DE69511178T2

DE69511178T2 - Telefonleitungs-Interface-Schutz

Info

Publication number: DE69511178T2
Application number: DE69511178T
Authority: DE
Inventors: Eric Bernier
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 2000-01-20
Anticipated expiration: 2015-05-05
Also published as: JPH0878631A; EP0687051A1; US5696391A; EP0687051B1; DE69511178D1; JP2699930B2; FR2719721B1; FR2719721A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Schutz gegen elektrische Überlastzustände von Telephonzentralen (Fernsprechämtern) und näherhin den Schutz des Interface zwischen einer Telephonleitung und diesem Amt. Ein derartiges Interface besteht beispielsweise aus einer Karte, welche acht Telephonleitungen aufnimmt und in der Technik unter der Bezeichnung SLIC (nach dem angelsächsischen Fachausdruck 'Subscriber Line Interface Circuit' (Teilnehmerleitungs-Interface)) geläufig ist.
Wenngleich jedoch die vorliegende Erfindung im folgenden im Rahmen dieser Anwendung beschrieben wird, ist zu erkennen, daß die Erfindung auch eine Schutzschaltung gegen Überspannungen und Überströme vorsieht, die auch zum Schutz eines oder mehrerer mit anderen Arten elektrischer oder elektronischer Vorrichtungen verbundener Leiter anwendbar ist.
Fig. 1 zeigt eine klassische Ausführung eines Teilnehmerleitungs-Interface (SLIC). Zwischen den T- und R-Leitern (vom englischen 'Tip' bzw. 'Ring' für Stöpselspitze bzw. Stöpselring) einer Fernsprechteilnehmerleitung und dem Interface SLIC liegen Widerstände R1 und R2 und eine Schaltung 1 von Leitungsbelegungs-Relais, die durch Wicklungen oder andere Detektions- und Steuerschaltungen gesteuert wird, welche einerseits mit der Leitung, andererseits mit dem Interface verbunden sind.
Der übliche Schutzmodus besteht darin, daß man eine Schutzvorrichtung 2 zwischen den Relais 1 und dem Interface SLIC anordnet. Diese Schutzvorrichtung soll ansprechen bzw. auslösen, d. h. den einen oder den anderen dieser Leiter miteinander oder mit Masse verbinden, sobald die Spannung auf der Leitung den normalen Spannungspegel auf der Leitung, d. h. ca. -48 V für den R-Leiter und einige Volt negativ für den T-Leiter, um einen vorgegebenen Wert übersteigt. Beispielsweise erfolgt die Schutzauslösung, sobald das Potential auf der T-Leitung positiver als 10 V und das Potential auf dem R-Leiter negativer als -60 V wird, wie in Fig. 2A dargestellt. Fig. 2A zeigt einen Schutz vom Begrenzungs- bzw. Beschneidungstyp, jedoch könnte ebenso ein Schutz vom Rückführtyp vorgesehen werden, bei welchem die Spannung, falls sie den Bereich von -60 bis +10 V verläßt, auf den Wert -48 V oder 0 V zurückgebracht wird.
Bei den ältesten Systemen findet nur dieser einzige Schutz 2 Anwendung, da das Relaisaggregat 1 aus durch Wicklungen gesteuerten elektromechanischen Relais bestand und im Öffnungszustand dieser Relais eine Überspannung auf der Leitung keinen Schaden verursachen kann. Nun werden jedoch derzeit zunehmend elektromechanische Relais durch Halbleitersysteme ersetzt, deren Steuerschaltungen keine allzu großen Potentialunterschiede auf der Leitung aushalten können. Man sieht daher derzeit zusätzliche Schutzvorrichtungen 3 vor, die auslösen, sobald die Spannung auf der Leitung einen vorgegebenen Schwellwert, beispielsweise eine Spannung von +250 V, übersteigt. Die Schutzvorrichtungen 3 haben beispielsweise eine Kennlinie nach Art der in Fig. 2B dargestellten Charakteristik (wobei sie vom Rückführtyp sind). Im Schließzustand der Relais 1 spricht selbstverständlich die Schutzvorrichtung 2 vor der Schutzvorrichtung 3 an, die dann nicht in Funktion tritt.
Dieses Konzept eines doppelten Schutzes für ein Teilnehmerleitungs-Interface weist zwei grundsätzliche Nachteile auf.
Zum einen, und das ist ganz offensichtlich, sind die Gestehungskosten dieses Schutzes hoch, weil er die Anwendung von wenigstens zwei Schutzbauteilen bzw. -komponenten erfordert, die gesondert vorgesehen und montiert werden müssen.
Zum anderen tritt, wenn eine Überspannung auftritt, während die Relais geschlossen sind, die Schutzvorrichtung 2 in Funktion, wobei jedoch während der Dauer des Überlastzustandes ein beträchtlicher Überstrom durch die Relais 1 fließen kann, und dieser Überstrom kann destruktiv sein, wenn die Relais 1 vom Halbleitertyp sind.
Aus der Veröffentlichung US-A-4 849 846 ist im übrigen ein Überlastschutz-System für ein Interface zwischen einer Telephonzentrale (Fernsprechamt) und mit einer Teilnehmerleitung verbundenen Relais bekannt, das eine erste relativ bezüglich dem Interface jenseits der Leitungsbelegungsrelais angeordnete Schutzschaltung und eine relativ bezüglich dem Interface diesseits der Leitungsbelegungsrelais angeordnete zweite Schutzschaltung aufweist.
