CN104362148A - 基于三极管充电的半导体启动器件及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三极管充电的半导体启动器件，低压电源模块的一端与电阻的一端连接，电阻的另一端与NPN三极管的基极和电子开关的第一端连接，反馈控制模块的正极输入端、NPN三极管的发射极和电容的第一端连接作为电源输出端，低压电源模块的另一端与NPN三极管的集电极连接作为电源输入端，电容的第二端、电子开关的第二端和反馈控制模块的负极输入端均接地。本发明还公开了一种半导体启动器件的制造工艺，用BCD工艺集成NPN三极管。本发明所述半导体启动器件采用集成的NPN三极管直接对电容充电，因其自身导通时电阻小、功耗小，所以电源效率高、损耗小、发热量低，在完成充电后能自动关断电路，能耗低。

Description

基于三极管充电的半导体启动器件及制造工艺

技术领域

本发明涉及一种集成电路启动器件，尤其涉及一种基于三极管充电的半导体启动器件及制造工艺。

背景技术

开关电源启动电路是集成电路中一种常用的启动器件，目前大部分开关电源启动电路的结构(或基本原理)如图1所示，包括电阻R1、电容C1、稳压二极管ZD1、辅助绕组N1、二极管D1和控制IC，其工作原理是：在电源启动瞬间，输入电压Vin通过电阻R1给电容C1充电，电阻R1上流过的电流大于控制IC的启动电流，电容C1的电压上升至控制IC的正常工作电压后，控制IC开始工作，当启动电路的输出电压Vout稳定后，辅助绕组N1产生的电压经二极管D1整流和电容C1滤波后给控制IC供电，控制IC的VCC和输出电压Vout稳定在一定的电压范围，开关电源正常工作。比如，专利号为“201110099831.5”、授权公开号为“CN102158067B”的发明专利，其基本的结构就与上述结构类似。

上述传统的开关电源启动电路的缺陷在于：在输入电压Vin范围较宽时，为了保证能够在最低输入电压时为控制IC提供足够大的启动电流，使开关电源能正常启动，那么电阻R1的阻值不能太大。由于电阻R1一直与输入端相连，所以电阻R1产生的功耗P＝(Vin-VCC)2/R1，显然，如果当开关电源工作在高压输入的情况下，电阻R1上的功耗将会非常大，将会影响电源转换效率、散热和可靠性，降低电源效率，而且，电阻R1必须选用大功率电阻，从而使开关电源的体积大、成本高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种损耗低、效率高的基于三极管充电的半导体启动器件及制造工艺。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于三极管充电的半导体启动器件，其电源输入端的输入电压为电容充电，所述电容的两端为电源输出端，N型高浓度衬底上设有N型轻掺杂外延层，N型轻掺杂外延层的其中一半区域内设有P型埋层，P型埋层上设有第一N阱，第一N阱的两侧分别设有第一P阱，第一N阱和其中一个第一P阱内分别设有第一N型重掺杂和第一P型重掺杂，N型轻掺杂外延层构成NPN三极管的集电区经内导线连出至N型高浓度衬底作为集电极，P型埋层构成NPN三极管的基区经内导线连出至第一P型重掺杂作为基极，第一N阱构成NPN三极管的发射区经内导线连出至第一N型重掺杂作为发射极；N型轻掺杂外延层的另一半区域内设有第二N型重掺杂，第二N型重掺杂的两侧分别设有第二P阱，两个第二P阱内分别设有第二P型重掺杂；第二N型重掺杂与电阻串联后分别与NPN三极管的基极和电子开关的第一端连接，NPN三极管的发射极分别与反馈控制模块的正极输入端和电容的第一端连接，反馈控制模块的输出端与电子开关的控制输入端连接，两个第二P型重掺杂、电容的第二端、反馈控制模块的负极输入端、电子开关的第二端均接地，N型高浓度衬底引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输入端的正极，电容的第一端引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输出端的正极。

上述结构中，N型高浓度衬底、N型轻掺杂外延层、P型埋层、第一N阱、第一P阱、第一N型重掺杂和第一P型重掺杂共同构成了NPN三极管，N型高浓度衬底、N型轻掺杂外延层、第二P阱、第二P型重掺杂和第二N型重掺杂共同构成了低压电源模块，输入电压通过NPN三极管为电容充电，NPN三极管通过电阻与低压电源模块串联限流后控制通、断，低压电源模块也可以有其它结构变形，在此不作具体描述；反馈控制模块将输出电压采集后进行判断，在高出设定电压后输出电流控制电子开关接通，从而使NPN三极管的基极电流为零，断开NPN三极管，停止充电。

优选地，所述反馈控制模块为比较器，所述比较器的正极信号输入端与所述NPN三极管的发射极连接，所述比较器的负极信号输入端与基准电压源的正极连接，所述基准电压源的负极接地，所述比较器的输出端与所述电子开关的控制输入端连接。反馈控制模块也可以直接采用控制芯片。

