CN1131565C - 用户接口保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种防止线路遭受大于确定的正阈值或小于确定的负阈值的过电压的危害的单片元件，它包括反向并联的阴栅极闸流管(Th1)和阳栅极闸流管(Th2)，阴栅极闸流管的栅极经由栅极电流放大晶体管(T1)连接于负阈值电压(-V)。阳栅极闸流管的栅极连接于正阈值电压(+V)，此单片元件制作在被隔离壁(3，4)分隔成阱的衬底中，其下表面涂敷有绝缘层(5，6)，衬底的下表面均匀地涂敷有金属层(M1)。

Description

用尸接口保护电路
本发明涉及到特别适用于用户线路接口电路(SLIC)的过电压保护电路。
连接于线路的电话电路特别容易受到诸如雷电放电或意外短接到电网之类的过电压的干扰。而且，随着这些接口电路由尺寸越来越小因而也越来越对过电压敏感的越来越多的集成电路组成，对接口电路进行保护的问题就变得越来越至关重要。
本发明人对SLIC保护电路进行了多年研究，并已研制了几种可单片集成的新颖电路，在美国专利No.5274524、5243488、5696391和5684322以及欧洲专利申请0742592和0687051中特别进行了描述。
本发明的目的是实现一种单片保护电路，当导体电压超过确定的正阈值或变得小于预定的负阈值时，这种电路能够在线路的各个导体与地之间形成短路。
本发明的另一目的是实现一种保护电路，当导体中的电流超过确定阈值时，此电路也在线路导体与地之间形成短路。
本发明的目的是实现一种保护电路，这种电路能够用与本发明人开发的功率集成电路兼容的工艺加以制造。
本发明的另一目的是提供一种工作特别可靠的保护电路。
本发明的又一目的是提供一种开态电压降最小(仅仅等于闸流管上的电压降)的保护电路。
本发明的再一目的是提供一种启动电流非常小的保护电路。
为了达到这些目的，本发明提供了一种防止线路遭受大于确定的正阈值或小于确定的负阈值的过电压的危害的单片元件，它包括反向并联连接在要保护的线路的第一端子与参考电压之间的阴栅极闸流管和阳栅极闸流管，阴栅极闸流管的栅极经由栅电流放大晶体管连接于负阈值电压，阳栅极闸流管的栅极连接于正阈值电压。此单片元件制作在被隔离壁分割成阱的第一导电类型的衬底中，其下表面涂敷有绝缘层，衬底的下表面均匀地涂敷有金属层。阴栅极闸流管的栅电流放大晶体管在第一阱中制成垂直形式。阴栅极闸流管在第二阱中制成垂直形式。阳栅极闸流管在第三阱中制成垂直形式。下表面金属层将晶体管的集电极、阴栅极闸流管的阳极、阳栅极闸流管的阴极连接起来。第一正面金属层将阴栅极闸流管的阴极连接到阳栅极闸流管的阳极。第二正面金属层将阴栅极闸流管的栅极连接到晶体管的发射极。第三正面金属层与阳栅极闸流管的栅极接触。
根据本发明的一个实施例，此元件还包括二极管，其阳极连接于阳栅极闸流管的栅极。此二极管制成本身制作在N型区中的P型区形式，N型区制作在元件上表面侧上的阳栅极闸流管的阴栅极区中。
根据本发明的一个实施例，阴栅极闸流管的栅极连接于与阳栅极闸流管相关的要保护的线路的第二端子，此PNP型晶体管制作在元件的上表面上，收集区通过隔离壁向下表面延伸并与下表面金属层接触。
下面结合附图，在对具体实施例的非限制性描述中，来详细讨论本发明的上述目的、特点和优点，在这些附图中：
图1A示出了保护电路的一个例子；
图1B示出了根据本发明的图1A的电路的实施例；
图2A示出了保护电路的一种变通；
