低電容瞬變電壓抑制器的製作方法

2023-07-31 19:55:21 1

專利名稱：低電容瞬變電壓抑制器的製作方法
技術領域：
本發明屬於固態裝置電路領域，且更明確地說，屬於基於二極體的瞬變電壓抑制器 電路領域。
背景技術：
P型雜質連同N型雜質併入到半導體材料中的PN二極體仍然是比較重要的裝置。P 型雜質是一種其中存在過量的空穴或被視為正的可移動電荷的雜質，且因此P對應於正， 而N型雜質是其中存在過量的負的可移動電荷的雜質，因此N對應於負。PN二極體的 電氣性能的關鍵是結，其中P型和N型雜質在半導體材料中具有相同濃度。在這點的任 一側，半導體材料是P型或N型。可以許多方式來實現此結構，但在每種情況下，PN 二極體都具有非常類似的電流-電壓特徵。在外部電壓置於PN二極體上的正向偏置的條 件下，二極體容易傳導電流，而在反向偏置模式下，二極體傳導非常低的電流，直到達 到被稱為擊穿電壓的特定電壓為止，其中二極體再次開始傳導較高值的電流。此擊穿電 壓是臨界點，因為PN 二極體在高電壓和高電流兩者下操作，所以所述PN二極體經歷 較高的功率，且因此如果這種高功率條件持續相當長的時間周期，那麼PN二極體可能 會毀壞。擊穿電壓被認為是PN二極體的關鍵最大額定值，如最大持續功率和最大電流
是正向偏置條件下的關鍵最大額定值一樣。
PN二極體充當良好的整流器，其中所述PN二極體用於將AC電壓轉換成DC電壓。 PN二極體的此特徵對於以下產品極為重要車用交流發電機(automotive alternator)、
用於可攜式設備的電池充電器和用於所有類型的電子系統的電源。
PN二極體中所使用的關鍵半導體材料是矽，其可經處理以產生多種PN二極體，每 一種經優化以用於特定應用。早期所需的一種此類應用是瞬變電壓抑制器，因為高電壓 峰值可嚴重破壞和毀壞電子系統。早期在電話系統中曾注意到這個問題，所述電話系統 被導致破壞性電壓峰值的雷擊擊中。需要一種裝置，所述裝置可越過電子裝置的輸入而 放置，在超過某一電壓電平時，所述裝置將接通，且通過這種保護性裝置轉移那個高電 壓和由此引起的能量，所述保護性裝置被稱為瞬變電壓抑制器。
所述瞬變電壓抑制器使用PN 二極體的擊穿電壓特徵來提供電子產業所需的保護性 功能。對PN二極體的特殊處理實現了擊穿電壓被控制在值足夠低的電平處的裝置，以
便保護更靈敏的固態電子裝置，而同時這些特殊的PN 二極體能夠安全地耗散與高電壓 峰值相關聯的功率。隨著逐漸發展的固態電子器件變得更快、更小且在更低的電壓電平 下操作，與電壓瞬變相關的問題增加。現在連同由於多種原因引起的輸電線中的浪湧問 題，固態電子裝置具有同樣由於多種原因(但常與電子裝置或系統的處置相關聯)而引 起的與靜電放電相關的問題。現在已經建立了被收容在許多不同封裝中並具有不同電氣 特徵的整個系列的瞬變電壓抑制器，以解決保護靈敏電子器件免受電壓瞬變的多種需 要。
對瞬變電壓抑制器的製造者造成難題的一個電氣特徵是與抑制器相關聯的電容，這 引起安裝有所述抑制器的系統中的問題。因為所述電容直接與PN 二極體的有效面積相 關，所以難以減小瞬變電壓抑制器PN二極體的電容。所述有效面積直接與瞬變電壓抑
制器可耗散的功率的量相關，當然，所述功率的量是使用所述瞬變電壓抑制器的過程中
的關鍵性參數。為了減小瞬變電壓抑制器的電容，製造者通過將PN二極體整流器添加 到瞬變電壓抑制器PN二極體來修改所述抑制器。此添加利用以下事實根據眾所周知
的等式，兩個單獨電容串聯起到減小總電容的作用。在第3,372,285號美國專利中可查 看到此類電路的實例。如可查看到，兩個PN二極體越過兩個電路線以背對背配置連接， 使得一個二極體可容易地傳導在一個方向上流動的電流，但另一個二極體用以阻擋所述 電流，因為所述二極體被反向偏置。只有在瞬變電壓超過瞬變電壓抑制器PN二極體的 擊穿電壓，且PN整流器二極體被正向偏置且容易傳導電流時，這兩個PN 二極體電路 才容易地傳導電流。顯然，此電路只能在一個方向上防止電壓瞬變。可構造使用總共四 個PN二極體、兩個瞬變抑制器二極體和兩個整流器二極體的類似電路，以在任一方向 上提供對電壓瞬變的瞬變抑制。
電路中的這種用以減小電容的改變在整個業界得到廣泛使用，其中PN二極體整流 器作為除PN瞬變抑制器二極體之外的另一關鍵組件。存在另一種也具有較低電容值的 半導體裝置，但所述半導體裝置從來沒有在瞬變抑制器電路中使用過。這種裝置被稱為 PIN二極體，且其實質上不同於任何其它二極體，尤其是PN二極體。PIN二極體具有 特殊的製造工藝，其中上文論述的P型雜質和也在上文論述的N型雜質並不接觸以形成 關鍵性的PN結。作為替代，在PIN二極體的構造中，存在電阻率非常高的區，被標記 為本徵(I)區，其使P型雜質與N型雜質分離。本質上，這種PIN二極體是二結裝置 (two-junction device),其中一個結位於P型雜質與本徵區之間，且第二個結位於N型 雜質與本徵區之間。
PIN 二極體經設計並經製造以用於專門的高頻應用。由於PIN 二極體的不尋常的結
構，其在高頻輸入信號下具有可變的電阻特徵，其中可通過PIN二極體上的DC正向偏 置來控制電阻。DC正向偏置的增加用以減小PIN二極體結構的可變高頻電阻。這使得 PIN二極體類似於MOS電晶體，其中所述MOS電晶體的柵極上的DC偏置改變形成於 所述同一 MOS電晶體的漏極與源極之間的溝道，且從而改變所述MOS電晶體的源極與 漏極之間的電阻。
PIN二極體在高頻電路中用作衰減器或開關。PIN二極體的電流-電壓特徵顯著不同 於PN整流器二極體，如下文圖表所示。如可容易理解，PIN二極體不是有效的整流器 或其它通用二極體，因為本徵層引起大量電阻，所述電阻又引起有用功率的大量損耗。 此功率變成熱量，且不能由任何電子電路的其餘部分使用。
PN二極體
電壓
PIN 二極體一直都被用作受電壓控制的高頻可變電阻器，且與典型的PN 二極體沒 有關聯。
PN 二極體與PIN 二極體之間的另一關鍵且非常顯著的差異是在與這些裝置相關聯 的數據表中。對此類裝置的任何數據表的快速回顧顯示，指定了通常是不同的電氣參數， 且對於任何常見參數來說，限制是非常不同的。這在預料之中，因為PN二極體和PIN
二極體用於不同且特定的應用中。
現在的問題在於，隨著電子電路變得更快，它們對更小量的過電壓也變得更敏感， 且需要比可用的電壓瞬變抑制器所供應的保護更好的保護。另外，這些高級的高速電路 需要具有與電壓瞬變抑制器相關聯的非常低的電容，因為任何此類電容都可能使所述高 速電路的性能減慢。不存在商業上可用的可提供此類高速電路所需的保護的電壓瞬變抑 制器技術。

發明內容
本發明將PIN 二極體與PN瞬變電壓抑制器二極體進行組合，以形成一系列獨特的 低電容瞬變電壓抑制器。PIN二極體和PN二極體以背對背配置連接，並收容在同一封 裝中，從而形成控制高於指定閾值的正電壓峰值的瞬變電壓抑制器。這種類型的瞬變電 壓抑制器被稱為單向裝置。還可能收容合適地連接在單個封裝內的兩(2)個PIN二極 管和兩(2)個PN二極體，藉此所述組合提供針對正和負電壓峰值兩者的保護。這種類 型的瞬變電壓抑制器被稱為雙向裝置。


圖1是瞬變電壓抑制器中所使用的現有技術PN二極體的橫截面表示。 圖2是本發明的瞬變電壓抑制器中所使用的PIN 二極體的橫截面表示。 圖3是展示本發明的單向瞬變電壓抑制器的示意性電路圖。 圖4是展示本發明的雙向瞬變電壓抑制器的示意性電路圖。
具體實施例方式
圖1展示PN二極體10的構造，其中在半導體材料14內，P型區11與N型區12 直接接觸。此接觸部分被稱為PN結13，其中結13控制所得裝置的大部分電氣性能。 PN結13的原理和此類PN 二極體10的製造技術是眾所周知的，且充分建立有許多可能 的變化形式。對PN二極體IO的限制在於，此類裝置的面積必須增加，以增加所述PN 二極體IO吸收功率的能力，這在瞬變電壓抑制器中是關鍵性的。增加PN二極體10的 面積還增加了與所述二極體相關聯的電容。
圖2展示PIN 二極體20的更複雜的結構，其中P型區11現在與本徵區21直接接 觸，同時N型區12也與所述本徵區21的相對側接觸。此結構在半導體材料22中形成 PIN二極體20。在此結構中存在兩個結， 一個結是P型區11與本徵區21的一側之間的 結23，且另一個結24位於N型區12與本徵區21的相對側之間。
實現PIN二極體20的最佳性能的關鍵是本徵區21，其應儘可能地不含雜質，從而 使得其成為具有高電阻率的區。半導體處理中，尤其是材料生長區域中的進步已增加了 PIN 二極體20的性能。值得注意所述增加的一個主要方面是降低PIN 二極體20的電容 的能力。雖然任何二極體的面積對於所述二極體的電容仍然是關鍵性的，但藉助PIN二 極管20和本徵區21，效果是使與PIN 二極體20相關聯的電容器的板進一步隔開，從而 導致電容值比相同面積的PN二極體IO的電容值低得多。這種結構使得PIN二極體20 僅最適合於高速瞬變電壓抑制器。
圖3展示根據本發明的教示而構造的單向瞬變電壓抑制器30的示意圖。在單向瞬 變電壓抑制器30中，存在兩(2)個PIN二極體32A和32B和瞬變電壓抑制器二極體 33，從而形成完整的單向瞬變電壓抑制器30。反向偏置的瞬變電壓抑制器PN二極體33 如圖所示連接到第一端子40，並與正向偏置的PIN二極體32A串聯。第二PIN二極體 32B連接在端子40與端子41之間，與由瞬變電壓抑制器PN 二極體33和PIN 二極體 32A形成的串聯電路並聯。當按照指定安裝時，此裝置僅用於防止正電壓峰值，而圖4 的雙向瞬變電壓抑制器31可防止正和負電壓峰值兩者。
圖1的瞬變電壓抑制器可便利地稱為N基二極體，其中P區由N區圍繞，並與N 區接觸。這種現有技術瞬變電壓抑制器PN二極體還可形成為P基PN二極體。如果選 擇P基PN 二極體瞬變電壓抑制器，那麼被選擇用來減小電容的二極體是P基低電容整 流器裝置，或常被稱作NIP二極體。因此，此類NIP二極體將結合P基瞬變電壓抑制器 二極體或任何其中頂部結為N型的瞬變電壓抑制器而使用。
圖4展示雙向瞬變電壓抑制器31的示意圖。反向偏置的瞬變電壓抑制器PN二極體 33如圖所示連接到第一端子44，並與正向偏置的PIN 二極體32A串聯。PIN 二極體32A 的另一端子連接到瞬變電壓抑制器端子45。反向偏置的瞬變電壓抑制器PN 二極體34 如圖所示連接到第二端子45，並與連接到瞬變電壓抑制器端子44的正向偏置的PIN 二 極管32B串聯。因此，圖4的瞬變電壓抑制器31是雙向瞬變電壓抑制器，其可防止正 和負電壓峰值兩者。圖3和圖4中的這些瞬變電壓抑制器電路使用PIN 二極體32A和 32B來實現電容值，所述電容值比類似電路中僅使用PN 二極體所實現的電容值低某一 量值。
為實現性能改進，至關重要的是PIN 二極體32構造有可能達到的最好的本徵區 21，而且以與針對瞬變抑制器二極體33所使用的工藝類似的工藝製成，使得可使用高 速組裝設備容易地將兩種類型的二極體組裝到封裝中。以所述方式，可針對這種新產品 使用業界標準封裝。
雖然圖3和圖4僅展示具有兩個連接的示意圖，但顯然還可以更多的連接在適當的 封裝中產生這些瞬變電壓抑制器的陣列。
權利要求
1.一種瞬變電壓抑制器，其包括(a)反向偏置的瞬變電壓抑制器PN二極體，其連接到第一端子；(b)低電容正向偏置的二極體，其具有由本徵區隔離的P區和N區，所述低電容正向偏置的二極體與所述PN二極體串聯連接，並連接到第二端子；以及(c)反向偏置的低電容二極體，其具有由本徵區隔離的P區和N區，所述反向偏置的低電容二極體連接在所述第一端子與第二端子之間，與由所述反向偏置的瞬變電壓抑制器和所述正向偏置的低電容二極體形成的串聯電路並聯。
2. 根據權利要求1所述的瞬變電壓抑制器，其中所述PN二極體是P基PN二極體。
3. —種瞬變電壓抑制器，其包括(a) 反向偏置的瞬變電壓抑制器PN二極體，其連接到第一端子；(b) 正向偏置的PIN二極體，其與所述PN二極體串聯連接，並連接到第二端子；(c) 反向偏置的PIN二極體，其連接在所述第一端子與第二端子之間，與由所 述反向偏置的瞬變電壓抑制器和所述正向偏置的PN二極體形成的串聯電路並聯；
4. 根據權利要求3所述的瞬變電壓抑制器，其中所述PN二極體是N基PN二極體。
全文摘要
一種瞬變電壓抑制器包含反向偏置瞬變電壓抑制器PN二極體，其與正向偏置的PIN二極體串聯連接，由所述PN二極體和所述PIN二極體形成的串聯電路連接在第一端子與第二端子之間，且與反向偏置的PIN二極體並聯。
文檔編號H02H9/00GK101371416SQ200680027569
公開日2009年2月18日 申請日期2006年7月27日 優先權日2005年7月27日
發明者弗雷德·馬特森, 洛基·坎薩爾 申請人:普洛泰克設備有限公司