一種改進(jìn)太陽能計(jì)算器芯片二極管穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

張立榮

（深圳方正微電子有限公司，廣東 深圳 518116）

1 引言

目前，市面上的民用計(jì)算器以電源類型分為兩種，一種是只用電池，一種是電池和太陽能雙用。后面這種即使不安裝電池，在普通的室內(nèi)照明之下使用，也可由內(nèi)置太陽能電池板供電。

對于電池和太陽能雙用的計(jì)算器，其核心芯片的穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。市面上大部分此類產(chǎn)品的穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)是串聯(lián)三個PN結(jié)二極管以達(dá)到穩(wěn)壓目的。這種設(shè)計(jì)會出現(xiàn)以下問題：當(dāng)外部光線太強(qiáng)時，由于太陽能電池板的供電電壓較高，而穩(wěn)壓電路由于正向飽和壓降過高，不能及時將高電壓釋放掉，所以液晶屏?xí)霈F(xiàn)“鬼影”現(xiàn)象。本研究的目的在于改進(jìn)二極管穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)，將其中一個PN結(jié)二極管改為肖特基二極管，使其正向飽和壓降處于一個合理的區(qū)間，避免上述的“鬼影”現(xiàn)象，從而達(dá)到改善太陽能應(yīng)用的目的。

2 肖特基二極管的特性

肖特基二極管也稱肖特基勢壘二極管，肖特基二極管是以金屬（金、銀、鋁、鉑等）為正極，以N型半導(dǎo)體為負(fù)極，利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。肖特基二極管具有以下特性：

（1）正向壓降小，約0.35V左右，比PN結(jié)二極管0.7V的壓降小很多；

（3）更穩(wěn)定的溫度特性；

（4）有較高的工作頻率和開關(guān)速度。

圖1 肖特基二極管和PN結(jié)二極管曲線特性對比

從圖1可以看到，肖特基二極管的正向飽和壓降比PN結(jié)二極管小很多。

3 優(yōu)化二極管穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)的方法

應(yīng)用于太陽能的計(jì)算器芯片中的二極管穩(wěn)壓設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

Vo是接計(jì)算器內(nèi)部電路的，它的電壓必須控制在1.6V～1.9V左右。當(dāng)Vo大于1.9V時，3個二極管必須開啟，釋放多余電流，以保護(hù)Vo處的內(nèi)部電路。所以3個二極管串聯(lián)的正向飽和壓降必須處于1.6V～1.9V之間。

（1）如果3個二極管的正向飽和壓降大于1.9V，當(dāng)使用環(huán)境的光線太強(qiáng)時，Vo會比正常時偏高，而此時二極管又不能釋放電流，這樣就會出現(xiàn)顯示屏“鬼影”的現(xiàn)象，影響正常使用；

（2）如果3個二極管的正向飽和壓降小于1.6V，那么當(dāng)計(jì)算器使用在電池狀態(tài)下時，電池就會漏電，影響電池使用壽命。

用以制造計(jì)算器芯片的0.8μm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝簡易流程如圖3所示。 N阱注入和P+ 注入是形成PN結(jié)二極管的兩個重要工藝步驟。如果跳過P+注入，那么就會形成肖特基二極管。

圖2 穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)

圖3 0.8μm CMOS制造工藝流程

該設(shè)計(jì)電路版圖如圖4所示。其中第一個二極管，因?yàn)闊oP+注入，所以由原來的PN結(jié)二極管變成肖特基二極管。在修改設(shè)計(jì)前，必須用足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：兩個串聯(lián)的PN結(jié)二極管再串聯(lián)一個肖特基二極管，其整體的正向飽和壓降在1.6V～1.9V。為此，我們在做工藝試驗(yàn)時，只需要跳過P+注入，就可以將電路中的三個二極管全部制作為肖特基二極管，測試這三個肖特基二極管的正向飽和壓降，如果值在1.05V左右，即單個肖特基二極管是0.35V，便可證明此方案可行。同時，我們還需要做一些可靠性驗(yàn)證，如溫度對正向飽和壓降的影響。

