一種恒電流二極管單元及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種恒電流二極管單元及其制作方法，本發(fā)明在N+e襯底硅片上生長出N-硅外延層，在N-硅外延層上擴(kuò)散出兩個高摻雜的P+擴(kuò)散層和兩個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層，在兩個P+擴(kuò)散層之間的N-硅外延層上擴(kuò)散出一個厚度小于N-硅外延層厚度的用于連接正電極的N+擴(kuò)散層，然后在用于連接正電極的N+擴(kuò)散層上連接一個金屬電極作為正電極，在每個P+擴(kuò)散層與一個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層之間都連接一個金屬電極作為負(fù)電極，同時在N+e襯底硅片的底面也連接覆蓋一層金屬電極作為負(fù)電極，在N-硅外延層、P+擴(kuò)散層和N+擴(kuò)散層的外表面上覆蓋有二氧化硅絕緣層。本發(fā)明具有低恒定電流啟動電壓和寬范圍電壓的恒流及高速的電物理特性等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種恒電流二極管單元及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種恒電流二極管單元及其制作方法，屬于恒電流二極管(CRD)制作【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]恒電流源是電子設(shè)備和裝置中常用的一種技術(shù)，一般采用電子線路或電子元器件實(shí)現(xiàn)。恒流二極管(CRD)是實(shí)現(xiàn)恒流源的一種基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件。具有低恒定電流啟動電壓，高速的電物理特性。主要用于電子電路中的基準(zhǔn)電流設(shè)定。直接驅(qū)動恒定電流負(fù)載，實(shí)現(xiàn)恒電流電源。目前，現(xiàn)有技術(shù)中的恒電流二極管普遍存在著恒定電流的啟動電壓較高、在恒定電流時所對應(yīng)的電壓變化范圍較窄等缺點(diǎn)，因此還是不能滿足使用的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，提供一種恒定電流啟動電壓較低、在恒定電流時所對應(yīng)的電壓變化范圍較寬、并且結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、工作性能穩(wěn)定可靠的恒電流二極管單元及其制作方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明的一種恒電流二極管單元的制作方法是:采用低阻高摻雜的N型半導(dǎo)體硅片作為N+e襯底硅片，然后在N+e襯底硅片上通過半導(dǎo)體生長工藝制作出高阻低摻雜的N-硅外延層，在N-硅外延層上通過半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝分別制作出兩個高摻雜的P+擴(kuò)散層和兩個用于連接負(fù)電極的高摻雜的N+擴(kuò)散層，使該用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層與N+e襯底硅片連通，并使每個P+擴(kuò)散層和每個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層相互之間被N-硅外延層相互隔離，同時在兩個P+擴(kuò)散層之間的N-硅外延層上擴(kuò)散出一個厚度小于N-硅外延層厚度的用于連接正電極的N+擴(kuò)散層，然后在用于連接正電極的N+擴(kuò)散層上連接一個金屬電極作為正電極,在每個P+擴(kuò)散層與一個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層之間都連接一個金屬電極作為負(fù)電極，同時在N+e襯底硅片的底面也連接覆蓋一層金屬電極作為負(fù)電極，然后在N-娃外延層的外表面、P+擴(kuò)散層的外表面和N+擴(kuò)散層的外表面上覆蓋一層二氧化硅絕緣層即成。
