CN201498983U - 具有深阱结构的可编程半导体抗浪涌保护器件 - Google Patents

Abstract

一种具有深阱结构的可编程半导体抗浪涌保护器件，由一个、两个或四个保护单元组成，每个保护单元均由一个PN结二极管、一个PNPN型晶闸管和一个NPN型三极管连接构成，其特征在于：在N型半导体衬底基片正面的二极管区从自上而下构成杂质浓度按P+、P、N、N+梯度次序变化的PN结；在PN结交界面上设有一组P型杂质的深阱，使PN结形成凹凸型交界面。本实用新型可应用于程控交换机上对用户线接口电路(SLIC)板实现保护，以上改进可进一步提高器件整体承受雷击浪涌的能力和能量的泄放能力，经雷击性能测试本实用新型器件能达到3000V～3500V水平。

Description

具有深阱结构的可编程半导体抗浪涌保护器件

技术领域

本实用新型涉及一种过压保护器件，特别涉及电话网络中的程控交换机上，用来对用户线接口电路(SLIC)板实现保护的可编程半导体抗浪涌保护器件。

背景技术

随着电话通讯网络的发展，如何才能有效防止雷击、交流电源波动或电磁感应而引起的浪涌过压对通讯设备造成破坏，一直是本领域技术人员关注的重要问题。继欧美各国颁布了各自的通讯设备抗雷击浪涌标准后，我国也于1998年颁布了《中华人民共和国通信行业标准电信终端设备防雷击技术要求及实验方法YD/T9931998》。在短短的几十年间，抗浪涌保护器件历经了气体放电管、TVS二极管、半导体固体放电管和可编程抗浪涌保护器件。

《现代电子技术》杂志2005年第9期总第200期公开了一篇题目为“可编程半导体抗浪涌保护器件”，作者为张方、苏秋萍的文章。文章介绍了第四代可编程抗浪涌保护器件P61089的电路结构(如附图1所示)和工作原理，分析了他在程控交换机上对用户线接口电路(SLIC)板的保护机理，结果表明P61089是双路双向半导体抗浪涌保护器件，他也是基于PNPN结构和原理，在前三代半导体抗浪涌保护器件的基础上性能大为提高，同时，他又增加了对正向浪涌起箝位作用的正向保护二极管和起触发作用的门控三极管，从而可对保护电压进行硬件编程(编程范围对地为-10～-75V)，目前P61089几乎被所有的程控交换机用来对SLIC板实现保护。但由于雷击浪涌对电话通讯设备损害仍在继续，这对半导体抗浪涌保护器件的抗雷击性能提出了更高的要求，而目前的可编程抗浪涌保护器件P61089经雷击性能测试只能达到2000V左右，因此如何提高当前可编程半导体抗浪涌保护器件承受雷击浪涌的能力和能量的泄放能力是本实用新型研究的问题。

发明内容

本实用新型提供一种具有深阱结构的可编程半导体抗浪涌保护器件，旨在通过改进结构设计来提高目前可编程半导体抗浪涌保护器件承受雷击浪涌的能力和能量的泄放能力，克服现有技术在这方面的不足。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种具有深阱结构的可编程半导体抗浪涌保护器件，由一个、两个或四个保护单元组成，每个保护单元均由一个PN结二极管、一个PNPN型晶闸管和一个NPN型三极管组成，其中，二极管的阳极与晶闸管的阴极相连并共同作为保护单元的K端口，二极管的阴极与晶闸管的阳极以及三极管的集电极相连并共同作为保护单元的A端口，三极管的发射极与晶闸管的控制极相连，三极管的基极作为保护单元的G端口；