Aus der Veröffentlichung FR-A-2 566 582 ist auch ein monolithisches Schutzbauteil gegen Überspannungen bekannt, das eine Ober- und eine Unterseite, Metallisierungen auf der Ober- und der Unterseite sowie Thyristoren in Antiparallel- Anordnung zwischen diesen Metallisierungen aufweist, wobei einer dieser Thyristoren im Überspannungsfall durch einen Lawinenzustand in einem Teil des pn-Übergangs zwischen einem den beiden Thyristoren gemeinsamen zentralen N-Bereich und dem einen oder dem anderen angrenzenden B-Bereich gezündet wird.
Somit ist ein erstes Ziel bzw. ein erster Zweck der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines neuen Schutzmodus für ein Teilnehmerleitungs-Interface, der den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzuträglichkeiten abhilft und das Auftreten von Überströmen in den Relais, falls der Überlastzustand im geschlossenen Zustand der Relais auftritt, verhindert.
Zur Erreichung dieses Ziels sieht die vorliegende Erfindung vor ein Überlastschutz-System für ein Interface zwischen einer Telephonzentrale und mit einer Teilnehmerleitung verbundenen Relais, welches eine einzige Schutzschaltung aufweist, die relativ bezüglich dem Interface jenseits der Leitungsbelegungsrelais angeordnet ist, wobei diese Schutzschaltung einen im Öffnungs- bzw. Ausschaltzustand der genannten Relais wirksamen Schutz gegen Überspannungen und einen im geschlossenen bzw. eingeschalteten Zustand der Relais wirksamen Schutz gegen Überströme gewährleistet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß dieses Schutzsystem einen gesteuerten Schalter in Anordnung zwischen jeweils jedem der Leiter und Masse aufweist, der nach einer Detektion einer Überspannung oder eines Überstroms geschlossen wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer einzigen Schutzvorrichtung in Form einer monolithischen Schaltung, welche einen Schutz gegen eine auf einem der Leiter einer Leitung auftretende Überspannung oder gegen einen in dieser Leitung auftretenden Überstrom realisiert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer derartigen monolithischen Schaltung, die sich insbesondere zum Schutz eines Fernsprechteilnehmerleitungs- Interface eignet.
Zur Erreichung dieser Ziele ist gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgesehen ein monolithisches Bauteil als Schutz gegen elektrische Überlastungen, die auf einem Leiter auftreten können, mit welchem in Reihe ein Detektionswiderstand angeordnet ist, wobei dieses Bauteil eine Ober- und eine Unterseite besitzt und umfaßt: erste und zweite Metallisierungen auf der Oberseite, zur Verbindung mit Anschlüssen des genannten Widerstands, sowie eine dritte Metallisierung auf der Unterseite, zur Verbindung mit Masse; erste und zweite Thyristoren in antiparalleler Ausbildung zwischen den ersten und dritten Metallisierungen, wobei die zweite Metallisierung dem Gate dieser Thyristoren entspricht; sowie eine erste Lawinen- bzw. Z-Diode in einer ersten Polung zwischen den zweiten und dritten Metallisierungen, und eine zweite Lawinen- bzw. Z-Diode in umgekehrter Polung zwischen einer von der ersten oder zweiten Metallisierung und der dritten Metallisierung, wobei diese erste und zweite Diode so vorgesehen sind, daß der Übergang einer von ihnen in den leitenden Zustand das Leitendwerden eines der Thyristoren bewirkt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Schutzbauteil ein Substrat vom ersten Leitfähigkeitstyp; einen in der Oberseite des Substrats ausgebildeten ersten Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp; einen in der Unterseite des Substrats ausgebildeten zweiten Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp; einen im wesentlichen in der halben Fläche des ersten Bereichs ausgebildeten dritten Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp; einen im wesentlichen in der halben Fläche des zweiten Bereichs ausgebildeten und zum dritten Bereich im wesentlichen komplementären vierten Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp; einen in einem Teil des ersten Bereichs über einem Teil des vierten Bereichs ausgebildeten fünften Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp; vom ersten Leitfähigkeitstyp; einen in der Grenzfläche zwischen dem ersten Bereich und dem Substrat ausgebildeten sechsten Bereich hoher Dotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp; einen in der Grenzfläche zwischen dem zweiten Bereich und dem Substrat gegenüber wenigstens einem Teil des vierten Bereichs ausgebildeten siebenten Bereich hoher Dotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp; eine den dritten Bereich und den größten Teil des ersten Bereichs überdeckende erste Metallisierung; eine einen Teil des ersten Bereichs benachbart dem dritten Bereich und den fünften Bereich überdeckende zweite Metallisierung; sowie eine den zweiten Bereich und den vierten Bereich überdeckende dritte Metallisierung.