底硅片上通过半导体生长工艺制作出高阻低掺杂的N-硅外延层,在N-硅外延层上通过半导体扩散工艺分别制作出两个高掺杂的P+扩散层和两个用于连接负电极的高掺杂的N+扩散层,使该用于连接负电极的N+扩散层与N+e衬底硅片连通,并使每个P+扩散层和每个用于连接负电极的N+扩散层相互之间被N-硅外延层相互隔离,同时在两个P+扩散层之间的N-硅外延层上扩散出一个厚度小于N-硅外延层厚度的用于连接正电极的N+扩散层,然后在用于连接正电极的N+扩散层上连接一个金属电极作为正电极,在每个P+扩散层与一个用于连接负电极的N+扩散层之间都连接一个金属电极作为负电极,同时在N+e衬底硅片的底面也连接覆盖一层金属电极作为负电极,然后在N-硅外延层的外表面、P+扩散层的外表面和N+扩散层的外表面上覆盖一层二氧化硅绝缘层即成。根据上述方法构建的本发明的一种恒电流二极管单元为,该恒电流二极管单元包括N+e衬底硅片,在N+e衬底硅片上设有一层N-硅外延层,在N-硅外延层上设有两个P+扩散层和两个用于连接负电极的N+扩散层,该用于连接负电极的N+扩散层的底部与N+e衬底硅片连接,在两个P+扩散层之间的N-硅外延层上设有用于连接正电极的N+扩散层,在用于连接正电极的N+扩散层上连接有采用金属制作的电极作为正电极,在每个P+扩散层与一个用于连接负电极的N+扩散层之间都连接有一个采用金属制作的电极作为负电极,在N+e衬底硅片的底面也连接覆盖有一层采用金属制作的电极作为负电极,在N-硅外延层的外表面、P+扩散层的外表面和N+扩散层的外表面上覆盖有一层二氧化硅绝缘层。上述的P+扩散层的厚度以及用于连接正电极的N+扩散层的厚度都分别小于N-硅外延层的厚度。上述用于连接正电极的N+扩散层的厚度为N-硅外延层的厚度的0.01倍~0.2倍。由于采用了上述技术方案,本发明采用单元沟道结构,这种单元沟道作为本征基本恒流单元,使用时,可通过线性扩展(即1、多单元并联;2、线性放大)的方式,构成各种恒流参数的器件。本发明的这种单元方式使得形成CRD系列产品的制造过程标准化,非常适合于大规模生产。本发明器件的特性是正向恒定电流导通,具有低恒定电流启动电压和在恒流时电压变化范围宽的优点,并具有高速的电物理特性。本发明的技术特点有以下几个方面:1、本发明的恒流二级管单元是垂直沟道结构,导电沟道短,能有效地提高恒流二级管的电反应速度,降低恒定电流的启动电压和增加恒定电流时所对应的电压变化范围,经测试,本发明的恒定电流的启动电压比传统的恒流二级管要低0.2~5伏,其恒定电流时所对应的电压变化范围的宽度是传统恒流二级管的2~5倍,并且本发明的恒流二级管单元的长时间工作性能更加稳定和可靠;2、本发明可根据使用的需要,在制作时按常规方式调整工艺参数,即可获得不同恒定电流参数的系列单元;将这单元进行并联组合,可以扩展恒定电流值。、本发明是一种二端子的半导体电子器件,其特性是正向恒定电流,具有恒电流启动电压低、高速的电物理特性,其特性曲线类似PN结特性的反函数(见附图2所示的本发明的恒电流二极管单元特性曲线示意图);4、本发明采用半导体PN结空间电荷区可控制的方法来实现沟道电阻的自动调节。附图说明图1为本发明的恒电流二极管单元的结构示意图;图2为本发明的恒电流二极管单元特性曲线示意图;图3为本发明的恒电流二极管单元的等效电路图。附图标记说明:1-N+e衬底硅片,2-N-硅外延层,3-P+扩散层,4-连接负电极N+扩散层,4.1-连接正电极的N+扩散层,5-二氧化硅绝缘层,6-正电极,7-负电极,a-连接正电极的N+扩散层的厚度,b-P+扩散层的厚度,B-N-硅外延层的厚度;IH-恒定电流值,VK-进入恒定电流值时对应的电压值(对应0.8IH),VS-恒定电流的下限电压,VE-恒定电流的上限电压,VB-正向击穿电压,VR-反向击穿电压,C-为耗尽区等效电容(即为PN结反向时的耗尽层的总势垒电容),D-等效恒电流二极管(CRD),R-为N沟道电流区等效电阻(即N-硅外延层电流沟道存在的寄生电阻,为半导体电阻)。