專利名稱:能隙差穩(wěn)壓電源的制作方法
本發(fā)明屬于電子學(xué)領(lǐng)域，屬于采用電子學(xué)方法獲得寬溫區(qū)低溫度系數(shù)穩(wěn)定直流電源的器件和電路發(fā)明。
目前低溫漂低內(nèi)阻穩(wěn)壓直流電源用兩種方法獲得第一種方法采用處于反向擊穿狀態(tài)的擊穿電壓值具有正溫度系數(shù)的p-n結(jié)與正向?qū)ǖ膒-n結(jié)串聯(lián)，令其結(jié)電壓溫度系數(shù)相消，取其結(jié)電壓之和為輸出電壓，在一定溫區(qū)和工作電流范圍內(nèi)獲得低溫漂穩(wěn)壓電源，如中國電子產(chǎn)品2DW7系列穩(wěn)壓管。第二種方法采用兩個不同電流密度的硅晶體管e-b結(jié)電壓之差經(jīng)過后續(xù)有源器件電路處理，構(gòu)成線性集成電路，輸出電壓值等于硅半導(dǎo)體材料絕對零度禁帶寬度值的直流電壓，如美國NS(National Semiconductor)公司電子產(chǎn)品LM113系列1.2伏特基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源。第一種方法不能獲得低于5.5伏特的穩(wěn)壓值，p-n結(jié)反向擊穿電壓隨溫度的變化規(guī)律與p-n結(jié)正向電壓隨溫度的變化規(guī)律不同，只能在某一狹窄溫度區(qū)段近似抵消，限制了器件的使用溫區(qū)，同時在這種工作方式下電源功耗大，相互串聯(lián)的兩個p-n結(jié)功耗約為60mw。第二種方法只能獲得電壓值為1.2伏特的穩(wěn)壓源，工作溫區(qū)受到硅器件集成電路允許使用溫度的限制。這兩種穩(wěn)壓源都不能在低于-100℃和高于120℃的環(huán)境中工作。本發(fā)明采用與這兩種方法不同的方案設(shè)計制造覺溫區(qū)低功耗低溫度系數(shù)具有多種輸出電壓值的直流穩(wěn)壓電源，為低溫、高溫電子電路及袖珍式測量儀表提供一種新型的供電電源和參考電壓基準(zhǔn)。獲得的穩(wěn)定電壓值是兩種半導(dǎo)體材料絕對零度禁帶寬度值或兩種肖特基二極管勢壘高度值的差，簡稱能隙差穩(wěn)壓電源。
圖1-能隙差穩(wěn)壓電源工作原理示意圖。圖中橫坐標(biāo)T表示溫度，縱坐標(biāo)V表示p-n結(jié)正向電壓。曲線1-絕對零度禁帶寬度值為Eg01的半導(dǎo)體材料p-n結(jié)正向電壓與溫度的關(guān)系，實線為實驗值，虛線為延伸作圖線，曲線2-絕對零度禁帶寬度值為Eg02的半導(dǎo)體材料p-n結(jié)通過工作電流調(diào)節(jié)之后正向電壓變化率與曲線1相同時正向電壓與溫度的關(guān)系，實線為實驗值，虛線為延伸作圖線，3-兩條作圖延伸線與縱坐標(biāo)軸交點縱坐標(biāo)之差△V＝(Eg02-Eg01)/q，4-能隙差穩(wěn)壓電源的工作溫區(qū)，5-能隙差穩(wěn)壓電源的輸出電壓值(Eg02-Eg01)/q。
圖2-能隙差穩(wěn)壓電源的基本構(gòu)成和工作方式示意圖。1-第1p-n結(jié)，2-第2p-n結(jié)，3-為第1p-n結(jié)供電的電流源，4-為第2p-n結(jié)供電的電流源，5-輸出端，6-使兩個p-n結(jié)等溫的均熱裝置。
圖3-一種進一步降低內(nèi)阻的能隙差穩(wěn)壓電源電路原理圖。1-限流電阻，2-第1p-n結(jié)，3-平衡電阻，4-運算放大器，5-限流電阻，6-第2p-n結(jié)，7-平衡電阻，8-運算放大器，9-輸出端，10-直流電源。
圖4-一種可以連續(xù)調(diào)節(jié)電壓值的能隙差穩(wěn)壓電源電路原理圖。1-第1p-n結(jié)，2-第2p-n結(jié)，3-運算放大器，4-可變電阻，5-直流電源，6-輸出端，7、8、9、10、11、12、13、14-固定電阻。
圖5-用1.5V干電池獲得電壓值為0.35伏特的低功耗低溫漂穩(wěn)壓電源的構(gòu)成電路原理圖。1-砷化鎵p-n結(jié)，2-硅p-n結(jié)，3-510Ω電阻，4-420Ω電阻，5-2KΩ電阻，6-1KΩ電位器，7-1.5伏特干電池，8-輸出端。