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der fünfte Bereich die Form einer schmalen Zunge hat.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die dritten und die vierten Bereiche Emitter-Kurzschlüsse aufweisen und daß die Dichte der Emitter- Kurzschlußlöcher bzw. -Öffnungen im dritten Bereich größer als im vierten Bereich ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der erste Thyristor eine Gate-Stromverstärker-Struktur umfaßt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß das Schutzbauteil einen in dem ersten Bereich ausgebildeten achten Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp umfaßt, der einen neunten Bereich vom ersten Leit fähigkeitstyp enthält, daß die zweite Metallisierung den achten Bereich und den fünften Bereich überdeckt, und daß eine vierte Metallisierung den neunten Bereich mit einem Teil des ersten Bereichs benachbart dem dritten Bereich verbindet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß das Schutzbauteil in seiner Oberseite einen zusätzlichen Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp zum Zweck der Verbindung mit einer Störzustand-Detektionsschaltung aufweist, wobei dieser zusätzliche Bereich auf ein höheres Potential als sämtliche anderen Anschlüsse des Bauteils vorgespannt ist.
Gemäß einem Vorteil der vorliegenden Erfindung weist die monolithische Schaltung nur ein einziges bidirektionales Hauptschutzelement zwischen jedem der Leiter der Leitung und Masse auf. Dieses Hauptelement gelangt in den leitenden Zustand entweder beim Auftreten eines Überstroms in der Leitung oder beim Auftreten einer Überspannung auf wenigstens einem Leiter der Leitung. Somit kann in diesem monolithischen Bauteil die Fläche reduziert werden, da es nicht distinkte Elemente für den Schutz gegen Überströme und gegen Überspannungen umfaßt, sondern nur ein einziges Schutzelement, das durch auf eine Überspannung oder einen Überstrom ansprechende Auslöseelemente betätigt wird, wobei diese Auslöseelemente, da sie keine hohen Ströme durchlassen, daher keine große Fläche zu besitzen brauchen.
Diese und weitere Ziele, Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele, denen keine einschränkende Bedeutung zukommt, anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren im einzelnen erläutert; in der Zeichnung zeigen:
die bereits beschriebenen Figg. 1, 2A und 2B die Veranschaulichung eines Beispiels der Problemstellung für den besonderen Fall des Schutzes eines Interface einer Fernsprechteilnehmerleitung,
Fig. 3 in Blockschaltbild das Konzept zum Schutz des Interface einer Fernsprechteilnehmerleitung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 ein Schaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figg. 5, 6 und 7 jeweils schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung verschiedener Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figg. 8A und 8B in Draufsicht bzw. Ansicht von unten eine Ausführungsform des Bauteils nach Fig. 7.
Fig. 3 zeigt ein System gemäß der vorliegenden Erfindung und seinen Anschluß und seine Schaltungsverbindung für einen Überlastschutz eines Fernsprechteilnehmer-Interface und der Leitungsbelegungsrelais 1. Eine einzige Schutzvorrichtung 10 gewährleistet einerseits einen Schutz gegen eine Überspannung und ist im Öffnungszustand der Relais 1 aktiv, wobei dieser Schutz in Fig. 3 beispielshalber durch Shockley- Doppeldioden 11 und 12 veranschaulicht ist; andererseits gewährleistet die eine Schutzvorrichtung einen Schutz gegen Überströme, der im Schließzustand der Relais 1 aktiv ist. Diese Schutzvorrichtung liegt zwischen Anschlüssen A und B an den beiden Enden eines in Reihe mit dem T-Leiter der Leitung liegenden Nachweiswiderstands Rd, sowie zwischen Anschlüssen A' und B' an den beiden Enden eines in Reihe mit dem R-Leiter liegenden Detektionswiderstands R'd. Die even tuell vorhandenen Überlasten werden zu einem Anschluß G abgeleitet, der beispielsweise mit Masse verbunden ist. Bei Nachweis eines Überstroms werden