PT756331E - Componente limitador de corrente o processo de realizacao - Google Patents
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Description
83 935 ΕΡ Ο 756 331/ΡΤ
DESCRICÃO "Componente limitador de corrente o processo de realização" O presente invento refere-se a um componente limitador de corrente, destinado pois a ser ligado em série no ramal de circuito, para o qual se deseja uma limitação de corrente.
No campo dos componentes limitadores de corrente, ou limitadores de sobre-intensidade, são conhecidas as resistências de coeficiente positivo, ou "PTC", que são componentes poliméricos capazes de suportar grandes intensidades. O seu tempo de reacção a uma sobre-intensidade é, no entanto, demasiadamente lento para que os mesmos possam ser utilizados em certas aplicações em que a reacção de limitação deve ser muito rápida. São conhecidos componentes limitadores de corrente, do tipo semi-condutor com estrutura MOS, que reagem rapidamente, mas que não podem suportar intensidades nominais elevadas, por exemplo da ordem de algumas dezenas de ampéres como muitas vezes se deseja. O invento, que tem por objectivo remediar os inconvenientes destes componentes conhecidos, propõe um componente limitador de sobre-intensidade que é capaz de suportar uma corrente nominal de várias dezenas de ampéres e que reage muito rapidamente a uma sobre-intensidade acidental, sendo o seu tempo de reacção da ordem, por exemplo, do microssegundo.
Por consequência, refere-se a um componente limitador de corrente, do tipo "quatro camadas", que é constituído por uma fatia ou barra de semi-condutor com três junções, estando este semi-condutor compreendido entre dois eléctrodos, portanto, um eléctrodo, ou ânodo, de entrada da corrente com limitador e um eléctrodo, ou cátodo, de saída da corrente, e que inclui, sucessivamente, entre o ânodo e o cátodo: - uma primeira zona, dopada P, - uma segunda zona, dopada N, - - uma terceira zona, dopada P, - uma quarta e última zona, dopada N, na qual:
83 935 ΕΡ Ο 756 331/ΡΤ a barra ou fatia de semi-condutor, tal como o silício, usada para a realização deste componente tem um comprimento (ou "espessura") compreendida entre 160 e 700 mícron e uma dopagem de base compreendida em 1013 cm'3 e 1015 cm'3; a referida primeira zona é dopada P com mais de 1018 átomos cm'3 com uma difusão relativamente pouco profunda, com a profundidade, tipicamente, compreendida entre 0,5 e 5 mícron; a referida quarta zona é dopada N com mais de 1018 átomos cm'3 com uma difusão também relativamente pouco profunda, com a profundidade compreendida entre 0,2 e 2 mícron, as referidas segunda e terceiras zonas são, respectivamente, dopadas N a menos de 1015 átomos cm'3 e P a um valor compreendido 1017 e 1019 átomos cm'3 com uma difusão bem mais profunda, com profundidade que varia, tipicamente, de 5 a 90 mícron, enquanto que as profundidades das primeira e quarta zonas variam, respectivamente, de 0,5 a 5 mícron e de 0,2 a 2 mícron; sendo as características dimensionais e as características de dopagem desta barra de semi-condutor escolhidas para que: - a característica de corrente e tensão deste componente seja, em directo, a de um díodo para todos os valores de intensidade da corrente, que não excedam um valor limite IL; e - para este valor limite IL, esta característica apresenta um patamar, ficando então a corrente sensivelmente constante e igual a este valor limite IL, enquanto que a tensão nos terminais deste componente cresce até, evidentemente, um valor limite de tensão VBR que corresponde à tensão de falha do componente.
Vantajosamente, as características de dopagem respectivamente destas quatro zonas sucessivas N, P, N, P são tais que, para os níveis de corrente baixos, a soma dos ganhos em corrente do transístor bipolar PNP, formado pelas três primeiras zonas e do transístor bipolar NPN formado pelas três zonas seja igual a 1.
De qualquer modo, o invento será bem compreendido e as suas vantagens e características sobressairão melhor durante a descrição seguinte de um exemplo
83 935 ΕΡ Ο 756 331/ΡΤ 3 de concretização deste componente, feita com referência ao desenho esquemático junto, no qual: a Fig. 1 representa esquematicamente o componente com as suas camadas diferentes, a Fig. 2 é a sua característica de resposta de correntes e tensões, e Fig. 3 é o seu esquema eléctrico equivalente.
Com referência à Fig. 1, o componente limitador 1, de acordo com o invento, está representado ligado em série numa linha eléctrica 2, a qual é percorrida por uma corrente eléctrica unidireccional, cuja intensidade nominal é, por exemplo de 50 ampéres. O componente está munido de dois eléctrodos, um ânodo 3 e um cátodo 4, que permitem ligar o mesmo de modo clássico em série na linha 2. O próprio componente é constituído por uma fatia ou barra 12 de material semi-condutor, tipicamente, de silício, que é dopado como está representado de modo a definir quatro zonas ou camadas sucessivas, seja, do ânodo 3 para o cátodo 4: - uma primeira camada 5, dopada P, - uma segunda camada 6, dopada N, - uma terceira camada 7, dopada P, - uma quarta camada 8, dopada N.
Estas quatro camadas sucessivas definem três junções 9, 10 e 11.
De acordo com o invento, as características dimensionais e as características de dopagem da barra de silício 12 são escolhidas para que, ao contrário de um outro componente conhecido - o tirístor - que também é um componente com quatro camadas: - a característica de corrente e tensão deste componente seja, em directo, a de um díodo para todos os valores de intensidade da corrente que não excedam um valor limite IL; e
83 935 ΕΡ Ο 756 331/ΡΤ 4 - para este valor limite IL, esta característica apresenta um patamar, permanecendo a corrente sensivelmente constante e sensivelmente igual a este valor limite IL, enquanto a tensão nos terminais deste componente cresce até, evidentemente, um valor limite de tensão VBR, o qual corresponde à tensão de falha como limitador do componente. A característica de "corrente (I) e tensão (V)" que é obtida finalmente escolhendo tais características dimensionais e dopagens para a barra de silício 12 é a representada na Fig. 2.
Trata-se unicamente da característica em directo porque, ao contrário do tirístor, este componente não tem a tensão inversa e não pode, portanto, funcionar como rectificador.
Como se vê na Fig. 2 enquanto a corrente I, que atravessa o componente 1, permanece inferior a um valor limite IL, a característica l(V) é a de um díodo alimentado em directo, ou C1, permanecendo então a queda de tensão V nos terminais do componente muito pequena, como acontece com um díodo polarizado em directo.
Na curva marcou-se o ponto N de funcionamento nominal, para o qual a corrente I é a corrente nominal IN, por exemplo, de 5 Ampéres, enquanto que a queda de tensão VN nos terminais do componente 1 é inferior a 1 volt.
Para um valor limite de corrente IL igual, por exemplo, de 6 a 10 vezes a corrente nominal IN, a curva l(V) inflecte bruscamente para se tornar num patamar C3 de corrente sensivelmente constante e igual a IL; o componente 1 funciona então como um limitador de corrente, ao passo que a tensão V nos seus terminais pode então crescer regularmente.
Evidentemente, este crescimento da tensão V só é possível até à tensão de falha como limitador VBR do componente 1, a partir da qual se produz o fenómeno clássico da avalanche (parte C3 da curva), que leva à destruição do componente.
Deve ser notado que o patamar C2 é devido a um fenómeno de des-saturação já referido por certos autores. Este fenómeno é, no domínio dos tirístores, um fenómeno parasita e estes últimos são, portanto, feitos de maneira a 83 935 ΕΡ Ο 756 331/ΡΤ 5
evitar ο mesmo, ao contrário do invento onde este fenómeno, muito pelo contrário, é vantajosamente explorado.
Um esquema equivalente do componente 1 está representado na Fig. 3 onde as camadas 5, 6, 7 definem um transístor 13 do tipo PNP, ao passo que as camadas 6, 7, 8 definem um outro transístor 14 do tipo NPN. Este esquema equivalente é apenas aproximado, uma vez que o componente não suporta a tensão inversa, o que não seria necessariamente o caso de um circuito disposto de acordo com a Fig. 3.
Para se obter um componente limitador 1, o qual funciona de acordo com a característica da Fig. 2 é necessário, evidentemente, ajustar certos parâmetros tecnológicos, sem o que se corre o risco não só de se obter um componente que não funciona como um limitador de corrente, mas também de se obter um tirístor, isto é, um rectificador, o qual precisará de ser disparado por meio de uma fonte auxiliar, para se tornar condutor: - A tensão de falha VBR depende, essencialmente, das propriedades iniciais da barra de silício 12, ou substrato, antes da criação por dopagem das três junções 9, 10 e 11: verificou-se que são adequados para pôr em prática o presente invento, valores de dopagem inicial deste substrato, os quais estão compreendidos entre 1013 cm'3 e 1015 cm"3, e comprimentos (ou "espessuras") da barra 12 compreendidos entre 160 e 700 mícron. - A primeira zona 5 é dopada P com mais de 1018 átomos cm"3, com uma difusão relativamente pouco profunda, de uma profundidade compreendida, tipicamente, entre 0,5 e 5 mícron. A quarta zona 8 é dopada N com mais de 1018 átomos cm'3, com uma difusão também pouco profunda, de uma profundidade compreendida, tipicamente, entre 0,2 e 2 mícron. A segunda zona 6 é dopada N a menos de 1015 átomos cm"3, ao passo que a terceira zona é dopada P a um valor compreendido entre 1017 e 1019 átomos cm'3, ambas com uma difusão muito mais profunda, de uma profundidade que varia de 5 a 90 mícron, quando as profundidades da primeira e da quarta zona 5, 8 variam, respectivamente, de 0,5 a 5 mícron e de 0,2 a 2 mícron.
Ajustando estas características nestas gamas de valores foi possível obter a característica de díodo C1, seguida do patamar de corrente C2. 83 935 ΕΡ Ο 756 331/ΡΤ 6
Verificou-se que este resultado pode ser obtido, no que se refere às primeira e quarta zonas 5, 8, ou "emissores", quer usando um processo de dopagem por implantação + difusão, com doses de implantação compreendidas entre 7x1014 e 7x1015 cm'2 e tempos de difusão compreendidos entre 20 e 70 minutos num ambiente neutro ou oxidante, ou por difusão em fase sólida, líquida ou gasosa, para se obterem níveis de dopagem compreendidos entre 5x1019 cm'3 e 5x1020 cm' 3 para a quarta zona dopada N, e entre 8x1018 cm'3 8x1019 cm'3 para a primeira zona 5, dopada P, Profundidades de junções que vão de 0,2 a 2 mícron para a quarta zona 8, e de 0,5 a 5 mícron para a primeira zona 5.
Da mesma maneira, a terceira zona, ou "base" 7, pode ser dopada P ou por um processo de implantação + difusão de impurezas de tipo P ou por um processo de difusão em fase sólida, líquida ou gasosa. - A soma dos ganhos de corrente dos transístores 14 e 15 (Fig. 3) deve ser igual a 1 com corrente fraca. A tecnologia de fabrico deste limitador de corrente 1 pode ser uma tecnologia "planare" ou uma tecnologia "mesa".
No anteriormente mencionado, são dadas diversas duplas de valores de dopagens e profundidades. Todavia é necessário notar que apenas certas combinações, entre os valores das diferentes duplas, permitem obter a característica desejada. Pode-se considerar que existem 8 parâmetros interdependentes. Parece, portanto impossível listar todas as possibilidades excepto, se forem consideradas as duplas na totalidade e se for considerado que, nestas duplas, funcionam apenas determinadas combinações.
Para ver bem como funciona a optimização do componente, tomemos um exemplo:
Fixemos espessura do substrato 12 = 320 mícron e dopagem 1014 cm'3 dose da zona 7 = 8x1014 cm'2 e tempo de recozimento 2000 horas a
1200°C dopagem do emissor 5 = 5x1019 cm'3 e profundidade 2 mícron 7 83 935 ΕΡ Ο 756 331/ΡΤ tempo de recozimento do emissor 4 = 30 minutos.
Estando estes sete parâmetros (ou grupos de parâmetros) fixos, pode-se então fixar uma dupla para a dopagem de emissor 4 (oitavo parâmetro): 9,2x1019 a 1,2x1020 cm'3.
Sendo mudado um dos outros sete parâmetros, esta dupla deixa de ser válida.
Além disso, existe um nono parâmetro que vai influenciar as características: a duração de vida dos portadores. Esta duração de vida não é constante na estrutura e é possível que o componente funcione para uma distribuição de duração de vida e que o mesmo não funcione para outra distribuição (dependendo esta distribuição nomeadamente das condições de fabrico).
Lisboa, K. 2000
Por FERRAZ Société Anonyme e CENTRO NACIONAL DE MICROELECTRONICA - CSIC
EMG.° ANTÓNiO ÍOAO DA CUNHA FERREIRA Ag. Oj. Pr. Ind.
Roo das Flores, 74 - 4.® 1EOO LISBOA
Claims (4)
- 83 935 ΕΡ Ο 756 331/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Componente limitador de corrente, constituído por uma fatia ou barra (12) de semi-condutor com três junções (9, 10, 11) estando este semi-condutor compreendido entre dois eléctrodos (3,4), portanto, um eléctrodo, ou o ânodo (3), de entrada da corrente.com limitador e um eléctrodo, ou cátodo (4) de saída da corrente, e incluindo sucessivamente, entre o ânodo e o cátodo: - uma primeira camada (5), dopada P, - uma segunda camada (6), dopada N, - uma terceira camada (7), dopada P, - uma quarta camada (8), dopada N. no qual: a barra (12) de semi-condutor, como o silício, usada para a realização deste componente tem um comprimento (ou "espessura") compreendida entre 160 e 700 mícrori e uma dopagem de base compreendida entre 1013 cm'3 e 1015 cm'3; a referida primeira zona (5) é dopada P com mais de 1018 átomos cm'3 com uma difusão relativamente pouco profunda, com a profundidade compreendida, tipicamente, entre 0,5 e 5 mícron; a referida quarta zona (8) é dopada N com mais de 1018 átomos cm'3 com uma difusão também relativamente pouco profunda, com a profundidade compreendida, tipicamente, entre 0,2 e 2 mícron; as referidas segunda (6) e terceira (7) zonas são dopadas respectivamente N a menos de 1015 átomos cm"3 e P com um valor compreendido entre 1017 e 1019 átomos cm'3, com uma difusão bem mais profunda, variando a profundidade, tipicamente, de 5 a 90 mícron enquanto que as profundidades das primeira (5) e quarta (8) zonas variam respectivamente de 0,5 a 5 mícron e de 0,2 a 2 mícron; sendo as características dimensionais e as características de dopagem desta barra de semi-condutor (12) escolhidas para que: - a característica corrente e tensão seja, em directo, a (C1) de um díodo para todos os valores de intensidade da corrente, que não excedam um valor limite IL; e 83 935 ΕΡ Ο 756 331 /ΡΤ 2/2 - para este valor limite IL, esta característica apresente um patamar (C2), ficando então a corrente sensivelmente constante e igual a este valor limite IL, enquanto que a tensão nos terminais deste componente aumenta até um valor limite de tensão VBR, que corresponde à tensão de falha do componente.
- 2 - Componente limitador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as características de dopagem respectivas destas quatro zonas sucessivas N, P, N, P serem tais que, para os níveis de corrente baixos, a soma dos ganhos em corrente do transístor bipolar PNP (13), formado pelas três primeiras zonas (5, 6, 7) e do transístor bipolar NPN (14), formado pelas três últimas zonas (6, 7, 8) seja igual a 1.
- 3 - Processo de realização de um componente limitador (1) de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por se utilizar, para a realização das referidas primeira (5) e quarta (8) zonas, um processo de dopagem por implantação e difusão com doses de implantação compreendidas entre 7.1014 cm'2 e 7.1015 cm'2 e tempos de difusão compreendidos entre 20 e 70 mícron em ambiente neutro õu oxidante.
- 4 - Processo de realização de um componente limitador de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo facto de que se usa, para a realização das referidas quarta (8) e primeira (5) zonas, um processo de dopagem em fase sólida, líquida ou gasosa para obter níveis de dopagem entre 5x1019 cm'3 e 5x1020 cm'3 para a quarta zona (8) dopada N e entre 8x1018 cm'3 e 8x1019 cm'3 para a primeira zona (5) dopada P, Profundidades de junções que vão de 0,2 a 2 mícron para a quarta zona (8) e de 0,5 a 5 mícron para primeira zona (5). Lisboa, I4. MAR. 2000 Por FERRAZ Société Anonyme e CENTRO NACIONAL DE MICROELECTRONICA - CSIC -O AGENTE OFICIAL-
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