專利名稱：一種led驅(qū)動用自反饋線性恒流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及LED照明的驅(qū)動技術(shù)。
背景技術(shù)：
由于LED具有使用壽命長、無污染、低功耗的特性，可以滿足高效能、無汞化、多元化和藝術(shù)化的當今世界照明領(lǐng)域的發(fā)展需要。伴隨著LED研發(fā)的迅速更新，LED的應(yīng)用領(lǐng)域從最初簡單的電器指示燈、LED顯示屏發(fā)展到了 LED背光源、景觀照明、室內(nèi)裝飾燈等其他領(lǐng)域，尤其在汽車尾燈、廣告牌、裝飾照明、電冰箱和洗衣機照明等應(yīng)用中，LED正在大量替代原有的氖燈及鎢絲燈泡因而具有巨大的市場潛力。但LED的驅(qū)動器設(shè)計面臨著不少挑戰(zhàn)，一方面如LED的亮度會隨著電流及溫度的變化而漂移；另一方面，市場需求更經(jīng)濟更環(huán)保的LED驅(qū)動方案。目前，市場上典型的LED驅(qū)動器有三類開關(guān)穩(wěn)壓器、線性穩(wěn)壓器和電阻型驅(qū)動器。其中，開關(guān)穩(wěn)壓器的能效高，并提供極佳的亮度控制，但同時價格也相對較高；線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡單，易于設(shè)計，提供穩(wěn)流及過流保護，具有外部電流設(shè)定點，且沒有電磁兼容性(EMC)問題；電阻型驅(qū)動器利用電阻這樣的簡單分立器件，限制LED串電流，價格較低，同樣易于設(shè)計，且沒有EMC問題。在諸如汽車尾燈的LED應(yīng)用中，開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計復(fù)雜，存在電磁干擾，不太適合，線性穩(wěn)壓器不太經(jīng)濟實惠；電阻型驅(qū)動器成本較低且結(jié)構(gòu)簡單，但這種驅(qū)動器的工作電流和工作電壓呈線性關(guān)系，在低電壓條件下，正向電流較低，會導致LED亮度不足，高電壓下，通過LED的電流很高，且在負載突降等瞬態(tài)條件下，LED可能受損。因此， 希望能夠有一種比開關(guān)穩(wěn)壓器和普通線性穩(wěn)壓器經(jīng)濟、但在性能上又比電阻型驅(qū)動高出許多的驅(qū)動方案。本發(fā)明提供一種高性價比及可靠的LED驅(qū)動方案，例如在交流電壓增加時仍保持恒流輸出、達到LED閾值電壓后LED導通無延遲、低電壓時LED保持明亮，以及保持LED免受電壓浪涌影響等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動用自反饋線性恒流器。該自反饋線性恒流器在寬電壓范圍下可保持LED亮度恒定，且在高輸入電壓時保護LED，使其免于過驅(qū)動，實現(xiàn)對LED的保護；同時，該自反饋線性恒流器具有比開關(guān)穩(wěn)壓器成本低，且無電阻型驅(qū)動器輸出不穩(wěn)定的優(yōu)點。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，如圖1所示，包括一個結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET 和一個電阻R ；所述電阻R的一端與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的源端S相連，所述電阻R的另一端與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的柵端G相連。因為結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET和電阻R具有工藝兼容性，所以可集成于同一芯片上，構(gòu)成自反饋線性恒流器；其基本工藝步驟為材料制備、多晶硅的淀積與刻蝕、離子注
4入與推阱、刻蝕接觸孔、金屬的淀積與刻蝕。本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，以其中JFET器件為N溝道JFET為例，其工作原理可描述如下如圖1(a)所示，所述電阻R的一端與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的源端S相連，所述電阻R的另一端與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的柵端G相連，負載LED連接于電源Vin的負極與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的柵端G之間，電源Vin的正極與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的漏端D相連。起始狀態(tài)，JFET的漏源電壓Vds為零，流過JFET的電流Id也為零，電阻R上的壓降\等于JFET的源柵電壓Vse也為零。當Vds增大時，JFET處于線性區(qū)并且Id逐漸增大， Vsg也增大。由于VDe = VDS+VSG,因此JFET將隨著漏端電位的升高而首先在柵極靠近漏端的地方發(fā)生溝道夾斷，從而達到電流飽和。電阻R不僅起著給JFET提供柵壓的作用，而且與 JFET 一起構(gòu)成負反饋使得JFET輸出阻抗更大，飽和電流更平穩(wěn)。