专利名称：一种led驱动用自反馈线性恒流器的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及LED照明的驱动技术。
背景技术：
由于LED具有使用寿命长、无污染、低功耗的特性，可以满足高效能、无汞化、多元化和艺术化的当今世界照明领域的发展需要。伴随着LED研发的迅速更新，LED的应用领域从最初简单的电器指示灯、LED显示屏发展到了 LED背光源、景观照明、室内装饰灯等其他领域，尤其在汽车尾灯、广告牌、装饰照明、电冰箱和洗衣机照明等应用中，LED正在大量替代原有的氖灯及钨丝灯泡因而具有巨大的市场潜力。但LED的驱动器设计面临着不少挑战，一方面如LED的亮度会随着电流及温度的变化而漂移；另一方面，市场需求更经济更环保的LED驱动方案。目前，市场上典型的LED驱动器有三类开关稳压器、线性稳压器和电阻型驱动器。其中，开关稳压器的能效高，并提供极佳的亮度控制，但同时价格也相对较高；线性稳压器结构比较简单，易于设计，提供稳流及过流保护，具有外部电流设定点，且没有电磁兼容性(EMC)问题；电阻型驱动器利用电阻这样的简单分立器件，限制LED串电流，价格较低，同样易于设计，且没有EMC问题。在诸如汽车尾灯的LED应用中，开关稳压器设计复杂，存在电磁干扰，不太适合，线性稳压器不太经济实惠；电阻型驱动器成本较低且结构简单，但这种驱动器的工作电流和工作电压呈线性关系，在低电压条件下，正向电流较低，会导致LED亮度不足，高电压下，通过LED的电流很高，且在负载突降等瞬态条件下，LED可能受损。因此， 希望能够有一种比开关稳压器和普通线性稳压器经济、但在性能上又比电阻型驱动高出许多的驱动方案。本发明提供一种高性价比及可靠的LED驱动方案，例如在交流电压增加时仍保持恒流输出、达到LED阈值电压后LED导通无延迟、低电压时LED保持明亮，以及保持LED免受电压浪涌影响等。
发明内容
本发明提供一种发光二极管(LED)驱动用自反馈线性恒流器。该自反馈线性恒流器在宽电压范围下可保持LED亮度恒定，且在高输入电压时保护LED，使其免于过驱动，实现对LED的保护；同时，该自反馈线性恒流器具有比开关稳压器成本低，且无电阻型驱动器输出不稳定的优点。本发明技术方案如下一种LED驱动用自反馈线性恒流器，如图1所示，包括一个结型场效应晶体管JFET 和一个电阻R ；所述电阻R的一端与结型场效应晶体管JFET的源端S相连，所述电阻R的另一端与结型场效应晶体管JFET的栅端G相连。因为结型场效应晶体管JFET和电阻R具有工艺兼容性，所以可集成于同一芯片上，构成自反馈线性恒流器；其基本工艺步骤为材料制备、多晶硅的淀积与刻蚀、离子注
4入与推阱、刻蚀接触孔、金属的淀积与刻蚀。本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器，以其中JFET器件为N沟道JFET为例，其工作原理可描述如下如图1(a)所示，所述电阻R的一端与结型场效应晶体管JFET的源端S相连，所述电阻R的另一端与结型场效应晶体管JFET的栅端G相连，负载LED连接于电源Vin的负极与结型场效应晶体管JFET的栅端G之间，电源Vin的正极与结型场效应晶体管JFET的漏端D相连。起始状态，JFET的漏源电压Vds为零，流过JFET的电流Id也为零，电阻R上的压降\等于JFET的源栅电压Vse也为零。当Vds增大时，JFET处于线性区并且Id逐渐增大， Vsg也增大。由于VDe = VDS+VSG,因此JFET将随着漏端电位的升高而首先在栅极靠近漏端的地方发生沟道夹断，从而达到电流饱和。电阻R不仅起着给JFET提供栅压的作用，而且与 JFET 一起构成负反馈使得JFET输出阻抗更大，饱和电流更平稳。实际情况下，JFET进入饱和区后由于沟道长度调制效应以及漏区静电场对沟道区的反馈作用使得JFET的沟道电流 Id并不饱和，也即流经电阻R的电流会有所增大，使得Vk = -Vgs也增大，然而由N沟道JFET 的输出特性知Ves越负，电流Id越小，因此电阻R实际上与JFET构成一道负反馈，使得JFET 饱和电流稳定。