Schalter 13 und 14, die zwischen dem Anschluß A und dem Anschluß G bzw. zwischen dem Anschluß A' und dem Anschluß G liegen, geschlossen. Gemäß einem Aspekt dieser Vorrichtung, der weiter unten näher entwickelt wird, zieht die Überführung der einen oder anderen der Schutzvorrichtungen 11 und 12 in den leitenden Zustand gleichzeitig sofort die Schließung des entsprechenden Schalters 13 oder 14 mit sich. Somit weicht die vorliegende Erfindung von dem herkömmlichen Schutzmodus ab, der darin besteht, eine Schutzvorrichtung gegen Überspannungen an den Anschlüssen des SLIC-Interface selbst vorzusehen, und ersetzt diese Überspannungs-Schutzvorrichtung durch eine Schutzvorrichtung gegen Überströme, was den Vorteil bietet, daß jegliches Auftreten von Überströmen in den Relais 1, wenn sich diese im geschlossenen Zustand befinden, vermieden wird.
Fig. 4 zeigt in Schaltungsform das Ersatzschaltbild einer Hälfte der Schutzvorrichtung, mit welcher die vorliegende Erfindung realisiert werden soll. Diese Figur zeigt nur die zwischen den Anschlüssen A, B und G liegenden Elemente, wobei dieser Vorrichtungsteil zwischen den Anschlüssen A', B' und G' dupliziert zu denken ist. Zwischen den Anschlüssen A und G liegen zwei Thyristoren T1 und T2 in Antiparallelschaltung, bei denen es sich um einen Kathoden-Gate-Thyristor bzw. um bzw. um einen Anoden-Gate-Thyristor handelt. Diese Gates sind mit dem Anschluß B verbunden. Somit tritt, wenn in dem Widerstand Rd ein Strom fließt, zwischen dem Gate und der entsprechenden Hauptelektrode eine Potentialdifferenz auf und bewirkt die Umschaltung des einen oder des anderen dieser Thyristoren in den leitenden Zustand, je nach der Richtung des Stromflusses. Der Thyristor geeigneter Polarität wird leitend, sobald das Potential an seinem Gate sich vom Potential an der entsprechenden Hauptelektrode um einen Betrag in der Größenordnung von 0,7 V unterscheidet. Man wählt daher den Betrag R des Widerstands in Abhängigkeit von dem Wert des Stroms I, für welchen das Schutzsystem auslösen soll, damit R1 etwa gleich 0,7 V beträgt. Somit hat für Werte des Stroms I in der Größenordnung von 100 bis 200 mA der Widerstand R einen Betrag in der Größenordnung von 6 bis -3 Ohm.
Des weiteren sind gemäß der vorliegenden Erfindung Lawinendioden 21 und 22 zwischen Masse und den Anschlüssen A bzw. B vorgesehen. Bei einer weiter unten erläuterten praktischen Ausführungsform liegen diese Lawinendioden 21 und 22 jeweils in Reihe mit Dioden d1 bzw. d2 entgegengesetzter Polarität. Somit wird, wenn beispielsweise eine positive Überspannung an den Anschlüssen A und B auftritt, die Lawinendiode 22 leitend, und entsprechend wird beim Auftreten einer negativen Überspannung an den Anschlüssen A und B die Lawinendiode 21 leitend. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden diese Lawinendioden in bezug zu den Thyristoren T1 und T2 so ausgelegt, daß die Auslösung der Lawinendiode 21 die Überführung des Thyristors T1 in den leitenden Zustand bewirkt und entsprechend das Auslösen der Lawinendiode 22 den Leitungszustand des Thyristors T2. Somit werden die Lawinendioden 21 und 22 nicht von hohen Strömen durchflossen, da die Überlasten durch die Thyristoren T1 und T2 abgeführt werden. Die Lawinendioden 21 und 22 können daher von kleiner Abmessung sein.
Fig. 5 veranschaulicht in sehr schematischer Weise eine Ausführungsform eines Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung zum Anschluß zwischen den Anschlüssen A, B, A', B' und G. In Fig. 5 sind die annähernden Positionen der verschiedenen äquivalenten Halbleiterbauteile eingezeichnet, um die Beziehung zu der in Fig. 4 veranschaulichten Schaltung erkennen zu lassen. Fig. 6 ist eine vergrößerte Darstellung einer Hälfte von Fig. 5. Im folgenden wird auf beide Figg. 5 und 6 Bezug genommen.
Wie aus Fig. 6, welche die linke Hälfte eines Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, ersichtlich, wird ein derartiges Bauteil ausgehend von einem Substrat eines ersten Halbleitertyps realisiert, der im folgenden als N-Leitfähigkeit angenommen wird. In den Ober- und Unterseiten dieses Substrats sind P-Bereiche P1 bzw. P2 ausgebildet. Im wesentlichen in der halben Fläche des Bereichs P1 wird ein N-Bereich N1 gebildet und entsprechend ein N-Bereich N2 im wesentlichen in der halben Fläche des Bereichs P2, und zwar im wesentlichen zueinander komplementär. Des weiteren wird ein distinkter N-Bereich N3 in dem Bereich P1 ausgebildet, in Ausrichtung mit einem Teil des in der gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildeten Bereichs N2. Ein N-Bereich N4 mit hohem Dotierungspegel wird an der Grenzfläche zwischen dem Bereich P1 und dem N-Substrat ausgebildet, und zwar im wesentlichen unter dem Gate-Kontaktbereich des Thyristors T1, welcher den Bereichen N1-P1-N-P2 entspricht. Ein N-Bereich N5 mit hohem Dotierungspegel wird an der Grenzfläche zwischen dem Bereich P2 und dem N-Substrat über einem Teil des Bereichs N2 ausgebildet. Eine Metallisierung M1 überdeckt den größten Teil der Oberseite der Bereiche N1 und P1. Eine Metallisierung M2 überdeckt den größten Teil der Fläche der Bereiche P2 und N2 auf der Unterseite des Bauteils. Eine Metallisierung M3 überdeckt einen kleinen Teil des Bereichs P1, benachbart dem Bereich N1 und über dem erwähnten Bereich N4. Eine Metallisierung M4 überdeckt den Bereich N3. Die Metallisierung M1 wird mit dem Anschluß A verbunden, die Metallisierungen M3 und M4 werden mit dem Anschluß B verbunden, und die Metallisierung M2 wird mit dem Anschluß G verbunden.
Außerhalb der Zonen, wo die Metallisierungen auf den Halbleiterbereichen aufliegen, ruhen sie auf nicht eigens bezeichneten dünnen isolierenden Schichten auf (üblicherweise dünne Siliziumoxidschichten).
Wie aus den Figg. 4 und 5 ersichtlich, verkörpert der in Fig. 6 veranschaulichte Teil des erfindungsgemäßen Bauteils die folgenden Bauteile:
- einen aus den Schichten P2-N-P1-N1 gebildeten Thyristor T1, dessen Anode der Metallisierung M2, dessen Kathode der Metallisierung M1 und dessen Gate der Metallisierung M3 entspricht;
- einen die Schichten P1-N-P2-N2 umfassenden Thyristor T2, dessen Anode der Metallisierung M1 und dessen Kathode der Metallisierung M2 entspricht, d. h. daß dieser Thyristor T2 in Antiparallel-Anordnung zu dem Thyristor T1 liegt (dieser Thyristor T2 umfaßt des weiteren den Bereich N3, der sein Anoden-Gate bildet);
- eine dem PN-Übergang P1-N4 entsprechende Lawinendiode 21, deren Anode der Metallisierung M3 und deren Kathode der Metallisierung M2 entspricht (diese Lawinendiode 21 liegt in Reihe mit einer dem PN-Übergang N-P2 entsprechenden Diode d1); sowie
- eine dem PN-Übergang P2-N5 entsprechende Lawinendiode 22, deren Anode der Metallisierung M2 und deren Kathode der Metallisierung M1 entspricht (diese Lawinendiode liegt in Reihe mit einer dem PN-Übergang P1-N entsprechenden Diode d2).
Die Struktur gemäß den Figg. 5 und 6 entspricht somit genau dem in Fig. 4 veranschaulichten Ersatzschaltbild. Im rechten Teil von Fig. 5 liegen Elementarbauteile T'1, T'2, z'1, z'2, d'2 vor, die symmetrisch mit den oben beschriebenen Bauteilen sind und mit den Anschlüssen A', B' und G verbunden sind.
Im folgenden wird die Arbeits- und Funktionsweise der Vorrichtung beschrieben.
Wenn die Relais 1 geöffnet sind und an den Anschlüssen A und B eine negative Überspannung relativ bezüglich Masse auftritt, geht die Lawinendiode 21 in den Lawinendurchbrüchzustand über, und es werden Ladungsträger benachbart dem PN-Übergang P1-N erzeugt. Somit wird der Thyristor T1 leitend, und die Überspannung wird über diesen Thyristor T1 an Masse abgeleitet.
Wenn die Relais 1 geöffnet sind und an den Anschlüssen A und B eine positive Überspannung relativ bezüglich Masse auftritt, gelangt die Lawinendiode 22 in den Lawinendurchbruchzustand. Dieser Lawinendurchbruch verursacht eine Ladungsträgererzeugung benachbart dem PN-Übergang N-P2 des Thyristors T2, und dieser Thyristor wird seinerseits leitend.
Wenn die Relais 1 geschlossen sind und ein negativer Überstrom in der Leitung auftritt, erscheint an dem Anschluß B und dem Anschluß A eine positive Spannung. Sobald diese Spannung ca. 0,7 V erreicht, kann in dem PN-Übergang P1-N1 ein Gate-Strom fließen, und der Kathoden-Gate-Thyristor T1 löst in herkömmlicher Weise aus.
Wenn die Relais 1 geschlossen sind und ein positiver Überstrom auf der Leitung auftritt, fließt ein positiver Strom vom Anschluß A zum Anschluß B, und zwischen diesen Anschlüssen tritt ein positives Potential auf. Somit wird der PN-Übergang P1-N3 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und sobald die Schwellspannung der Diode P1-N3 für die Leitung in Durchlaßrichtung (ca. 0,7 V) erreicht wird, führt ein Stromfluß in dem PN-Übergang P1-N3 zur Ladungsträgererzeugung auch in der Nachbarschaft des PN-Übergangs P1-N, und dies bewirkt die Auslösung des Thyristors T2 (P1-N-P2-N2).
Vorstehend wurde die allgemeine Arbeits- und Funktionsweise eines Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Darüber hinaus muß dieses verschiedene Empfindlichkeits- und Symmetriekriterien erfüllen, um seine vorgesehene Funktion geeignet zu erfüllen.