實際情況下，JFET進入飽和區(qū)后由于溝道長度調(diào)制效應(yīng)以及漏區(qū)靜電場對溝道區(qū)的反饋作用使得JFET的溝道電流 Id并不飽和，也即流經(jīng)電阻R的電流會有所增大，使得Vk = -Vgs也增大，然而由N溝道JFET 的輸出特性知Ves越負，電流Id越小，因此電阻R實際上與JFET構(gòu)成一道負反饋，使得JFET 飽和電流穩(wěn)定。JFET的飽和電流經(jīng)由電阻R流出后給負載LED提供恒定的電流，在應(yīng)用中這電流稱為I·。同時JFET輸出電流具有負溫特性，從而保證了芯片的可靠性。特定電流下的該線性恒流器的開啟電壓將由多晶硅電阻R的阻值和JFET的閾值電壓決定。同樣，本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，其JFET器件也可以是P溝道 JFET，如圖1(b)所示，所述電阻R的一端與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的源端S相連，所述電阻R的另一端與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的柵端G相連，負載LED連接于電源Vin的正極與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的柵端G之間，電源Vin的負極與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的漏端 D相連。其工作原理與前述N溝道JFET相似。綜上所述，本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器在寬電壓范圍下可保持 LED亮度恒定，且在高輸入電壓時保護LED，使其免于過驅(qū)動，實現(xiàn)對LED的保護；同時，該自反饋線性恒流器具有比開關(guān)穩(wěn)壓器成本低，且無電阻型驅(qū)動器輸出不穩(wěn)定的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。包含一個 N溝道JFET和一個多晶硅電阻R。圖2是本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器中的N溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖。 其中1為金屬化陰極，2為P+(或N+)襯底，3為N—(或P—)外延層，4為高摻雜P+(或N+)環(huán)， 5為(或Ρ_)阱區(qū)，6為N+(或P+)接觸區(qū)，7為P+(或N+)柵區(qū)，8為(或Ρ_)接觸區(qū)，9為氧化層，10為N+(或P+)接觸區(qū)6表面的JFET源極金屬層，11為N+(或P+)接觸區(qū)6表面的 JFET漏極金屬層，12為電阻R，13為連接電阻R與P+(或N+)環(huán)4的柵金屬層。圖3是本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器的核心器件JFET的電學特性仿真曲線圖，仿真條件為室溫下，柵壓Vgs = 0V，其中V(Clrain)表示漏端電壓，i (drain)表示漏端電流。圖4是本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器的仿真結(jié)果，其中Vak表示該恒流器陰陽兩極間的電壓，Ieeg表示該恒流器的輸出電流。
圖5是本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器的溫度仿真結(jié)果，其中Vak表示該恒流器陰陽兩極間的電壓，Ieeg表示該恒流器的輸出電流。
具體實施例方式一種LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，如圖1所示，包括一個結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET 和一個電阻R ；所述電阻R的一端與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的源端S相連，所述電阻R的另一端與結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET的柵端G相連。所述結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET和所述電阻 R集成于同一芯片上(如圖2所示)，構(gòu)成自反饋線性恒流器。所述結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET可以是N溝道JFET器件，也可以是P溝道JFET器件。當結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET是N溝道JFET器件時，所述N溝道JFET器件包括P+襯底2、P+襯底2背面的金屬化陰極1、P+襯底2正面的N—外延層3 ；N—外延層3中具有高摻雜P+環(huán)4和N—阱區(qū)5 ；N"阱區(qū)5中具有若干并排的N—接觸區(qū)8和位于每個N—接觸區(qū)8中間部位的N+接觸區(qū)6，每相鄰兩個N—接觸區(qū)8之間具有一個P+柵區(qū)7 ；所有的N+接觸區(qū)6 以間隔的方式分別與源極金屬層10或漏極金屬層11相連，源極金屬層10和漏極金屬層11 形成叉指電極結(jié)構(gòu)；整個N—外延層3表面除源極金屬層10和漏極金屬層11覆蓋的區(qū)域外所有區(qū)域覆蓋有氧化層9 ；所有P+柵區(qū)7延伸出N_阱區(qū)5并與高摻雜P+環(huán)4相連。 