具体地，所述电子开关为三极管，所述三极管的基极为所述电子开关的控制输入端，所述三极管的集电极为所述电子开关的第一端，所述三极管的发射极为所述电子开关的第二端。电子开关也可以为其它具有三个连接端的电子元件。

一种基于三极管充电的半导体启动器件的制造工艺，采用BCD工艺，包括以下步骤：

(1)在N型高浓度衬底上设置N型轻掺杂外延层，N型高浓度衬底的电阻率为0.0001～0.1欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层的电阻率为10～200欧姆·厘米；

(2)在N型轻掺杂外延层上通过注入P型杂质，注入剂量为1e12atom/cm2～1e15atom/cm2；

(3)通过高温氧化推结，炉管温度为850℃～1200℃，持续时间为30～300分钟，激活P型杂质，形成P型埋层；

(4)通过化学气相淀积生长N型掺杂薄外延层，然后通过高能、双电荷磷注入来形成第一N阱和第二N阱，然后再通过高能B11(一种硼离子)注入来形成第一P阱和第二P阱，注入后通过LOCOS即“硅的局部氧化”生长厚氧化层；

(5)通过N型杂质注入形成第一N型重掺杂和第二N型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2，通过P型杂质注入形成第一P型重掺杂和第二P型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2。

本发明的有益效果在于：

本发明所述半导体启动器件采用集成的NPN三极管直接对电容C1充电，因其自身导通时电阻小、功耗小，所以在输入电压较小时也能产生较大的充电电流，使输出电压快速达到主电路最低要求的电压，由于通过对NPN三极管基极控制其通、断，所以只需要较小的驱动电流，可降低电阻功耗和发热量；当输出电压到达预定值后，可由反馈控制模块使电子开关导通，使NPN三极管的基极接地，从而关断NPN三极管，停止充电，只有很小的漏电电流，达到降低损耗、提高电源效率的目的；本发明所述半导体启动器件电路简单，不需要额外的电容、二极管等器件，用BCD工艺即可集成NPN三极管，占用芯片面积小。

附图说明

图1是传统开关电源启动电路的电路图；

图2是本发明所述基于三极管充电的半导体启动器件的结构示意图；

图3是本发明所述基于三极管充电的半导体启动器件的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图2所示，图2中的电源输入端、电源输出端、电阻R1、电容C1分别与图1对应，所以采用了相同的标记符号；本发明所述基于三极管充电的半导体启动器件，其电源输入端的输入电压Vin为电容C1充电，电容C1的两端为电源输出端，其输出电压Vout为主电路(图中未示)供电，N型高浓度衬底1上设有N型轻掺杂外延层2，N型轻掺杂外延层2的其中一半区域(即图2中的右边区域)内设有P型埋层3，P型埋层3上设有第一N阱4，第一N阱4的两侧分别设有第一P阱5，第一N阱4和其中一个第一P阱5(图2中左边的第一P阱5)内分别设有第一N型重掺杂6和第一P型重掺杂7，N型轻掺杂外延层2构成NPN三极管T1的集电区经内导线连出至N型高浓度衬底1作为集电极C，P型埋层3构成NPN三极管T1的基区经内导线连出至第一P型重掺杂7作为基极B，第一N阱4构成NPN三极管T1的发射区经内导线连出至第一N型重掺杂6作为发射极E；N型轻掺杂外延层2的另一半区域(即图2中的左边区域)内设有第二N型重掺杂6’，第二N型重掺杂6’的两侧分别设有第二P阱5’，两个第二P阱5’内分别设有第二P型重掺杂7’；第二N型重掺杂6’与电阻R1串联后分别与NPN三极管T1的基极B和电子开关S1的第一端连接，NPN三极管T1的发射极E分别与比较器Comp1的正极信号输入端和电容C1的第一端连接，比较器Comp1的负极信号输入端与基准电压源Vref的正极连接，比较器Comp1的输出端与电子开关S1的控制输入端连接，两个第二P型重掺杂7’、电容C1的第二端、基准电压源Vref的负极、电子开关S1的第二端均接地，N型高浓度衬底1引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输入端的正极，电容C1的第一端引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输出端的正极。电子开关S1可采用三极管或其它具有三个连接端的电子元件。上述N型高浓度衬底1、N型轻掺杂外延层2、第二P阱5’、第二P型重掺杂7’和第二N型重掺杂6’共同构成了低压电源模块，比较器Comp1和基准电压源Vref构成反馈控制模块。

