一种高耐压PNP型防反灌功率驱动器及其制造方法与流程

本发明涉及一种外扩用功率驱动器及其制造方法，尤其是涉及一种高耐压PNP型防反灌功率驱动器及其制造方法。

背景技术：

随着功率器件的不断发展进步，应用电路也越来越复杂，对控制电路和驱动技术的要求也越来越高。虽然单个功率器件的效率提高了、控制简化了，但电路的复杂性给使用者提出了新的要求，因此需要提供一种集成的高耐压功率驱动器。

LDO(低压差线性稳压器)的基本工作原理是这样的：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上，同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变。

现有的LDO电源反灌电流产生的原因，通常是在供电时开关机的瞬间，实际应用中会出现短时间的输出电压高于输入电压的情况，由于输出端连接了较大电容值的稳压电容，电流会通从输出端向输入端反向流动，从而可能造成对功率驱动器或前极电路的损坏。目前通常防反灌的办法是在输入端外接分立元器件，可以使用二极管或MOS管，然而这种方式性价比低，可靠性低，因此如何设计一种高耐压并自带电流防反灌功能的功率驱动器是一个重要问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高耐压PNP型防反灌功率驱动器及其制造方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高耐压PNP型防反灌功率驱动器，该功率驱动器包括PNP管和上拉电阻，所述的上拉电阻的一端连接至所述PNP管的发射极且另一端连接至所述PNP管的基极，用以实现所述基极的电位上拉，所述的PNP管发射极为功率驱动器的输入端，所述PNP管基极为所述的功率驱动器的控制端，所述的功率驱动器还包括一个防反灌二极管，防反灌二极管阳极连接所述的PNP管的集电极，防反灌二极管阴极为功率驱动器的输出端。

所述的PNP管为纵向PNP管。

所述的PNP管正向耐压为40V，最大驱动电流为1A。

所述的上拉电阻为阻值为与PNP管在同一制造工艺过程中实现的上拉电阻。

所述的防反灌二极管为采用衬底外延材料制作的并与PNP管以及上拉电阻在在同一制造工艺过程中实现的防反灌二极管。

一种高耐压PNP型防反灌功率驱动器的制造方法，该方法包括如下步骤：

(1)选取N+/P-型外延衬底，外延衬底的P-层作为PNP管的集电极和防反灌二极管的阳极，外延衬底的N+层作为防反灌二极管的阴极；

(2)在N+/P-型外延衬底上选取PNP区和电阻区，分别在PNP区和电阻区两侧通过光刻注入形成P型下隔离；

(3)沉积N-外延，分别在PNP区和电阻区形成由所述的P型下隔离隔断形成两个N-外延岛：

(4)在所述P型下隔离上形成P型上隔离；

(5)在所述的两个N-外延岛上形成多个n+区，所述PNP区中的n+区作为PNP管的基极，所述电阻区中至少形成两个n+区，分别用作上拉电阻的两个接触端；

(6)在所述PNP区中的N-外延岛上形成多个p+区，所述的p+区作为PNP管的发射极；

(7)将PNP管基极、PNP管发射极和防反灌二极管的阴极引出，将PNP管发射极作为功率驱动器的输入端，防反灌二极管阴极作为功率驱动器的输出端，PNP管基极作为功率驱动器的控制端。

步骤(1)中选取N+/P-型外延衬底时根据功率驱动器输出端的电压值的要求来确定N+/P-型外延材料的浓度配比，使防反灌二极管反向耐压大于功率驱动器的输出电压，防反灌二极管反向耐压为10V。

步骤(3)中沉积N-外延时调节N-的浓度和厚度使得所述的PNP管的beta值在0.5A驱动电流时大于50，且所述的PNP管正向耐压为40V。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明功率驱动器通过设置PNP管、上拉电阻和防反灌二极管，从而提供了一种高增益高耐压并具有防电流反灌功能的功率驱动器；

(2)本发明通过在功率驱动器内部集成防反灌二极管达到电流防反灌功能，比起传统的采用独立的晶体管来实现电流防反灌功能，本发明节约了成本，大幅提升性价比和可靠性；

(3)本发明功率驱动器制造方法是对传统Bipolar工艺的简化，省略了传统Bipolar工艺中的基区和发射区推进工艺比通常的Bipolar工艺简化30％，流片周期短，成本低廉；