當結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET是N溝道JFET器件時，所述N溝道JFET器件包括P+襯底2、P+襯底2背面的金屬化陰極1、P+襯底2正面的P—外延層3 ；P—外延層3中具有高摻雜P+環(huán)4和N—阱區(qū)5 ；N"阱區(qū)5中具有若干并排的N—接觸區(qū)8和位于每個N—接觸區(qū)8中間部位的N+接觸區(qū)6，每相鄰兩個N—接觸區(qū)8之間具有一個P+柵區(qū)7 ；所有的N+接觸區(qū)6 以間隔的方式分別與源極金屬層10或漏極金屬層11相連，源極金屬層10和漏極金屬層11 形成叉指電極結(jié)構(gòu)；整個P—外延層3表面除源極金屬層10和漏極金屬層11覆蓋的區(qū)域外所有區(qū)域覆蓋有氧化層9 ；所有P+柵區(qū)7延伸出Ν_阱區(qū)5并與高摻雜P+環(huán)4相連。當結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET是P溝道JFET器件時，所述P溝道JFET器件包括N+襯底2、N+襯底2背面的金屬化陰極1、N+襯底2正面的Ρ_外延層3 ;Ρ_外延層3中具有高摻雜N+環(huán)4和P—阱區(qū)5 ；P—阱區(qū)5中具有若干并排的P—接觸區(qū)8和位于每個P—接觸區(qū)8中間部位的P+接觸區(qū)6，每相鄰兩個Ρ_接觸區(qū)8之間具有一個N+柵區(qū)7 ；所有的P+接觸區(qū)6 以間隔的方式分別與源極金屬層10或漏極金屬層11相連，源極金屬層10和漏極金屬層11 形成叉指電極結(jié)構(gòu)；整個P—外延層3表面除源極金屬層10和漏極金屬層11覆蓋的區(qū)域外所有區(qū)域覆蓋有氧化層9 ；所有N+柵區(qū)7延伸出Ρ_阱區(qū)5并與高摻雜N+環(huán)4相連。當結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET是P溝道JFET器件時，所述P溝道JFET器件包括N+襯底2、N+襯底2背面的金屬化陰極1、N+襯底2正面的Ν_外延層3 ;Ν_外延層3中具有高摻雜N+環(huán)4和P—阱區(qū)5 ；P—阱區(qū)5中具有若干并排的P—接觸區(qū)8和位于每個P—接觸區(qū)8中間部位的P+接觸區(qū)6，每相鄰兩個Ρ_接觸區(qū)8之間具有一個N+柵區(qū)7 ；所有的P+接觸區(qū)6 以間隔的方式分別與源極金屬層10或漏極金屬層11相連，源極金屬層10和漏極金屬層11 形成叉指電極結(jié)構(gòu)；整個N—外延層3表面除源極金屬層10和漏極金屬層11覆蓋的區(qū)域外所有區(qū)域覆蓋有氧化層9 ；所有N+柵區(qū)7延伸出Ρ_阱區(qū)5并與高摻雜N+環(huán)4相連。圖3是本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器的核心器件N溝道JFET的元胞的電學特性仿真曲線圖，仿真條件為室溫下，Ves = 0V。由圖中可以看出其線電流在8. 0e-6A/um附近，曲線較為平穩(wěn)。圖4是本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器(核心器件為N溝道JFET)的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，由于柵壓負反饋的作用，曲線較圖6中的I-V特性曲線更加平穩(wěn)。陰極到陽極電壓Vak在IOv到120v的范圍內(nèi)，輸出電流Ireg能夠基本穩(wěn)定在35mA，起到了恒流的效果。圖5是本發(fā)明提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器(核心器件為N溝道JFET)的溫度仿真結(jié)果，從圖中可以看出，該恒流器具有負溫特性，變化率約為0. 01mA/°C應(yīng)當說明的是，本發(fā)明所提供的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器其輸出電流、開啟電壓和器件耐壓皆由工藝參數(shù)決定，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)將能夠獲得不同恒流值和耐壓的自反饋線性恒流器。另外，本發(fā)明并不局限于LED驅(qū)動用，其他需要恒定直流電流驅(qū)動的場合都可應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，包括一個結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)和一個電阻 (R)；所述電阻(R)的一端與結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)的源端⑶相連，所述電阻(R)的另一端與結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)的柵端(G)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，其特征在于，所述結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)和電阻(R)集成于同一芯片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，其特征在于，所述結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET是N溝道JFET器件，包括P+襯底(2)、P+襯底(2)背面的金屬化陰極(I)、P+襯底(2)正面的N_外延層(3);N_外延層(3)中具有高摻雜P+環(huán)(4)和N-阱區(qū)(5)； N—阱區(qū)(5)中具有若干并排的N—接觸區(qū)⑶和位于每個N—接觸區(qū)⑶中間部位的N+接觸區(qū)(6)，每相鄰兩個N_接觸區(qū)⑶之間具有一個P+柵區(qū)(7)；所有的N+接觸區(qū)(6)以間隔的方式分別與源極金屬層(10)或漏極金屬層(11)相連，源極金屬層(10)和漏極金屬層(II)形成叉指電極結(jié)構(gòu)；整個外延層(3)表面除源極金屬層(10)和漏極金屬層(11)覆蓋的區(qū)域外所有區(qū)域覆蓋有氧化層(9)；所有P+柵區(qū)(7)延伸出N_阱區(qū)(5)并與高摻雜P+ 