P 溝道恒流二極管的電流擴展方法＊

魯冬梅，劉 橋，楊發(fā)順，陳 睿

(貴州大學 貴州省貴陽市微納電子與軟件重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

恒流二極管(CRD，current regulative diode)具有穩(wěn)定性好、恒流范圍大、輸出電導低等優(yōu)點，其在放大器、基準源、穩(wěn)壓電源、LED 驅(qū)動電路等電路的應用廣泛［1］。P-CRD(P 溝道恒流二極管)是一種特殊的二極管，利用它可以得到穩(wěn)定電流，但是由于空穴的遷移率比較小，所以其恒流值比較小，其應用范圍受到很大的限制。并聯(lián)多個可以提高恒流值，卻增大了芯片面積，增加成本。

NPN 雙極型晶體管(BJT，Bipolar Junction Transistor)的電流放大倍數(shù)一般都能達到幾十至一百以上。若能結合兩者優(yōu)點，采用一種半導體兼容制造工藝將兩者在一塊半導體上實現(xiàn)，就能得到一個恒流效果好，恒流值大的器件，在大功率領域得到好的應用。

1 P-CRD 的研究

在N-Si襯底上，外延一層P－區(qū)作為P 溝道，外延層上注入兩個P+區(qū)作為源漏，注入一個N+區(qū)作為頂柵，襯底引出一個電極作為底柵，將底柵和頂柵連接在一起一個P-JFET 結構就出來了。將P-JFET 的柵源短接作為正極，漏端作為負極，即可得到P-CRD。它的工作原理是利用兩個背靠背的PN 結分別反偏形成空間電荷區(qū)，將溝道夾斷［2］。溝道夾斷以后，由于溝道電阻增大，所以正極電壓的增大，將全部降落在溝道區(qū)，以此達到恒流效果［3，4］。

工藝上，CRD 的溝道長度、溝道厚度、溝道雜質(zhì)濃度、柵漏間距等參數(shù)對其恒定電流、起始電壓、擊穿電壓等都有影響。在silvaco 仿真軟件中對器件特性進行仿真，溝道長度增大，恒定電流減小，起始電壓和擊穿電壓不變;溝道厚度增大，恒定電流增大，起始電壓增大，擊穿電壓不變;溝道濃度增大，恒定電流增大，起始電壓增大，擊穿電壓減小;柵漏間距增大，恒定電流減小，起始電壓和擊穿電壓不變。通過調(diào)整這幾個參數(shù)，減小溝道濃度、溝道厚度和柵漏間距，減小溝道長度進行結構優(yōu)化，可以得到恒定電流值大、恒流范圍大的恒流二極管［2，5］。

2 P-CRD 的電流擴展

在同一塊半導體材料上，將P-CRD 和NPNBJT 同時制造，并把P-CRD 的恒定電流作為NPN的輸入電流，那么經(jīng)過NPN 的放大，將把P-CRD的恒定電流擴大β 倍［6］，如圖1 所示。

對BJT 來說，共射電流放大倍數(shù)β，與基區(qū)寬度、基區(qū)雜質(zhì)濃度都有關系。基區(qū)寬度越小，β 越大。但是，受基區(qū)寬度調(diào)制效應的影響，基區(qū)寬度太小，將會使同一基極電流下集電極輸出電流的變化較大［7］?；鶇^(qū)雜質(zhì)濃度過大，發(fā)射結注入效率下降，β 減小。外延層雜質(zhì)濃度過高，會使CE 擊穿電壓減小;外延層雜質(zhì)濃度過小，越易發(fā)生縱向基區(qū)擴展效應［8］。

圖1 P-CRD 的電流擴展原理圖

CRD 是三層結構(襯底－外延－電極)，而NPN-BJT，將其發(fā)射區(qū)做在基區(qū)內(nèi)部，則是四層結構［2］。本文做了兩個改變。第一，保留BJT 的四層結構，從CRD 的外延區(qū)，引出一個電極作為底柵和頂柵、源極連接在一起，作為CRD 的正極。第二，將CRD 的溝道區(qū)和BJT 的基區(qū)、CRD 的頂柵和BJT 的發(fā)射區(qū)以及集電區(qū)、CRD 的源漏接觸區(qū)和BJT 的基極接觸區(qū)幾個同時制造，且濃度一致，擴散時間和溫度一致，大大簡化了工藝步驟，降低了生產(chǎn)成本。