采用置于相同溫場中禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體p-n結(jié)(或勢壘高度不同的兩種肖特基二極管)正向?qū)妷褐钭鳛檩敵鲭娫?，分別調(diào)節(jié)其正向電流，使其具有相同的正向電壓溫度系數(shù)。在本征激發(fā)和材料體電阻可以然略不計的條件下，正向?qū)ǖ膒-n結(jié)結(jié)電壓具有如下函數(shù)形式
VF＝ (Ego)/(q) +F(T，IF)其中VF-p-n結(jié)正向電壓，單位為伏特Ego-半導(dǎo)體材料絕對零度禁帶寬度值，單位為電子伏特q-電子電荷量，q＝1.6×10-19庫侖F(T，IF)-溫度T的準(zhǔn)線性函數(shù)，函數(shù)值與正向電流IF有關(guān)。
不同半導(dǎo)體材料的p-n結(jié)Ego值不同，F(xiàn)(T，IF)函數(shù)的非線性部分相近，其線性部分的截距與斜率可以通過IF加以調(diào)節(jié)。用兩種不同的半導(dǎo)體材料分別構(gòu)成兩個p-n結(jié)，均處于正向?qū)顟B(tài)，以上參量分別為VF1、VF2，Eg01、Eg02，IF1、IF2，F(xiàn)1(T，IF1)，F(xiàn)2(T，IF2)，其正向電壓之差為△V△V＝(Eg01-Eg02)/q+F2(T，IF2)-F1(T，IF1)調(diào)節(jié)IF1和IF2，使F2(T，IF2)≈F1(T，IF1)則△V＝(Eg02-Eg01)/q即按以上方式得到的電壓源輸出電壓值為兩個材料常數(shù)之差，內(nèi)阻為兩個正向?qū)ǖ膒-n結(jié)正向動態(tài)電阻之差。按以上方法獲得的穩(wěn)壓源工作原理示意圖如圖1?；緲?gòu)成和工作方式示意圖如圖2。
對位壘高度值分別為φb1和φb2的兩種肖特基二極管而言，分別令其處于正向?qū)顟B(tài)，調(diào)節(jié)各自的正向電流，使其正向電壓函數(shù)表達式中隨溫度變化的部分近似相等，以這種情況下正向電壓之差作輸出電壓源，電壓值為(φb2-φb1)/q，內(nèi)阻為兩個正向?qū)ǖ男ぬ鼗O管正向動態(tài)電阻之差。
兩種絕對零度禁帶寬度值不相同的p-n結(jié)或兩個勢壘高度不相同的肖特基二極管正向電壓溫度系數(shù)相差在10%以內(nèi)，以其正向電壓之差仍可構(gòu)成穩(wěn)壓源。
在所有p-n結(jié)和肖特基二極管的正常工作溫度區(qū)段，用以上方法獲得穩(wěn)壓電源都是有效的。選擇不同的半導(dǎo)體器件，可以獲得適合于不同溫區(qū)具有不同電壓值的穩(wěn)壓電源。例如采用InSb p-n結(jié)和InAs p-n結(jié)構(gòu)成這種穩(wěn)壓源，其Ego值分別為0.235電子伏特和0.430電子伏特，△V＝0.095伏特，可以工作在常壓液氦溫度以下。采用Si p-n結(jié)和GaAs p-n結(jié)構(gòu)成這種穩(wěn)壓源，其Ego值分別為1.166電子伏特和1.520電子伏特，△V＝0.354伏特，可以工作在-160℃-+160℃的溫度區(qū)段。采用GaP p-n結(jié)和α-SiC p-n結(jié)構(gòu)成這種穩(wěn)壓源，其Ego值分別為2.4電子伏特和3.0電子伏特，△V＝0.6伏特，可以工作在50℃-550℃的溫度區(qū)段。以肖特基二極管為例，采用勢壘高度φb＝0.83電子伏特的Pt-Si肖特基二極管和φb＝0.50電子伏特的Ti-Si肖特基二極管，△V＝0.33伏特，可以工作在-200℃-150℃的溫度區(qū)段。
采用改變其中一個p-n結(jié)(或肖特基二極管)禁帶寬度(或勢壘高度)的辦法，使其正向電壓與另一個固定禁帶寬度(或勢壘高度)的p-n結(jié)(或肖特基二極管)正向電壓相減，得到電壓值不同的穩(wěn)壓源。連續(xù)改變Ga-As-P材料As及p配比，使其禁帶寬度值連續(xù)變化，獲得不同的Ego值，其p-n結(jié)正向電壓與GaAs p-n結(jié)正向電壓相減，得到電壓值可以在從0到0.88伏特之間連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓電源。采用Si p-n結(jié)和P、AS配比可以改變的Ga-As-P p-n結(jié)構(gòu)成穩(wěn)壓電源，輸出電壓值可以在0.35-1.23伏特之間調(diào)節(jié)。