其创新在于：以一块N型半导体衬底作为基片，在俯视平面上，每个保护单元对应一个半导体有源区域，每个半导体有源区域由一个二极管区、一个晶闸管区和一个三极管区组成；

在横截面上，所述基片正面的二极管区从上向下依次设有P+扩散层和P扩散层，基片反面的二极管区从下向上设有N+注入层，所述二极管区的P扩散层与N+注入层之间为基片自身的N型轻掺杂层，以此在二极管区自上而下构成杂质浓度按P+、P、N、N+梯度次序变化的PN结；在P扩散层与N型轻掺杂层相连的交界面上设有一组深阱，这组深阱在交界面上间隔分布，其中，每个深阱由所述N型轻掺杂层顶部向下挖孔或开沟后，在孔内或沟内淀积P杂质或P-杂质材料形成，孔内或沟内淀积的P杂质或P-杂质材料的顶部与P扩散层底部相连，以此在PN结中形成凹凸型交界面。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，在横截面上，所述基片正面的晶闸管区从上向下依次设有N+注入层和P扩散层，基片反面的晶闸管区从下向上设有P+扩散层，所述晶闸管区的P扩散层与P+扩散层之间为基片自身的N型轻掺杂层，以此在晶闸管区自下而上构成PNPN型晶闸管。所述晶闸管区的N+注入层中，间隔设置一组短路孔，每个短路孔的顶部均与N+注入层上方所设的上金属层相连，N+注入层下方的P扩散层通过短路孔向上延伸至上金属层。

2、上述方案中，在横截面上，所述基片正面的三极管区从上向下依次设有第一N+注入层和P扩散层，基片反面的三极管区从下向上设有第二N+注入层，所述三极管区的P扩散层与第二N+注入层之间为基片自身的N型轻掺杂层，以此在三极管区自上而下构成NPN型三极管。所述三极管区的P扩散层在水平外周边缘位置上设有P+扩散环，该P+扩散环与三极管区的P扩散层相连。

本实用新型原理和效果：由图5～图7可知，对于由一个二极管、一个晶闸管和一个三极管构成的保护单元来说，当正向浪涌发生时，二极管承担泄放浪涌能量的任务，当负向浪涌发生时，晶闸管承担泄放浪涌能量的任务。由于晶闸管自身泄放浪涌能量的能力比较强，而二极管泄放浪涌能量的能力比较弱，因此如何提高二极管的泄放能力是提高整个器件承受雷击浪涌能力和能量泄放能力的关键。本实用新型为了提高二极管的泄放能力，采用以下两项改进措施：

第一，通过结构设计，尽量减小二极管区接触电阻，具体体现在二极管区的杂质浓度按P+、P、N、N+或者P+、P、P-、N、N+次序变化，从而减小了二极管PN结的电阻率。由于电阻率减小，二极管自身承受的功率得到有效减小，在提升电流泄放的时候，这种设计为提高泄放能力起到了关键作用。

第二，由于在二极管区的PN结的交界面上设有一组深阱结构，这些深阱结构在PN结的交界面上形成了一种凹凸型交界面，使得PN结的有效接触面积比平面型交界面大大增加。由于通流能力与PN结面积成正比，这样可以有效的增加二极管的泄放能力。

本实用新型器件经雷击性能测试能达到3000V～3500V水平。

附图说明

附图1为现有可编程抗浪涌保护器件P61089的电路结构；

附图2为本实用新型保护单元俯视平面图；

附图3为图2的B-B剖面图；

附图4为图2的C-C剖面图；

附图5为本实用新型保护单元电路原理图；

附图6为本实用新型保护单元正向过压保护原理图；

附图7为本实用新型保护单元负向过压保护原理图；

附图8为本实用新型器件实施例一电路原理图；

附图9为本实用新型器件实施例一外型图；

附图10为本实用新型器件应用示例图。

以上附图中：1～8、引脚；9、基片；10、二极管区；11、晶闸管区；12、三极管区；13、P+扩散层；14、P扩散层；15、N+注入层；16、N型轻掺杂层；17、深阱；18a、上金属层；18b、上金属层；18c、上金属层；19、下金属层；20、绝缘介质层；21、N+注入层；22、P扩散层；23、P+扩散层；24、短路孔；25、第一N+注入层；26、P扩散层；27、第二N+注入层；28、P+扩散环。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：一种具有深阱结构的可编程半导体抗浪涌保护器件

如图8和图9所示，该保护器件的封装体内部由两个保护单元组成，每个保护单元均由一个PN结二极管、一个PNPN型晶闸管和一个NPN型三极管组成，其中，二极管的阳极与晶闸管的阴极相连并共同作为保护单元的K端口，二极管的阴极与晶闸管的阳极以及三极管的集电极相连并共同作为保护单元的A端口，三极管的发射极与晶闸管的控制极相连，三极管的基极作为保护单元的G端口。