[0005]根據(jù)上述方法構(gòu)建的本發(fā)明的一種恒電流二極管單元為，該恒電流二極管單元包括N+e襯底娃片,在N+e襯底娃片上設(shè)有一層N-娃外延層,在N-娃外延層上設(shè)有兩個P+擴(kuò)散層和兩個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層，該用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層的底部與N+e襯底娃片連接，在兩個P+擴(kuò)散層之間的N-娃外延層上設(shè)有用于連接正電極的N+擴(kuò)散層,在用于連接正電極的N+擴(kuò)散層上連接有采用金屬制作的電極作為正電極，在每個P+擴(kuò)散層與一個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層之間都連接有一個采用金屬制作的電極作為負(fù)電極，在N+e襯底硅片的底面也連接覆蓋有一層采用金屬制作的電極作為負(fù)電極，在N-硅外延層的外表面、P+擴(kuò)散層的外表面和N+擴(kuò)散層的外表面上覆蓋有一層二氧化娃絕緣層。
[0006]上述的P+擴(kuò)散層的厚度以及用于連接正電極的N+擴(kuò)散層的厚度都分別小于N-硅外延層的厚度。[0007]上述用于連接正電極的N+擴(kuò)散層的厚度為N-硅外延層的厚度的0.01倍?0.2倍。
[0008]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明采用單元溝道結(jié)構(gòu)，這種單元溝道作為本征基本恒流單元，使用時，可通過線性擴(kuò)展(即1、多單元并聯(lián)；2、線性放大)的方式，構(gòu)成各種恒流參數(shù)的器件。本發(fā)明的這種單元方式使得形成CRD系列產(chǎn)品的制造過程標(biāo)準(zhǔn)化，非常適合于大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明器件的特性是正向恒定電流導(dǎo)通，具有低恒定電流啟動電壓和在恒流時電壓變化范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，并具有高速的電物理特性。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)有以下幾個方面:
1、本發(fā)明的恒流二級管單元是垂直溝道結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電溝道短，能有效地提高恒流二級管的電反應(yīng)速度，降低恒定電流的啟動電壓和增加恒定電流時所對應(yīng)的電壓變化范圍，經(jīng)測試，本發(fā)明的恒定電流的啟動電壓比傳統(tǒng)的恒流二級管要低0.2?5伏，其恒定電流時所對應(yīng)的電壓變化范圍的寬度是傳統(tǒng)恒流二級管的2?5倍，并且本發(fā)明的恒流二級管單元的長時間工作性能更加穩(wěn)定和可靠；
2、本發(fā)明可根據(jù)使用的需要，在制作時按常規(guī)方式調(diào)整工藝參數(shù)，即可獲得不同恒定電流參數(shù)的系列單元；將這單元進(jìn)行并聯(lián)組合，可以擴(kuò)展恒定電流值。
[0009]3、本發(fā)明是一種二端子的半導(dǎo)體電子器件，其特性是正向恒定電流，具有恒電流啟動電壓低、高速的電物理特性，其特性曲線類似PN結(jié)特性的反函數(shù)(見附圖2所示的本發(fā)明的恒電流二極管單元特性曲線示意圖)；
4、本發(fā)明采用半導(dǎo)體PN結(jié)空間電荷區(qū)可控制的方法來實(shí)現(xiàn)溝道電阻的自動調(diào)節(jié)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的恒電流二極管單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的恒電流二極管單元特性曲線示意圖；
圖3為本發(fā)明的恒電流二極管單元的等效電路圖。
[0011]附圖標(biāo)記說明:l_N+e襯底娃片，2_N_娃外延層,3_P+擴(kuò)散層,4_連接負(fù)電極N+擴(kuò)散層，4.1-連接正電極的N+擴(kuò)散層，5-二氧化硅絕緣層，6-正電極，7-負(fù)電極，a-連接正電極的N+擴(kuò)散層的厚度，b- P+擴(kuò)散層的厚度，B-N-硅外延層的厚度；IH -恒定電流值，Vk-進(jìn)入恒定電流值時對應(yīng)的電壓值(對應(yīng)0.8Ih)，Vs -恒定電流的下限電壓，Ve -恒定電流的上限電壓，Vb -正向擊穿電壓，Vk -反向擊穿電壓，C-為耗盡區(qū)等效電容(即為PN結(jié)反向時的耗盡層的總勢壘電容)，D-等效恒電流二極管(CRD)，R-為N溝道電流區(qū)等效電阻(SPN-硅外延層電流溝道存在的寄生電阻，為半導(dǎo)體電阻)。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不作為對本發(fā)明的任何限制。
