DE19649176C2 - Gerät zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Leistungsschutzgeräte für Meßgeräteausrüstungen. Insbesondere bezieht sich die Erfin­ dung auf einen Leistungsschutz für eine Hochfrequenz-Meßge­ räteausrüstung.

Moderne elektrische Meßausrüstungen werden immer empfindli­ cher gegenüber einer elektrostatischen Entladung (ESD; ESD = Electrostatic Discharge) und gegenüber einer elektrischen Überbeanspruchung (EOS; EOS = Electrical Overstress). Dies gilt besonders für HF- und Mikrowellentestgeräte, die in großem Maße integrierte Halbleiterschaltungen sowie diskrete Halbleiterbauelemente verwenden. Dies ist besonders aufgrund der kleinen Geometrien der Schaltungen, die für ein Hochfre­ quenzverhalten benötigt werden, und aufgrund der Eigenschaf­ ten des Halbleitermaterials der Fall.

Zwei Typen von Bauelementen und Schaltungen wurden zum Schutz vor ESD und EOS verwendet: Parallel- und Serienele­ mente. Das Parallelschutzgerät ist typischerweise ein nicht­ lineares Gerät, das normalerweise in einem Zustand hoher Im­ pedanz ist, das jedoch bei schädlichen (hohen) Spannungspe­ geln in einen Zustand mit niedriger Impedanz eintritt und einen potentiell schädlichen Strom zur Masse hin kurz­ schließt. Diese nichtlinearen Parallelschutzbauelemente wer­ den oft Stoßspannungsschutzgeräte (SPDs; SPD Surge Protection Devices) genannt. Ein serielles Schutzgerät be­ findet sich normalerweise in einem Zustand mit niedriger Im­ pedanz, dasselbe geht jedoch in einen Zustand mit hoher Im­ pedanz bei hohen Strompegeln über und verhindert das Aus­ breiten einer potentiell schädlichen Spannung. Eine Kombina­ tion von Parallel- und Serien-Schutzelementen kann den besten Schutz vor ESD und EOS liefern.

HF- und Mikrowellentestgeräte sind im allgemeinen als Em­ pfänger, als Quellen oder als Kombinationen von Empfängern und Quellen klassifiziert. Sowohl Empfänger als auch Quellen profitieren von Schaltungen, die einen Schutz vor ESD und EOS liefern. Schutzschaltungen für HF- (HF = Hochfrequenz) und Mikrowellentestgeräte weisen fünf spezielle Anforderun­ gen auf. Zuerst muß die übertragene Spannung, die in das Ge­ rät eintritt, begrenzt oder bei einer niedrigen Spannung (geklemmt) werden, um eine Beschädigung empfindlicher Kompo­ nenten zu verhindern. Diese Spannung ist typischerweise im Bereich von 4 bis 10 Volt entweder im positiven oder im ne­ gativen Bereich. Zweitens muß die Schutzschaltung als Schutz gegen schnelle Spannungstransienten eine schnelle Reaktions­ zeit aufweisen (typischerweise unter einer Nanosekunde). Drittens werden die Schutzschaltungen typischerweise in eine Übertragungsleitungsumgebung eingefügt, wo sie an die cha­ rakteristische Impedanz der Leitung angepaßt sein müssen, um eine Fehlanpassung, einen Verlust an übertragener Leistung und unerwünschte Reflexionen zu verhindern. Zusätzlich soll­ ten sie einen niedrigen resistiven Verlust aufweisen, um einen Verlust von übertragener Leistung zu verhindern. Fer­ ner muß die Schutzschaltung gegenüber einer Beschädigung durch ESD und EOS widerstandsfähiger als die Komponenten sein, die geschützt werden sollen, wobei die Schutzschal­ tungen ferner eine Langzeitzuverlässigkeit bieten müssen. Zuletzt sollte die Schutzschaltung im Aufbau preisgünstig sein.

Obwohl eine Vielzahl von SPDs verwendet wurde, sind die mei­ sten nicht für HF- und Mikrowellenmeßgeräte geeignet. Fun­ kenstrecken leiten eine zu hohe Spannung und weisen zu lang­ same Ansprechzeiten auf. Gesteuerte Siliziumgleichrichter und Triacs weisen langsame Ansprechzeiten auf. Metall-Oxid- Varistoren weisen eine Kapazität auf, die zu hoch ist, um eine gute Anpassung bei hohen Frequenzen zu schaffen. PIN- Dioden, vielleicht mit Zener-Dioden, um eine Vorspannung zu liefern, wurden als SPDs bei hohen Frequenzen erfolgreicher verwendet, sie haben jedoch typischerweise Ansprechzeiten, die nicht schnell genug sind, um integrierte Hochfrequenz­ schaltungen zu schützen. Herkömmliche Si-Übergangsdioden weisen ebenfalls eine langsame Ansprechzeit auf.

