专利名称：一种半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，特别是功率晶体管器件在过载过热时控制其输出功率，降低其热失控而引起的损害；一种自动过热保护的功率晶体管半导体器件。
背景技术：
半导体功率器件，如双极功率晶体管、功率场效应管等，它们在实际使用过程中，经常会出现因各种原因造成的过热并最终因此而导致器件损坏。对应该种情况，一般设计人员会采取两种措施一是在其外围电器线路上增加过热保护电路，另一种是采用具有智能保护功能的功率器件(IPD、IPM)。在目前的条件下，采用这两种方法都会较高地增加用户的成本，特别是后一种方法，成本较高，降低了产品的性价比；前一种方法则需增加外围元件的个数，同时也会提高用户的成本及故障发生的概率。
此外，半导体晶体管功率器件过热情形的发生可由多种原因而产生，如器件过载、失控、热阻变化等。在此，我们发现功率器件的过热成为一个器件损坏的综合的因素，是一个非解决不可的问题。如何简单地、低成本地解决功率器件应用过程中过热的问题，是一个值得不断深入研究解决的课题。
发明内容
于是，本发明是鉴于上述课题而开发设计的，其解决方法是在晶体管功率器件内，尤其是在其制作的芯片衬底上设置一半导体温度感应元件及简单的半导体控制元件，达到能迅速感应器件的温度变化，及时控制器件的输出功率，保护器件的目的。
为了实现上述目的，本发明所述的半导体器件，其特征是在功率晶体管T1形成的芯片衬底上形成一反映其温度变化的半导体热敏电阻Rt；一恒流元件CRD，一控制晶体管T2。半导体热敏电阻Rt和一恒流元件CRD串联后通过功率晶体管T1的输出端引入外部电源，其电流流经半导体热敏电阻Rt及一恒流元件CRD，半导体热敏电阻Rt与恒流元件CRD连接端被输入另一设置的控制晶体管T2，控制晶体管T2的输出端最终控制功率晶体管T1的控制端与输出端。本发明所述的半导体器件的控制原理如图1所示。如图所示，当功率晶体管T1由于种种原因，其温度上升到某一极限值的过程中，由于半导体热敏电阻Rt与功率晶体管T1的热偶合很好，半导体热敏电阻Rt的阻值会同时随之变化，其一端的电压变化立即会输入到控制晶体管T2的输入端，并使其导通，控制晶体管T2的输出端由于接在了功率晶体管T1的控制端及地端，控制晶体管T2在导通的情形下可有效地降低功率晶体管T1控制端的工作电压，从而限制了功率晶体管T1的输出电流，保护了功率晶体管T1；当功率晶体管T1温度降低时，同样原因控制晶体管T2最终关闭，控制晶体管T2在不导通的情况下，对功率晶体管T1的工作状况没有影响。这样在必要时，器件就可有效地起到自我保护作用。
本发明所述的半导体器件，其特征是其所述的恒流元件CRD的一端与半导体热敏电阻Rt相连接，它们的另两端通过功率晶体管T1的两个外接端与外电源相连，它们的相交点与控制晶体管T2的控制端相连接；控制晶体管T2的另两端分别连接功率晶体管T2的控制端及输出端。如图1所示。
本发明所述的半导体器件，其所述的功率晶体管T1可以是双极功率晶体管。
本发明所述的半导体器件，其所述的功率晶体管T1可以是场效应功率晶体管。
本发明所述的半导体器件，其所述的恒流元件CRD是由场效应晶体管构成。
本发明所述的半导体器件，其所述的温度感应元件半导体热敏电阻Rt可以是正温度系数的半导体电阻。
本发明所述的半导体器件，其所述的温度感应元件半导体热敏电阻Rt可以是负温度系数的半导体电阻。
本发明所述的半导体器件，其所述的控制晶体管T2可以是场效应晶体管。
本发明所述的半导体器件，其所述的控制晶体管T2可以是双极晶体管。
本发明所述的半导体器件，其实现的方式是可以将上述所需元件集成在同一块芯片上。
本发明所述的半导体器件，其实现的方式是可以将上述所需元件的分立件集成在一块器件内。
本发明所述的半导体器件，其实现的方式是可以将上述两种方式的组合形式来实现。
通过以上本发明所述的器件的设置及具体技术参数的采用，我们可以以少的内部器件及低的制作成本，生产出具有过热保护功能的外围为三个端的功率晶体管半导体器件。该器件应用上亦与其它普通半导体功率晶体管兼容，可有效地降低用户成本，提高产品性价比。
图1 本发明半导体器件实现的电原理线路图。
图2 本发明半导体器件实现的电原理线路另一示意图。
图3 本发明半导体器件的剖面结构示意图。
图4 本发明半导体器件另一构成示意图。
图5 功率晶体管T1的剖面结构示意图。
图6 控制晶体管T2的剖面结构示意图。
图7 恒流元件CRD的剖面结构示意图。
图8 半导体热敏电阻Rt的剖面结构示意图。
图9 恒流元件CRD的接线图。