[0013]本發(fā)明的實(shí)施例:在實(shí)施本發(fā)明的一種恒電流二極管單元的制作方法時，可采用現(xiàn)有的半導(dǎo)體晶體管的擴(kuò)散工藝或生長工藝進(jìn)行制作，制作時，先采用低阻高摻雜的N型半導(dǎo)體娃片作為N+e襯底娃片,然后在N+e襯底娃片上通過現(xiàn)有半導(dǎo)體生長工藝制作出一個高阻低摻雜的N-硅外延層，N-硅外延層的厚度B為N+e襯底硅片厚度的1/3?2/3，然后在N-硅外延層上采用現(xiàn)有的半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝分別制作出兩個高摻雜的P+擴(kuò)散層和兩個用于連接負(fù)電極的高摻雜的N+擴(kuò)散層，其P+擴(kuò)散層和N+擴(kuò)散層的擴(kuò)散濃度可按現(xiàn)有的傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝參數(shù)確定，同時使該用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層擴(kuò)散到與N+e襯底硅片連通，并使每個P+擴(kuò)散層和每個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層相互之間被N-硅外延層相互隔離，同時在兩個P+擴(kuò)散層之間的N-硅外延層上擴(kuò)散出一個厚度小于N-硅外延層厚度的用于連接正電極的N+擴(kuò)散層，然后在用于連接正電極的N+擴(kuò)散層上連接一個金屬制作的電極作為正電極，在每個P+擴(kuò)散層與一個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層之間都連接一個金屬制作的電極作為負(fù)電極，同時在N+e襯底娃片的底面也連接覆蓋一層金屬制作的電極作為負(fù)電極，由于N+擴(kuò)散層和N+e襯底硅片是高摻雜、低阻電極，因此這兩個電極是連通的；然后在N-娃外延層的外表面、P+擴(kuò)散層的外表面和N+擴(kuò)散層的外表面上覆蓋一層二氧化娃絕緣層即成。
[0014]根據(jù)上述方法構(gòu)建的本發(fā)明的一種恒電流二極管單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示、其恒電流二極管單元的特性曲線示意圖如圖2所示、其恒電流二極管單元的等效電路圖如圖3所示，本發(fā)明的恒電流二極管單元包括采用現(xiàn)有的N+e襯底硅片I作為襯底，制作時，在N+e襯底娃片I上設(shè)有一層N-娃外延層2,在N-娃外延層2上設(shè)有兩個P+擴(kuò)散層3和兩個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層4，該用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層4的底部與N+e襯底硅片I連接，在兩個P+擴(kuò)散層3之間的N-硅外延層2上設(shè)有用于連接正電極的N+擴(kuò)散層4.1，其P+擴(kuò)散層3的厚度b以及用于連接正電極的N+擴(kuò)散層4.1的厚度a都分別小于N-硅外延層2的厚度B，制作時，最好將用于連接正電極的N+擴(kuò)散層4.1的厚度a制作為N-硅外延層2的厚度B的0.01倍~0.2倍；然后在用于連接正電極的N+擴(kuò)散層4.1上連接有米用金屬制作的電極作為正電極6,在每個P+擴(kuò)散層3與一個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層4之間都連接一個采用金屬制作的電極作為負(fù)電極7，在N+e襯底硅片I的底面也連接覆蓋一層米用金屬制作的電極作為負(fù)電極7,在N-娃外延層2的外表面、P+擴(kuò)散層3的外表面和N+擴(kuò)散層4的外表面上覆蓋有一層二氧化娃絕緣層5即成。
[0015]下面對本發(fā)明的`恒流二級管單元的工作原理進(jìn)行具體說明:
參看附圖1所示的本發(fā)明的恒電流二極管單元的結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)外加電壓連接在正電極6和負(fù)電極7之間時,在P+擴(kuò)散層3和N-娃外延層2之間形成的PN結(jié)反向，由于N-娃外延層2的電位分布，靠近正電極6的耗盡層(N-外延層2頂部)的寬度大于靠近負(fù)電極7(N-外延層2底部)的寬度；當(dāng)外加電壓較低的時候，P+擴(kuò)散層3之間的溝道(N-外延層2)是一半導(dǎo)體電阻，電流從溝道中流過(由電源正極通過正電極6流向N+e襯底硅片I以及負(fù)電極7到電源負(fù)極，如特性曲線中的O-Vk段)；隨著外加電壓的提高，耗盡層的寬度不斷增加，P+擴(kuò)散層3之間的溝道(N-外延層2)不斷縮小，直至頂部首先合攏(夾斷)，這時溝道電阻增大，電流飽和，開始進(jìn)入恒流(Vk-Vs段);外加電壓進(jìn)一步提高，溝道夾斷延伸，溝道電阻在一定范圍同電壓成比例增大，電流在一定電壓變化范圍內(nèi)恒定(如特性曲線中的Vs-Ve段)，其恒定電流值Ih如下式所示:
Ih=恒定=V丨/ R丨，(式中V為外加電壓值，R為N-硅外延層電流溝道存在的寄生電阻，為半導(dǎo)體電阻)；
從上式可知，通過將本發(fā)明多單元并聯(lián)的恒定電流線性疊加，即可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大的恒定電流值。
【權(quán)利要求】
1.一種恒電流二極管單元的制作方法，其特征在于:采用低阻高摻雜的N型半導(dǎo)體硅片作為N+e襯底硅片，然后在N+e襯底硅片上通過半導(dǎo)體生長工藝制作出高阻低摻雜的N-硅外延層，在N-硅外延層上通過半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝分別制作出兩個高摻雜的P+擴(kuò)散層和兩個用于連接負(fù)電極的高摻雜的N+擴(kuò)散層，使該用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層與N+e襯底硅片連通，并使每個P+擴(kuò)散層和每個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層相互之間被N-硅外延層相互隔離，同時在兩個P+擴(kuò)散層之間的N-娃外延層上擴(kuò)散出一個厚度小于N-娃外延層厚度的用于連接正電極的N+擴(kuò)散層，然后在用于連接正電極的N+擴(kuò)散層上連接一個金屬電極作為正電極，在每個P+擴(kuò)散層與一個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層之間都連接一個金屬電極作為負(fù)電極，同時在N+e襯底硅片的底面也連接覆蓋一層金屬電極作為負(fù)電極，然后在N-娃外延層的外表面、P+擴(kuò)散層的外表面和N+擴(kuò)散層的外表面上覆蓋一層二氧化娃絕緣層即成。
2.一種恒電流二極管單元，包括N+e襯底硅片(I )，其特征在于:在N+e襯底硅片(I)上設(shè)有一層N-硅外延層(2 )，在N-硅外延層(2 )上設(shè)有兩個P+擴(kuò)散層(3 )和兩個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層(4)，該用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層(4)的底部與N+e襯底硅片(I)連接，在兩個P+擴(kuò)散層(3)之間的N-硅外延層(2)上設(shè)有用于連接正電極的N+擴(kuò)散層(4.1),在用于連接正電極的N+擴(kuò)散層(4.1)上連接有采用金屬制作的電極作為正電極(6)，在每個P+擴(kuò)散層(3)與一個用于連接負(fù)電極的N+擴(kuò)散層(4)之間都連接有一個采用金屬制作的電極作為負(fù)電極(7)，在N+e襯底硅片(I)的底面也連接覆蓋有一層采用金屬制作的電極作為負(fù)電極(7)，在N-娃外延層(2)的外表面、P+擴(kuò)散層(3)的外表面和N+擴(kuò)散層(4)的外表面上覆蓋有一層二氧化娃絕緣層(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的恒電流二極管單元，其特征在于:P+擴(kuò)散層(3)的厚度(b)以及用于連接正電極的N+擴(kuò)散層(4.1)的厚度(a)都分別小于N-硅外延層(2)的厚度(B)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的恒電流二極管單元，其特征在于:用于連接正電極的N+擴(kuò)散層(4.1)的厚度(a)為N-硅外延層(2)的厚度(B)的0.0l倍?0.2倍。
【文檔編號】H01L21/822GK103779274SQ201210409339
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月24日
【發(fā)明者】劉橋 申請人:貴州煜立電子科技有限公司