用作AC-DC功率开关的复合结构及其电路的制作方法

用作ac-dc功率开关的复合结构及其电路
技术领域
1.本实用新型涉及功率器件技术领域，尤其涉及一种用作ac-dc功率开关的复合结构及其电路。


背景技术：

2.ac-dc系统将交流电变为直流电，在现代电子社会的各个领域具有及其广泛的应用，为了提高能源转换效率，都是采用高频开关工作变压器，代替工频变压器，缩小了ac-dc系统的体积，提高了能源的转换效率。
3.开关电源是指通过高频变压器的开关工作实现的，都需要一个功率元件作为电子开关来控制变压器的工作，选择不同的拓扑结构，不同的功率开关元件，其驱动及其控制电路都需要做相应的设计和优化，现有技术中采用hvbjt或者由两个npn三极管构成的达林顿管作为功率开关元件。
4.在将hvbjt作为ac-dc开关电源中功率开关元件时，适用于中小功率的ac-dc系统，广泛应用于不同功率的充电器、适配器等系统，但是，hvbjt的电流增益比较低，一般在30左右，为满足一定功率输出的要求，在满功率20w输出时，假设hvbjt的导通的占空比为20%，而ac的输入为最低电压时，按照200v，效率90%估计，流过hvbjt的峰值电流大约为800ma，就需要控制ic提供的基极驱动电流最大值要在100ma以上，才能使得hvbjt进入饱和区；在用两个npn三极管构成的达林顿管作为ac-dc开关电源中功率开关元件时，基极驱动电流可以较大幅度的下降，减少了对驱动ic的压力，但是只有其中的一个npn三极管可以工作在饱和区，另一个npn三极管只能工作在放大区，此时的ce压降大约在1v-1.1v，因此，其导通功耗会比较大，使得ac-dc系统的转换效率降低。