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明,但不作为对本发明的任何限制。本发明的实施例:在实施本发明的一种恒电流二极管单元的制作方法时,可采用现有的半导体晶体管的扩散工艺或生长工艺进行制作,制作时,先采用低阻高掺杂的N型半导体硅片作为N+e衬底硅片,然后在N+e衬底硅片上通过现有半导体生长工艺制作出一个高阻低掺杂的N-硅外延层,N-硅外延层的厚度B为N+e衬底硅片厚度的1\/3~2\/3,然后在N-硅外延层上采用现有的半导体扩散工艺分别制作出两个高掺杂的P+扩散层和两个用于连接负电极的高掺杂的N+扩散层,其P+扩散层和N+扩散层的扩散浓度可按现有的传统扩散工艺参数确定,同时使该用于连接负电极的N+扩散层扩散到与N+e衬底硅片连通,并使每个P+扩散层和每个用于连接负电极的N+扩散层相互之间被N-硅外延层相互隔离,同时在两个P+扩散层之间的N-硅外延层上扩散出一个厚度小于N-硅外延层厚度的用于连接正电极的N+扩散层,然后在用于连接正电极的N+扩散层上连接一个金属制作的电极作为正电极,在每个P+扩散层与一个用于连接负电极的N+扩散层之间都连接一个金属制作的电极作为负电极,同时在N+e衬底硅片的底面也连接覆盖一层金属制作的电极作为负电极,由于N+扩散层和N+e衬底硅片是高掺杂、低阻电极,因此这两个电极是连通的;然后在N-硅外延层的外表面、P+扩散层的外表面和N+扩散层的外表面上覆盖一层二氧化硅绝缘层即成。根据上述方法构建的本发明的一种恒电流二极管单元的结构示意图如图1所示、其恒电流二极管单元的特性曲线示意图如图2所示、其恒电流二极管单元的等效电路图如图3所示,本发明的恒电流二极管单元包括采用现有的N+e衬底硅片1作为衬底,制作时,在N+e衬底硅片1上设有一层N-硅外延层2,在N-硅外延层2上设有两个P+扩散层3和两个用于连接负电极的N+扩散层4,该用于连接负电极的N+扩散层4的底部与N+e衬底硅片1连接,在两个P+扩散层3之间的N-硅外延层2上设有用于连接正电极的N+扩散层4.1,其P+扩散层3的厚度b以及用于连接正电极的N+扩散层4.1的厚度a都分别小于N-硅外延层2的厚度B,制作时,最好将用于连接正电极的N+扩散层4.1的厚度a制作为N-硅外延层2的厚度B的0.01倍~0.2倍;然后在用于连接正电极的N+扩散层4.1上连接有采用金属制作的电极作为正电极6,在每个P+扩散层3与一个用于连接负电极的N+扩散层4之间都连接一个采用金属制作的电极作为负电极7,在N+e衬底硅片1的底面也连接覆盖一层采用金属制作的电极作为负电极7,在N-硅外延层2的外表面、P+扩散层3的外表面和N+扩散层4的外表面上覆盖有一层二氧化硅绝缘层5即成。下面对本发明的恒流二级管单元的工作原理进行具体说明:参看附图1所示的本发明的恒电流二极管单元的结构示意图,当外加电压连接在正电极6和负电极7之间时,在P+扩散层3和N-硅外延层2之间形成的PN结反向,由于N-硅外延层2的电位分布,靠近正电极6的耗尽层(N-外延层2顶部)的宽度大于靠近负电极7(N-外延层2底部)的宽度;当外加电压较低的时候,P+扩散层3之间的沟道(N-外延层2)是一半导体电阻,电流从沟道中流过(由电源正极通过正电极6流向N+e衬底硅片1以及负电极7到电源负极,如特性曲线中的0-VK段);随着外加电压的提高,耗尽层的宽度不断增加,P+扩散层3之间的沟道(N-外延层2)不断缩小,直至顶部首先合拢(夹断),这时沟道电阻增大,电流饱和,开始进入恒流(VK-VS段);外加电压进一步提高,沟道夹断延伸,沟道电阻在一定范围同电压成比例增大,电流在一定电压变化范围内恒定(如特性曲线中的VS-VE段),其恒定电流值IH如下式所示:IH=恒定=V↑\/R↑,(式中V为外加电压值,R为N-硅外延层电流沟道存在的寄生电阻,为半导体电阻);从上式可知,通过将本发明多单元并联的恒定电流线性叠加,即可以实现扩大的恒定电流值。
 
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