Schottky-Barrieredioden (z. B. Si oder GaAs) besitzen die erforderliche Geschwindigkeit, sie haben jedoch begrenzte Leistungshandhabungsfähigkeiten, es sei denn, daß große Bau­ elemente mit hoher Kapazität verwendet werden. Zusätzlich sind kommerziell verfügbare Schottky-Dioden bei einer Ver­ wendung in einer Übertragungsleitungsumgebung schwierig. Es ist schwierig, die erforderliche Impedanzanpassung, den niedrigen Verlust und eine Leistungshandhabung in dem brei­ ten Frequenzbereich zu erreichen, der für HF- und Mikrowel­ lentestgeräte erforderlich ist. Dies ist teilweise aufgrund der Anzahl von Dioden, die in der Schutzschaltung verwendet werden müssen, und aufgrund der parasitären Effekte des Ge­ häuses (kapazitiv und induktiv) jeder Diode der Fall. Für einen Schutz vor sowohl positiver als auch negativer Span­ nungsbelastung müssen Dioden beider Polaritäten verwendet werden. Wenn zusätzlich eine elektrische Vorspannung nicht verfügbar ist, müssen serielle "Stapel" von Dioden verwendet werden, um die erforderte Klemmspannung (typischerweise 4 bis 10 Volt) zu erreichen. Aus der US 5,341,114 ist ein Gerät zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung für elektrische Schaltungen bekannt, welches ein Diodenbegren­ zerarray hat, welches zwei Reihen von jeweils zwei Paaren von parallelen Dioden, die in Reihe miteinander verbunden sind, aufweist, wobei jedes Paar von parallelen Dioden eine in Flußrichtung und eine in Sperrrichtung betriebene Diode aufweist. Die beiden Reihen von in Serie geschalteten Dioden, die als diskrete Einzelelemente ausgeführt sind, liegen elektrisch voneinander getrennt auf zwei Seiten einer Streifenleitung jeweils zwischen einem Anschlußpunkt auf der Streifenleitung und einander gegenüberliegenden Massean­ schlüssen.

Es wäre zweckmäßig, ein Gerät zum Schutz vor einer elek­ trischen Überbeanspruchung zu haben, das eine empfindliche Ausgangsschaltung von HF- und Mikrowellentestgeräten vor ei­ ner elektrischen Überbeanspruchung, vor einer elektrostati­ schen Entladung und vor einer rückwärts gerichteten Leistung schützt. Zusätzlich würde es vorteilhaft sein, wenn dieses Schutzgerät aufgrund niedriger Kosten, aufgrund der Einfach­ heit des Zusammenbaus und aufgrund einer höheren Leistung auf einem einzigen Halbleiterchip integriert sein würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Gerät zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung zu schaffen, das preisgünstig ist und doch einen wirksamen Schutz lie­ fert.

Diese Aufgabe wird durch ein Gerät zum Schutz vor elektri­ scher Überbeanspruchung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein Gerät zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung weist ein Array von planar dotierten Barrieredioden (PDB- Dioden; PDB = Planar Doped Barrier) auf, das wie ein Paral­ lelschutzgerät wirkt, das auf einem monolithischen Substrat integriert ist. Ein elektrisches Eingangs- und Ausgangs-An­ passungsnetzwerk paßt die Impedanz des Diodenarrays an die charakteristische Impedanz der Eingangsverbinder bzw. der Ausgangsverbinder der Meßgeräte an. Das Anpassungsnetzwerk umfaßt eine Metalleiterbahn, die als serielle "Sicherung" wirkt (ein Serienschutzgerät). Das Schutzgerät kann an dem Eingang von Geräteempfängern und an dem Ausgang von Geräte­ quellen verwendet werden. Wenn es verwendet wird, um eine Quelle zu schützen, wird das Schutzgerät oft als "Rückwärts­ leistungsschutz"-Gerät bezeichnet.

Das Array von Dioden besteht aus mehreren Serienstapeln von Dioden, die entlang einer Länge einer Übertragungsleitung verteilt sind. Serienstapel von Dioden werden verwendet, um die erwünschte Klemmspannung ohne den Bedarf nach einer ex­ tern angelegten Vorspannung zu erreichen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Geräts zum Schutz vor elek­ trischer Überbeanspruchung; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht des Diodenbegrenzerar­ rays, das in Fig. 1 gezeigt ist.