图3示出了图2的等效电路，使本半导体启动器件的结构更加简化、清楚。

如图2和图3所示，本半导体启动器件的工作原理如下：

初始状态下，电子开关S1关断，输入电压Vin经过低压电源模块和电阻R1产生电流Ib流向NPN三极管T1的基极B，使NPN三极管T1导通，输入电压Vin经过NPN三极管T1向电容C1充电，输出电压Vout逐渐上升。当输出电压Vout上升到预计值时，反馈控制模块发出信号使电子开关S1导通，从而使NPN三极管T1的基极B接地，此时NPN三极管T1关断，以降低能耗，完成启动功能。当本半导体启动器件需要重启，即输出电压Vout下降到设定值时，反馈控制模块发出信号使电子开关S1关断，从而使NPN三极管T1的基极B连接电源输入端，输入电压Vin经过低压电源模块和电阻R1产生电流Ib流向NPN三极管T1的基极B，使NPN三极管T1导通，开始对电容C1充电。

本发明所述半导体启动器件的制造工艺主要在于NPN三极管T1和低压电源模块的制造，其包括以下步骤：

(1)在N型高浓度衬底上设置N型轻掺杂外延层，N型高浓度衬底的电阻率为0.0001～0.1欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层的电阻率为10～200欧姆·厘米；

(2)在N型轻掺杂外延层上通过注入P型杂质，注入剂量为1e12atom/cm2～1e15atom/cm2；

(3)通过高温氧化推结，炉管温度为850℃～1200℃，持续时间为30～300分钟，激活P型杂质，形成P型埋层；

(4)通过化学气相淀积生长N型掺杂薄外延层，然后通过高能、双电荷磷注入来形成第一N阱和第二N阱，然后再通过高能B11注入来形成第一P阱和第二P阱，注入后通过LOCOS生长厚氧化层；

(5)通过N型杂质注入形成第一N型重掺杂和第二N型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2，通过P型杂质注入形成第一P型重掺杂和第二P型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2，完成NPN三极管T1和低压电源模块的制造。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于三极管充电的半导体启动器件，其电源输入端的输入电压为电容充电，所述电容的两端为电源输出端，其特征在于：N型高浓度衬底上设有N型轻掺杂外延层，N型轻掺杂外延层的其中一半区域内设有P型埋层，P型埋层上设有第一N阱，第一N阱的两侧分别设有第一P阱，第一N阱和其中一个第一P阱内分别设有第一N型重掺杂和第一P型重掺杂，N型轻掺杂外延层构成NPN三极管的集电区经内导线连出至N型高浓度衬底作为集电极，P型埋层构成NPN三极管的基区经内导线连出至第一P型重掺杂作为基极，第一N阱构成NPN三极管的发射区经内导线连出至第一N型重掺杂作为发射极；N型轻掺杂外延层的另一半区域内设有第二N型重掺杂，第二N型重掺杂的两侧分别设有第二P阱，两个第二P阱内分别设有第二P型重掺杂；第二N型重掺杂与电阻串联后分别与NPN三极管的基极和电子开关的第一端连接，NPN三极管的发射极分别与反馈控制模块的正极输入端和电容的第一端连接，反馈控制模块的输出端与电子开关的控制输入端连接，两个第二P型重掺杂、电容的第二端、反馈控制模块的负极输入端、电子开关的第二端均接地，N型高浓度衬底引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输入端的正极，电容的第一端引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输出端的正极。

2.根据权利要求1所述的基于三极管充电的半导体启动器件，其特征在于：所述反馈控制模块为比较器，所述比较器的正极信号输入端与所述NPN三极管的发射极连接，所述比较器的负极信号输入端与基准电压源的正极连接，所述基准电压源的负极接地，所述比较器的输出端与所述电子开关的控制输入端连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于三极管充电的半导体启动器件，其特征在于：所述电子开关为三极管，所述三极管的基极为所述电子开关的控制输入端，所述三极管的集电极为所述电子开关的第一端，所述三极管的发射极为所述电子开关的第二端。

4.一种如权利要求1所述的半导体启动器件的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在N型高浓度衬底上设置N型轻掺杂外延层，N型高浓度衬底的电阻率为0.0001～0.1欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层的电阻率为10～200欧姆·厘米；

(2)在N型轻掺杂外延层上通过注入P型杂质，注入剂量为1e12atom/cm2～1e15atom/cm2；

(3)通过高温氧化推结，炉管温度为850℃～1200℃，持续时间为30～300分钟，激活P型杂质，形成P型埋层；

(4)通过化学气相淀积生长N型掺杂薄外延层，然后通过高能、双电荷磷注入来形成第一N阱和第二N阱，然后再通过高能B11注入来形成第一P阱和第二P阱，注入后通过LOCOS生长厚氧化层；

(5)通过N型杂质注入形成第一N型重掺杂和第二N型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2，通过P型杂质注入形成第一P型重掺杂和第二P型重掺杂，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2。