Die Auslösung des Thyristors T1 oder T2 durch die Lawinendiode 21 oder 22 stellt kein besonderes Problem dar. Es reicht aus, das Dotierungsniveau der Bereiche N4 und N5 so zu wählen, daß eine gewünschte Lawinendurchbruchspannung, beispielsweise 250 V, erzielt wird. Außerdem liegt im Fall eines Überlastzustandes, während die Relais geöffnet sind, gegen Ende des Überlastzustands keine Spannung auf der Leitung an, und derjenige von den Thyristoren T1 oder T2, der leitend geworden war, wird natürlich gesperrt.
Komplizierter wird das Problem im Fall einer Auslösung durch einen Überstrom. Tatsächlich muß die Vorrichtung in diesem Fall drei Bedingungen genügen.
Die erste Zwangsbedingung besteht darin, daß die Thyristoren bei einem vorbestimmten Stromfluß in dem Widerstand R, beispielsweise einem Strom in der Größenordnung von 200 mA, auslösen müssen. Um dies zu erreichen, muß der Gate-Strom, welcher die Thyristoren in den leitenden Zustand versetzen kann, klein im Vergleich zu dem Strom in dem Widerstand Rd sein, beispielsweise in der Größenordnung von 20 mA. Daraus folgt, daß die Thyristoren T1 und T2 verhältnismäßig empfindlich sein müssen.
Die zweite Zwangsbedingung besteht darin, daß die Vorrichtung so symmetrisch wie möglich sein muß, d. h. daß sie im wesentlichen bei denselben positiven und negativen Überstrom-Schwellwerten auslösen muß.
Die dritte Zwangsbedingung stellt sich speziell in dem Fall, wo die Vorrichtung zum Schutz einer Telephonleitung bestimmt ist. In diesem Fall liegt nämlich bei geschlossenen Relais in Permanenz eine Spannung in der Größenordnung von -48 V an dem R-Anschluß relativ bezüglich dem Anschluß G an. Es ist daher erforderlich, daß der Thyristor (T1 oder T'1), dessen Anode dem G-Anschluß und dessen Kathode dem R-Anschluß entspricht, sich in Gegenwart einer Spannung von 48 V zwischen diesen Anschlüssen wieder sperren kann. Dies stellt jedoch kein kritisches Problem für den Thyristor T1 oder T'1 dar, da der Widerstand Rd in Reihe mit dem Thyristor liegt und die Zwangsbedingung für den Haltestrom des Thyristors in der Praxis erträglich ist. Demgegenüber zeigt jedoch eine Untersuchung von Fig. 6, daß darüber hinaus noch ein parasitärer Thyristor P2-N-P1-N3 vorliegt, dessen Anode dem G-Anschluß und dessen Kathode dem B-Anschluß entspricht. Dieser Anschluß B ist direkt mit der Spannung von -48 V verbunden. Es ist daher erforderlich, daß dieser parasitäre Thyristor einen hohen Haltestrom aufweist, damit er nicht zu Ende eines Überlaststroms im leitenden Zustand verbleibt.
Im folgenden wird gezeigt, daß diesen drei Bedingungen durch eine geeignete Wahl der Flächen der verschiedenen Schichten, der Anordnungen der Gate-Bereiche und der Dichte der durch die Bereiche N1 und N2 hindurch ausgebildeten Emitter-Kurzschluß-Öffnungen bzw. -Löcher genügt werden kann.
Fig. 7 zeigt in Schnittansicht eine abgewandelte Ausführung eines Halb-Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher zu der Vorrichtung nach Fig. 6 ein Gebilde zur Gate- Stromverstärkung für den Thyristor T1 und ein Gebilde zur Fehleranzeige hinzugefügt sind.
Der rechte Teil von Fig. 7 stimmt mit Fig. 6 überein, und gleiche Schichten und Bereiche sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Ausgehend von der Oberseite des Substrats N wird benachbart dem Gate-Bereich des Thyristors T1 ein P-Bereich P7 erzeugt. In dem Bereich P7 wird ein N-Bereich N7 ausgebildet. Der Bereich N4 wird statt unter einem Teil des Bereichs P1 unter dem Bereich P7 erzeugt. Die Metallisierung M3 wird statt über einem Teil des Bereichs P1 auf einer freiliegenden Oberfläche des Bereichs P7 angedeutet, und eine Metallisierung M7 verbindet einen Teil der Oberseite des Bereichs N7 mit einem Teil der Oberseite des Bereichs P1. Die Metallisierung M7 ist nicht mit einem äußeren Anschluß verbunden. Die Metallisierung M3 ist mit dem Anschluß B verbunden. Man hat so in herkömmlicher Weise einen Thyristor T1 mit Gate-Verstärkung ausgebildet, dessen Empfindlichkeit erhöht ist. Die Lawinendiode 21 entspricht nunmehr dem PN- Übergang P7-N4, und wie zuvor löst ihr Übergang in den leitenden Zustand die Einschaltung des Thyristors T1 aus.