Ein Gerät zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung weist ein Array von planar dotierten Barriere-Dioden (PDB- Dioden) auf, die als ein Parallelschutzgerät wirken, das auf einem monolithischen Substrat integriert ist. Ein elektri­ sches Eingangs- und Ausgangs-Anpassungsnetzwerk paßt die Im­ pedanz des Diodenarrays an die charakteristische Impedanz der Eingangsverbinder bzw. der Ausgangsverbinder der Geräte an. Das Anpassungsnetzwerk umfaßt eine Metalleiterbahn, die als eine Serien-"Sicherung" wirkt (d. h. ein Serienschutzge­ rät).

Fig. 1 stellt ein Blockdiagramm des Geräts 10 zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung dar. Das Gerät 10 besteht aus einem Diodenbegrenzerarray 12 und einem elektrischen Ein­ gangs- und einem elektrischen Ausgangsanpassungsnetzwerk 14. Durch Integrieren des Geräts 10 auf ein einziges Substrat existiert eine bessere Impedanzanpassung und ein niedrigerer Einfügeverlust bei hohen Frequenzen. Die Alternative zur mo­ nolithischen Integration, wie z. B. diskrete Dioden und An­ passungsschaltungselemente, begrenzt die Frequenzantwort aufgrund der parasitären Effekte der Verbindungen und des Gehäuses. Zusätzlich ist das Gerät kompakt und einfach im Zusammenbau.

Fig. 2 stellt schematisch das Diodenbegrenzerarray 12, das in Fig. 1 gezeigt ist, dar. Jedes Element 12 _{1. . .N} des Arrays 12 ist eine planar dotierte Barrieren- (PDB-) Diode 12 _x, die entworfen ist, um als ein antiparalleles Paar von herkömmli­ chen Dioden zu wirken. Dies bedeutet, daß jede PDB-Diode 12 _x symmetrisch bei beiden Spannungspolaritäten leitet. Es ist eine Serie von Dioden, typischerweise 5 oder mehr, zwischen dem Mittelleiter des Geräts und der Masse vorhanden.

Der Serienstapel von Dioden stellt sicher, daß bei niedrigen Spannungs- und Leistungspegeln eine geringere Leitung zwi­ schen dem Mittelleiter des Geräts und der Masse vorhanden ist, was in einer niedrigeren harmonischen Verzerrung der HF-Signale, die durch das Gerät laufen, resultiert. Es werden keine externen Vorspannungen benötigt, was die Verwen­ dung und den Zusammenbau einfacher macht. Bei hohen Span­ nungs- und Leistungspegeln leiten die Dioden große Ströme zur Masse, wodurch die Eingangs- oder Ausgangsschaltung der Meßgeräte geschützt wird. Zusätzlich weist ein Serienstapel von Dioden eine niedrigere Kapazität als eine einzelne Diode mit der gleichen gesamten aktiven Diodenfläche auf.

Mehrere Stapel von Dioden weisen einen niedrigeren Serienwi­ derstand als ein einziger Diodenstapel mit der gleichen ak­ tiven Gesamtdiodenfläche auf. Der niedrigere Widerstand re­ sultiert in einem niedrigeren Übertragungsverlust bei nied­ rigen Spannungspegeln und in einer konstanteren Spannungs­ klemmung bei hohen Spannungspegeln. Der thermische Wider­ stand des Geräts wird durch Verteilen der Wärmeerzeugung über einem größeren Bereich des Chips erniedrigt. Dies er­ höht die Zuverlässigkeit durch Erniedrigen der Termperatur der Übergänge und durch Erhöhen des Durchbrennpegels. Zu­ sätzlich schaffen mehrere Stapel von Dioden eine Struktur gemäß einer verteilten Übertragungsleitung, die für einen Hochfrequenzbetrieb einfacher impedanzmäßig angepaßt werden kann.

Die PDB-Dioden 12 _x leiten bei positiven und negativen Span­ nungen gleichermaßen. Da die Leitung bei jeder Polarität der angelegten Spannung auftritt, tritt eine Erwärmung in allen Diodenelementen unabhängig von der angelegten Spannungspola­ rität gleich auf, was in einer größeren Leistungshandhabung und in einem größeren Widerstand gegenüber einer ESD-Beschä­ digung resultiert. Zusätzlich wird die gerade sogar harmoni­ sche Verzerrung aufgehoben und es werden nur ungeradzahlige Harmonische erzeugt.