如图2所示，图2为本实用新型保护单元俯视平面图，从图中可以看出以一块N型半导体衬底作为基片9，在俯视平面上，每个保护单元对应一个半导体有源区域，每个半导体有源区域由一个二极管区10、一个晶闸管区11和一个三极管区12组成。

图4为二极管区10的剖面图，从图中可以看出，在横截面上，所述基片9正面的二极管区10从上向下依次设有P+扩散层13和P扩散层14。基片9反面的二极管区10从下向上设有N+注入层15，所述二极管区10的P扩散层14与N+注入层15之间为基片9自身的N型轻掺杂层16，以此在二极管区10自上而下构成杂质浓度按P+、P、N、N+梯度次序变化的PN结。在P扩散层14与N型轻掺杂层16相连的交界面上设有一组深阱17，这组深阱17在交界面上间隔分布，其中，每个深阱17由所述N型轻掺杂层16顶部向下挖孔后(图中表示的是挖孔，但也可以改为开沟)，在孔内淀积P杂质或P-杂质材料形成，孔内淀积的P杂质或P-杂质材料的顶部与P扩散层14底部相连，以此在PN结中形成凹凸型交界面。图4中每个深阱17上方的两条竖直虚线表示深阱是从基片9正面向下挖孔或开沟而形成。基片9正面设有上金属层18a与P+扩散层13接触，二极管区10正面的其余表面被绝缘介质层20覆盖，基片9反面设有下金属层19，下金属层19与N+注入层15接触。

图3左半部为晶闸管区11的剖面图，从图中可以看出，在横截面上基片9正面的晶闸管区11从上向下依次设有N+注入层21和P扩散层22。基片9反面的晶闸管区11从下向上设有P+扩散层23，所述晶闸管区11的P扩散层22与P+扩散层23之间为基片9自身的N型轻掺杂层16，以此在晶闸管区11自下而上构成PNPN型晶闸管。所述晶闸管区11的N+注入层21中，间隔设置一组短路孔24，每个短路孔24的顶部均与N+注入层21上方所设的上金属层18a相连，N+注入层21下方的P扩散层22通过短路孔24向上延伸至上金属层18a。基片9反面设有下金属层19，下金属层19与P+扩散层23接触。

图3右半部为三极管区12的剖面图，从图中可以看出，在横截面上，所述基片9正面的三极管区12从上向下依次设有第一N+注入层25和P扩散层26，基片9反面的三极管区12从下向上设有第二N+注入层27，所述三极管区12的P扩散层26与第二N+注入层27之间为基片9自身的N型轻掺杂层16，以此在三极管区12自上而下构成NPN型三极管。所述三极管区12的P扩散层26在水平外周边缘位置上设有P+扩散环28，该P+扩散环28与三极管区12的P扩散层26相连。基片9正面设有上金属层18b，该上金属层18b用于连接三极管区12的第一N+注入层25与晶闸管区11的P扩散层22。基片9正面设有上金属层18c，上金属层18c与三极管区12的P+扩散环28接触。基片9反面设有下金属层19，下金属层19与第二N+注入层27接触。

本实用新型保护单元的A端口从下金属层19引出，K端口从上金属层18a引出，G端口从上金属层18c引出。

本实施例保护器件的封装体内部具有两个保护单元，这两个保护单元可以制作在同一块N型半导体衬底上，也可以分别制作在一块N型半导体衬底上，这是完全等效的。

图10为本实施例器件应用示例图，从图中可以看出，本实施例器件具有两个保护单元，用于程控交换机对用户线接口电路(SLIC)板实现保护。应用中的连接关系可参见图8和图10得出。

如图6所示，在应用过程中，当一条线路发生正向浪涌时，正向二极管迅速导通，泄放浪涌能量到地，使得浪涌冲击无法进入用户线接口电路(SLIC)板，从而保护了用户线接口电路(SLIC)板上的元器件。如图7所示，当一条线路发生负向浪涌时，门控端三极管迅速导通，并注入电流到晶闸管，从而引起电流的正反馈，使晶闸管的阳极与阴极之间进入闩锁导通，泄放浪涌能量到地，使得浪涌冲击无法进入用户线接口电路(SLIC)板，从而保护了用户线接口电路(SLIC)板上的元器件。