(4)本发明选取N+/P-型外延衬底，利用N+/P-型外延衬底存在PN结，从而材料本身的特性形成本发明功率驱动器中的防反灌二极管，可以选取合适的P-层外延浓度和厚度，从而兼顾纵向PNP三极管集电极串联电阻和B、C结耐压，以及纵向防反灌二极管的反向耐压，实现简单方便，成本低；

(5)本发明功率驱动器制造方法中通过调节N-的浓度和厚度从而使得PNP管正向耐压为40V，方法简单，实现方便；

(6)本发明功率驱动器制造方法中上拉电阻通过N-外延岛实现，电阻值精准，电阻值可以根据设计需要，通过版图尺寸进行调整。

附图说明

图1为本发明功率驱动器的结构示意图；

图2为本发明功率驱动器的制造方法的流程框图；

图3为本发明功率驱动器的剖面结构示意图；

图4为本发明功率驱动器在LDO外扩方案应用电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种高耐压PNP型防反灌功率驱动器，该功率驱动器包括PNP管和上拉电阻，上拉电阻的一端连接至所述PNP管的发射极且另一端连接至所述PNP管的基极，用以实现所述基极的电位上拉，PNP管发射极为功率驱动器的输入端，PNP管基极作为该功率驱动器的控制端，功率驱动器还包括一个防反灌二极管，防反灌二极管阳极连接PNP管的集电极，防反灌二极管阴极为功率驱动器的输出端。图1中R为上拉电阻，D为防反灌二极管，B为PNP管的基极，E为PNP管的发射极，C为PNP管的集电极。PNP管为纵向PNP管。PNP管正向耐压为40V，最大驱动电流为1A。上拉电阻阻值为2K欧姆。上拉电阻作用是对PNP管的基极电位上拉，确保PNP管初始状态关断，防反灌二极管起防反灌作用。

如图2所示为本发明一种高耐压PNP型防反灌功率驱动器的制造方法的流程图，该方法包括如下步骤：

步骤1：选取N+/P-型外延衬底，外延衬底的P-层作为PNP管的集电极和防反灌二极管的阳极，外延衬底的N+层作为防反灌二极管的阴极；

步骤2：在N+/P-型外延衬底上选取PNP区和电阻区，分别在PNP区和电阻区两侧通过光刻注入形成P型下隔离；

步骤3：沉积N-外延，分别在PNP区和电阻区形成由P型下隔离隔断形成两个N-外延岛：

步骤4：在所述P型下隔离上形成P型上隔离；

步骤5：在两个N-外延岛上形成多个n+区，所述PNP区中的n+区作为PNP管的基极，所述电阻区中至少形成两个n+区，分别用作上拉电阻的两个接触端；

步骤6：在所述PNP区中的N-外延岛上形成多个p+区，p+区作为PNP管的发射极；

步骤7：将PNP管基极、PNP管发射极和防反灌二极管的阴极引出，将PNP管发射极作为功率驱动器的输入端，防反灌二极管阴极作为功率驱动器的输出端，PNP管基极作为该功率驱动器的控制端。

步骤1中选取N+/P-型外延衬底时根据功率驱动器输出端的电压值的要求来确定N+/P-型外延材料的浓度配比，使防反灌二极管反向耐压大于驱动器的输出电压，防反灌二极管反向耐压为10V。

步骤3中沉积N-外延时调节N-的浓度和厚度使得PNP管的beta值在0.5A驱动电流时大于50，且PNP管正向耐压为40V。

如图3所示，为本发明功率驱动器的剖面结构示意图，PNP管采纵向的PNP结构实现，集电极是衬底的P-外延层，和防反灌二极管的正极共用同一层，防反灌二极管的负极是衬底的N+层，采用定制的N+/P-型外延基材，兼顾考虑PNP管集电极串联电阻和B、C结耐压以及防反灌二极管反向耐压。在N+/P-型外延基材上制作N-型外延层，通过控制工艺中N-外延层的电阻率和厚度，以及P+型发射区注入和退火条件，精确控制发射极结深，达到纵向PNP管beta和BVCE0的最佳折中，典型beta值在0.5A驱动电流时大于50，对应的芯片面积为0.4mm²，同时BVCE0大于40V。电阻采用P型隔离圈出的分离N-外延岛实现，电阻阻值2Kohm。防反灌二极管反向耐压为10V。