環(huán)⑷相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，其特征在于，所述結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET是N溝道JFET器件，包括P+襯底(2)、P+襯底(2)背面的金屬化陰極(I)、P+襯底(2)正面的P_外延層(3);P_外延層(3)中具有高摻雜P+環(huán)(4)和N-阱區(qū)(5)； N—阱區(qū)(5)中具有若干并排的N—接觸區(qū)⑶和位于每個N—接觸區(qū)⑶中間部位的N+接觸區(qū)(6)，每相鄰兩個N_接觸區(qū)⑶之間具有一個P+柵區(qū)(7)；所有的N+接觸區(qū)(6)以間隔的方式分別與源極金屬層(10)或漏極金屬層(11)相連，源極金屬層(10)和漏極金屬層(II)形成叉指電極結(jié)構(gòu)；整個P—外延層(3)表面除源極金屬層(10)和漏極金屬層(11)覆蓋的區(qū)域外所有區(qū)域覆蓋有氧化層(9)；所有P+柵區(qū)(7)延伸出Ν_阱區(qū)(5)并與高摻雜P+ 環(huán)⑷相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，其特征在于，所述結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET是P溝道JFET器件，包括N+襯底(2)、N+襯底(2)背面的金屬化陰極(I)、N+襯底⑵正面的P_外延層(3);P_外延層(3)中具有高摻雜N+環(huán)(4)和廠阱區(qū)(5)； P—阱區(qū)(5)中具有若干并排的P—接觸區(qū)⑶和位于每個P—接觸區(qū)⑶中間部位的P+接觸區(qū)(6)，每相鄰兩個Ρ_接觸區(qū)⑶之間具有一個N+柵區(qū)(7)；所有的P+接觸區(qū)(6)以間隔的方式分別與源極金屬層(10)或漏極金屬層(11)相連，源極金屬層(10)和漏極金屬層(II)形成叉指電極結(jié)構(gòu)；整個P—外延層(3)表面除源極金屬層(10)和漏極金屬層(11)覆蓋的區(qū)域外所有區(qū)域覆蓋有氧化層(9)；所有N+柵區(qū)(7)延伸出Ρ_阱區(qū)(5)并與高摻雜N+ 環(huán)⑷相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，其特征在于，所述結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET是P溝道JFET器件，包括N+襯底(2)、N+襯底(2)背面的金屬化陰極(I)、N+襯底(2)正面的N_外延層(3);N_外延層(3)中具有高摻雜N+環(huán)(4)和P_阱區(qū)(5)； P—阱區(qū)(5)中具有若干并排的P—接觸區(qū)⑶和位于每個P—接觸區(qū)⑶中間部位的P+接觸區(qū)(6)，每相鄰兩個Ρ_接觸區(qū)⑶之間具有一個N+柵區(qū)(7)；所有的P+接觸區(qū)(6)以間隔的方式分別與源極金屬層(10)或漏極金屬層(11)相連，源極金屬層(10)和漏極金屬層(II)形成叉指電極結(jié)構(gòu)；整個外延層(3)表面除源極金屬層(10)和漏極金屬層(11)覆蓋的區(qū)域外所有區(qū)域覆蓋有氧化層(9)；所有N+柵區(qū)(7)延伸出P_阱區(qū)(5)并與高摻雜N+ 環(huán)⑷相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，其特征在于，所述電阻 (R)為阱電阻、多晶硅電阻或金屬電阻。
全文摘要
一種LED驅(qū)動用自反饋線性恒流器，屬于半導體功率技術(shù)領(lǐng)域。包括結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET和電阻R，所述電阻R一端與JFET源極相連，另一端與JFET的柵極相連。流經(jīng)電阻R的溝道電流Ireg在電阻R上產(chǎn)生的壓降VR加在JFET的柵極，一方面起到了對JFET自偏置作用，另一方面與JFET構(gòu)成了負反饋，使得輸出電流Ireg更加穩(wěn)定。本發(fā)明在寬電壓范圍下可保持LED亮度恒定，且在高輸入電壓時保護LED，使其免于過驅(qū)動，實現(xiàn)對LED的保護。本發(fā)明具有比開關(guān)穩(wěn)壓器成本低，比電阻型驅(qū)動器輸出更加穩(wěn)定的優(yōu)點。本發(fā)明可應(yīng)用于包括LED驅(qū)動的恒流驅(qū)動場合。
文檔編號H05B37/02GK102421224SQ20111026029
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者劉小龍, 張波, 張金平, 李婷, 李澤宏 申請人:電子科技大學