技术实现要素：

5.本实用新型意在提供一种用作ac-dc功率开关的复合结构及其电路，以解决现有技术中存在的不足，本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。
6.本实用新型提供的用作ac-dc功率开关的复合结构，其特征在于，所述复合结构包括：
7.n+型半导体衬底；
8.n-型外延层，设置在所述n+型半导体衬底上方；
9.p型掺杂区，设置在所述n-型外延层中；
10.第一n+型掺杂区和第二n+型掺杂区，分别设置在所述p型掺杂区中；
11.p++型掺杂区，设置在所述第一n+型掺杂区中，作为第一三极管的发射区；
12.设置在所述p型掺杂区、所述第一n+型掺杂区、所述第二n+型掺杂区以及所述p++型掺杂区上方的多个金属电极；
13.所述多个金属电极之间设置介质层；
14.以及设置在所述n+型半导体衬底背面的第二三极管的集电极。
15.在上述的方案中，多个金属电极包括共用电极、所述第一三极管的基极、所述第一三极管的发射极以及所述第二三极管的发射极，所述共用电极设置在所述p型掺杂区的上方，所述第一三极管的基极设置在所述第一n+型掺杂区的上方，所述第一三极管的发射极设置在所述p++型掺杂区的上方，所述第二三极管的发射极设置在所述第二n+型掺杂区的上方。
16.在上述的方案中，所述p型掺杂区作为第一三极管的集电区以及第二三极管的基区。
17.在上述的方案中，所述第一n+型掺杂区作为所述第一三极管的基区，所述第二n+型掺杂区作为所述第二三极管的发射区。
18.在上述的方案中，所述共用电极为所述第一三极管的集电极以及所述第二三极管的基极。
19.在上述的方案中，所述第一三极管为pnp型三极管。
20.在上述的方案中，所述第二三极管为npn型三极管。
21.本实用新型提供的用作ac-dc功率开关的复合结构的电路，包括如上所述的用作ac-dc功率开关的复合结构，包括：
22.pnp型三极管和npn型三极管；
23.所述pnp型三极管的集电极与所述npn型三极管的基极电连接。
24.本实用新型实施例包括以下优点：
25.本实用新型实施例提供的用作ac-dc功率开关的复合结构具有较高的电流增益，因此对于ic驱动的电流要求明显下降，采用本实用新型的复合结构以后，控制ic的主动电流改为npn型三极管的灌电流，对于集成驱动更容易实现，并且，复合结构导通时，npn型三极管工作在饱和区，复合结构的饱和压降比npn+npn型的达林顿结构的复合管的饱和压降低，可降低导通损耗，提升ac-dc转换效率；此外，由于复合结构中的pnp型三极管电流增益可以比较高，而不受npn型三极管的电流增益的限制，因此可以进一步降低控制ic的驱动电流的要求。
附图说明
26.图1是本实用新型的一种用作ac-dc功率开关的复合结构的结构示意图。
27.图2是本实用新型的形成n+型半导体衬底以及n-型外延层的工艺图。
28.图3是本实用新型的形成p型掺杂区的工艺图。
29.图4是本实用新型的形成第一n+型掺杂区和第二n+型掺杂区的工艺图。
30.图5是本实用新型的形成p++型掺杂区的工艺图。
31.图6是本实用新型的形成相互间隔的介质层的工艺图。
32.图7是本实用新型的形成共用电极、第一三极管的基极、第一三极管的发射极以及第二三极管的发射极的工艺图。
33.图8是本实用新型的形成第二三极管的集电极的工艺图。
34.图9是本实用新型的一个实施例中将复合结构用在反激式ac-dc开关电源中的电路图。
具体实施方式
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
36.如图1所示，本实用新型提供的一种用作ac-dc功率开关的复合结构，包括：
37.n+型半导体衬底1；
38.n-型外延层2，设置在所述n+型半导体衬底1上方；
39.p型掺杂区3，设置在所述n-型外延层2中，作为第一三极管的集电区以及第二三极管的基区，其中，第一三极管为pnp型三极管，第二三极管为npn型三极管；
40.第一n+型掺杂区4和第二n+型掺杂区5，分别设置在所述p型掺杂区3中，其中，第一n+型掺杂区4作为所述第一三极管的基区，第二n+型掺杂区5作为所述第二三极管的发射区；
41.p++型掺杂区6，设置在所述第一n+型掺杂区4中，作为所述第一三极管的发射区；
42.设置在所述p型掺杂区3、所述第一n+型掺杂区4、所述第二n+型掺杂区5以及所述p++型掺杂区6上方的多个金属电极，其中，多个金属电极包括共用电极8、所述第一三极管的基极9、所述第一三极管的发射极10以及所述第二三极管的发射极11，所述共用电极8设置在所述p型掺杂区3的上方，所述第一三极管的基极9设置在所述第一n+型掺杂区4的上方，所述第一三极管的发射极10设置在所述p++型掺杂区6的上方，所述第二三极管的发射极11设置在所述第二n+型掺杂区5的上方；
43.所述多个金属电极之间设置介质层7；
44.以及设置在所述n+型半导体衬底1背面的所述第二三极管的集电极12。
45.在本实施例中，所述共用电极8为所述第一三极管的集电极以及所述第二三极管的基极。
46.在本实施例中，各个区域的掺杂浓度，需要进行适当的匹配，满足耐高压的npn型三极管的各项参数的要求，同时匹配npn型三极管的电流增益；复合结构可对控制ic的输出进行控制，从而实现更为经济、稳定的ac-dc系统。
47.如图2-图8所示，本实用新型提供的一种用作ac-dc功率开关的复合结构的制备方法，包括以下步骤：
48.步骤s1：采用三重扩散制备n+型半导体衬底1和设置在所述n+型半导体衬底1上方n-型外延层2；
49.步骤s2：采用光刻胶作为掩膜对所述n-型外延层2进行刻蚀，在所述n-型外延层2的刻蚀区域进行硼掺杂、扩散形成p型掺杂区3；
50.步骤s3：采用光刻胶作为掩膜对所述p型掺杂区3进行刻蚀，在所述p型掺杂区3的刻蚀区域进行磷掺杂、扩散形成第一n+型掺杂区4和第二n+型掺杂区5；
51.步骤s4：采用光刻胶作为掩膜对所述第一n+型掺杂区4进行刻蚀，在所述第一n+型掺杂区4的刻蚀区域进行硼掺杂、扩散形成p++型掺杂区6；
52.步骤s5：采用cvd工艺在所述p型掺杂区3、所述第一n+型掺杂区4、所述第二n+型掺杂区5以及所述p++型掺杂区6上方淀积并光刻相互间隔的介质层7；
53.步骤s6：在介质层7之间以及上方蒸发沉积al，在所述p型掺杂区3的上方对蒸发沉积的al进行刻蚀，形成共用电极8，在所述第一n+型掺杂区4的上方对蒸发沉积的al进行刻
蚀，形成第一三极管的基极9，在所述p++型掺杂区6的上方对蒸发沉积的al进行刻蚀，形成第一三极管的发射极10，在所述第二n+型掺杂区5的对蒸发沉积的al进行刻蚀，形成第二三极管的发射极11；
54.步骤s7：在所述n+型半导体衬底1背面蒸发沉积ti/ni/ag，形成所述第二三极管的集电极12。