本发明同时实现大功率纵向二极管、纵向功率PNP管和上拉电阻的工艺流程图。该工艺一共7次光刻，工艺简单，流片成本低廉。首先是采用定制的N+/P-型外延基片材料，基片的N+部分是防反灌二极管的负极，用作功率驱动器的输出端，在满足防反灌二极管反向耐压要求的前提下应尽量浓，这样可以降低串联电阻，提高功率驱动器的驱动性能，基片的P-部分同时作为功率PNP管的集电极和防反灌二极管的正极，N+/P-型外延基材的选取，需兼顾考虑PNP管集电极串联电阻和B、C结耐压以及防反灌二极管反向耐压。BP是P型下隔离，通过光刻选择注入到特定位置，起隔断N-外延岛的作用。N-外延的浓度和厚度非常关键，直接影响功率PNP管的beta和耐压，通过试验调整，可以达到典型beta值在0.5A驱动电流时大于50，对应的芯片面积为0.4mm²，同时正向耐压大于40V。DP是P型上隔离，和下隔离BP对通后，圈出不同N-外延岛，分别用作PNP管基区和上拉电阻。N+区域光刻注入，同时做PNP管的基区引出和上拉电阻的接触端引出。P+区域光刻注入，用作功率PNP管的发射极和引出，通过微调注入后的退火热过程，可精确控制发射极结深，兼顾大功率纵向PNP管的增益和耐压，使之达到最佳平衡。最后完成钝化压点工艺和减薄背金，外扩功率驱动器芯片的输出端从衬底引出。

本发明功率驱动器的制造方法是简化的Bipolar工艺：1)省略了传统Bipolar工艺中的基区和发射区推进工艺，PNP管是耐高压纵向双极器件；2)省略了集电区深磷工艺，功率PNP管的集电极和防反灌二极管的正极共用外延基材的P-层；3)外延基材的N+层作为防反灌二极管的负极，通过TiNiAg背金技术形成良好的欧姆接触后，用于制作驱动器的输出端；4)在N+/P-型外延衬底材料上制作N-型外延层，通过调整N-型外延层的厚度和电阻率，精确控制大功率纵向PNP管的增益和耐压，最终达到高增益高耐压的最佳平衡，目前可以做到最高耐压达40V以上，最大电流可超过0.5V@1A，典型beta值大于50；5)采用单独的隔离岛N-外延层来制作高精度的2K欧姆上拉电阻，该电阻值可以方便地通过修改版图尺寸来进行调整。

本发明的功率驱动器适合LDO外扩应用，可以提供较大电流驱动能力，同时可以满足LDO的稳压功能。如图4所示，为本发明高耐压PNP型防反灌功率驱动器在LDO外扩方案应用电路示意图，LDO输入接在PNP管的B极，LDO输出接在防反灌二极管的负极作为外扩后输出的Vout端，PNP管的E极作为外扩应用的输入的Vin端，输入电容Cin接在Vin和GND之间，输出电容Cout接在Vout和GND之间。上述LDO外扩方案应用电路的基本原理：功率驱动器的纵向功率PNP三极管，是一种基本的电流放大型功率器件，集成的上拉电阻使其初始状态为关，集成的防倒灌二极管使其具备防反灌功能，当输出端电位高于输入端时电流不会倒流。使用低功耗的LDO芯片来对功率驱动器中的PNP三极管的基极电流实行控制，同时用LDO的输出端来采样功率驱动器输出端电压，使驱动器输出电压保持为LDO的输出电压值，整个闭环回路构成稳定的负反馈，功率驱动器相当于LDO的外置的电流放大调整管。该功率驱动器中的PNP管要求达到高耐压、高增益、大电流的应用设计目标。并接在PNP管E极和B极上的电阻，当此外扩应用处在空载或极轻负载的情况下时，将保证功率PNP管处于确定的关断状态，当外扩应用的负载开始增大，电阻上流过电流后产生压降达到VBE阈值，此时PNP管打开进入电流驱动的工作状态。串联在PNP管集电极的防反灌二极管实现防反灌的功能。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。