图2B示出了根据本发明的图2A的电路的实施例；
图3A示出了保护电路的另一种变通；
图3B示出了根据本发明的图3A的电路的第一实施例；
图4A示出了保护电路的又一种变通；
图4B示出了根据本发明的图4A的电路的第一实施例。
图1A示出了防止电话线L1-L2上的过电压和过电流的电路。每个电话线的导体分别包括可用来探测过电流的串联电阻器R1、R2。形成根据本发明的电路的第一输入端子的电阻器R1的端子称为L1A和L1B，而形成电路第二输入端子的电阻器R2的端子称为L2A和L2B。二个反向并联的闸流管，亦即阴栅极闸流管Th1和阳栅极闸流管Th2，被安置在端子L1A与参考电位(此时为地电位)之间。闸流管Th1的阳极和闸流管Th2的阴极被接地，而闸流管Th1的阴极和闸流管Th2的阳极被连接到端子L1A。阴栅极闸流管的栅极通过NPN型放大晶体管T1，被连接到负电压源-V。阳栅极闸流管的栅极(在此实施例中通过二极管D1)，被连接到正电压源+V。闸流管Th1和Th2的栅极被连接到端子L1B。晶体管T1的发射极被连接到端子L1B，其集电极接地而基极连接于负电压-V。此装置构成防止导体L1过电压和过电流的系统。带撇参考号所示的对称安排的元件构成防止导体L2过电压和过电流的系统。参照上述本申请人的专利和专利申请，可更好地理解此电路的工作，其工作如下。
若导体L1上出现高于电压+V的正过电压，则电流从阳栅极闸流管Th2的阳极到栅极经由二极管D1流向电压+V。闸流管Th2开通并将过电压短接到地。
若导体L1上出现小于电压-V的负过电压，则阴栅极闸流管Th1开通，且负过电压流向地。晶体管T1借助于起栅极放大器作用而提高触发灵敏度。
若正电流流过电阻器R1，在此电阻器上产生的电压大于阳栅极闸流管Th2的阈值电压，则闸流管Th2开通。
若负电流流过电阻器R1，则闸流管Th1开通。
于是，有效地获得了防止导体L1上过电压和过电流的器件。电路的下半部分对导体L2执行相同的功能。
应该指出的是，由例如电池提供的电压+V和-V的数值不一定要相等。
二极管D1和D1’的功能是使电池+V和-V彼此隔离，并在不存在过电压时使线路L1和L2隔离。
图1B是组合有图1A的电路的半导体晶片的筒化剖面图。图1B中只示出了属于图1A的保护电路上部的那些元件。正如本技术领域熟练人员熟知的那样，在同一个硅晶片中用相同的方法制作电路中的对称元件。
图1B的元件由被隔离壁3和4分隔成三个阱的N型衬底1制成。各个隔离壁借助于从层的上表面和下表面延伸的P型扩散，使扩散基本上在晶片的中部连接的方法而形成。在半导体功率元件工艺中制作该元件，其中单一金属层M1覆盖该元件的整个下表面即背面。根据本发明的一种情况，采用了用绝缘层对下表面侧上的各个隔离壁的表面部分进行绝缘的工艺。参考号5表示制作在隔离壁3下表面下的氧化硅绝缘层，参考号6表示制作在隔离壁4下表面下的绝缘层。
晶体管T1制作在左侧的阱中。此晶体管是垂直型的，在上表面侧上包括含有N型发射区11的P型基区10。在下表面侧上制作了形成被金属层M1重新覆盖的集电极接触的N+区12。应该指出的是，绝缘层延伸成使金属层M1接触到N区12，但不接触到阱的衬底1。实现这种垂直型晶体管的优点是，它能够容易地经受比较高的电压(例如电压-V为-50V)。而且，借助于背面金属层，能够特别简单而有效地实现此晶体管的集电极与阴栅极闸流管Th1的阳极之间的连接。且晶体管T1具有高的增益(约为80-200)，使每次触发时电池所馈送的电流特别小。
