专利名称：低电容瞬变电压抑制器的制作方法
技术领域：
本发明属于固态装置电路领域，且更明确地说，属于基于二极管的瞬变电压抑制器 电路领域。
背景技术：
P型杂质连同N型杂质并入到半导体材料中的PN二极管仍然是比较重要的装置。P 型杂质是一种其中存在过量的空穴或被视为正的可移动电荷的杂质，且因此P对应于正， 而N型杂质是其中存在过量的负的可移动电荷的杂质，因此N对应于负。PN二极管的 电气性能的关键是结，其中P型和N型杂质在半导体材料中具有相同浓度。在这点的任 一侧，半导体材料是P型或N型。可以许多方式来实现此结构，但在每种情况下，PN 二极管都具有非常类似的电流-电压特征。在外部电压置于PN二极管上的正向偏置的条 件下，二极管容易传导电流，而在反向偏置模式下，二极管传导非常低的电流，直到达 到被称为击穿电压的特定电压为止，其中二极管再次开始传导较高值的电流。此击穿电 压是临界点，因为PN 二极管在高电压和高电流两者下操作，所以所述PN二极管经历 较高的功率，且因此如果这种高功率条件持续相当长的时间周期，那么PN二极管可能 会毁坏。击穿电压被认为是PN二极管的关键最大额定值，如最大持续功率和最大电流
是正向偏置条件下的关键最大额定值一样。
PN二极管充当良好的整流器，其中所述PN二极管用于将AC电压转换成DC电压。 PN二极管的此特征对于以下产品极为重要车用交流发电机(automotive alternator)、
用于便携式设备的电池充电器和用于所有类型的电子系统的电源。
PN二极管中所使用的关键半导体材料是硅，其可经处理以产生多种PN二极管，每 一种经优化以用于特定应用。早期所需的一种此类应用是瞬变电压抑制器，因为高电压 峰值可严重破坏和毁坏电子系统。早期在电话系统中曾注意到这个问题，所述电话系统 被导致破坏性电压峰值的雷击击中。需要一种装置，所述装置可越过电子装置的输入而 放置，在超过某一电压电平时，所述装置将接通，且通过这种保护性装置转移那个高电 压和由此引起的能量，所述保护性装置被称为瞬变电压抑制器。
所述瞬变电压抑制器使用PN 二极管的击穿电压特征来提供电子产业所需的保护性 功能。对PN二极管的特殊处理实现了击穿电压被控制在值足够低的电平处的装置，以
便保护更灵敏的固态电子装置，而同时这些特殊的PN 二极管能够安全地耗散与高电压 峰值相关联的功率。随着逐渐发展的固态电子器件变得更快、更小且在更低的电压电平 下操作，与电压瞬变相关的问题增加。现在连同由于多种原因引起的输电线中的浪涌问 题，固态电子装置具有同样由于多种原因(但常与电子装置或系统的处置相关联)而引 起的与静电放电相关的问题。现在已经建立了被收容在许多不同封装中并具有不同电气 特征的整个系列的瞬变电压抑制器，以解决保护灵敏电子器件免受电压瞬变的多种需 要。
对瞬变电压抑制器的制造者造成难题的一个电气特征是与抑制器相关联的电容，这 引起安装有所述抑制器的系统中的问题。因为所述电容直接与PN 二极管的有效面积相 关，所以难以减小瞬变电压抑制器PN二极管的电容。所述有效面积直接与瞬变电压抑
制器可耗散的功率的量相关，当然，所述功率的量是使用所述瞬变电压抑制器的过程中
的关键性参数。为了减小瞬变电压抑制器的电容，制造者通过将PN二极管整流器添加 到瞬变电压抑制器PN二极管来修改所述抑制器。此添加利用以下事实根据众所周知
的等式，两个单独电容串联起到减小总电容的作用。在第3,372,285号美国专利中可查 看到此类电路的实例。如可查看到，两个PN二极管越过两个电路线以背对背配置连接， 使得一个二极管可容易地传导在一个方向上流动的电流，但另一个二极管用以阻挡所述 电流，因为所述二极管被反向偏置。只有在瞬变电压超过瞬变电压抑制器PN二极管的 击穿电压，且PN整流器二极管被正向偏置且容易传导电流时，这两个PN 二极管电路 才容易地传导电流。显然，此电路只能在一个方向上防止电压瞬变。可构造使用总共四 个PN二极管、两个瞬变抑制器二极管和两个整流器二极管的类似电路，以在任一方向 上提供对电压瞬变的瞬变抑制。