Des weiteren sieht die vorliegende Erfindung die Zuordnung eines Fehlerdetektors zu dem vorstehend beschriebenen Bauteil vor. Hierzu wird in der Oberseite des Substrats 1 ein zusätzlicher Bereich P8 erzeugt, der einstückig mit einer mit einem Anschluß D verbundenen Metallisierung M5 ist. Dieser Anschluß D ist mit einer Fehleranzeige und mit einer Spannungsquelle verbunden, die positiver als jeder der Anschlüsse A, B und G ist. Somit liegt im normalen Betriebs zustand zwischen dem Anschluß D und jedem der Anschlüsse A, B und G ein PN-Übergang in Sperrichtung (die PN-Übergänge N-P1, N-P7 und N-P2). Falls hingegen infolge einer zu hohen Überlast das Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung in den Kurzschlußzustand übergeht, wird einer der PN-Übergänge N-P1, N-P7 oder N-P2 zerstört und entspricht dann einem Kurzschluß. Damit kann dann ein Strom zwischen dem Anschluß D und jedem der Anschlüsse A, B und G fließen. Dieser Strom wird durch den Fehlerdetektor nachgewiesen. Dieser Fehlerdetektor kann einem nahe oder entfernt von dem Bauteil angeordneten Sichtanzeige- oder Alarmsystem zugeordnet sein.
Die Figg. 8A und 8B zeigen eine Draufsicht bzw. eine umgekehrte Unteransicht des in Fig. 7 veranschaulichten Bauteils; Fig. 7 stellt eine zugehörige Schnittansicht im Schnitt längs der Linie 7-7 in den Figg. 8A und 8B dar. In diesen Zeichnungsfiguren sind die Umrißlinien der Metallisierungen mit voll ausgezogenen Linien, die Umrißlinien der P-Bereiche gestrichelt und die Umrißlinien der N-Bereiche punktiert dargestellt.
Man erkennt so in Fig. 8A die Metallisierungen M1, M3-M4 (eine einzige Metallisierung), M7 und M8, die P-Bereiche P1, P7 und P8 sowie die N-Bereiche N1, N3 und N7. Der nicht dargestellte Bereich N4 erstreckt sich im wesentlichen unter dem Bereich P7. Unterhalb der Metallisierung M7 sind schraffiert die Kontaktzonen mit dem Bereich N7 und mit einem als Gate dienenden Teil des Bereichs P1 dargestellt. Der restliche Teil der Metallisierung ist auf einem Isoliermittel (einem Oxid) ausgebildet. Entsprechend ist für die Metallisierung M3-M4 schraffiert ihr Kontakt mit dem Bereich N3 und mit dem Teil des Bereichs P7, in welchem der Bereich N7 nicht ausgebildet ist, gezeigt. Diese Fig. 8A stellt nur ein Ausführungsbeispiel einer Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Man erkennt jedoch die folgenden charakte ristischen Merkmale:
- Der Bereich P1 nimmt den größten Teil der Oberfläche des Bauteils ein;
- der Bereich N1 nimmt im wesentlichen die Hälfte der Oberfläche des Bereichs P1 ein;
- die Dichte der in dem Bereich N1 ausgebildeten Emitter- Kurzschluß-Löcher H1 ist relativ groß, damit der Thyristor T1 einen verhältnismäßig hohen Haltestrom bietet, wobei eine hohe Empfindlichkeit für diesen Thyristor dank der Gate- Stromverstärkungs-Struktur erzielt wird;
- der Bereich N3 besteht aus einem länglichen schmalen Band, damit der parasitäre Thyristor P2-N-P1-N3 einen hohen Haltestrom aufweist. Dieses Band N3 besitzt beispielsweise eine Breite in der Größenordnung von 120 um;
- der den Emitter des Pilot-Thyristors bildende Bereich N7 ist frei von Kurzschluß-Löchern, um eine hohe Empfindlichkeit zu erhalten.
In der Ansicht von unten nach Fig. 8H erkennt man die Metallisierung M2, den P-Bereich P2, den N-Bereich N2 und den an der Grenzfläche zwischen den Bereichen P2 und N erzeugten N-Bereich N5. In dieser Zeichnungsfigur erkennt man, daß
- der Bereich P2 sich nicht unter den Bereich P8 erstreckt (dies ist jedoch nicht notwendig);
- der Bereich N2 eine sehr geringe Dichte von Emitter- Kurzschluß-Löchern aufweist. Dies dient dazu, eine verhältnismäßig hohe Empfindlichkeit für den Anoden-Gate-Thyristor T2 zu erzielen. Zwar weist als Folge hiervon dieser Thy ristor einen niedrigen Haltestrom auf, jedoch ist dies nicht störend, da, wie weiter oben angegeben, zu Ende eines Überlastzustandes dieser Thyristor an seinen Anschlüssen praktisch eine Spannung Null erfährt.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung zahlreichen für den Fachmann ersichtlichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich, insbesondere hinsichtlich der Arten von Topologie der verschiedenen Schichten, die in den Figg. 8A und 8B nur beispielshalber veranschaulicht sind.
Zwar könnten die Leitfähigkeitstypen sämtlicher Schichten umgekehrt werden, jedoch wird die dargestellte Struktur bevorzugt, in welcher das Substrat vom N-Typ ist, um in einfacher Weise den weiter oben erwähnten Kompromiß zwischen Empfindlichkeit und Haltestrom gewährleisten zu können. In der vorliegenden Beschreibung wurde zwar der Anschluß mit festem Potential, zu welchem die Überlasten abgeleitet werden, mit 'Masse' bezeichnet, jedoch erkennt man, daß diese 'Masse' eine andere als die Masse der zu schützenden Leitung und als das Bezugspotential der Leitung sein kann.

Claims

1. Überlastschutz-System für ein Interface zwischen einer Telephonzentrale und mit einer Teilnehmerleitung verbundenen Relais (1), welches eine einzige Schutzschaltung (10) aufweist, die relativ bezüglich dem Interface jenseits der Leitungsbelegungsrelais angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

diese Schutzschaltung (10) einen im Öffnungs- bzw. Ausschaltzustand der genannten Relais wirksamen Schutz gegen Überspannungen und einen im geschlossenen bzw. eingeschalteten Zustand der Relais wirksamen Schutz gegen Überströme gewährleistet.

2. System nach Anspruch 1, welches einen gesteuerten Schalter (13, 14) in Anordnung zwischen jeweils jedem der Leiter und Masse aufweist, der nach einer Detektion einer Überspannung oder eines Überstroms geschlossen wird.

3. Monolithisches Bauteil als Schutz gegen elektrische Überlastungen, die auf einem Leiter auftreten können, mit welchem in Reihe ein Detektionswiderstand (Rd) angeordnet ist, wobei dieses Bauteil eine Ober- und eine Unterseite besitzt und umfaßt:

erste und zweite Metallisierungen (M1, M3-M14) auf der Oberseite, zur Verbindung mit Anschlüssen (A, B) des genannten Wderstands (Rd), sowie eine dritte Metallisierung (M2) auf der Unterseite, zur Verbindung mit Masse;

erste und zweite Thyristoren (T1, T2) in antiparalleler Ausbildung zwischen den ersten und dritten Metallisierungen, wobei die zweite Metallisierung dem Gate dieser Thyristoren entspricht; sowie

eine erste Lawinen- bzw. Z-Diode (21) in einer ersten Polung zwischen den zweiten und dritten Metallisierungen, und eine zweite Lawinen- bzw. Z-Diode (22) in umgekehrter Polung zwischen einer von der ersten oder zweiten Metallisierung und der dritten Metallisierung, wobei diese erste und zweite Diode so vorgesehen sind, daß der Übergang einer von ihnen in den leitenden Zustand das Leitendwerden eines der Thyristoren bewirkt.

4. Schutzbauteil nach Anspruch 3, welches umfaßt:

ein Substrat (N) vom ersten Leitfähigkeitstyp;

einen in der Oberseite des Substrats ausgebildeten ersten Bereich (P1) vom zweiten Leitfähigkeitstyp;

einen in der Unterseite des Substrats ausgebildeten zweiten Bereich (P2) vom zweiten Leitfähigkeitstyp;

einen im wesentlichen in der halben Fläche des ersten Bereichs (P1) ausgebildeten dritten Bereich (N1) vom ersten Leitfähigkeitstyp;

einen im wesentlichen in der halben Fläche des zweiten Bereichs (P2) ausgebildeten und zum dritten Bereich im wesent lichen komplementären vierten Bereich (N2) vom ersten Leitfähigkeitstyp;

einen in einem Teil des ersten Bereichs (P1) über einem Teil des vierten Bereichs ausgebildeten fünften Bereich (N3) vom ersten Leitfähigkeitstyp;

einen in der Grenzfläche zwischen dem ersten Bereich (P1) und dem Substrat ausgebildeten sechsten Bereich (N4) hoher Dotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp;

einen in der Grenzfläche zwischen dem zweiten Bereich (P2) und dem Substrat (N) gegenüber wenigstens einem Teil des vierten Bereichs (N2) ausgebildeten siebenten Bereich (N5) hoher Dotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp;

eine den dritten Bereich (N1) und den größten Teil des ersten Bereichs (P1) überdeckende erste Metallisierung;

eine einen Teil des ersten Bereichs (P1) benachbart dem dritten Bereich und den fünften Bereich (N3) überdeckende zweite Metallisierung (M3, M4); sowie

eine den zweiten Bereich (P2) und den vierten Bereich (N2) überdeckende dritte Metallisierung.

5. Schutzbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der fünfte Bereich (N3) die Form einer schmalen Zunge hat.

6. Schutzbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und die vierten Bereiche (N1, N2) Emitter-Kurzschlüsse aufweisen, und daß die Dichte der Emitterkurzschlußlöcher bzw. -Öffnungen im dritten Bereich größer als im vierten Bereich ist.

7. Schutzbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Thyristor eine Gate-Stromverstärker-Struktur (P7, N7) umfaßt.

8. Schutzbauteil nach den Ansprüchen 3, 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß es einen in dem ersten Bereich ausgebildeten achten Bereich (P7) vom zweiten Leitfähigkeitstyp umfaßt, der einen neunten Bereich (N7) vom ersten Leitfähigkeitstyp enthält, daß die zweite Metallisierung (M3, M4) den achten Bereich (P7) und den fünften Bereich (N3) überdeckt, und daß eine vierte Metallisierung den neunten Bereich (N7) mit einem Teil des ersten Bereichs (P1) benachbart dem dritten Bereich (N1) verbindet.

9. Schutzbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es in seiner Oberseite einen zusätzlichen Bereich (P8) vom zweiten Leitfähigkeitstyp zum Zweck der Verbindung mit einer Störzustand-Detektionsschaltung aufweist, wobei dieser zusätzliche Bereich auf ein höheres Potential als sämtliche anderen Anschlüsse des Bauteils vorgespannt ist.