图10 N沟道耗尽型MOS管的转移特性图。
图11 恒流元件CRD的输出特性图。
图12 一半导体热敏电阻Rt的温度特性表。
图13 本发明器件实现的电原理线路另一接线图。
具体实施例方式
下面将结合附图对实施例加以说明。
实施例1这是一个将所需元件集成在一块芯片上的实施例，如图3所示。
我们首先来看图5所示的MOS场效应功率晶体管T1的剖面图。MOS场效应功率晶体管T1在此是常见的VDMOS管结构，G、D、S分别为其栅极、漏极、源极，图中14是芯片N型衬底，13为N-型半导体层，12及11分别是两次扩散工艺形成的P及N半导体层，10是二氧化硅层，15为金属电极，18为引出线。
控制晶体管T2的剖面图如图6所示，24为N型层衬底，23为N-型层22是在23上做成的一个P型阱，21及26分别是扩散工艺形成的N半导体层T2的S端和D端，20为二氧化硅，25为铝电极，28为引出线，这里T2为平面N沟道增强型MOS晶体管，它与上述MOS场效应功率晶体管T1工艺兼容，恒流元件CRD由N沟道耗尽型场效应晶体管构成。
恒流元件CRD的结构剖面图如图7所示，它也是在N型半导体衬底34基础上制作的，图中33为N-型层，32是个P型阱，在此基础上制作一N沟道的耗尽型MOS晶体管，30为二氧化硅，35为铝电极，36为耗尽层，38为引出线，它的工作的转移特性如图10所示。在图中可以看出，当VGS为零即晶体管G端和S端短接时IDS就有输出。从图11我们还可以看出在恒流元件CRD在VBO范围内IDS是恒流输出。在此设定恒流元件的电流值为一恒定值很方便的。
用不同类型的场效应管用不同方法可以组成两端恒流器件。现有成品恒流器件中，有结型场效应管制作成的，也有用MOS场效应晶体管制作成的恒流二极管，它们都可以为本例所用。恒流元件用CRD来表示。
CRD有几个特性在此是非常有用的它有较高的击穿电压VBO，一般为30到100伏它有较宽的动态阻抗，动态阻抗的定义是工作电压变化量与恒定电流的之比，当电流较小时可达数兆欧；它有较好的温度特性，如果选取合适的电流，还可获得很小的温度系数的恒定电流。
图8是半导体热敏电阻Rt在器件本实施例中的剖面图，它是在P型阱上做成的N型注入电阻，具有正温度系数的半导体本体电阻，即它的阻值随温度的上升而变大。图中44为N型层衬底，43为N-型层，42是在43上做成的一个P型阱，41为半导体本体电阻层构成的热敏电阻，40为二氧化硅，45为铝电极，48为引出线。
半导体电阻在硅制造工艺中是十分常见器件。它的温度系数与参杂浓度及工艺条件均有直接的关系。在此例中为了达到较好的参数要求，参杂浓度为C＝1016/厘米3，并采用离子注入的方法制作。注入电阻有较高的精度，一般在5％以内。在此例中电阻的阻值为150欧姆，它的温度特性如图12所示。
将以上图5、图6、图7、图8所述的元件制作在同一芯片上，如图3所示，本实施例为所选的最方便和经济的实例。图中01、02相对应为图5所示的T1，03相对应为图6所示的T2，04相对应为图7所示的CRD，05相对应为图8所示的Rt，07为N型层衬底，06为N-型层，08为二氧化硅，09为铝电极，10为引线。
在此，我们可以从图1的电原理图中看出设功率晶体管T1由于不明原因导致硅衬底温度升高，T1从常温上升到高温(如150摄氏度)的过程中，Rt阻值由150欧姆上升到了500欧姆，同时流经的电流基本不变为0.6毫安(恒流)，就是说T2的控制端由0.9伏上升到3伏，而T2的开启阀门电压即为3伏。当T2导通，功率晶体管T1的控制端立即被强制拉低电位，降低输出功率，可以避免功率晶体管T1的损坏。
当T2不导通时，功率晶体管T1的工作不受其它元件的影响。
在半导体功率晶体管受控温度值设置时，不同的生产商有所不同，有的设置在135摄氏度，有的设置在155摄氏度。在此范围内，本发明的构成特征足以能设计出符合要求的产品。
实施例2图4为本发明实施例的制作示意图。
为方便地配合本发明的本实施例在使用过程中所需的各项参数要求，本发明的特征包含将图3所示的器件分割成为各个独立的器件，如图5、图6、图7、图8所示，并用挑选好参数的半导体器件元件，再集成封装在同一的器件之内，制成成品。
在本实施例中，将功率晶体管T1与半导体热敏电阻Rt制作在一起，这样会有利与相互间的热偶合，并将依据实施例所需的参数要求，如实施例1中所述的要求，挑选好控制晶体管T2及恒流元件CRD，相互之间用导电金属丝焊接后封装而成。图中84为N型层衬底，83为N-型层，82及81分别是两次扩散工艺形成的P及N半导体层，86为半导体本体电阻层构成的热敏电阻Rt，87为N-型层上做成的一个P型阱，80为二氧化硅，85为铝电极，88为引出线，T2为控制晶体管，CRD为恒流元件。