兩種禁帶寬度不同的正向?qū)╬-n結(jié)(或勢壘高度不同的肖特基二極管)正向電壓分別經(jīng)過增益相同的線性電路放大之后相減，獲得輸出阻抗進一步減小及可以調(diào)整輸出電壓值的穩(wěn)壓電源。如圖3為兩個p-n結(jié)或肖特基二極管分別接入運算放大器的反饋回路，各自通過與反相端相聯(lián)的電阻調(diào)節(jié)正向電流，使其正向電壓隨溫度的變化率相同，此二運算放大器的兩個輸出端構(gòu)成穩(wěn)壓電源的高低電位輸出端，電路電壓放大信數(shù)為1。圖4中兩個禁帶寬度分別為Eg01和Eg02的正向?qū)╬-n結(jié)(或勢壘高度分別為φb1和φb2的正向?qū)ㄐぬ鼗O管)其正向電壓值之差通過增益可以連續(xù)調(diào)節(jié)的線性放大器處理之后得到電壓值連續(xù)可調(diào)極性可變的進一步降低內(nèi)阻的穩(wěn)壓源。
采用與Tb成正比的電流源或與其相差在10%以內(nèi)的電流源為以上所說的兩種p-n結(jié)或肖特基二極管提供工作電流(其中T為絕對溫度，b為無量綱指數(shù)，對p-n結(jié)而言0≤b＜6，對肖特基二極管而言，0≤b＜4)，取其正向電壓之差作輸出電壓源。
通過正向電流調(diào)節(jié)兩種禁帶寬度不相同的p-n結(jié)或兩種勢壘高度不相同的肖特基二極管正向電壓隨溫度的變化率，使其具有不相同的值，值其正向電壓之差為輸出電壓，獲得具有線性溫度漂移特性的電壓源，其正負溫度系數(shù)可以選擇，溫度系數(shù)可以連續(xù)變化。
以上所說置于相同溫場中的兩種p-n結(jié)或兩種肖特基二極管燒結(jié)、粘貼、鑲嵌在同一塊基片上，或用其他導(dǎo)熱介質(zhì)包復(fù)、聯(lián)結(jié)在一起，或置入金屬物體內(nèi)腔或浸泡在液體介質(zhì)中。
采用兩組串聯(lián)的p-n結(jié)或肖特基二極管構(gòu)成穩(wěn)壓電源，以其正向電壓之差為輸出電壓值。兩組分別由相同禁帶寬度的p-n結(jié)或勢壘高度相同的肖特基二極管構(gòu)成，構(gòu)成p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料絕對零度禁帶寬度值分別為Eg01和Eg02，肖特基二極管勢壘高度值分別為φb1和φb2，若每組包含M個p-n結(jié)或肖特基二極管(M是任何大于1的正整數(shù))，每組的正向電流仍按上述方法調(diào)節(jié)，使其正向電壓之和的溫度系數(shù)相同，則輸出電壓值對p-n結(jié)而言為M(Eg02-Eg01)/q，對肖特基二極管而言M(φb2-φb1)/q。
可以采用本發(fā)明所說的方法構(gòu)成集成穩(wěn)壓電源。
實現(xiàn)本發(fā)明的一個具體方案。采用硅p-n結(jié)和砷化鎵p-n結(jié)構(gòu)成低內(nèi)阻低功耗的穩(wěn)壓源，硅p-n結(jié)管芯和砷化鎵p-n結(jié)管燒結(jié)在同一金屬底座上，以保證具有相同的工作溫度，采用如圖5所示的電路，用1.5伏干電池供電，在輸出端獲得電壓值為0.354伏特。與中國電子產(chǎn)品2DW7系列典型產(chǎn)品2DW7C相比較，功耗降低到 1/20 ，供電電源電壓降低到 1/6 ，溫度漂移減小到 1/10 。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點1.可以在很寬的溫度區(qū)段提供低溫漂低內(nèi)阻的穩(wěn)定電壓，工作溫區(qū)從4.2K以下一直延伸到800K以上(其中K為絕對溫度)，為低溫電子學(xué)和高溫電子學(xué)提供了一種新型的穩(wěn)壓源。
2.可以不通過有源器件處理，直接利用小功率電源獲得從零到任意電壓值的低溫漂電壓源，為采用低電壓小功率電源進行模擬量及數(shù)字量信號處理開辟了一條新途徑，根據(jù)本發(fā)明可以采用單節(jié)化學(xué)電源(例如單節(jié)1.5伏特的干電池)獲得穩(wěn)定的參考電壓，做成小型化的測量控制裝置，用于航天、遙測和袖珍式儀表，減少功耗、體積和造價。
3.低噪聲，性能穩(wěn)定。不存在p-n結(jié)反向擊穿時伴生的噪聲和不可逆的器件損壞。不存在有源器件產(chǎn)生的噪聲和增益變化產(chǎn)生的器件特性波動。
