专利名称：突变金属 -绝缘体转变装置、使用该突变金属 -绝缘体转变装置的高压噪声消除电路、和 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子装置和保护电气和/或电子系统的电路，更具体地涉及一种突变金属-绝缘体转变(MIT)装置、使用MIT装置消除通过信号线 或输电线应用于电气和/或电子系统的高压噪声的电路、以及包含该电路的电 气和/或电子系统。
背景技术：
影响电气和/或电子元件的噪声通过给电气和/或电子系统传输电力的输 电线和从电气和/或电子系统接收、输出电信号的信号线流入。相应地，电气 和/或电子系统保护电路安装在输电线和内部电子元件之间或在信号线和内 部电子元件之间。电气和/或电子系统保护电路非常重要，几乎所有包含电子 元件的电子产品都需要它。作为电气和/或电子元件的一个例子，在变电站中使用的800KV-SF6气 体绝缘开关装置(gas insulating switch gear),是一种在电气和/或电子系统的 电力输运线预设部分或其端部发生电泄漏时或者在由突然的意外周边导致 的过大电流流入时阻止电力输运的高压开关。SF6气体是一种绝缘气体，其电介质常数至少比空气的电介质常数大两倍。当开关由于意外事故而导通或截至时，大于输运电压的尖峰电流可能在 电气和/或电子系统内流动。此时，绝缘气体或可硬化合成树脂被毁坏，开关 的温度上升，导致开关的爆炸。另外，如果变电站被雷电击中，高压线和开 关可能断掉。如果这些情况发生，电力输运将暂停，导致巨大的经济损失。 因此，绝缘体损坏监测系统被制造来监测高压开关。绝缘体损坏发生是因为，当电压大于额定电压的高压噪声信号，尤其是 超高压噪声信号被施加时，电流通过包含在绝缘材料中的杂质被集中，导致 均匀流动电流的高压噪声一般通过变阻器来消除，该变阻器为半导体电阻元件。用氧化 锌形成的陶瓷变阻器被用来旁路超高压噪声。然而，因为陶资变阻器应具有 大的内阻，在减小陶瓷变阻器的尺寸时存在限制。此外，陶资变阻器因为内 阻而不能完全消除超高压噪声，只能根据内阻的幅值来相对地减小噪声的幅 值。然而，陶瓷变阻器是目前消除高压噪声的唯一方案。举例来说，美国专利No. 5,912,611和6,594,133公开了一种通过使用类 似于上述陶资变阻器的陶乾变阻器来抑制浪涌电压(serge voltage)的浪涌避 雷器(serge arrester)。然而，浪涌避雷器不能消除高于800KV的超高压。发明内容本发明提供了一种突变金属-绝缘体转变(MIT)装置，用来旁路超高压 噪声以保护电气和/或电子系统例如高压开关免受超高压；使用突变MIT装 置旁路超高压噪声的高压噪声消除电路；以及包含高压噪声消除电路的电气 和/或电子系统。
图1是用于本发明的堆叠型突变MIT装置的截面图；图2A是用于本发明的平面型突变MIT装置的截面图；图2B是图2A中的平面型突变MIT装置的平面图；图3是根据本发明的一个实施例的双面堆叠型突变MIT装置的截面图；图4是#4居本发明的另一个实施例的双面平面型突变MIT装置的截面图；图5是根据本发明的另一个实施例的包含多个平面突变MIT薄膜结构 的单面突变MIT装置的截面图；图6是根据本发明的另一个实施例的包含多个平面突变MIT薄膜结构 的双面突变MIT装置的截面图；图7是根据本发明的另一个实施例的包含包括突变MIT装置链的高压 噪声消除电路的电路图；图8是根据本发明的另 一个实施例的包含高压噪声消除电路的电路图， 该高压噪声消除电路包括突变MIT装置链和并联连接到前述突变MIT装置 链的至少 一个不同突变MIT装置链；图9是是根据本发明的另一个实施例的包含高压噪声消除电路的电路 图，该高压噪声消除电路包括突变MIT装置链；和图IOA到10E示出根据本发明的包含在高压噪声消除电路中的每个突 变MIT装置的限制电压和互相串联的突变MIT装置总限制电压。
具体实施方式
根据本发明的一个方面，提供一种突变金属-绝缘体转变(MIT)装置， 包括基板，第一突变MIT结构，和第二突变MIT结构。第一和第二突变 MIT结构分别形成于基板的上、下表面上。每个该第一和第二突变MIT结构在低于预定限制电压时具有绝缘体的 特性，在等于或高于该限制电压时具有金属的特性。每个该第一和第二突变MIT结构包括突变MIT薄膜和接触该突变MIT 薄膜的至少两层电极薄膜。突变MIT薄膜可以选自下述群组的至少一种材料形成添加了低浓度 空穴的无机半导体、添加了低浓度空穴的无机绝缘体、添加了低浓度空穴的 有机半导体、添加了低浓度空穴的有机绝缘体、添加了低浓度空穴的半导体、 添加了低浓度空穴的氧化物半导体、以及添加了低浓度空穴的氧化物绝缘 体，其中上述材料都包括氧、碳、半导体元素(如III-V族和II-IV族)、过 渡金属元素、稀土元素和镧系元素中的至少一种。突变MIT薄膜可以由选自下述群组的至少一种材料形成W、 Mo、 W/Au、 Mo/Au、 Cr/Au、 Ti/W、 Ti/Al/N、 Ni/Cr、 Al/Au、 Pt、 Cr/Mo/Au、 YB2Cu307-d、 Ni/Au、 Ni/Mo、 Ni/Mo/Au、 Ni/Mo/Ag、 Ni/Mo/Al、 Ni/W、 Ni/W/Au、 Ni/W/Ag、 以及Ni/W/Al。