在企業(yè)的內(nèi)部審計(jì)實(shí)踐中，規(guī)范的審計(jì)流程應(yīng)分為事前準(zhǔn)備、事中實(shí)施、事后反饋3個完整的階段，后續(xù)審計(jì)在整個審計(jì)過程中起著至關(guān)重要的作用，它能夠?qū)ζ髽I(yè)是否已經(jīng)將審計(jì)建議進(jìn)行落實(shí)和糾正進(jìn)行如實(shí)反饋，對審計(jì)工作起到監(jiān)督落實(shí)的作用。JY酒店的審計(jì)流程如圖1—1所示，在此流程中，其開展的審計(jì)工作只包含內(nèi)審的前兩個階段，忽略了后續(xù)審計(jì)，JY酒店的內(nèi)部審計(jì)部門對審計(jì)事項(xiàng)進(jìn)行前期準(zhǔn)備并現(xiàn)場審計(jì)之后，提出了相應(yīng)的審計(jì)意見以及整改事項(xiàng)，但沒有對財(cái)務(wù)部門的審計(jì)整改實(shí)施情況進(jìn)行回訪與追蹤，后續(xù)審計(jì)不力，審計(jì)整改事項(xiàng)的落實(shí)更多依靠的是財(cái)務(wù)部門的主觀能動性。這樣的實(shí)踐降低了整個內(nèi)審工作的效率和效果，不利于審計(jì)質(zhì)量的提升。

圖4 穩(wěn)壓電路的版圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

為了方便實(shí)驗(yàn)，在工藝流片時，對于原先的3個普通二極管的mask設(shè)計(jì)，跳過P+注入，就可以將原來的3個普通二極管設(shè)計(jì)變成3個肖特基二極管。這樣就能夠驗(yàn)證3個肖特基二極管的參數(shù)性能。

如果參數(shù)合格，那么就能說明，后續(xù)通過修改P+層次的mask設(shè)計(jì)，將原來的3個普通二極管設(shè)計(jì)改成2個普通二極管串聯(lián)1個肖特基二極管的設(shè)計(jì)能夠滿足此產(chǎn)品對參數(shù)的要求。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3個肖特基二極管的正向飽和壓降為1.05V，即單個肖特基二極管的壓降為0.35V，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

圖5 肖特基二極管的正向飽和壓降

（1）測試方法：掃電壓，從0掃到2V，同時測試電流，當(dāng)電流為150μA時的電壓即為正向飽和壓降。

（2）片內(nèi)均勻性：一片晶圓測試20個點(diǎn)，上中左下右各5個點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示，片內(nèi)的均勻性比較好，都在1V～1.1V間波動，平均值1.02V，如圖6。

圖6 肖特基二極管正向飽和壓降片內(nèi)均勻性

（3）金屬厚度（Ti）對正向壓降的影響。將金屬厚度0.03μm和 0.05μm的正向壓降進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)顯示，不同金屬厚度的正向飽和壓降差別很小，只有約0.005V，說明即使工藝（金屬厚度）發(fā)生波動，對飽和壓降的影響也很小，工藝上是完全可行的。

（4）溫度對正向壓降的影響。民用計(jì)算器的使用溫度多在40℃以下。所以我們特別測試了室溫（23℃）和40℃時正向飽和壓降的變化。數(shù)據(jù)說明變化很小，只有約0.02V。

圖7 金屬厚度對肖特基正向飽和壓降的影響

試驗(yàn)說明：（1）跳過P+注入后，正向飽和壓降的重復(fù)性和均勻性比較好，波動較小；（2）不同的金屬厚度（0.03μm和0.05μm）對正向飽和壓降的影響很小；（3）室溫下（23℃）測試和40℃下測試，正向飽和壓降波動較小，與理論上的分析也是一致的。

5 結(jié)束語

只需改變P+ mask，將其中一個二極管的P+去掉，三個二極管的正向飽和壓降可從2.1V降到1.75V左右，基本滿足應(yīng)用要求，可避免“鬼影”現(xiàn)象產(chǎn)生。

[1] 李強(qiáng)，王俊宇. 標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝集成肖特基二極管設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2005，2.

[2] 章從福. 整合肖特基二極管的單片MOSFET [J]. 半導(dǎo)體信息，2008，2.