为保证长距离传输(比如广大农村电话的普及)，需要提高SLIC板的工作电源，-48V会提高到-65V或-75V，也就是对该器件的保护电压进行硬件编程。目前对可编程半导体抗浪涌保护器件需要编程的输入电压的范围要求更为广泛，且要求浪涌电压的承受能力更强。本实用新型大大增加了器件的电流导通能力，耐压能力明显提升，并且响应速度快，耐流能力强，寿命长。

实施例二：一种具有深阱结构的可编程半导体抗浪涌保护器件

该保护器件与实施例一的不同之处仅在于：器件的封装体内部只有一个保护单元。该保护单元的结构和内容与实施例一相同，这里不重复叙述。

实施例三：一种具有深阱结构的可编程半导体抗浪涌保护器件

该保护器件与实施例一的不同之处仅在于：器件的封装体内部有四个保护单元。每个保护单元的结构和内容均与实施例一相同，这里不重复叙述。本实施例具有四个保护单元的器件是两对双路双向半导体抗浪涌保护器件。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有深阱结构的可编程半导体抗浪涌保护器件，由一个、两个或四个保护单元组成，每个保护单元均由一个PN结二极管、一个PNPN型晶闸管和一个NPN型三极管组成，其中，二极管的阳极与晶闸管的阴极相连并共同作为保护单元的K端口，二极管的阴极与晶闸管的阳极以及三极管的集电极相连并共同作为保护单元的A端口，三极管的发射极与晶闸管的控制极相连，三极管的基极作为保护单元的G端口；

其特征在于：以一块N型半导体衬底作为基片(9)，在俯视平面上，每个保护单元对应一个半导体有源区域，每个半导体有源区域由一个二极管区(10)、一个晶闸管区(11)和一个三极管区(12)组成；

在横截面上，所述基片(9)正面的二极管区(10)从上向下依次设有P+扩散层(13)和P扩散层(14)，基片(9)反面的二极管区(10)从下向上设有N+注入层(15)，所述二极管区(10)的P扩散层(14)与N+注入层(15)之间为基片(9)自身的N型轻掺杂层(16)，以此在二极管区(10)自上而下构成杂质浓度按P+、P、N、N+梯度次序变化的PN结；在P扩散层(14)与N型轻掺杂层(16)相连的交界面上设有一组深阱(17)，这组深阱(17)在交界面上间隔分布，其中，每个深阱(17)由所述N型轻掺杂层(16)顶部向下挖孔或开沟后，在孔内或沟内淀积P杂质或P-杂质材料形成，孔内或沟内淀积的P杂质或P-杂质材料的顶部与P扩散层(14)底部相连，以此在PN结中形成凹凸型交界面。

2.根据权利要求1所述的可编程半导体抗浪涌保护器件，其特征在于：在横截面上，所述基片(9)正面的晶闸管区(11)从上向下依次设有N+注入层(21)和P扩散层(22)，基片(9)反面的晶闸管区(11)从下向上设有P+扩散层(23)，所述晶闸管区(11)的P扩散层(22)与P+扩散层(23)之间为基片(9)自身的N型轻掺杂层(16)，以此在晶闸管区(11)自下而上构成PNPN型晶闸管。

3.根据权利要求2所述的可编程半导体抗浪涌保护器件，其特征在于：所述晶闸管区(11)的N+注入层(21)中，间隔设置一组短路孔(24)，每个短路孔(24)的顶部均与N+注入层(21)上方所设的上金属层(18)相连，N+注入层(21)下方的P扩散层(22)通过短路孔(24)向上延伸至上金属层(18)。

4.根据权利要求1所述的可编程半导体抗浪涌保护器件，其特征在于：在横截面上，所述基片(9)正面的三极管区(12)从上向下依次设有第一N+注入层(25)和P扩散层(26)，基片(9)反面的三极管区(12)从下向上设有第二N+注入层(27)，所述三极管区(12)的P扩散层(26)与第二N+注入层(27)之间为基片(9)自身的N型轻掺杂层(16)，以此在三极管区(12)自上而下构成NPN型三极管。

5.根据权利要求4所述的可编程半导体抗浪涌保护器件，其特征在于：所述三极管区(12)的P扩散层(26)在水平外周边缘位置上设有P+扩散环(28)，该P+扩散环(28)与三极管区(12)的P扩散层(26)相连。

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