根据本发明的另一个方面，提供一种高压噪声消除电路，其包括并联连 接到待保护的电气和/或电子系统的突变MIT装置链，其中该突变MIT装置 链包括至少两个互相串联的突变MIT装置。电气和/或电子系统可以是阻止高压的高压开关。突变MIT装置链具有 与突变MIT装置的限制电压之和相对应的总限制电压。当等于或大于总限 制电压的电压被施加时，每个突变MIT装置从绝缘体特性转变为金属特性， 且突变MIT装置的转变同时发生。高压噪声消除电路可以进一步包括并联 连接到已包含的突变MIT装置链的至少一个突变MIT装置链。根据本发明的另一方面，提高一种高压噪声消除电路，其包括并联连接到待保护的电气和/或电子系统的突变MIT装置链，包括基板和通过串联连 接至少两个突变MIT结构得到的突变MIT装置链。突变MIT装置链可包括形成于基板上表面的包括互相串联的至少两 个突变MIT结构的第一突变MIT装置链；以及形成于基板下表面的包括互 相串联的至少两个突变MIT结构的第二突变MIT装置链。第一和第二突变 MIT装置链可以通过穿透基板的并联接触线互相并联连接。根据本发明的另一方面，提供一种电气和/或电子系统，包括待保护的 电气和/或电子系统；以及包含并联连接到电气和/或电子系统的突变MIT装 置链的高压噪声消除电路，该突变MIT装置链通过相互串联连接至少两个 突变MIT装置而得到。高压噪声消除电路可以进一步包括并联连接到已包含的突变MIT装置 链的至少一个突变MIT装置链。现在将参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示范性 实施例。然而，发明可以由许多不同形式来实施，不能被解释为限于此处提 出的实施例，更确切地，这些实施例是用来使得本发明的披露更深入和具体 和向本领域的技术人员更全面地传达本发明的思想。在附图中，为了清楚而 夸大了层和区域的厚度。为了便于理解，附图中使用相同的参考标号代表相 同元件。本发明提出了 一种新介质和通过使用该新介质消除源于电气和/或电子 系统的静电或高压高频噪声的高压噪声消除电路，该新介质的电学特性根据 接收信号的电压水平突变。该新介质称为金属-绝缘体转变(MIT)装置。本发明中使用的突变MIT装置包括突变MIT薄膜(下文中称为转变薄 膜)以及用来接触该转变薄膜的第一电极薄膜和第二电极薄膜。根据转变薄 膜以及第一和第二电极薄膜的位置，该突变MIT装置可具有堆叠(或垂直)结构或平面型结构。图1是用于本发明的具有堆叠型结构的突变MIT装置的截面图。参考 图1,具有堆叠结构的突变MIT装置包括基板100;形成在基板100上的 緩沖层200;以及依次形成在緩冲层200上的第一电极薄膜410、转变薄膜 300和第二电极薄膜420。緩沖层200緩沖基板100和第一电极薄膜410之间的晶格失配。当基板100和第一电极薄膜410之间的晶格失配很小时，第一电极薄膜410可以不 要緩沖层200而直接形成在基板100上。緩沖层200可包括Si02或Si3NJt构成电极薄膜400的第一和第二电极薄膜410、420的每一个由W、Mo、 W/Au、 Mo/Au、 Cr/Au、 丁iAV、 丁i/Al/N、 Ni/Gr、 Al/Au、 Pt、 Cr/Mo/Au、 YB2Gu307.d、 和Ni/Mo/Au中的至少一种材料形成。基才反100由选自Si、Si02、GaAs、Al203、 塑料、玻璃、V205、 PrBa2Cu307、 YBa2Cu307、 MgO、 SrTi03、 Nb 4参杂的SrTi03 和绝缘体上硅(SOI)组成的群组中的至少一种材料形成。图2A是用于本发明的具有平面型结构的突变MIT装置的垂直截面图。 参考图2A，具有平面型结构的突变MIT装置包括基板100;形成在基板 100上的緩冲层200;形成在緩沖层200的部分上表面上的转变薄膜300a; 以及形成在緩沖层200的露出部分上并覆盖转变薄膜300a的侧面和部分上 表面从而互相面对的第一电极薄膜410a和第二电极薄膜420a。换句话说， 第一和第二电极薄膜410a和420a通过形成于它们之间的转变薄膜300a相 互隔开。缓冲层200緩沖转变薄膜300a和基板IOO之间的晶格失S己。当基板100 和转变薄膜300a之间的晶格失配很小时，转变薄膜300a可以不要緩沖层200 而直4妄形成在基4反100上。当然，緩沖层200、第一和第二电极薄膜410a和420a、和基板100可 以分别由用于形成图1中的緩沖层200、第一和第二电极薄膜410a和420a、 和基板100的材料来形成。第一和第二电极薄膜410a和420a构成电极薄膜 400a。转变薄膜300和300a的电导率由于突变MIT而在特定的电压突变。然 而，虽然突变MIT发生，^E转变薄膜300和300a的结构不改变。转变薄膜300和300a可通过向绝缘体适当地添加低浓度空穴来获得。 