电路中的这种用以减小电容的改变在整个业界得到广泛使用，其中PN二极管整流 器作为除PN瞬变抑制器二极管之外的另一关键组件。存在另一种也具有较低电容值的 半导体装置，但所述半导体装置从来没有在瞬变抑制器电路中使用过。这种装置被称为 PIN二极管，且其实质上不同于任何其它二极管，尤其是PN二极管。PIN二极管具有 特殊的制造工艺，其中上文论述的P型杂质和也在上文论述的N型杂质并不接触以形成 关键性的PN结。作为替代，在PIN二极管的构造中，存在电阻率非常高的区，被标记 为本征(I)区，其使P型杂质与N型杂质分离。本质上，这种PIN二极管是二结装置 (two-junction device),其中一个结位于P型杂质与本征区之间，且第二个结位于N型 杂质与本征区之间。
PIN 二极管经设计并经制造以用于专门的高频应用。由于PIN 二极管的不寻常的结
构，其在高频输入信号下具有可变的电阻特征，其中可通过PIN二极管上的DC正向偏 置来控制电阻。DC正向偏置的增加用以减小PIN二极管结构的可变高频电阻。这使得 PIN二极管类似于MOS晶体管，其中所述MOS晶体管的栅极上的DC偏置改变形成于 所述同一 MOS晶体管的漏极与源极之间的沟道，且从而改变所述MOS晶体管的源极与 漏极之间的电阻。
PIN二极管在高频电路中用作衰减器或开关。PIN二极管的电流-电压特征显著不同 于PN整流器二极管，如下文图表所示。如可容易理解，PIN二极管不是有效的整流器 或其它通用二极管，因为本征层引起大量电阻，所述电阻又引起有用功率的大量损耗。 此功率变成热量，且不能由任何电子电路的其余部分使用。
PN二极管
电压
PIN 二极管一直都被用作受电压控制的高频可变电阻器，且与典型的PN 二极管没 有关联。
PN 二极管与PIN 二极管之间的另一关键且非常显著的差异是在与这些装置相关联 的数据表中。对此类装置的任何数据表的快速回顾显示，指定了通常是不同的电气参数， 且对于任何常见参数来说，限制是非常不同的。这在预料之中，因为PN二极管和PIN
二极管用于不同且特定的应用中。
现在的问题在于，随着电子电路变得更快，它们对更小量的过电压也变得更敏感， 且需要比可用的电压瞬变抑制器所供应的保护更好的保护。另外，这些高级的高速电路 需要具有与电压瞬变抑制器相关联的非常低的电容，因为任何此类电容都可能使所述高 速电路的性能减慢。不存在商业上可用的可提供此类高速电路所需的保护的电压瞬变抑 制器技术。
发明内容
本发明将PIN 二极管与PN瞬变电压抑制器二极管进行组合，以形成一系列独特的 低电容瞬变电压抑制器。PIN二极管和PN二极管以背对背配置连接，并收容在同一封 装中，从而形成控制高于指定阈值的正电压峰值的瞬变电压抑制器。这种类型的瞬变电 压抑制器被称为单向装置。还可能收容合适地连接在单个封装内的两(2)个PIN二极 管和两(2)个PN二极管，藉此所述组合提供针对正和负电压峰值两者的保护。这种类 型的瞬变电压抑制器被称为双向装置。
图1是瞬变电压抑制器中所使用的现有技术PN二极管的横截面表示。 图2是本发明的瞬变电压抑制器中所使用的PIN 二极管的横截面表示。 图3是展示本发明的单向瞬变电压抑制器的示意性电路图。 图4是展示本发明的双向瞬变电压抑制器的示意性电路图。
具体实施例方式
图1展示PN二极管10的构造，其中在半导体材料14内，P型区11与N型区12 直接接触。此接触部分被称为PN结13，其中结13控制所得装置的大部分电气性能。 PN结13的原理和此类PN 二极管10的制造技术是众所周知的，且充分建立有许多可能 的变化形式。对PN二极管IO的限制在于，此类装置的面积必须增加，以增加所述PN 二极管IO吸收功率的能力，这在瞬变电压抑制器中是关键性的。增加PN二极管10的 面积还增加了与所述二极管相关联的电容。
图2展示PIN 二极管20的更复杂的结构，其中P型区11现在与本征区21直接接 触，同时N型区12也与所述本征区21的相对侧接触。此结构在半导体材料22中形成 PIN二极管20。在此结构中存在两个结， 一个结是P型区11与本征区21的一侧之间的 结23，且另一个结24位于N型区12与本征区21的相对侧之间。
实现PIN二极管20的最佳性能的关键是本征区21，其应尽可能地不含杂质，从而 使得其成为具有高电阻率的区。半导体处理中，尤其是材料生长区域中的进步已增加了 PIN 二极管20的性能。值得注意所述增加的一个主要方面是降低PIN 二极管20的电容 的能力。虽然任何二极管的面积对于所述二极管的电容仍然是关键性的，但借助PIN二 极管20和本征区21，效果是使与PIN 二极管20相关联的电容器的板进一步隔开，从而 导致电容值比相同面积的PN二极管IO的电容值低得多。这种结构使得PIN二极管20 仅最适合于高速瞬变电压抑制器。
图3展示根据本发明的教示而构造的单向瞬变电压抑制器30的示意图。在单向瞬 变电压抑制器30中，存在两(2)个PIN二极管32A和32B和瞬变电压抑制器二极管 33，从而形成完整的单向瞬变电压抑制器30。反向偏置的瞬变电压抑制器PN二极管33 如图所示连接到第一端子40，并与正向偏置的PIN二极管32A串联。第二PIN二极管 32B连接在端子40与端子41之间，与由瞬变电压抑制器PN 二极管33和PIN 二极管 32A形成的串联电路并联。当按照指定安装时，此装置仅用于防止正电压峰值，而图4 的双向瞬变电压抑制器31可防止正和负电压峰值两者。
图1的瞬变电压抑制器可便利地称为N基二极管，其中P区由N区围绕，并与N 区接触。这种现有技术瞬变电压抑制器PN二极管还可形成为P基PN二极管。如果选 择P基PN 二极管瞬变电压抑制器，那么被选择用来减小电容的二极管是P基低电容整 流器装置，或常被称作NIP二极管。因此，此类NIP二极管将结合P基瞬变电压抑制器 二极管或任何其中顶部结为N型的瞬变电压抑制器而使用。
图4展示双向瞬变电压抑制器31的示意图。反向偏置的瞬变电压抑制器PN二极管 33如图所示连接到第一端子44，并与正向偏置的PIN 二极管32A串联。PIN 二极管32A 的另一端子连接到瞬变电压抑制器端子45。反向偏置的瞬变电压抑制器PN 二极管34 如图所示连接到第二端子45，并与连接到瞬变电压抑制器端子44的正向偏置的PIN 二 极管32B串联。因此，图4的瞬变电压抑制器31是双向瞬变电压抑制器，其可防止正 和负电压峰值两者。图3和图4中的这些瞬变电压抑制器电路使用PIN 二极管32A和 32B来实现电容值，所述电容值比类似电路中仅使用PN 二极管所实现的电容值低某一 量值。
为实现性能改进，至关重要的是PIN 二极管32构造有可能达到的最好的本征区 21，而且以与针对瞬变抑制器二极管33所使用的工艺类似的工艺制成，使得可使用高 速组装设备容易地将两种类型的二极管组装到封装中。以所述方式，可针对这种新产品 使用业界标准封装。
虽然图3和图4仅展示具有两个连接的示意图，但显然还可以更多的连接在适当的 封装中产生这些瞬变电压抑制器的阵列。
权利要求
1.一种瞬变电压抑制器，其包括(a)反向偏置的瞬变电压抑制器PN二极管，其连接到第一端子；(b)低电容正向偏置的二极管，其具有由本征区隔离的P区和N区，所述低电容正向偏置的二极管与所述PN二极管串联连接，并连接到第二端子；以及(c)反向偏置的低电容二极管，其具有由本征区隔离的P区和N区，所述反向偏置的低电容二极管连接在所述第一端子与第二端子之间，与由所述反向偏置的瞬变电压抑制器和所述正向偏置的低电容二极管形成的串联电路并联。
2. 根据权利要求1所述的瞬变电压抑制器，其中所述PN二极管是P基PN二极管。
3. —种瞬变电压抑制器，其包括(a) 反向偏置的瞬变电压抑制器PN二极管，其连接到第一端子；(b) 正向偏置的PIN二极管，其与所述PN二极管串联连接，并连接到第二端子；(c) 反向偏置的PIN二极管，其连接在所述第一端子与第二端子之间，与由所 述反向偏置的瞬变电压抑制器和所述正向偏置的PN二极管形成的串联电路并联；
4. 根据权利要求3所述的瞬变电压抑制器，其中所述PN二极管是N基PN二极管。
全文摘要
一种瞬变电压抑制器包含反向偏置瞬变电压抑制器PN二极管，其与正向偏置的PIN二极管串联连接，由所述PN二极管和所述PIN二极管形成的串联电路连接在第一端子与第二端子之间，且与反向偏置的PIN二极管并联。
文档编号H02H9/00GK101371416SQ200680027569
公开日2009年2月18日 申请日期2006年7月27日 优先权日2005年7月27日
发明者弗雷德·马特森, 洛基·坎萨尔 申请人:普洛泰克设备有限公司