Die Geräte 10 zum Schutz gegen eine elektrische Überbean­ spruchung können mit Halbleiterverbindungen, insbesondere mit GaAs hergestellt werden, wie es von Malik bezüglich der Herstellung von PDB-Dioden in dem U.S. Patent Nr. 4,410,902 mit dem Titel "Planar Doped Barrier Semiconductor Device" beschrieben ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen die Abmessungen 1350 Mikrometer in der Länge, 900 Mikrometer in der Breite und 100 Mikrometer in der Dicke. Es existieren ein Eingangs-, ein Ausgangs- und zwei Massever­ bindungsanschlußflächen für mehrere Drahtverbindungen zur Masse.

PDB-Dioden weisen die erforderliche Geschwindigkeit auf, um integrierte Hochfrequenzschaltungen zu schützen (es können Grenzfrequenzen F_c über 400 GHz erreicht werden). Diese Dio­ den sind inhärent gegenüber einer Beschädigung durch ESD und EOS widerstandsfähiger, als es Schottky-Dioden mit der glei­ chen Kapazität sind.

Eine symmetrische PDB-Diode leitet Strom beider Polaritäten. Folglich wird lediglich eine einzige PDB-Diode zum Schutz vor positiven und negativen Spannungsbelastungen benötigt, was eine kleinere Chipgröße erlaubt. Die symmetrische PDB weist eine niedrigere Kapazität als zwei Schottky-Dioden mit der gleichen Stromhandhabungsfähigkeit auf, wodurch ein Hochfrequenzbetrieb und kürzere verteilte Übertragungslei­ tungen möglich werden. Dies erlaubt eine gleichmäßigere Ver­ teilung des Stroms in allen Dioden des Arrays bei hohen Fre­ quenzen, was in einer konstanteren Klemmspannung und Lei­ stungshandhabung als Funktion der Frequenz resultiert.

Die Kapazität der PDB-Diode ist näherungsweise von der Span­ nung unabhängig, derart, daß die Impedanzanpassung des Bau­ elements von den angelegten Spannungen (bei Spannungen un­ terhalb der Einschaltspannung) unabhängig ist. Die Vorwärts- und Rückwärts-Charakteristika der Diode können angepaßt wer­ den, um die Erzeugung von geraden Harmonischen zu minimie­ ren. Die Barrierenhöhe der PDB-Dioden kann derart herge­ stellt sein, um höher als die Barrierenhöhe von Schottky-Di­ oden zu sein. Dies erlaubt weniger Dioden in dem Seriensta­ pel, um die gleiche Spannungsklemmung zu erreichen, was wiederum eine kleinere Chipgröße möglich macht.

Es existiert keine Stromgleichrichtung, wenn die elektrische Belastung eine Sinusspannung ist. Daher fließt auf den Me­ tallverbindungen kein Gleichstrom, wodurch die Ausfallrate aufgrund der Elektromigration reduziert wird.

Claims (6)

1. Gerät (10) zum Schutz vor elektrischer Überbeanspru­ chung für elektrische Schaltungen, mit folgenden Merk­ malen:
einem Diodenbegrenzerarray (12), das M Serien von N Paaren von parallelen Dioden (12 ₁ . . . 12 _N), die, seriell verbunden sind, aufweist, wobei M und N ≧ 2 sind, und jedes Paar von parallelen Dioden eine in Flußrichtung und eine in Sperrichtung betriebene Diode aufweist, wo­ bei Paare von parallelen Dioden in einer Serie mit je­ weils, entsprechenden Paaren von parallelen Dioden weiterer Serien parallel verbunden sind;
einem Eingangsanpassungsnetzwerk (14); und
einem elektrischen Ausgangsanpassungsnetzwerk (14).

2. Gerät zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung ge­ mäß Anspruch 1, bei dem jedes der N Paare von parallelen Dioden (12 _x) auf einem monolithischen Substrat gebildet ist.

3. Gerät zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung ge­ mäß Anspruch 2, bei dem jede Diode jedes Paars von parallelen Dioden (12 _x) eine planar dotierte Barrierediode ist.

4. Gerät zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung ge­ mäß Anspruch 3, bei dem jedes Paar von parallelen Dioden (12 _x) eine planar dotierte Barrierediode mit einer im wesentlichen symmetrischen Strom-Spannungs-Charakteristik ist.

5. Gerät zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung ge­ mäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Serie von N Paaren von parallelen Dioden (12 _x) mindestens fünf Paare mit parallelen Dioden auf­ weist.

6. Gerät zum Schutz vor elektrischer Überbeanspruchung ge­ mäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Anpassungsnetzwerke wie nichtlineare Serienschutzelemente verhalten.