向绝缘体添加低浓度空穴导致突变MIT的^/L制已经在一些文章中4皮露，如 New J. Phys. 6 ( 2004 ) 52, http〃xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0411328和Appl. Phys. Lett. 86 ( 2005 ) 242101,以及美国专利No. 6,624,463。导致在图1和图2A中的突变MIT装置发生突变MIT的转变薄膜300 和300a的每一个都可以选自下述群组的至少一种材料形成添加了低浓度 空穴的p型无机半导体、添加了低浓度空穴的p型无机绝缘体、添加了低浓 度空穴的p型有机半导体、添加了低浓度空穴的p型有机绝缘体、添加了低浓度空穴的p型半导体、添加了低浓度空穴的p型氧化物半导体、以及添加 了低浓度空穴的p型氧化物绝缘体。每种上述材料包括氧、碳、半导体元素(如m-v族和n-iv族)、过渡金属元素、稀土元素、以及镧系元素中的至少一种。转变薄膜300和300a也可以由具有非常大电阻的n型半导体-绝缘 体形成。突变MIT装置的电学特性从绝缘体转变为金属性材料的电压被定义为 限制电压。限制电压可以根据突变MIT装置的部件的结构或材料而变化。图2B是图2A中的平面型突变MIT装置的平面图。图2B中示出了緩 冲层200、转变薄膜300a、以及第一和第二电极薄膜410a和420a。平面型 突变MIT装置的限制电压可根据突变MIT装置的部件的结构或材料而变化， 例如，根据电极薄膜410a和420a之间的距离d的变化或者电极薄膜410a 和420a的每一个的宽度w的变化而变化。图3是根据本发明的一个实施例的双面堆叠型突变MIT装置的截面图。 参考图3，双面堆叠型突变MIT装置包括基板IOO、分别形成在基板100上 和下表面上的上和下緩沖层200a和200b、形成在上緩沖层M0a上的第一突 变MIT结构500、以及形成在下緩冲层200b上的第二突变MIT结构500a。 第一突变MIT结构500包含形成在上緩沖层200a上表面上的第一电极薄膜 430、转变薄膜300b和第二电极薄膜440。第二突变MIT结构500a包含形 成在下緩冲层200b下表面上的第一电极薄膜"0a、转变薄膜300c和第二电 极薄膜440a。当然，基板100、电极薄膜400b和400c、以及转变薄膜300b和300c 可以由图1的描述中提及的材料形成。当基板100于每个电极薄膜430和 430a的晶格失配很小时，缓冲层200a和200b可以略去。在图3的实施例中，第一和第二突变MIT结构500和S00a形成在单个 基板100的上、下表面上，由此形成两个突变MIT装置。这两个突变MIT 装置可以通过形成在基板100内的导电接触线互相并联或串联连接。将参考 图5及其后的图在后面描述该连接。图4是根据本发明的另一个实施例的双面平面型突变MIT装置的截面 图。参考图4，双面平面型突变MIT装置包括基板100、分别形成在基板100 的上表面和下表面上的上和下緩冲层200a和200b、形成在上緩沖层200a的 上表面上的第一突变MIT结构600、以及形成在下緩沖层200a的下表面上的第二突变MIT结构600a。第一突变MIT结构600包含形成在上緩冲层200a的部分上表面上的转 变薄膜300d、以及形成在上緩冲层200a的露出部分上并覆盖转变薄膜300d 的侧面和部分上表面从而互相面对的第一电极薄膜450和第二电极薄膜 460。第一电极薄膜450和第二电极薄膜460通过形成于它们之间的转变薄 膜300d相互隔开。第二突变MIT结构600a包括形成在下緩沖层200b的部分下表面上的转 变薄膜300e、以及形成在下緩沖层200b的露出部分上并覆盖转变薄膜300e 的侧面和部分上表面从而相互面对的第一电极薄膜450a和第二电极薄膜 460a。第一电极薄膜450a和第二电极薄膜460a通过形成于它们之间的转变 薄膜300e相互隔开。当然，基板100、电极薄膜400d和400e、以及转变薄膜300d和300e 可以由图1的描述中提及的材料形成。缓沖层200a和200b可以略去。如参 考图3在上文所述，第一和第二MIT结构600、 600a可以通过导电接触线互 相并联或串联连接。图5是根据本发明的另一个实施例的包含多个平面突变MIT薄膜结构 的单面突变MIT装置的截面图。参考图5,单面堆叠型突变MIT装置包括 基板1000、形成在基板1000的上表面上的緩冲层1200、以及多个突变MIT 结构。每个突变MIT结构包含形成在緩沖层1200的部分上表面上的转变薄 膜1300、以及形成在转变薄膜1300的露出部分上并覆盖转变薄膜1300的侧 面和部分上表面上从而互相面对的第一电极薄膜1410和第二电极薄膜 1420。第一电极薄膜1410和第二电极薄膜1420构成电极薄膜M00。在图5的实施例中，单面堆叠型突变MIT装置包括多个突变MIT结构， 该多个突变MIT结构形成在基板1000上，互相隔开并通过导电接触线l500 相互连接。通过串联导电接触线1500互相电学串联连接的该突变MIT结构 构成突变MIT装置链1600。换句话说，当电压施加到位于突变MIT装置链 1600最左边的突变MIT结构的第一电极薄膜1410和位于突变MIT装置链 1600最右边的突变MIT结构的第二电极薄膜1420时，所有的突变MIT结 构互相串联连接。在图5的实施例中，突变MIT结构之间的串联连接可以通过形成在緩 冲层1200上的串联导电接触线1500轻易实现。尽管图5示出了突变MIT结构在基板1000上一维形成，突变MIT结构也可以在基板1000上二维形 成，并通过合适的接触线互相并联或串联连接。突变MIT结构以同时形成。当然，基板100、电极薄膜1400、以及转变薄膜1300可以由图1的描 述中提及的材料形成。当然，緩冲层1200可以略去。尽管图5的实施例中 使用平面突变MIT结构，不过也可以采用堆叠突变MIT结构。由于突变 MIT装置或突变MIT结构之间的串联连接产生的电学特性将参考图 10A-10E在后面更详细地描述。图6是根据本发明的另一个实施例的包含多个平面突变MIT结构的双 面突变MIT装置的截面图。图6中的双面突变MIT装置类似于图5中的单 面突变MIT装置，除了多个MIT结构形成在基板2000的下表面上。换句话 说，图6中的双面突变MIT装置包括由形成在基板2000上并互相串联连接 的多个平面突变MIT结构构成的第 一 突变MIT装置链2700,以及由形成在 基板2000下并互相串联连接的多个平面突变MIT结构构成的第二突变MIT 装置链2700a。形成在上缓沖层2200a的上表面上的平面突变MIT结构通过 串联接触线2500互相串联连接。形成在下緩沖层2200b的下表面上的平面 突变MIT结构通过串联接触线2500a互相串联连接。在图6的实施例中，第一、第二突变MIT装置链2700、 2700a通过穿透 基板2000和緩冲层2200a、 2200b的导电并联接触线2600、 2M0互相并联 连接。换句话说，第一、第二突变MIT装置链2700、 2700a之间的并联连接 是通过将电压施加到位于第一或第二突变MIT装置链2700或2700a最左边 的突变MIT结构的第一电极薄膜2410或2410a来实现。并联接触线2600 和2650之一可以略去。如果并联接触线2600略去。上、下突变MIT结构 可以通过将电压施加到上、下突变MIT结构的第一电极薄膜2410和2W0a 而相互串联连接。当突变MIT装置需要互相并联和串联连接时，串联和并联连接可通过 如图6的实施例中那样在基板2000的上和下表面上形成多个突变MIT结构、 串联接触线2500和2500a、以及并联接触线2600和2650轻易实现。备选地， 突变MIT结构之间的串联和并联连接可以通过在图5的实施例中如上所述 在基板2000的上和下表面上二维形成突变MIT结构来实现。基板2000的上、下表面上的突变MIT结构可以同时形成。当然，基板 2000、电极薄膜2400和2400a、以及转变薄膜2300和2300a可以由图1的描述中提及的材料形成。当然，緩沖层2200a和2200b可以略去。尽管图6的实施例中使用的是平面突变MIT结构，不过也可以采用堆 叠突变MIT结构。备选地，不同类型的突变MIT结构可以形成于基板2000 的上、下表面上。例如，位于基板2000的上表面上的第一突变MIT装置链 2700可以由平面突变MIT结构组成，且位于基板2000的下表面上的第二突 变MIT装置链2700a可以由堆叠突变MIT结构组成。现在将详细讨论高压噪声消除电路和包括高压噪声消除电路的电气和/ 或电子系统，该高压噪声消除电路使用突变MIT装置来保护电气和/或电子 系统免遭高压噪声。图7是根据本发明的一个实施例的包含高压噪声消除电路3000的电路 图，该高压噪声消除电路3000包括突变MIT装置链。参考图7,高压噪声 消除电路3000并联连接到等效电阻ZL,并包含通过将突变MIT装置MIT1 至MITn相互串联连接而得到的突变MIT装置链MIT CHAIN。等效电阻ZL代表待保护的电气和/或电子系统。电气和/或电子系统ZL 可以是任何电气和/或电子系统，只要它需要被保护免遭高压噪声，例如，各 种电子装置、电气元件、电子系统或高压电子系统。具体而言，电气和/或电 子系统ZL优选地为需要被保护免遭超高压噪声干扰的电气和/或电子系统， 例如，高压电线、高压电子部件、家用断续器开关(即保险丝盒)和高压开 关。 一般而言，电气和/或电子系统Zi的纯阻抗约50Q。在某些情形下，电 气和/或电子系统Zl的純阻抗可大于50Q。如果电气和/或电子系统Zl是高 压开关，其可以执行绝缘。尽管突变MIT装置链MIT CHAIN可以通过先单独形成突变MIT装置 MIT1至MITn并随后将其互相串联连接来实现，不过突变MIT装置链MIT CHAIN也可以通过如图5和6的实施例那样在基板上形成多个突变MIT结 构来实现。为了降低突变MIT装置链MIT CHAIN的总阻抗并保护每个突变 MIT装置，至少一个额外的突变MIT装置可以并联连接到已包含的突变MIT 装置。在图7的实施例中，等于或大于与突变MIT装置的限制电压总和的总 限制电压相对应的高压噪声可以采用串联突变MIT装置来消除。换句话说， 当等于或大于预定电压的高压噪声通过输电线或高压线LI施加在例如高压 开关的电气和/或电子系统ZL时，由该高压产生的大部分电流通过突变MIT装置被旁路，由此保护电气和/或电子系统Z^。尽管每个突变MIT装置的限制电压低，突变MIT装置的总限制电压由 于突变MIT装置之间的串联连接而可以升高。因此，设定要求的限制电压，可以使电气和/或电子系统ZL免遭等于或高于该限制电压的电压干扰。由突变MIT装置的并联连接产生的电学特性将参考图10A-10E在后面更详细地 描述。图8是根据本发明的另一个实施例的包含高压噪声消除电路4000的电 路图，该高压噪声消除电路4000包括多个突变MIT装置链，即，第一MIT CHAIN至第nMIT CHAIN的。参考图8，高压噪声消除电路4000并联连接 到电气和/或电子系统Zi，并包括第一突变MIT装置链MIT CHAIN和连接 到第 一突变MIT装置链的至少另 一突变MIT装置链MIT CHAIN (即，第二 至第n MIT装置链MIT CHAIN )。每个突变MIT装置链可以如图7的实施 例那样通过互相串联连接多个突变MIT装置来实现。举例来说，第一突变 MIT装置链MIT CHAIN通过串联连接MITl至MITn的n个突变MIT装置 来形成。在图8的实施例中，可以通过将至少一个额外的突变MIT装置链并联 连接到第一突变MIT装置链来防止过量电流流到第一突变MIT装置链。尽 管每个突变MIT装置链可以通过先单独形成突变MIT装置MITl至MITn 且随后将它们互相串联连接来实现，不过也可以如图5和6的实施例那样在 基板上形成多个突变MIT结构来实现。突变MIT装置链之间的并联连接可以通过如图6的实施例那样在基板 2000的两个表面上并联连接第一和第二突变MIT装置链2700和2700a来实 现。如果需要3个以上的突变MIT装置链，可以通过在基板的两个表面上 形成二维突变MIT结构并将这些突变MIT结构合适地电互连来实现。图9是是根据本发明的另一个实施例的包含高压噪声消除电路5000的 电路图，该高压噪声消除电路5000包括突变MIT装置链。参考图9，高压 噪声消除电路5000并联连接到电气和/或电子系统ZL，并包括通过串联连接 突变MIT装置MITl至MITn得到的第一突变MIT装置链。高压噪声消除 电路5000类似于高压噪声消除电路3000，除了突变MIT装置MITl至MITn 包含保护电阻Rl至Rn用于保护突变MIT装置MITl至MITn。保护电阻 Rl至Rn串联连接到突变MIT装置MITl至MITn，且可以将总限制电压降低到要求的电压，并保护突变MIT装置MIT1至MITn免遭由突变MIT装 置MIT1至MITn的小限制电阻或施加过大电压导致的可能损坏。举例来说，当需要保护电气和/或电子系统ZL免遭电压等于或大于10kV 的高压噪声并且没有保护电阻时，突变MIT装置MIT1至MITn的限制电压 之和的总限制电压必须为10kV。另一方面，当具有保护电阻时，施加的电 压分布在保护电阻上，所以总限制电压低于10kV也没有关系。因此，所需 的突变MIT装置的数目可以减少。图IOA到10E为示出本发明的实验结果的曲线图，即，包含在根据本 发明的高压噪声消除电路中的突变MIT装置串联连接而产生的电学特性。 从本发明的实验可以看出，通过突变MIT装置的串联连接得到的总限制电 压如何变化。实验中使用的突变MIT装置为图2A和2B的平面型突变MIT 装置。图IOA示出突变MIT装置1的限制电压，其中第一和第二电极薄膜410a 和420a之间的距离'd'为20pm,第一和第二电极薄膜410a和420a的宽度'w' 都为40|im,在八1203基板100上的转变薄膜300a由氧化钒V02形成。突变 MIT装置l在17.6V经历了由绝缘体向金属的突变，如参考字母A所示。换 句话说，当约17.6V的电压施加在第一、第二电极薄膜410a、 420a之间时， 产生的电流突然增加，即A。因此，突变MIT装置1的限制电压为17.6V。图10B示出突变MIT装置2的限制电压，其中第一、第二电极薄膜410a、 420a之间的距离'd'为20|im,第一、第二电极薄膜410a、 420a的宽度'w'都为 50|im,且转变薄膜300a和基板100分别由V02和八1203形成，如突变MIT 装置l。突变MIT装置2在16V经历由绝缘体向金属的突变，如参考字母B 所示。因此，突变MIT装置2的限制电压为16V。因为突变MIT装置2的 宽度'w'大于突变MIT装置1的宽度'w'，突变MIT装置2内形成的电场大， 因此可以预测突变MIT装置2的限制电压低于突变MIT装置1的限制电压。图10C示出突变MIT装置3的限制电压，其中第一、第二电极薄膜410a、 420a之间的距离'd'为2(Vm，第一、第二电极薄膜410a、 420a的宽度'w'都为 100pm,且转变薄膜300a和基板100分别由VCb和八1203形成，如突变MIT 装置l。突变MIT装置3在15V经历由绝缘体向金属的突变，如参考字母C 所示。因此，突变MIT装置3的限制电压为15V。图10D示出突变MIT装置4的限制电压，其中第一、第二电极薄膜410a、"0a之间的距离'd'为5(xm，第一、第二电极薄膜410a、 420a的宽度'w'都为 100(xm,且转变薄膜300a和基板100分别由V02和Al203形成，如突变MIT 装置l。突变MIT装置4在7.5V经历由绝缘体向金属的突变，如参考字母 D所示。因此，突变MIT装置4的限制电压为7.5V。从图IOA到10D可以看出限制电压随着第一、第二电极薄膜410a、420a 之间的距离'd'大幅变化。这意味着限制电压很大程度上取决于位于第一、第 二电极薄膜410a、 420a之间的转变薄膜300a的上部而不是位于第一、第二 电极薄膜410a、 420a之间的转变薄膜300a的下部。图IOE示出互相串联连接的突变MIT装置1、 2、 3和4的总限制电压。 换句话说，测量串联连接的突变MIT装置1、 2、 3和4的总限制电压而不 是每个突变MIT装置1、 2、 3和4的限制电压。相互串联连接的突变MIT 装置l、 2、 3和4组在53V经历由绝缘体向金属的突变，如参考字母E所 示。因此，突变MIT装置1、 2、 3和4组的总限制电压约为53V。总限制 电压约等于突变MIT装置1、 2、 3和4的限制电压之和，即，56.1V。测量 误差、相邻突变MIT装置产生的电场影响等都可认为是误差因素。串联连接的突变MIT装置1、 2、 3和4的总限制电压等于突变MIT装 置l、 2、 3和4的限制电压之和的现象可以解释如下。换句话说，当施加的 电压小于总限制电压时，每个突变MIT装置作为高电阻的电阻器，且施加MIT装置1、 2、 3和4。分布的电压低于每个MIT装置1、 2、 3和4的限制 电压。另一方面，当施加的电压等于或大于总限制电压时，施加的电压分布 到突变MIT装置1、 2、 3和4。分布的电压等于或大约每个MIT装置1、 2、 3和4的限制电压。因此，所有变MIT装置1、 2、 3和4经历MIT。已经由实验证明了即使当一个突变MIT装置的限制电压低时，高压噪消除。举例来说，如果2kV的高压噪声需要从lkV的高压线中消除，电压 等于或高于2kV的高压噪声可以通过串联连接7或8个限制电压均为200V 的突变MTI装置来消除。因此，额定电压或额定信号可以被稳定地传输。如果电气和/或电子系统在预定电压以上被损坏，通过使突变MIT装置 的总限制电压低于预定电压而不是使突变MIT装置的总限制电压等于预定 电压，则可以安全地保护该电气和/或电子系统。这也是为什么在上面例子中不使用10个突变MIT装置的原因。从上面描述的实验可以看出，可以通过串联连接具有低限制电压的突变 MIT装置而在超高压时发生MIT，而不需要形成具有与超高压一致的限制电 压的突变MIT装置。这种优点可以克服无法制作可以使突变MIT面对超高 压噪声的宽转变薄膜的问题。工业适用性因此，适用于每个电气和/或电子系统的高压噪声消除电路可以通过合适 地调节突变MIT装置的结构和材料并将突变MIT装置充分互相连接来设计。根据本发明的突变MIT装置包括单个基板上的多个突变MIT装置，因 此从形成多个突变MIT装置和这些突变MIT装置之间的串联和并联连接的 工艺的角度而言是有利的。此外，根据本发明的高压噪声消除电路使用串联连接的突变MIT装置， 因此有效消除远高于每个突变MIT装置的限制电压的高压噪声。串联连接 的突变MIT装置可通过使用形成在单个基板上的多个突变MIT结构和接触 线轻易实现。高压噪声消除电路可以有效地应用于待保护的电气和/或电子系统，例 如，高压电线、高压电组件、家用断续器开关(即保险丝盒)、高压开关、 继电器、蜂鸣器、电子部件、电子系统的电力供应、整流电子部件和其它电 气和电子部件和系统。虽然已经参考本发明的示范性实施例详细地示出并描述了本发明'本领 域的技术人员应该理解，可以在不脱离权利要求所披露的本发明的精神和范 畴内进行各种形式和细节的变化。
权利要求
1.一种突变金属-绝缘体转变(MIT)装置，包括基板；以及分别形成在所述基板的上、下表面上的第一突变金属-绝缘体转变结构和第二突变金属-绝缘体转变结构，其中每个所述第一和第二突变金属-绝缘体转变结构在低于预定限制电压时具有绝缘体特性，且在等于或高于所述限制电压时具有金属特性。
2. 根据权利要求1所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中每个所述第 一和第二突变金属-绝缘体转变结构包括突变金属-绝缘体转变薄膜；和接触所述突变金属-绝缘体转变薄膜的至少两层电极薄膜。
3. 根据权利要求2所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中所述突变金 属-绝缘体转变薄膜由选自下述群组的至少一种材料形成添加了低浓度空 穴的无机半导体、添加了低浓度空穴的无机绝缘体、添加了低浓度空穴的有 机半导体、添加了低浓度空穴的有机绝缘体、添加了低浓度空穴的半导体、 添加了低浓度空穴的氧化物半导体、以及添加了低浓度空穴的氧化物绝缘 体，其中每种上述材料包括氧、碳、半导体元素(如III-V族和II-IV族)、 过渡金属元素、稀土元素和镧系元素中的至少一种。
4. 根据权利要求2所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中所述突变金 属-绝缘体转变薄膜由n型半导体-绝缘体形成。
5. 根据权利要求2所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中所述突变金 属-绝缘体转变薄膜由选自下述群组的至少一种材料形成W、 Mo、 W/Au、 Mo/Au、 Cr/Au、 Ti/W、 Ti/Al/N、 Ni/Cr、 Al/Au、 Pt、 Cr/Mo/Au、 YB2Cu307.d、 Ni/Au、 Ni/Mo、 M/Mo/Au、 Mi/Mo/Ag、 M/Mo/Al、 NiAV、 MAV/Au、 NiAV/Ag 和Ni/W/Al。
6. 根据权利要求1所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中所述第一突变金属-绝缘体转变结构包括. 形成在所述基板的上表面上的突变金属-绝缘体转变薄膜； 形成在所述基板的上表面的露出部分上并覆盖所述突变金属-绝缘体转变薄膜的一个侧面和所述突变金属-绝缘体转变薄膜的上表面的一部分的第一电极薄膜；和形成在所述基板的上表面的剩余露出部分上并覆盖所述突变金属-绝缘体转变薄膜的另一个侧面和所述突变金属-绝缘体转变薄膜的上表 面的一部分，从而面对所述第一电极薄膜的第二电极薄膜；以及 所述第二突变金属-绝缘体转变结构包括形成在所述基板的下表面上的突变金属-绝缘体转变薄膜；形成在所述基板的下表面的露出部分上并覆盖所述突变金属-绝缘 体转变薄膜的一个侧面和所述突变金属-绝缘体转变薄膜的下表面的一 部分的第一电极薄膜；和形成在所述基板的下表面的剩余露出部分上并覆盖所述突变金属-绝缘体转变薄膜的另一个侧面和所述突变金属-绝缘体转变薄膜的下表 面的一部分，从而面对所述第一电极薄膜的第二电极薄膜。
7. 根据权利要求1所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中 所述第一突变金属-绝缘体转变结构包括形成在所述基板的上表面上的第 一 电极薄膜； 形成在所述第一电极薄膜的上表面上的突变金属-绝缘体转变薄 膜；和形成在所述突变金属-绝缘体转变薄膜的上表面上的第二电极薄 膜；以及所述第二突变金属-绝缘体转变结构包括形成在所述基板的下表面上的第一电极薄膜；形成在所述第一电极薄膜的下表面上的突变金属-绝缘体转变薄 膜；和形成在所述突变金属-绝缘体转变薄膜的下表面上的第二电极薄膜。
8. 根据权利要求6所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中所述突变金 属-绝缘体转变装置包括包含形成在所述基板的上表面上的多个第一突变金属-绝缘体转变结构的第一突变金属-绝缘体转变装置链；和包含形成在所述基板的下表面上的多个第二突变金属-绝缘体转变结构 的第二突变金属-绝缘体转变装置链。
9. 根据权利要求8所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中所述第一突 变金属-绝缘体转变装置链的第一突变金属-绝缘体转变结构通过形成在它们 之间的串联接触线互相串联连接，且所述第二突变金属-绝缘体转变装置链 的第二突变金属-绝缘体转变结构通过形成在它们之间的另 一 串联接触线互 相串联连接。
10. 根据权利要求9所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中所述第一 和第二突变金属-绝缘体转变装置链通过穿透所述基板的并联接触线互相并 联连接。
11. 根据权利要求1所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中所述基板 由选自Si、 Si02、 GaAs、 A1203、塑料、玻璃、V205、 PrBa2Cu307、 YBa2Cu307、 MgO、 SrTi03， Nb掺杂的SrTi03、以及绝缘体上硅(SOI)组成的群组中的 至少一种材料形成。
12. 根据权利要求1所述的突变金属-绝缘体转变装置，还包括形成在 基板的上、下表面上的緩冲层。
13. 根据权利要求12所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中每个所 述緩冲层包括SiCM莫和SbN4膜之一。
14. 一种突变金属-绝缘体转变装置，包括 基板；以及包含在所述基板上彼此分隔开的至少两个突变金属-绝缘体转变结构的 突变金属-绝缘体转变装置链，其中每个所述突变金属-绝缘体转变结构包含 突变金属-绝缘体转变薄膜和接触所述突变金属-绝缘体转变薄膜的至少两层 电极薄膜。