阴栅极闸流管Th1制作在图1B的中间阱中，成垂直形式。它在下表面侧上包括阳极区30，并在上表面侧上包括P型区31和N型阴极区32，此时配备有发射极短路电路。应该指出的是，绝缘层5和6延伸到P区30，致使金属层M1不接触到N型中间阱。
阳栅极闸流管Th2和二极管D1制作在图1B的右侧阱中。闸流管Th2以与闸流管Th1相同的方法制作成垂直形式。它在下表面侧上包括N阴极区40，并在上表面侧上包括深的轻掺杂P型区42(与闸流管Th1的阳极区30同时制成)，其中制作有N型区43和P型阳极区44。阳极区通常配备有发射极短路电路。二极管D1制作在P型区42中，并在此区中包括形成其阴极的N型区45和形成其阳极的P型区46。此二极管是横向二极管。
在上表面侧上，由几个金属层制成接触：
连接于端子L1A的金属层M2，它将阴栅极闸流管的阴极连接到阳栅极闸流管的阳极，
连接于端子L1B的金属层M3，它将阴栅极闸流管的栅极连接到晶体管T1的发射极，并将阳栅极闸流管的栅极连接到二极管D1的阳极；虽然在剖面图中，此金属层被示为由二个分隔的部分组成，但应该理解的是，这是同一个金属层，
与晶体管T1的基极接触的连接于端子-V的金属层M4，以及
与二极管D1的阴极接触的连接于端子+V的金属层M5。
此结构使得能够用非常小的开启电流来控制闸流管Th1，同时此闸流管能够具有高的保持电流(Ih)。由三重扩散得到闸流管Th2使得能够获得灵敏的闸流管。
图中还示出了类型与下方区域相同的更重掺杂的区域，以来改善与各个金属层的接触的欧姆性质。为了简化附图和叙述，对这些区域不予赘述。而且，诸如区域50之类的区域通常形成沟道停止区以避免出现漏电流。
图2A示出了图1A电路的一种变通。其中重新出现了元件T1、Th1、Th2、T’1、Th’1、Th’2。与图1A的不同是，阳栅极闸流管Th2的栅极不连接于阴栅极闸流管Th2的栅极，而是直接连接到正参考电压+V，阳栅极闸流管Th’2的栅极也是这样。此电路较简单，但不防止正的过电流。然而，它具有由于不存在阳极短路电路而使阳栅极闸流管特别灵敏的优点。
图2B中示出了此电路以单片元件的形式的实现。除了没有二极管D1，即阳栅极闸流管Th2的阳栅极区43直接连接于正电压+V，该图与图1B完全相同，故不对其进行详细描述。还应该指出的是，在图2B的实施例中，阳栅极闸流管的阳极层44不配备有发射极短路电路，致使能够得到更灵敏的闸流管。
另一方面，在图1B和2B的情况下，绝缘层6已被示为延伸到阳栅极闸流管Th2的阴极接触区40。当然，由于此接触层的类型与衬底的类型相同，故绝缘层6可以在离开隔离壁4的下表面之后立即停止。
图3A示出了根据本发明的电路的另一变通。此时，结构是完全对称的，即阳栅极闸流管Th2与阴栅极闸流管Th1相似，也与栅极电流放大晶体管连接。用于闸流管Th2的这一晶体管由参考号T2表示，用于闸流管Th2’的这一晶体管由参考号T2’表示。晶体管T2和T2’是PNP晶体管，而晶体管T1和T1’是NPN晶体管。
在图3B的简化剖面图中示出了根据本发明以单片形式实现图3A的电路。晶体管T1和闸流管Th1以与图1B和2B相同的方法实现。闸流管Th2根据此闸流管所需的灵敏度，以与图1B或与图2B相同的方法实现。晶体管T2制作在含有闸流管Th1和Th2的阱之间。此晶体管的集电极由从上表面深扩散的P型层61组成。区域61被连接有从下表面形成的P型区63且其上用集电极接触金属层M1重新覆盖的P型扩散区所环绕。在集电极区61内制作基区64和P型发射区65。