55.本实用新型提供一种用作ac-dc功率开关的复合结构的电路，包括如上所述的用作ac-dc功率开关的复合结构，所述电路包括：
56.pnp型三极管和npn型三极管；
57.所述pnp型三极管的集电极与所述npn型三极管的基极电连接。
58.如图9所示，在本实用新型的一个实施例中，将上述复合结构用在反激式ac-dc开关电源中，使用上述复合结构作为功率开关，该ac-dc开关电源包括：
59.ac-dc电路、反馈网络、光电耦合器、复合结构以及控制ic；
60.所述复合结构包括pnp型三极管t1和npn型三极管t2；
61.所述反馈网络与所述ac-dc电路的输出端电连接；
62.所述光电耦合器与所述反馈网络的输出端电连接，所述光电耦合器包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端通过一个电阻连接至所述ac-dc电路中的整流桥输出端，所述第二输出端通过一个电阻接至地；
63.所述控制ic的vdd引脚与所述光电耦合器的第一输出端电连接，所述控制ic的gnd引脚与所述光电耦合器的第二输出端电连接。
64.在本实施例中，所述pnp型三极管的基极与所述控制ic的驱动管脚电连接，所述pnp型三极管的发射极与所述光电耦合器的第一输出端电连接；所述npn型三极管的基极与所述pnp型三极管的集电极电连接，所述npn型三极管的发射极通过一个电阻接至地，所述npn型三极管的集电极通过与rc并联电路连接的二极管连接至所述ac-dc电路中的整流桥输出端。
65.在本实施例中，控制ic的工作电压不会很高，因此，本实用新型的复合结构能够满足应用耐压的要求；另外，由于复合结构中的pnp型三极管的电流增益可以比较高，不受npn型三极管的电流增益的限制，因此可以进一步降低控制ic的驱动电流的要求。
66.在本实施例中，实际的控制ic的驱动电流的大小，应根据pnp型三极管的实际电流增益进行调整，如果pnp型三极管的电流增益为100倍，同样的ac-dc技术指标的假设，驱动电流只需要1-2ma；npn型三极管在导通的时候工作在饱和区，在合理的设计和工作条件下，npn型三极管的饱和压降可以控制在0.4v以下，可降低导通损耗，提高了ac-dc的转换效率。
67.应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本技术所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。
68.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
69.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第
二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
70.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
71.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
72.在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。
73.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用作ac-dc功率开关的复合结构，其特征在于，所述复合结构包括：n+型半导体衬底（1）；n-型外延层（2），设置在所述n+型半导体衬底（1）上方；p型掺杂区（3），设置在所述n-型外延层（2）中；第一n+型掺杂区（4）和第二n+型掺杂区（5），分别设置在所述p型掺杂区（3）中；p++型掺杂区（6），设置在所述第一n+型掺杂区（4）中，作为第一三极管的发射区；设置在所述p型掺杂区（3）、所述第一n+型掺杂区（4）、所述第二n+型掺杂区（5）以及所述p++型掺杂区（6）上方的多个金属电极；所述多个金属电极之间设置介质层（7）；以及设置在所述n+型半导体衬底（1）背面的第二三极管的集电极（12）。2.根据权利要求1所述的用作ac-dc功率开关的复合结构，其特征在于，多个金属电极包括共用电极（8）、所述第一三极管的基极（9）、所述第一三极管的发射极（10）以及所述第二三极管的发射极（11），所述共用电极（8）设置在所述p型掺杂区（3）的上方，所述第一三极管的基极（9）设置在所述第一n+型掺杂区（4）的上方，所述第一三极管的发射极（10）设置在所述p++型掺杂区（6）的上方，所述第二三极管的发射极（11）设置在所述第二n+型掺杂区（5）的上方。3.根据权利要求1所述的用作ac-dc功率开关的复合结构，其特征在于，所述p型掺杂区（3）作为第一三极管的集电区以及第二三极管的基区。4.根据权利要求1所述的用作ac-dc功率开关的复合结构，其特征在于，所述第一n+型掺杂区（4）作为所述第一三极管的基区，所述第二n+型掺杂区（5）作为所述第二三极管的发射区。5.根据权利要求2所述的用作ac-dc功率开关的复合结构，其特征在于，所述共用电极（8）为所述第一三极管的集电极以及所述第二三极管的基极。6.根据权利要求1所述的用作ac-dc功率开关的复合结构，其特征在于，所述第一三极管为pnp型三极管。7.根据权利要求1所述的用作ac-dc功率开关的复合结构，其特征在于，所述第二三极管为npn型三极管。8.一种用作ac-dc功率开关的复合结构的电路，包括如权利要求1-7任一项所述的用作ac-dc功率开关的复合结构，其特征在于，所述电路包括：pnp型三极管和npn型三极管；所述pnp型三极管的集电极与所述npn型三极管的基极电连接。

技术总结
本实用新型涉及一种用作AC-DC功率开关的复合结构及其电路，属于功率器件技术领域，该复合结构包括：N+型半导体衬底、N-型外延层、作为第一三极管的集电区以及第二三极管的基区的P型掺杂区、作为第一三极管的基区的第一N+型掺杂区、作为第二三极管的发射区的第二N+型掺杂区、作为第一三极管的发射区的P++型掺杂区、多个金属电极、多个金属电极之间的介质层以及设置在N+型半导体衬底背面的第二三极管的集电极。本申请提供的复合结构导通时，NPN型三极管工作在饱和区，复合结构的饱和压降低，可降低导通损耗；此外，由于复合结构中的PNP型三极管电流增益比较高，可进一步降低控制IC的驱动电流的要求。驱动电流的要求。驱动电流的要求。


技术研发人员：徐永斌 冯东明 邹亦鸣 陈坤伍 王德波 王光伟 李天鹏 黄强 尤力 魏成喜 曹健 王哲
受保护的技术使用者：江苏昕感科技有限责任公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/7/19