15. 根据权利要求14所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中所述突 变金属-绝缘体转变装置链的突变金属-绝缘体转变结构通过在所述基板上形 成于它们之间的串联接触线互相串联连接。
16. —种包括并联连接到待保护的电气和/或电子系统的突变金属-绝 缘体转变装置链的高压噪声消除电路，其中所述的突变金属-绝缘体转变装 置链包括互相串联连接的至少两个突变金属-绝缘体转变装置，且每个所述 突变金属-绝缘体转变装置在低于预定限制电压时具有绝缘体特性，在等于 或高于所述限制电压时具有金属特性。
17. 根据权利要求16所述的高压噪声消除电路，还包括并联连接到所述突变金属-绝缘体转变装置链的至少一个突变金属-绝缘体转变装置链。
18. 根据权利要求16所述的高压噪声消除电路，还包括并联连接到每 个所述突变金属-绝缘体转变装置的至少一个突变金属-绝缘体转变装置。
19. 根据权利要求16所述的高压噪声消除电路，其中每个所述突变金 属-绝缘体转变装置包括用于保护每个所述突变金属-绝缘体转变装置的保护 电阻。
20. 根据权利要求16所述的高压噪声消除电路，其中所述突变金属-绝缘体转变装置链具有与所述突变金属-绝缘体转变装置的限制电压之和相 对应的总限制电压，且电压等于或大于所述总限制电压的高压噪声被消除。
21. —种包括并联连接到待保护的电气和/或电子系统的突变金属-绝 缘体转变装置的高压噪声消除电路，包括基板、以及通过串联连接至少两 个突变金属-绝缘体转变结构得到的突变金属-绝缘体转变装置链。
22. 根据权利要求21所述的高压噪声消除电路，还包括并联连接到所 述突变金属-绝缘体转变装置链的至少一个突变金属-纟色缘体转变装置链。
23. 根据权利要求21所述的高压噪声消除电路，其中每个所述突变金 属-绝缘体转变结构包括突变金属-绝缘体转变薄膜；和接触所述突变金属-绝缘体转变薄膜的至少两层电极薄膜。
24. 根据权利要求21所述的高压噪声消除电路，其中所述突变金属-绝缘体转变装置链的突变金属-绝缘体转变结构通过形成在所述基板的上表 面上的串联接触线互相串联连接。
25. 根据权利要求21所述的高压噪声消除电路，其中所述突变金属-绝缘体转变装置链包括形成在所述基板的上表面上的第一突变金属-绝缘体转变装置链，包含 互相串联连接的至少两个突变金属-绝缘体转变结构；和形成在所述基板的下表面上的第二突变金属-绝缘体转变装置链，包含 互相串联连接的至少两个突变金属-绝缘体转变结构。
26. 根据权利要求25所述的高压噪声消除电路，其中 所述第一突变金属-绝缘体转变装置链的突变金属-绝缘体转变结构通过形成在所述基板的上表面上的串联接触线互相串联连接；和所述第二突变金属-绝缘体转变装置链的突变金属-绝缘体转变结构通过形成在所述基板的下表面上的另一串联接触线互相串联连接。
27. 根据权利要求26所述的高压噪声消除电路，其中所述第一和第二 突变金属-绝缘体转变装置链通过穿透所述基板的并联接触线互相并联连 接。
28. —种电气和/或电子系统，包括 待保护的电气和/或电子系统；和包含并联连接到所述待保护的电气和/或电子系统的突变金属-绝缘体转 变装置链的高压噪声消除电路，所述突变金属-绝缘体转变装置链通过互相 串联连接至少两个突变金属-绝缘体转变装置得到，其中每个所述突变金属-绝缘体转变装置在低于预定限制电压时具有绝缘体特性，且在等于或高于所 述限制电压时具有金属特性。
29. 根据权利要求28所述的电气和/或电子系统，其中所述高压噪声 消除电路还包括并联连接到所述突变金属-绝缘体转变装置链的至少一个突 变金属-绝缘体转变装置链。
30. 根据权利要求28所述的电气和/或电子系统，其中每个所述突变 金属-绝缘体转变装置包括用于保护每个所述突变金属-绝缘体转变装置的保 护电阻。
31. 根据权利要求28所述的电气和/或电子系统，其中所述突变金属-绝缘体转变装置链具有与所述突变金属-绝缘体转变装置的限制电压之和相 对应的总限制电压，且电压等于或大于所述总限制电压的高压噪声被消除。
32. 根据权利要求28所述的电气和/或电子系统，其中所述电气和/或 电子系统是阻止高压的高压开关。
全文摘要
提供了一种突变金属-绝缘体转变(MIT)装置，用来旁路超高压噪声以保护例如高压开关的电气和/或电子系统免受超高压；使用突变MIT装置旁路超高压噪声的高压噪声消除电路；以及包含高压噪声消除电路的电气和/或电子系统。突变MIT装置包括基板、第一突变MIT结构、以及第二突变MIT结构。第一和第二突变MIT结构分别形成于基板的上、下表面上。高压噪声消除电路包括并联连接到待保护的电气和/或电子系统的突变MIT装置链。突变MIT装置链包括互相串联连接的至少两个突变MIT装置。
文档编号H02H7/22GK101278454SQ200680036384
公开日2008年10月1日 申请日期2006年4月5日 优先权日2005年7月29日
发明者姜光镛, 尹善真, 李镕旭, 蔡秉圭, 金俸准, 金敬玉, 金铉卓 申请人:韩国电子通信研究院