在此，可以看出本发明的特征范围内，上述器件的各种形式的半导体元件组合均在本发明的保护范围内。
在本发明的实施过程中半导体热敏电阻Rt也可以制作成负温度系数的半导体电阻，因此它在本发明的实施中的连接方法如图13中所示。关于负温度系数的半导体电阻的制作，如PIP(Positive-Intrinsic-Positive)及NIN型负温度系数的半导体电阻，可参考有关资料。
在本发明的特征中，恒流元件CRD及半导体热敏电阻Rt的电源是通过功率晶体管T1的输出端来接入的，因此，该电源也可通过功率晶体管T1的漏极D及源极S引入，接法如图13所示。图中R1为降压电阻，它是参杂浓度较高的半导体电阻，其温度系数相对于Rt温度系数很小，R2为电流限制电阻，T1为双极绝缘栅晶体管(IGBT)。
显然。本发明不限于上述实施例，所做的各种修改和变更都在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种半导体器件，其特征是具备一半导体功率晶体管T1，一场效应控制晶体管T2，一半导体热敏电阻Rt，一晶体管场效应管连接而成的恒流元件CRD。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于功率晶体管T1包括场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于功率晶体管T1包括双极晶体管。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于控制晶体管T2包括场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于控制晶体管T2包括双极晶体管。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于半导体热敏电阻Rt为正温度系数半导体电阻。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于半导体热敏电阻Rt为负温度系数半导体电阻。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于半导体热敏电阻Rt与恒流器件CRD串联成一电流回路；它们的连接端与控制晶体管T2的控制端相连，它们的另两端通过功率晶体管T1的两端与外电源相连接。功率晶体管T1的两端分别为栅极和源级或漏极和源极；相应地它们也可以是基极和发射极或者集电极和发射极。
9.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于控制晶体管T2的两输出端分别连接功率晶体管T1的控制端及输出端。
10.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于所属半导体功率晶体管T1，控制晶体管场效应管T2，半导体热敏电阻Rt，晶体管场效应管连接而成的恒流元件CRD，制作在同一半导体衬底之上。
11.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于所属半导体功率晶体管T1，控制晶体管T2，半导体热敏电阻Rt，场效应晶体管连接而成的恒流元件CRD，为分立元件或组合元件，制作在同一半导体器件之中。
全文摘要
一种半导体器件，它由功率晶体管T1，控制晶体管T2，恒流元件CRD及半导体热敏电阻Rt构成。半导体热敏电阻Rt与恒流元件CRD相互串联并通过功率晶体管T1的输出端引入外电源，它们的连接端与控制晶体管T2的控制端相连，控制晶体管T2的两个输出端分别与功率晶体管T1的控制端及地端相连。当功率晶体管T1由于某种应用导致器件温度上升到极限值的过程中，半导体热敏电阻Rt的阻值也随之上升，同时恒流元件CRD的电流仍保持基本不变，使控制晶体管T2输入端的电位上升直至导通，最终使功率晶体管T1的控制端电位降低，亦即降低了功率晶体管T1的输出功率，从而避免了功率晶体管T1的损坏。在控制晶体管T2没有导通时，功率晶体管T1的工作状态不受其它元件的影响。因此，本半导体器件是一种具备了过热自动保护功能的功率半导体器件。
文档编号H01L23/58GK1812097SQ20051000669
公开日2006年8月2日 申请日期2005年1月27日 优先权日2005年1月27日
发明者杨越培 申请人:杨越培