通常為了降低集電極的串聯(lián)電阻，集電極一般都做成深集電極［9］。本文中，將BJT 的集電區(qū)和發(fā)射區(qū)同時制作，在進行溫度擴散之后使集電極成為深集電極，少了一個單獨制作深集電極的工藝步驟。兩個器件間采用常見的PN 結隔離技術進行隔離，得到P-CRD 和NPN-BJT 的兼容結構，圖2 即為P-CRD 與NPN-BJT 的兼容結構圖。

圖2 P-CRD 的電流擴展結構圖

工藝上，減小發(fā)射極的擴散時間或溫度，減小發(fā)射極注入濃度，基區(qū)寬度增大?？紤]到減小集電區(qū)電阻的影響故在設計結構的時候，一般需要在襯底上做一層N+埋層。合理控制發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)雜質(zhì)濃度及擴散時間和溫度，才能得到高性能的BJT。

主要工藝流程:襯底制備，埋層制備，外延層，隔離，氧化，硼注入，退火，氧化，磷注入，退火，氧化，硼注入，接觸孔光刻，淀積鋁，光刻鋁合金，鈍化。

3 各個參數(shù)影響及仿真結果

本文的難點:溝道厚度和基區(qū)寬度大小一致，溝道厚度增加恒定電流增大，基區(qū)寬度調(diào)制效應減小;另一方面，溝道厚度的增大，使電流放大倍數(shù)β減小。故溝道厚度過大或過小，都不能同時制作性能好的CRD 或BJT。這里，考慮到β 對輸出電流大小的影響比較大，故側重于小的溝道厚度。本文通過調(diào)整發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的摻雜濃度和擴散的時間及溫度，對基區(qū)寬度分別為0.476 μm、0.492 μm、0.714 μm、0.952 μm 進行仿真，最終得到，當基區(qū)寬度為0.714 μm 時，兼容結構的輸出電流比較大，起始電壓比較低，擊穿電壓比較大。

在silvaco 公司的athena 和atlas 中分別作兼容結構，并對兼容結構進行特性仿真。圖3為恒流二極管的輸出電流，輸出電流為7.7 μA(當V正極=5 V時)，起始電壓為3.8 V。圖4為NPN-BJT 的輸出電流曲線，其中，基極電流為8 μA，集電極輸出電流為583 μA(當VC=8 V 時)，β為72.88。圖5為P-CRD 的電流擴展仿真圖，其中，可以發(fā)現(xiàn)集電極輸出電流為586 μA(當VC=5 V 時)，電流擴展了73.77 倍。這和理論值基本吻合，驗證了理論的真實性。

圖3 P-CRD 的電流輸出特性曲線

圖4 NPN-BJT 的輸出電流曲線

圖5 P-CRD 的電流擴展仿真圖

4 結語

將恒流二極管和雙極型晶體管兼容制造，可以將P-CRD 的恒流值放大β 倍，這樣只要增加一個雙極型晶體管，即可少去將恒流二極管并聯(lián)多個，換句話說，可以將芯片面積大大降低。將這種兼容應用在雙極型集成電路中，也可以作大電流的恒流源，簡化原有恒流源的結構。

［1］林言方.硅基恒流二極管［J］.半導體技術，1986(6):42－46.

［2］馮曉敏.硅基恒流二極管的設計［D］.大連:大連理工大學，2012.

［3］傅興華，丁召.半導體器件原理簡明教程［M］.北京:科學出版社，2010:134.

［4］SIMON M.SZE，KWOK K.NG.Physics of Semiconductor Devices［M］.New Jersey:Wiley-Inter-science，2008.

［5］王榮娟.恒流二極管的特性和應用［N］.電子報，2001－08－19E02.

［6］方佩敏.恒流二極管的擴流及調(diào)光［J］.電子世界，2011(4):13－14.

［7］謝廣新.基區(qū)寬度調(diào)制對晶體三極管特性的影響［J］.臨沂師范學院學報，2002(6):130－131.

［8］傅興華，陳軍寧，童勤義.高性能雙極型集成電路晶體管［J］.電子科學學刊，1993(6):631－642.

［9］朱正涌.半導體集成電路［M］.北京:清華大學出版社，2009:23.