4.成本低，器件制作及電路構(gòu)成簡單，使用方便。
權(quán)利要求
1.一種采用電子學(xué)方法獲得的能隙差穩(wěn)壓電源，由半導(dǎo)體器件構(gòu)成，其特征在于采用置于同一溫度場中的兩種p-n結(jié)或兩種肖特基二極管正向電壓之差作為電源的輸出，所說的兩種p-n結(jié)各自由絕對零度禁帶寬度值不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，所說的兩種肖特基二極管各自具有不同的勢壘高度。
2.如權(quán)利要求
1所述，分別調(diào)節(jié)所說的兩種p-n結(jié)或所說的兩種肖特基二極管的正向電流，使所說的兩種p-n結(jié)正向電壓溫度系數(shù)相差在10%以內(nèi)，或使所說的兩種肖特基二極管正向電壓溫度系數(shù)相差在10%以內(nèi)。
3.如權(quán)利要求
2所述，分別向所說的兩種p-n結(jié)或兩種肖特基二極管輸入與Tb成正比或與其相差在10%以內(nèi)的正向電流(其中T為絕對溫度，b為無量綱指數(shù)，對p-n結(jié)0≤b＜6，對肖特基二極管0≤b＜4)。
4.如權(quán)利要求
1所述，所說的穩(wěn)壓電源由一個正向?qū)ǖ膒-n結(jié)和另一個與其禁帶寬度值不同的正向?qū)ǖ膒-n結(jié)構(gòu)成，或分別由M(M是任何大于1的正整數(shù))個上述p-n結(jié)串聯(lián)構(gòu)成，或由一個正向?qū)ǖ男ぬ鼗O管和另一個與其勢壘高度不同的正向?qū)ǖ男ぬ鼗O管構(gòu)成，或分別由M個上述肖特基二極管串聯(lián)構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求
1或2所述，所說的兩種正向?qū)ǖ膒-n結(jié)或兩種肖特基二極管正向電壓分別經(jīng)過增益相同的線性電路處理之后構(gòu)成穩(wěn)壓電源。
6.如權(quán)利要求
1或2所述，分別調(diào)節(jié)所說的兩種p-n結(jié)或兩種肖特基二極管正向電流，使其具有不相同的正向電壓溫度系數(shù)，獲得電壓溫度系數(shù)可以連續(xù)變化、正負溫度系數(shù)可以選擇的線性溫度漂移特性電壓源。
7.如權(quán)利要求
1所述，分別采用GaAs p-n結(jié)和Ga-As-P p-n結(jié)構(gòu)成所說的穩(wěn)壓電源，連續(xù)改變Ga-As-P材料中P和As的配比使其禁帶寬度值連續(xù)變化，使所說的穩(wěn)壓電源的輸出電壓值連續(xù)改變。
8.如權(quán)利要求
1所述，分別采用Si p-n結(jié)和GaAs p-n結(jié)或Si p-n結(jié)和P、As配比可以改變的Ga-As-P p-n結(jié)構(gòu)成所說的穩(wěn)壓電源。
9.如權(quán)利要求
1所述，所說的穩(wěn)壓電源做成集成電路。
10.如權(quán)利要求
1所述，所說的置于相同溫場中的兩種p-n結(jié)或兩種肖特基二極管燒結(jié)、粘貼、鑲嵌在同一塊基片上，或用其他導(dǎo)熱介質(zhì)包復(fù)、聯(lián)結(jié)在一起，或置入金屬物體內(nèi)腔或浸泡在液體介質(zhì)中。
專利摘要
一種由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的低溫漂穩(wěn)壓電源，采用置于同一溫場中的兩種不同禁帶寬度的p-n結(jié)或兩種不同勢壘高度的肖特基二極管，調(diào)節(jié)正向電流使其具有相同的正向電壓溫度漂移特性，以二者正向電壓之差為穩(wěn)壓電源的輸出，輸出電壓值等于其絕對零度禁帶寬度值的差或勢壘高度的差。可以使用在4.2K——800K溫度區(qū)段，不存在p-n結(jié)反向擊穿伴生的噪聲，可采用低于1.5伏特的直流電源獲得低內(nèi)阻低溫漂參考電壓源，用于高溫低溫電子裝置及袖珍測量儀表。
文檔編號G05F1/614GK85100723SQ85100723
公開日1986年8月6日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者張開遜 申請人:張開遜導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan