JP6396294B2 - 過渡電圧回路保護のためのクローバーデバイス - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

（関係する出願）
本出願は、２０１２年７月５日に出願された米国仮出願第６１／６６８３２６号に基づく優先権を主張する。

本開示は、概して回路保護装置の分野に関し、より詳細には落雷又は電源回路等により生じ得る過渡電圧からの回路部品の保護に関する。

回路内での電圧又は電流の望ましくない変化は、一般に「過渡現象」と呼ばれている。過渡現象は様々な原因により生じ得る。例えば、落雷は、回路内において望ましくない過渡現象の原因となり得る。さらに、過渡現象は様々な形で出現し得る。より具体的には、過渡現象は回路内における定常状態の電圧又は電流の状態に複数の異なる変化をもたらし得る。さらに、過渡現象電流及び電圧の波形及び振幅も変化し得る。過渡現象はしばしば回路内での望ましくない電圧及び／または電流のスパイク、回路部品への損傷を引き起こし得る。

過渡現象から回路を保護することは、可能性のある過渡現象の発生源と保護すべき回路との間にある種の保護部品（又は部品）を設置することを伴うことが多い。保護部品はその回路において電流及び電圧を安全なレベルにまで制限する役割を果たす。半導体デバイスは一定のクランピング電圧及び漏れ電流特性を有することが多いという事実により、いくつかの保護部品は半導体デバイスを使用する。

実際に、半導体デバイスを利用する保護部品は、任意の過渡電圧を所定のレベルに急速に制限するように構成され得る。しかし、半導体接合の容量は、電圧とともに変化する。このように、過渡現象から回路を保護することは保護部品の容量の増加という犠牲を払ってなし得る。例えば、非常に高速度の加入電話回線（ＶＤＳＬ）等のいくつかの回路は、容量レベルが増加することによりデータ損失を生じ得る。したがって、いくつかの保護部品は、過渡現象を軽減することによる容量の増加のために保護される回路内でのデータ損失を引き起こし得る。

さらに、いくつかの半導体デバイスの抵抗も電圧とともに変化する。このように過渡現象から回路を保護することは、抵抗を変化させるという犠牲を伴うことがあり、このことは回路内で電流に悪影響を及ぼし得る。さらに、いくつかの半導体デバイスは電力消費のサイクルが多すぎるために損傷することがあり、その結果保護部品の早期故障をもたらす。

したがって、過渡現象の電圧を適切なレベルまで急速にクランプし、大電流に繰り返しさらされることに耐えられ、保護しようとする回路の容量を大きくは変化させないことが可能な保護部品の必要性が存在する。

本開示により電子デバイスを過渡現象から保護するための回路保護部品が提供される。この回路保護部品は、ステアリング・ダイオード・ブリッジと、ステアリング・ダイオード・ブリッジに電気的に接続されるクローバーデバイスを含み得る。このクローバーデバイスは第１の層に形成されるベースとエミッタとを有し得て、この第１の層はブレークダウン電圧を規定し、ブレークダウン電圧を超えるときに電流がエミッタの下を通りエミッタ内に形成された穴を通ってデバイスの外へ流れることを可能とする。

いくつかの実施形態では、回路保護部品のためのクローバーデバイスは、前記基板の下部の領域に形成された拡散層、基板に形成されたベースと、ベースに形成された、中に穴を有するエミッタとを具備することができ、前記クローバーデバイスはブレークダウン電圧を有し、前記ブレークダウン電圧を超えるときに電流が前記エミッタの下を通り前記エミッタ内に形成された穴を通り前記デバイスの外に流れることを可能とする。

クローバーデバイスの追加の実施形態は、基板に形成されたエピタキシャル層と、エピタキシャル層に形成されたベースと、ベースに形成された、中に穴を有するエミッタとを具備することができ、クローバーデバイスはブレークダウン電圧を有し、ブレークダウン電圧を超えるときに電流がエミッタの下を通りエミッタ内に形成された穴を通りデバイスの外に流れることを可能とする。

一例として、添付される図面を参照して、開示されるデバイスの特定の実施形態がここで説明される。

図１は外部の伝送線をデータ線に接続する回路のブロック図である。

図２は従来の回路保護部品のブロック図である。

図３は例示的な回路保護部品のブロック図である。

図４は例示的なクローバー保護デバイスのブロック図である。

図５Ａ−５Ｃは他の例示的クローバー保護デバイスのブロック図である。

図６はクローバー保護デバイスの例示的な電圧応答のブロック図である。

図７−９は本開示の少なくともいくつかの実施形態により構成されたクローバー保護デバイスの例示的なドーピングプロファイルブロック図である。

本発明について添付する図面を参照して以下にさらに充分な説明がなされ、本発明の好ましい実施形態が示される。しかし、本発明は、多くの異なる形で具体化されることが可能であり、ここで示された実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が完全で完成したものであり本発明の範囲が当業者に充分に伝わるように提供される。図面において、全体を通して同じ参照番号は同じ要素を指している。

図１は、本開示の様々な実施形態により構成された回路１００のブロック図の例を示す。示されるように、この回路１００は、コンデンサ型変圧器回路１３０を介して接続されたデータ線１２０と外部の伝送線１１０とを含む。以下に回路１００を説明するにあたり、参照用に伝送線側１０２とデータ線側１０４が表示される。示されるように、コンデンサ型変圧器回路１３０は、変圧器１３２、１３４と、コンデンサ１３６、１３８とを含む。一般に、コンデンサ型変圧器回路１３０は、外部の伝送線１１０からデータ線１２０へ電圧信号を変換し又はフィルタをかけて伝達するように動作する。例えば、データ線１２０はＶＤＳＬであり得るし、外部の伝送線はＶＤＳＬ回線を外部の施設に（例えば、中央通信事業者（ｃｅｎｔｒａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆｆｉｃｅ）、インタネットサービスプロバイダ等）に接続し得る。

動作の間、外部の伝送線１１０は、例えば、落雷、パワークロス（ｐｏｗｅｒ ｃｒｏｓｓ）、パワーインダクション（ｐｏｗｅｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）等の広範囲の電気的干渉にさらされることがあり、これらすべての結果として伝送線側１０２における過渡電圧が生じ得る。回路１００を過渡電圧から保護するために、回路保護部品は伝送線側１０２に接続されることが多い。例えば、図１は、外部の伝送線１１０に接続されたガス放電管１４０を示している。一般に、ガス放電管１４０は、ガス放電管１４０内に含まれるプラズマ気体により過渡電圧を消散するように動作する。このガス放電管１４０は、「放電開始電圧」と呼ばれることがある最大電圧を有する。「この放電開始電圧を超えると、ガス放電管１４０内の気体がイオン化し、これに起因してガス放電管１４０が電流を流すようになりこれにより過渡電流をアースにそらすことができる。外部の伝送線１１０及び関係する回路が過渡電圧に確実に耐えることができるようにするために様々な規格が存在する。例えば、テルコーディア（Ｔｅｌｅｃｏｒｄｉａ）規格ＧＲ−１０８９は、外部の伝送線を試験し得る様々なサージ電圧条件を一覧表にしている。

後で理解されるように、ガス放電管１４０が任意の過渡電圧をアースにそらす間に、伝送線側１０２内の定常状態の電圧及び／または電流への変化は、（コンデンサ型変圧器回路１３０を介して）データ線側１０４へ伝えられる。さらに、データ線側１０４に伝えられた過渡現象は、持続時間はずっと短いが電流値は大きいことがある。より具体的には、変圧器１３２、１３４のコアが過渡電圧により飽和するため、変圧器１３２、１３４における電流が上昇する。この結果、データ線側１０４に伝わる過渡電圧では、伝送線側１０２における元の過渡電圧の場合よりも大きな電流が生じることになる。したがって、データ線側１０４における過渡電圧は伝送線側１０２の波形とは異なる波形を有し、伝送線側１０２の電流よりも大きな電流が流れることになる。例えば、伝送線側１０２における典型的な過渡電圧は、数百マイクロ秒のパルス幅を有し得る。データ線側１０４に伝えられたこの過渡電圧は、１マイクロ秒未満のパルス幅を有し得るが、数百アンペアの電流が生じ得る。

そして、データ線側１０４は、回路保護部品１５０をも含み得る。この回路保護部品１５０（以下に詳細に記述する）は、伝送線側１０２から伝えられた過渡電圧からデータ線側１０４を保護するように構成され得る。上述のように、半導体デバイスは、それらの適切に定義されたクランピング電圧及び低い漏れ電流により、回路保護部品１５０を形成するのに使用されることがよくある。しかし、半導体接合の容量は、空乏層の幅が印加電圧と共に増加するにつれて電圧と共に変化する。

図２は、従来の回路保護部品２００のブロック図を示す。説明されるように、この回路保護部品２００は、ステアリング・ダイオード・ブリッジ２１０と直列に接続されるアバランシェダイオード２０２を含む。このステアリング・ダイオード・ブリッジ２１０は、４つのダイオード２１２、２１４、２１６、及び２１８を含む。一般に、回路保護部品２００は、端子２２２、２２４を介して保護すべき回路に接続され得る。さらに、回路保護部品２００の容量は、端子２２６、２２８に印加され得るような外部のバイアスに基づいて調整され得る。このアバランシェダイオードは普通高い容量を有しているが、このステアリング・ダイオード・ブリッジ２１０は回路保護装置２００の容量を効果的に下げる。なぜなら、データ線１２０に現れる容量は、アバランシェダイオード２０２ではなくステアリング・ダイオード・ブリッジ２１０の容量だからである。さらに、回路保護部品２００の容量は、さらにダイオード２１２、２１４、２１６、及び２１８に逆バイアスをかけることにより減少させ得る。

回路保護部品２００は、データ線１２０に適した高速電圧クランピング及び容量のレベルを提供し得るにもかかわらず、この回路保護部品２００は、上記の過渡電圧の結果生じる大電流レベルに対処することができないことがある。より具体的にいえば、アバランシェダイオード２０２の内部抵抗による電圧降下は、アバランシェダイオード２０２の両端電圧がクランピング電圧よりも相当高い値まで上昇する原因となり得て、その結果データ線側１０４における部品に損傷を引き起こし得る。さらに、このアバランシェダイオード２０２は、電力消費のサイクルの数が大きすぎるために損傷することもあり得る。さらに具体的にいえば、繰り返しの過渡電圧（例えば、誘導される電力により生じ得る）は、アバランシェダイオード２０２を損傷させ得る。

図３は、本開示の様々な実施形態により構成された回路保護部品３００のブロック図を示す。説明されるように、クローバーデバイス３０２は、ステアリング・ダイオード・ブリッジ３１０と直列に接続される。このステアリング・ダイオード・ブリッジ３１０は、ダイオード３１２、３１４、３１６、及び３１８を含む。クローバーデバイス３０２の様々な例を、特に図４および図５に関して後で説明する。一般に、回路保護部品３００は、図１に示される回路保護部品１５０として構成され得る。例えば、回路保護部品３００は、端子３２２、３２４を介してデータ線１２０と接続され得る。さらに、回路保護部品３００の容量は、端子３２６と端子３２８において印加され得るような外部バイアスに基づいて調節され得る。このようなものとして、過渡現象が伝送線側１０２からデータ線側１０４に伝えられるときに、回路保護部品３００が、より詳細にはクローバーデバイス３０２が、これらを抑圧し得る。

いくつかの例では、ダイオード３１２、３１４、３１６、及び３１８は、高抵抗エピタキシャル層（例えば、５０−２００Ω・ｃｍ）等）を用いて高濃度にドープされたＮ型基板上に形成され得る。選択的アノード領域がエピタキシャル層に拡散してダイオードが形成される。エピタキシャル層が低濃度にドープされるときは、この領域は電圧が印加されると急速に空乏化される。さらに、後で理解されるように、ダイオードの容量はエピタキシャル層の厚さにより決定され得る。いくつかの実施形態では、エピタキシャル層の厚さはダイオード３１２、３１４、３１６、及び３１８が所望の容量及び電圧オーバーシュート特性を有するように選ばれ得る。高濃度にドープされたアノードとカソードの間の低濃度にドープされた領域は、いくつかの例では、およそ５−１５ミクロンの幅を有し得る。いくつかの例では、ダイオード３１２、３１４、３１６、及び３１８に対して記載された上記のダイオード領域の極性は反対でもよい。

図４は、本開示の様々な実施形態により構成される例示的なクローバー保護デバイス４００のブロック図を示している。いくつかの例では、クローバーデバイス４００は、回路保護部品３００内にクローバーデバイス３０２として実装され得る。図示されるように、クローバー保護デバイス４００は、例えば、シリコン等の基板４１０上に製造される。いくつかの実施形態では、基板４１０は、約２５Ω・ｃｍの抵抗率を有するＮ型基板である。図示されるように、基板４１０は、基板４１０の底部近くに位置する深い拡散領域４１２を含む。深い拡散領域４１２は、クローバーデバイス４００のアノードを形成する。いくつかの例では、深い拡散領域４１２は、Ｐ＋型拡散領域であり得る。

ベース４１４及びエミッタ４１６がさらに図示される。いくつかの例では、ベース４１４は、Ｐ型のベースであってもよく、エミッタ４１６はＮ＋型エミッタであってもよい。ベース４１４及びエミッタ４１６は、従来の半導体製造技術を使用して基板４１０の前面に形成されてもよく、これは当業者にとって自明である。説明されるように、クローバーデバイス４００はＮＰＮＰ型半導体デバイスである。いくつかの例では、エミッタ４１６は、ベース４１４の端と重なり低電圧ブレークダウン領域を形成する。さらに、いくつかの例では、クローバーデバイス４００は、デバイスの上面及び／または下面に形成され、デバイスを回路（例えば、回路保護部品３００等）に接続するためのアノード及びカソードを形成する酸化層と金属層（図示せず）をさらに有し得る。

動作の間、過渡電圧がクローバーデバイス４００を横切って現れる時に、電流はトリガ経路４２０（点線で示す）に沿って流れる。電流は、図示されるように当初エミッタ４１６の部分を通って流れる。基板４１０の抵抗値が高いため、電流がトリガ経路４２０に沿った領域を通過するにつれて大きな電圧降下が生じ得る。このことは、急速な及び／または大きな過渡電流が生じる期間の間に特に当てはまる。そのとき、この電流は経路４２６に沿ってブレークダウン領域４２２を通過する。ブレークダウン領域４２２はトリガ電圧を決定し得る。このトリガ電圧は所望のデバイス特性を満足させるように選択され得る。そして、いくつかの例では、８−５０ボルトの範囲となり得る。このトリガ電圧を超えた場合に、電流はエミッタ４１６（示されたように）の下を通り領域４２４を通り抜けて外へ出ていき、ここで、エミッタ４１６に穴が形成される。いくつかの例では、点４２８における電圧がおよそ０．７ボルトに近づいたときに、エミッタ４１６は順方向バイアスとなり、クローバーデバイス４００は動き始め導電状態に入る。いくつかの例では、エミッタ４１６は領域４２４において複数の穴を有するように形成され得る。しかし、図４では明瞭に表すため単一の穴が示されている。

いくつかの例では、クローバーデバイス４００は、標準的な過渡現象の波形に対して回路を保護するように構成され得る。しかし、理解されるように、クローバーデバイス４００は、静電気放電（ＥＳＤ）等の他の過渡現象にもさらされ得る。これらの他の過渡現象の静電気の高電圧が、クローバーデバイス４００上の酸化物を破壊させ得る。いくつかの例では、酸化物の損傷を引き起こす電圧よりは低いがブレークダウン電圧よりは高い電圧で、空乏層が拡散層４１２に達する（ｈｉｔ）ように領域４２４におけるドーピングレベルを設定することにより、このような過渡現象からの保護が提供され得る。

図５Ａは、本開示の様々な実施形態により構成された他の例示的なクローバー保護デバイス５００のブロック図を示す。いくつかの例では、クローバーデバイス５００は、クローバーデバイス３０２のような回路保護部品３００において実施され得る。説明されるように、クローバーデバイス５００は、例えば、シリコン等の基板５１０上に製造される。いくつかの実施形態では、基板５１０はＰ＋型基板である。エピタキシャル層５１２は、基板５１０に形成（例えば、成長等）されている。いくつかの実施形態では、エピタキシャル層５１２は、Ｎ型エピタキシャル層である。

ベース５１４及びエミッタ５１６をさらに説明する。エミッタ５１６は、部分５１６Ａ−５１６Ｄを有することが描かれている。いくつかの例では、ベース５１４はＰ型ベースであり得るし、エミッタ５１６はＮ＋型エミッタであり得る。ベース５１４及びエミッタ５１６は、従来の半導体製造技術を使用してエピタキシャル層５１２に形成することができ、このことは当業者にとって明らかである。いくつかの例では、基板５１０、エピタキシャル層５１２、ベース５１４、及びエミッタ５１６は、ＮＰＮＰ型半導体デバイスを形成する。いくつかの例では、エミッタ５１６は、ベース５１４の端と重なり合って、低電圧ブレークダウン領域を形成する。さらに、いくつかの例では、クローバーデバイス５００は、デバイスの上部及び／または下部に形成され、デバイスを回路（例えば、回路保護部品３００等）に接続するためのアノード及びカソードを形成する酸化層及び金属層をさらに有し得る。

いくつかの実施形態では、エピタキシャル層５１２は、基板５１０とベース５１４（例えば、領域５２２によりハイライトされているように）との間にドープされ得る。領域５２２のドープ特性は、クローバーデバイス５００に所望のスイッチング特性を持たせるように選択され得る。一般に、エミッタ５１６Ａとベース５１４との接合（例えば、領域５２４によりハイライトされている）付近のドーパントの濃度は、領域５２２のそれよりも大きくなり得る。領域５２２に関する上記のドープは、領域５２４のブレークダウン電圧が領域５２２のブレークダウン電圧よりもより高くなるように選択され得ることが理解される。また、領域５２２のブレークダウン電圧を増加させるために本開示の主旨と範囲から逸脱することなく他の技術も実施され得ることも理解される。

動作中に過渡電圧がクローバーデバイス５００を横断して出現するとき、電流はトリガ経路５２０（点線で示される）に沿って流れる。電流は、初めに５１６Ａでエミッタを通過し、エミッタ５１６Ｂの下でベース５１４を通過して領域５２６を通って外に流れ、ここでエミッタ５１６における穴が形成される。いくつかの例では、エミッタ５１６は領域５２６における複数の穴を有するように形成され得る。しかし、図５では明確にするために単一の穴が示されている。ブレークダウン電圧（トリガ電圧とも呼ばれる）は所望のデバイス特性を満たすように選択することができ、いくつかの例では、８−５０ボルトの範囲にし得る。領域５２４のブレークダウン電圧を超える時に、電流は経路５２８に沿って流れ始める。いくつかの例では、領域５２２におけるドーパントの濃度はエピタキシャル層５１２内の他の領域の濃度よりも大きくし得る。さらに、領域５２２におけるドーパントの濃度は、経路５２８に沿った電流が均一に流れやすくなるように選択され得る。

図５Ｂは、他の例示的クローバー保護デバイス５００’のブロック図を示す。見てわかるように、デバイス５００はデバイス５００に類似している。より詳細にいうと、図５Ａ及びデバイス５００に関して上記したようにデバイス５００’は、基板５１０と、エピタキシャル層５１２と、ベース５１４とを含む。デバイス５００’はエミッタ５１６’を含む。説明されるように、エミッタ５１６’は、ベース５１４上に形成された部分５１６Ａ’と部分５１６Ｂ’とを含む。エミッタ５１６’は、図５Ａに関して上記したものと同様に領域５２６における穴をさらに含む。

動作中に、過渡電圧がクローバーデバイス５００’を通過するように現れるときに、電流がトリガ経路５２０’（点線で表示）に沿って流れる。説明されるように、電流は、初めエピタキシャル層５１２を通ってベース５１４とエピタキシャル層５１２（例えば、領域５２４）との接合に流れ込み、そしてエミッタ５１６Ａ’の下のベース５１４を通過して領域５２６を通って外に出る。いくつかの例では、エミッタ５１６は、領域５２６において複数の穴を有するように形成され得る。しかし、図５では明瞭にするために単一の穴が示されている。デバイス５００及び図５Ａに関して上に説明したように、領域５２４のブレークダウン電圧を超えたときに、電流は経路５２８に沿って流れ始める。いくつかの例では、領域５２２におけるドーパントの濃度は、エピタキシャル層５１２内の他の領域におけるドーパントの濃度よりも大きくし得る。さらに、領域５２２におけるドーパントの濃度は、経路５２８に沿った電流の伝導が一様になり易くなるように選択され得る。

図５Ｃは、他の例示的なクローバー保護デバイス５００’’のブロック図を示す。見ればわかるように、デバイス５００’’は前述したデバイス５００’と類似している。より詳しく言うと、デバイス５００’’は、基板５１０と、エピタキシャル層５１２と、ベース５１４と、エミッタ５１６’とを含む。いくつかの例では、ベースの下のエピタキシャル層５１２の拡散領域５２２’は複数の拡散領域を有する。例えば、デバイス５００’’は、拡散領域５２２Ａ’’−５２２Ｄ’’を有することが示されている。領域５２２Ａ’’−５２２Ｄ’’の拡散レベルは、この領域のブレークダウン電圧がエピタキシャル層５１２とベース５１４のコーナー（例えば、領域５２４）との間の接合により決まるブレークダウン電圧よりも大きくなるように、ベース５１４と領域５２２’’との間で所望のブレークダウン電圧を有するデバイス５００’’を提供するように選択され得る。デバイス５００’’の動作は、デバイス５００’に関して既に述べたような動作と類似している。より具体的に言えば、始めの電流経路５２０’は、領域５２４を通過して流れるように示される。電圧ブレークダウンの後、電流は経路５２８を通って流れる。

図５Ｄは、他の例示的なクローバー保護デバイス５００’’’のブロック図を示す。説明されるように、クローバーデバイス５００’’’は、基板５１０と、エピタキシャル層５１２と、ベース５１４と、エミッタの部分５１６Ａおよび部分５１６Ｂとを含む。いくつかの例では、基板５１０及びベース５１４は、Ｐ型（例えば、Ｐ又はＰ＋）材料から形成され得る。いくつかの例では、エピタキシャル層５１２及びエミッタ５１６は、Ｎ型（例えば、Ｎ又はＮ＋）材料から形成され得る。さらに、図示はしないが、エピタキシャル層５１４は、ドープされ得る（例えば、図５Ａ−５Ｃで示される領域５２２におけるように）。

クローバー保護デバイス５００’’’の層５１０、５１２、５１４、及び５１６の間に形成されるＮＰＮ接合及びＰＮＰ接合が示される。理解されるように、示されるＮＰＮ接合及びＰＮＰ接合は、（明瞭にするため図示していないが）クローバー保護デバイス５００、５００’、及び５００’’にも存在している。説明されるように、ＮＰＮ接合５３０Ａ、５３０Ｂは、エミッタ５１６Ａ、５１６Ｂ、ベース５１４、及びエピタキシャル層５１２から形成されることが示されている。さらに、ＰＮＰ接合５４０Ａ、５４０Ｂは、ベース５１４、エピタキシャル層５１２、及び基板５１０から形成されることが示される。図５Ａ−５Ｂに関して説明されたように、電流経路５２０を通る電圧降下がブレークダウン電圧（例えば、０．７ボルト）を超える時に、ＮＰＮ接合５３０Ａ、５３０Ｂ及びＰＮＰ接合５４０Ａ、５４０Ｂが再生され、これによりクローバー保護デバイス５００’’’が完全にオンとなり導電経路５２８に沿って電流が流れる。

図６は、本開示の様々な実施形態により構成されたクローバーデバイスの例示的な過渡電圧波形６１０（実線）及び対応する例示的な応答電圧波形６２０（破線）のブロック図を示す。いくつかの例では、クローバーデバイス４００とクローバーデバイス５００のいずれか又は両方が図６で説明された応答と実質的に類似する電圧応答を有し得る。説明されるように、ブロック図は、Ｙ軸６０２上に電圧振幅を表し、Ｘ軸６０４上に電圧パルスの継続時間を表すことにより、過渡電圧波形６１０、電圧応答６２０を明示している。過渡電圧波形６１０は、トリガ点６１２（例えば、クローバーデバイスの電圧ブレークダウンの点）に届くまで急速に振幅が増加する。詳しく前述したように、クローバーデバイスは電流経路に高抵抗領域が存在するため、クローバーデバイスの両端電圧も過渡応答と同様にトリガ点まで振幅が増加する。クローバーデバイスがブレークダウンし導電状態に入るとき、クローバーの両端電圧は、時間６３０で小さい定常状態レベル６２２まで低下する。いくつかの例では、この時間６３０は、０．５マイクロ秒か又はそれより短い。より具体的には、クローバーデバイス４００及び５００等の本開示による様々なクローバーデバイスは、０．５マイクロ秒未満の対応する期間６３０を有する電圧応答６２０と類似する電圧応答を有し得る。逆に、従来のクローバーデバイスは、例えば１マイクロ秒又はそれより長い等、実質的により長い期間の電圧応答を有する。上述のように、１マイクロ秒又はそれより長い電圧応答は、データ線１２０を損傷から適切に保護するのには不十分である。

図７は、対応する電界分布７００（点線）を有するクローバーデバイスの例示的なドーピングプロファイルのブロック図である。Ｙ軸７０２には電界の大きさが示される。説明されるように、クローバーデバイスは４つの層７１０、７２０、７３０、及び７４０を有する。いくつかの例では、クローバーデバイスは、上記のクローバーデバイス４００、５００等のＮＰＮＰクローバーデバイスであり得る。さらに、層７１０、７３０はそれぞれＮ型層、Ｎ＋型層であり得る一方、層７２０、７４０は、それぞれＰ型層、Ｐ＋型層であり得る。説明されるように、エピタキシャルドーピングは層７２０と層７４０の間で均一である。ドーピング濃度と幅は、要求されるトリガ電圧で層７２０と層７４０（例えば、上述の領域４２４及び領域５２２）の間の領域が十分空乏化される（ｆｕｌｌｙ ｄｅｐｌｅｔｅｄ）ように選択され得る。一例として、層７２０及び層７４０の間の領域の抵抗は、約１．０Ω・ｃｍで厚さは約２ミクロンで約２０ボルトのトリガ電圧を有し得る。より具体的には、印加電圧が約２０ボルトに達するとき、領域は完全に空乏化され得る。説明されるように、いったん領域が完全に空乏化されると、層７３０と層７４０の間の接合における電界は大きな順方向バイアスとなりクローバーデバイスは急速に導通し得る。

当業者の方々には理解されるように、トランジスタのスイッチング速度は、トランジスタのベース幅の２乗に反比例し得る。いくつかの実施形態では、この幅（例えば、基板４１０の幅又はエピタキシャル層５１２の幅）は、５０−１００ミクロンの間であり得る。したがって、スイッチング速度は従来のクローバーデバイスと比較すると実質的に減少させることができ、クローバーデバイスを過渡現象からの保護、特にＶＤＳＬデバイスの過渡現象からの保護に適したものとすることができる。さらに、容易に理解されるように、ステアリング・ダイオード・ブリッジ（例えば、３１０）の容量の変動を抑えるのに使用される逆バイアスがクローバーデバイスにわたり存在し得る。これにより、トランジスタのベース幅が効果的に減少し、さらにスイッチング速度が改善される。

もし要求がクローバーデバイスのスイッチング速度を最大にすることであるなら、ドーピングプロファイルは領域の主な量が（例えば、領域４２４、又は５２２）が低いバイアス電圧で空乏化されてバイアス条件の全ての範囲にわたりベース幅を最も狭くさせるように調節され得る。この点は図８に十分に示されており、この図は対応する電界分布８００（点線）を有するクローバーデバイスの例示的ドーピングプロファイルのブロック図を表わす。電界の大きさはＹ軸８０２で示される。説明されるように、クローバーデバイスは５つの層８１０、８２０、８３０、８４０、及び８５０を有する。いくつかの例では、クローバーデバイスは上記のクローバーデバイス４００、５００等のＮＰＮＰクローバーデバイスであり得る。さらに、層８１０、層８３０、層は８４０は、それぞれＮ＋型層、Ｎ型層、Ｎ＋型層であり得る一方、層８２０、層８４０は、それぞれＰ型層、Ｐ＋型層であり得る。

説明されるように、層８３０は隣接層８４０により低いバイアス電圧で空乏化されるように非常に低濃度にドープされており、したがって層８５０がドープされることを妨げる。対応する電界分布８００が長方形により近いので、狭い領域（例えば、領域４２４、又は５２２）が所望のトリガ電圧を提供するように要求され得るが、このことはさらに低い容量を可能とするとともにスイッチング速度を高速化させ得る。

図９は、対応する電界分布９００（点線）を有するクローバーデバイスの例示的ドーピングプロファイルのブロック図を示す。電界の大きさはＹ軸９０２で表わされる。説明されるように、クローバーデバイスは５つの層９１０、９２０、９３０、９４０、及び９５０を有する。いくつかの例では、クローバーデバイスは、上記のクローバーデバイス４００、５００等のＮＰＮＰクローバーデバイスであり得る。さらに、層９１０、９３０、９４０はそれぞれＮ＋型層、Ｎ＋型層、Ｎ型層であり得る一方、層８２０、８４０はそれぞれＰ型層、Ｐ＋型層であり得る。

説明されるように、層９２０の近くの層９３０が高濃度にドーピングされていることは電界分布９００により明らかである。より具体的に言えば、層９３０が完全に空乏化されるまで層９２０と層９３０の間の接合の領域において空乏層は制約される。いったん層９３０が完全に空乏化されると、低濃度でドープされた領域は急速に空乏化し層９４０と層９５０の間の接合が順方向に大きくバイアスされる。このドーピングプロファイルを使用する利点は、トランジスタ利得を比較的低くかつ一定に保ち得ることである。これによりスイッチング速度を犠牲にして過度の漏れ電流のような問題をなくすことを可能にし得る。

Claims (20)

1. 回路保護部品であって、
   ステアリング・ダイオード・ブリッジと、
   前記ステアリング・ダイオード・ブリッジに電気的に接続されるクローバーデバイスであって、前記クローバーデバイスは基板とエピタキシャル層とベースとエミッタとを有することを特徴とするクローバーデバイスと、
   を具備し、
   前記エピタキシャル層は前記基板上に形成され、前記エミッタは前記ベース内に形成された少なくとも第１の部分と第２の部分とを含み、前記ベースは前記エピタキシャル層上に形成され、
   前記エピタキシャル層の中央部のドーパントの濃度は、前記エピタキシャル層の周辺部のドーパントの濃度より大きく、前記エピタキシャル層の周辺部と前記ベースとの間の接合によりブレークダウン電圧を規定し、前記ブレークダウン電圧を超えるときに電流が前記基板から前記エピタキシャル層の前記中央部を通り前記ベースを通り前記エミッタの前記第１の部分と前記第２の部分とを通って流れることを可能にし、
   前記ブレークダウン電圧を超えないときには、電流は前記基板から前記エピタキシャル層の前記周辺部を通り、前記ベースを通り、前記エミッタの下を通り前記エミッタ内に形成された穴を通って流れることを特徴とする回路保護部品。
2. 第１の端子と第２の端子とをさらに具備し、
   前記第１の端子と前記第２の端子は前記回路保護部品を保護すべき回路に接続するように構成される、請求項１に記載の回路保護部品。
3. 前記ステアリング・ダイオード・ブリッジは、第１のダイオードと、第２のダイオードと、第３のダイオードと、第４のダイオードとを含む、請求項２に記載の回路保護部品。
4. 前記第１の端子は前記第１のダイオードのアノードと前記第２のダイオードのカソードとに電気的に接続され、前記第１のダイオードのカソードは前記第３のダイオードのカソードに電気的に接続され、前記第２のダイオードのアノードは前記第４のダイオードのアノードに電気的に接続され、前記第２の端子は前記第３のダイオードのアノードと前記第４のダイオードのカソードとに電気的に接続される、請求項３に記載の回路保護部品。
5. 前記クローバーデバイスの前記アノードは前記第２のダイオードの前記アノードと第４のダイオードの前記アノードとに電気的に接続され、前記クローバーデバイスのカソードは前記第１のダイオードの前記カソードと第３のダイオードの前記カソードとに電気的に接続される、請求項４に記載の回路保護部品。
6. 前記ステアリング・ダイオード・ブリッジは、複数のダイオードを含み、前記複数のダイオードはＮ型基板上に高抵抗エピタキシャル層から形成され、前記高抵抗エピタキシャル層は５０Ω・ｃｍ又はそれより大きい抵抗率を有する、請求項１に記載の回路保護部品。
7. 前記Ｎ型基板は、前記高抵抗エピタキシャル層のドープに比べ高濃度にドープされた、請求項６に記載の回路保護部品。
8. 前記エピタキシャル層は５から１５ミクロンまでの厚さを有する、請求項７に記載の回路保護部品。
9. 回路保護部品のためのクローバーデバイスであり、
   基板であって、前記基板はブレークダウン領域を有することを特徴とする基板と、
   前記基板の下部の領域に形成された拡散層と、
   前記基板に形成されたベースと、
   前記ベースに形成された、中に穴を有するエミッタとを具備し、前記クローバーデバイスは前記ブレークダウン領域により規定されるブレークダウン電圧を有し、前記ブレークダウン電圧を超えるときに電流が前記拡散層から前記基板の前記ブレークダウン領域を通り前記ベースを通り前記エミッタを横切らずに前記エミッタ内に形成された穴を通り前記デバイスの外に流れることを可能とし、
   前記ブレークダウン電圧を超えないときには、電流は前記拡散層から前記基板を通り、前記エミッタを通り、前記ベースを通り、前記エミッタ内に形成された穴を通って流れることを特徴とする、クローバーデバイス。
10. 前記基板は約２５Ω・ｃｍの抵抗率を有する、請求項９に記載のクローバーデバイス。
11. 前記基板はＮ型基板である、請求項９に記載のクローバーデバイス。
12. 前記拡散層は、Ｐ＋型拡散領域を形成するために、前記基板の下部の（ｌｏｗｅｒ）領域をドープすることにより形成される、請求項９に記載のクローバーデバイス。
13. 前記ベースはＰ型半導体である、請求項９に記載のクローバーデバイス。
14. 前記エミッタはＮ型半導体である、請求項９に記載のクローバーデバイス。
15. 前記ブレークダウン電圧は８ボルトから５０ボルトまでである、請求項９に記載のクローバーデバイス。
16. 回路保護部品のためのクローバーデバイスであり、
    基板と、
    前記基板に形成されたエピタキシャル層であって、前記エピタキシャル層は第２の領域より大きいドーパント濃度を有する第１の領域であって、ブレークダウン電圧を有する第１の領域を含むことを特徴とするエピタキシャル層と、
    前記エピタキシャル層に形成されたベースと、
    前記ベースに形成された、中に穴を有するエミッタとを具備し、前記ブレークダウン電圧を超える前は電流が前記エミッタの下を通り前記エミッタ内に形成された穴を通り前記デバイスの外に流れることを可能とし、前記ブレークダウン電圧を超えるときに電流が前記エピタキシャル層の第２の領域を通り、前記ベースを通り、そして前記エミッタを通ることを可能にすることを特徴とする、クローバーデバイス。
17. 前記ベースはＰ型半導体である、請求項１６に記載のクローバーデバイス。
18. 前記エミッタはＮ＋型半導体である、請求項１６に記載のクローバーデバイス。
19. 前記基板はＰ型半導体である、請求項１６に記載のクローバーデバイス。
20. 前記ブレークダウン電圧は８ボルトから５０ボルトまでである、請求項１６に記載のクローバーデバイス。

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