JFET的饱和电流经由电阻R流出后给负载LED提供恒定的电流，在应用中这电流称为I·。同时JFET输出电流具有负温特性，从而保证了芯片的可靠性。特定电流下的该线性恒流器的开启电压将由多晶硅电阻R的阻值和JFET的阈值电压决定。同样，本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器，其JFET器件也可以是P沟道 JFET，如图1(b)所示，所述电阻R的一端与结型场效应晶体管JFET的源端S相连，所述电阻R的另一端与结型场效应晶体管JFET的栅端G相连，负载LED连接于电源Vin的正极与结型场效应晶体管JFET的栅端G之间，电源Vin的负极与结型场效应晶体管JFET的漏端 D相连。其工作原理与前述N沟道JFET相似。综上所述，本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器在宽电压范围下可保持 LED亮度恒定，且在高输入电压时保护LED，使其免于过驱动，实现对LED的保护；同时，该自反馈线性恒流器具有比开关稳压器成本低，且无电阻型驱动器输出不稳定的优点。
图1是本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器的电路结构示意图。包含一个 N沟道JFET和一个多晶硅电阻R。图2是本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器中的N沟道JFET结构示意图。 其中1为金属化阴极，2为P+(或N+)衬底，3为N—(或P—)外延层，4为高掺杂P+(或N+)环， 5为(或Ρ_)阱区，6为N+(或P+)接触区，7为P+(或N+)栅区，8为(或Ρ_)接触区，9为氧化层，10为N+(或P+)接触区6表面的JFET源极金属层，11为N+(或P+)接触区6表面的 JFET漏极金属层，12为电阻R，13为连接电阻R与P+(或N+)环4的栅金属层。图3是本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器的核心器件JFET的电学特性仿真曲线图，仿真条件为室温下，栅压Vgs = 0V，其中V(Clrain)表示漏端电压，i (drain)表示漏端电流。图4是本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器的仿真结果，其中Vak表示该恒流器阴阳两极间的电压，Ieeg表示该恒流器的输出电流。
图5是本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器的温度仿真结果，其中Vak表示该恒流器阴阳两极间的电压，Ieeg表示该恒流器的输出电流。
具体实施例方式一种LED驱动用自反馈线性恒流器，如图1所示，包括一个结型场效应晶体管JFET 和一个电阻R ；所述电阻R的一端与结型场效应晶体管JFET的源端S相连，所述电阻R的另一端与结型场效应晶体管JFET的栅端G相连。所述结型场效应晶体管JFET和所述电阻 R集成于同一芯片上(如图2所示)，构成自反馈线性恒流器。所述结型场效应晶体管JFET可以是N沟道JFET器件，也可以是P沟道JFET器件。当结型场效应晶体管JFET是N沟道JFET器件时，所述N沟道JFET器件包括P+衬底2、P+衬底2背面的金属化阴极1、P+衬底2正面的N—外延层3 ；N—外延层3中具有高掺杂P+环4和N—阱区5 ；N"阱区5中具有若干并排的N—接触区8和位于每个N—接触区8中间部位的N+接触区6，每相邻两个N—接触区8之间具有一个P+栅区7 ；所有的N+接触区6 以间隔的方式分别与源极金属层10或漏极金属层11相连，源极金属层10和漏极金属层11 形成叉指电极结构；整个N—外延层3表面除源极金属层10和漏极金属层11覆盖的区域外所有区域覆盖有氧化层9 ；所有P+栅区7延伸出N_阱区5并与高掺杂P+环4相连。 当结型场效应晶体管JFET是N沟道JFET器件时，所述N沟道JFET器件包括P+衬底2、P+衬底2背面的金属化阴极1、P+衬底2正面的P—外延层3 ；P—外延层3中具有高掺杂P+环4和N—阱区5 ；N"阱区5中具有若干并排的N—接触区8和位于每个N—接触区8中间部位的N+接触区6，每相邻两个N—接触区8之间具有一个P+栅区7 ；所有的N+接触区6 以间隔的方式分别与源极金属层10或漏极金属层11相连，源极金属层10和漏极金属层11 形成叉指电极结构；整个P—外延层3表面除源极金属层10和漏极金属层11覆盖的区域外所有区域覆盖有氧化层9 ；所有P+栅区7延伸出Ν_阱区5并与高掺杂P+环4相连。当结型场效应晶体管JFET是P沟道JFET器件时，所述P沟道JFET器件包括N+衬底2、N+衬底2背面的金属化阴极1、N+衬底2正面的Ρ_外延层3 ;Ρ_外延层3中具有高掺杂N+环4和P—阱区5 ；P—阱区5中具有若干并排的P—接触区8和位于每个P—接触区8中间部位的P+接触区6，每相邻两个Ρ_接触区8之间具有一个N+栅区7 ；所有的P+接触区6 以间隔的方式分别与源极金属层10或漏极金属层11相连，源极金属层10和漏极金属层11 形成叉指电极结构；整个P—外延层3表面除源极金属层10和漏极金属层11覆盖的区域外所有区域覆盖有氧化层9 ；所有N+栅区7延伸出Ρ_阱区5并与高掺杂N+环4相连。当结型场效应晶体管JFET是P沟道JFET器件时，所述P沟道JFET器件包括N+衬底2、N+衬底2背面的金属化阴极1、N+衬底2正面的Ν_外延层3 ;Ν_外延层3中具有高掺杂N+环4和P—阱区5 ；P—阱区5中具有若干并排的P—接触区8和位于每个P—接触区8中间部位的P+接触区6，每相邻两个Ρ_接触区8之间具有一个N+栅区7 ；所有的P+接触区6 以间隔的方式分别与源极金属层10或漏极金属层11相连，源极金属层10和漏极金属层11 形成叉指电极结构；整个N—外延层3表面除源极金属层10和漏极金属层11覆盖的区域外所有区域覆盖有氧化层9 ；所有N+栅区7延伸出Ρ_阱区5并与高掺杂N+环4相连。图3是本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器的核心器件N沟道JFET的元胞的电学特性仿真曲线图，仿真条件为室温下，Ves = 0V。由图中可以看出其线电流在8. 0e-6A/um附近，曲线较为平稳。图4是本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器(核心器件为N沟道JFET)的仿真结果，从图中可以看出，由于栅压负反馈的作用，曲线较图6中的I-V特性曲线更加平稳。阴极到阳极电压Vak在IOv到120v的范围内，输出电流Ireg能够基本稳定在35mA，起到了恒流的效果。图5是本发明提供的LED驱动用自反馈线性恒流器(核心器件为N沟道JFET)的温度仿真结果，从图中可以看出，该恒流器具有负温特性，变化率约为0. 01mA/°C应当说明的是，本发明所提供的LED驱动用自反馈线性恒流器其输出电流、开启电压和器件耐压皆由工艺参数决定，调节工艺参数将能够获得不同恒流值和耐压的自反馈线性恒流器。另外，本发明并不局限于LED驱动用，其他需要恒定直流电流驱动的场合都可应用。
权利要求
1.一种LED驱动用自反馈线性恒流器，包括一个结型场效应晶体管(JFET)和一个电阻 (R)；所述电阻(R)的一端与结型场效应晶体管(JFET)的源端⑶相连，所述电阻(R)的另一端与结型场效应晶体管(JFET)的栅端(G)相连。
2.根据权利要求1所述的LED驱动用自反馈线性恒流器，其特征在于，所述结型场效应晶体管(JFET)和电阻(R)集成于同一芯片上。
3.根据权利要求1或2所述的LED驱动用自反馈线性恒流器，其特征在于，所述结型场效应晶体管JFET是N沟道JFET器件，包括P+衬底(2)、P+衬底(2)背面的金属化阴极(I)、P+衬底(2)正面的N_外延层(3);N_外延层(3)中具有高掺杂P+环(4)和N-阱区(5)； N—阱区(5)中具有若干并排的N—接触区⑶和位于每个N—接触区⑶中间部位的N+接触区(6)，每相邻两个N_接触区⑶之间具有一个P+栅区(7)；所有的N+接触区(6)以间隔的方式分别与源极金属层(10)或漏极金属层(11)相连，源极金属层(10)和漏极金属层(II)形成叉指电极结构；整个外延层(3)表面除源极金属层(10)和漏极金属层(11)覆盖的区域外所有区域覆盖有氧化层(9)；所有P+栅区(7)延伸出N_阱区(5)并与高掺杂P+ 环⑷相连。
4.根据权利要求1或2所述的LED驱动用自反馈线性恒流器，其特征在于，所述结型场效应晶体管JFET是N沟道JFET器件，包括P+衬底(2)、P+衬底(2)背面的金属化阴极(I)、P+衬底(2)正面的P_外延层(3);P_外延层(3)中具有高掺杂P+环(4)和N-阱区(5)； N—阱区(5)中具有若干并排的N—接触区⑶和位于每个N—接触区⑶中间部位的N+接触区(6)，每相邻两个N_接触区⑶之间具有一个P+栅区(7)；所有的N+接触区(6)以间隔的方式分别与源极金属层(10)或漏极金属层(11)相连，源极金属层(10)和漏极金属层(II)形成叉指电极结构；整个P—外延层(3)表面除源极金属层(10)和漏极金属层(11)覆盖的区域外所有区域覆盖有氧化层(9)；所有P+栅区(7)延伸出Ν_阱区(5)并与高掺杂P+ 环⑷相连。
5.根据权利要求1或2所述的LED驱动用自反馈线性恒流器，其特征在于，所述结型场效应晶体管JFET是P沟道JFET器件，包括N+衬底(2)、N+衬底(2)背面的金属化阴极(I)、N+衬底⑵正面的P_外延层(3);P_外延层(3)中具有高掺杂N+环(4)和厂阱区(5)； P—阱区(5)中具有若干并排的P—接触区⑶和位于每个P—接触区⑶中间部位的P+接触区(6)，每相邻两个Ρ_接触区⑶之间具有一个N+栅区(7)；所有的P+接触区(6)以间隔的方式分别与源极金属层(10)或漏极金属层(11)相连，源极金属层(10)和漏极金属层(II)形成叉指电极结构；整个P—外延层(3)表面除源极金属层(10)和漏极金属层(11)覆盖的区域外所有区域覆盖有氧化层(9)；所有N+栅区(7)延伸出Ρ_阱区(5)并与高掺杂N+ 环⑷相连。
6.根据权利要求1或2所述的LED驱动用自反馈线性恒流器，其特征在于，所述结型场效应晶体管JFET是P沟道JFET器件，包括N+衬底(2)、N+衬底(2)背面的金属化阴极(I)、N+衬底(2)正面的N_外延层(3);N_外延层(3)中具有高掺杂N+环(4)和P_阱区(5)； P—阱区(5)中具有若干并排的P—接触区⑶和位于每个P—接触区⑶中间部位的P+接触区(6)，每相邻两个Ρ_接触区⑶之间具有一个N+栅区(7)；所有的P+接触区(6)以间隔的方式分别与源极金属层(10)或漏极金属层(11)相连，源极金属层(10)和漏极金属层(II)形成叉指电极结构；整个外延层(3)表面除源极金属层(10)和漏极金属层(11)覆盖的区域外所有区域覆盖有氧化层(9)；所有N+栅区(7)延伸出P_阱区(5)并与高掺杂N+ 环⑷相连。
7.根据权利要求1或2所述的LED驱动用自反馈线性恒流器，其特征在于，所述电阻 (R)为阱电阻、多晶硅电阻或金属电阻。
全文摘要
一种LED驱动用自反馈线性恒流器，属于半导体功率技术领域。包括结型场效应晶体管JFET和电阻R，所述电阻R一端与JFET源极相连，另一端与JFET的栅极相连。流经电阻R的沟道电流Ireg在电阻R上产生的压降VR加在JFET的栅极，一方面起到了对JFET自偏置作用，另一方面与JFET构成了负反馈，使得输出电流Ireg更加稳定。本发明在宽电压范围下可保持LED亮度恒定，且在高输入电压时保护LED，使其免于过驱动，实现对LED的保护。本发明具有比开关稳压器成本低，比电阻型驱动器输出更加稳定的优点。本发明可应用于包括LED驱动的恒流驱动场合。
文档编号H05B37/02GK102421224SQ20111026029
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者刘小龙, 张波, 张金平, 李婷, 李泽宏 申请人:电子科技大学