连接于端子L1A的第一上表面金属层M10，与闸流管Th1的阴极和闸流管Th2的阳极接触(虽然此金属层在图中被示为二部分，但它是同一个金属层)。连接于端子L1B的金属层M11，与闸流管Th2的栅极、晶体管T2的发射极、闸流管Th1的栅极以及晶体管T1的发射极接触。连接于端子-V的金属层M12，与晶体管T1的基极接触。连接于端子+V的金属层M13，与晶体管T2的基区接触。
图4A示出了图1A电路的一种变通。这一更简单的电路不防止过电流。其中重新出现了元件T1、Th1、Th2、T’1、Th’1、Th’2。与图1A的不同是，阳栅极闸流管Th2的栅极与阴栅极闸流管Th1的栅极，既不互连，也不连接于不存在的端子L1B，电阻器R1不存在。
图4B中示出了此电路以单片元件的形式的实现。由于除了栅极金属层以只用二个隔开的金属层M31和M32代替单一金属层M3来分别建立与晶体管T1的发射极的连接和与二极管D1的阳极的连接(二极管D1可取消)之外，此图与图1B完全相同，故不对其进行详细描述。
当然，对于本技术领域的熟练人员来说，本发明可以有各种各样的变通、修正和改进。特别是可以对所述的各种变通进行组合。

Claims (6)

1.一种保护线路免遭大于确定的正阈值或小于确定的负阈值的过电压危害的单片元件，它包括反向并联连接在要保护的线路的第一端子(L1A)与参考电压之间的阴栅极闸流管(Th1)和阳栅极闸流管(Th2)，阴栅极闸流管的栅极经由栅极电流放大晶体管(T1)连接于负阈值电压(-V)，阳栅极闸流管的栅极连接于正阈值电压(+V)，其特征是：
此单片元件制作在被隔离壁(3，4)分割成阱的第一导电类型的衬底中，其下表面涂敷有绝缘层(5，6)，衬底的下表面均匀地涂敷有金属层(M1)，
阴栅极闸流管的栅电流放大晶体管(T1)在第一阱中制成垂直形式，
阴栅极闸流管(Th1)在第二阱中制成垂直形式，
阳栅极闸流管(Th2)在第三阱中制成垂直形式，
下表面金属层(M1)将晶体管的集电极、阴栅极闸流管的阳极、阳栅极闸流管的阴极连接起来，
第一正面金属层(M2)将阴栅极闸流管的阴极连接到阳栅极闸流管的阳极，
第二正面金属层(M3)将阴栅极闸流管的栅极连接到晶体管的发射极，以及
第三正面金属层与阳栅极闸流管的栅极接触。
2.权利要求1的元件，还包括二极管(D1)，其阳极连接于阳栅极闸流管的栅极，其特征是，此二极管制成本身制作在N型区(45)中的P型区(46)的形式，此N型区制作在元件上表面侧上的阳栅极闸流管的阴栅极区(42)中。
3.权利要求1的元件，其中的阴栅极闸流管的栅极连接于要保护的线路的第二端子(L1B)。
4.权利要求1的元件，还确保防止过电流的功能，其中阴栅极闸流管的栅极与阳栅极闸流管的栅极互连，且连接于要保护的线路的第二端子(L1B)。
5.权利要求2的元件，还确保防止过电流的功能，其中阴栅极闸流管的栅极与阳栅极闸流管的栅极互连，且连接于要保护的线路的第二端子(L1B)。
6.权利要求4的元件，还包括与阳栅极闸流管相关的栅电流放大晶体管(T2)，其特征是，此PNP型晶体管制作在元件的上表面上，收集区(61)经由隔离壁(62，63)向下表面延伸与下表面金属层(M1)接触。
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