專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)蜗虻碗娙堇擞勘Ｗo(hù)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及半導(dǎo)體過(guò)壓保護(hù)器件的領(lǐng)域，為一種新型 的單向低電容浪涌保護(hù)器件。
背景技術(shù)：
隨著通訊領(lǐng)域逐漸采用新的接口標(biāo)準(zhǔn)，如VDSL+、USB3. 0等，傳輸速度的提高將進(jìn) 一步對(duì)保護(hù)器件的電容提出新的要求，在保證高浪涌能力的同時(shí)，降低器件電容成為共同 趨勢(shì)。在過(guò)去的幾十年中，以硅為主要加工材料的微電子制造工藝從開(kāi)始的幾個(gè)微米技 術(shù)到現(xiàn)在的45nm，集成電路芯片集成度越來(lái)越高，成本越來(lái)越低。隨著芯片尺寸的縮小，電 路所能承受的過(guò)壓能力也逐漸降低，系統(tǒng)對(duì)外部的電壓波動(dòng)將更加敏感，這就要求電路在 進(jìn)行浪涌/ESD保護(hù)時(shí)，要求保護(hù)器件的殘壓控制在很低水平。盡管Thyristor、GDT、M0V、瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor, TVS)作為一種有效的浪涌/ESD保護(hù)器件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)電路保護(hù)領(lǐng)域，但是由于 不能在浪涌、電容、殘壓等方面具有完全的優(yōu)勢(shì)，使得保護(hù)方案中往往采用折中方法進(jìn)行設(shè) 計(jì)。這樣就使得保護(hù)效果大打折扣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于為被保護(hù)系統(tǒng)提供一種低電容浪涌保護(hù)器，該器 件可消除浪涌、ESD等瞬態(tài)電壓事件對(duì)被保護(hù)系統(tǒng)的損壞，不僅具有低電容、低鉗位、大浪涌 能力、單向保護(hù)等特點(diǎn)，而且鉗位電壓范圍可根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是一種低電容浪涌保護(hù)器件，為 由PIN管、TVS管和門(mén)極可關(guān)斷晶閘管[以下簡(jiǎn)稱(chēng)GTO管(Gate Turn-off Thyristor)]構(gòu) 成的兩端元件，所述的PIN管包括第一 PIN管和第二 PIN管，TVS管包括第一 TVS管和第二 TVS管，其中，
第一 PIN管的陽(yáng)極作為第一引出端Sl ；
第一 PIN管Dl的陰極與第二 PIN管的陽(yáng)極相連，且與GTO管的陽(yáng)極相連；
第二 PIN管的陰極與第一 TVS管和第二 TVS管的陰極相連；
第二 TVS管的陽(yáng)極與GTO管的門(mén)極相連；
GTO管的陰極與第一 TVS管的陽(yáng)極相連，作為第二引出端S2。所述的單向低電容浪涌保護(hù)器在正常情況下均處于斷開(kāi)狀態(tài)，即呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。當(dāng)從引出端Sl流入的正向浪涌電壓超過(guò)器件的保護(hù)電壓時(shí)，第一 TVS管發(fā)生擊 穿，浪涌電流沿著第一 PIN管、第二 PIN管、第一 TVS管這個(gè)方向進(jìn)行泄放，隨著浪涌電流的 增大，在第一 TVS管的陰極上的電壓降開(kāi)始增大。當(dāng)?shù)谝?TVS管陰極上的電壓超過(guò)了第二 TVS管的擊穿電壓時(shí)，第二 TVS管反向?qū)?通，在GTO管的門(mén)極有電流流入，此時(shí)由GTO管開(kāi)啟。隨著GTO管門(mén)極電流的增大，GTO管進(jìn)入大電流、低壓降狀態(tài)。此時(shí)由于落在第二 PIN管和第一 TVS管上的壓降降低，第一 TVS 反向截止，整個(gè)器件表現(xiàn)為低壓降、大電流狀態(tài)。之后隨著浪涌電流的進(jìn)一步增大，GTO管上的壓降也跟著增大，當(dāng)GTO管陽(yáng)極上的 壓降增大到超過(guò)第一 TVS管的擊穿電壓與第二 PIN 二極管正向壓降之和時(shí)，第一 TVS管再 一次導(dǎo)通，由于第一 TVS管的分流，器件殘壓再一次被降低。浪涌泄放結(jié)束后，保護(hù)器件停 止工作，恢復(fù)至高阻狀態(tài)。低電容浪涌保護(hù)器是一種新型的新浪涌保護(hù)技術(shù)，與傳統(tǒng)的浪涌保護(hù)器件相比， 不僅具有低電容、低鉗位、大浪涌能力的特點(diǎn)，而且鉗位電壓范圍可根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào) 整，能夠很好的應(yīng)用于通訊線路保護(hù)。在上述方案的基礎(chǔ)上，作為本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)，所述的浪涌保護(hù)器件為單向轉(zhuǎn)折 電壓和殘壓下限可控的低電容浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)，所述的TVS管還包括第三TVS管，GTO管的 陰極與第三TVS管的陰極相連，第三TVS管的陽(yáng)極與第一 TVS管的陽(yáng)極相連，作為第二引出 端S2。在單向低電容浪涌保護(hù)器電路之GTO管的陰極與S2端之間串聯(lián)一個(gè)第三TVS管， 這樣根據(jù)保護(hù)需要可以設(shè)定第三TVS管的擊穿電壓，使得器件下限鉗位電壓不至于太低， 形成殘壓下限可控的單向低電容浪涌保護(hù)器，可滿足被保護(hù)系統(tǒng)浪涌泄放器件系統(tǒng)不中斷 工作的要求。在上述方案的基礎(chǔ)上，所述的PIN管為低結(jié)電容PIN 二極管。在上述方案的基礎(chǔ)上，第二 TVS管為普通的耐高壓二極管，用于控制器件的轉(zhuǎn)折 電壓。所述的第二 TVS管的擊穿電壓可以根據(jù)需要設(shè)定，此電壓可用于規(guī)定器件進(jìn)入大 電流、低壓狀態(tài)的的轉(zhuǎn)折電壓。在上述方案的基礎(chǔ)上，第三TVS管為普通TVS 二極管，用于控制器件的轉(zhuǎn)折電壓及 鉗位下限電壓。在上述方案的基礎(chǔ)上，所述的GTO管由PNP三極管和NPN三級(jí)管構(gòu)成，其中， PNP三極管的發(fā)射極引出作為GTO管的陽(yáng)極；
PNP三極管的基極與NPN三極管的集電極相連，PNP三極管的集電極與NPN三極管的基 極相連，作為GTO管的門(mén)極引出；
NPN三極管的發(fā)射極引出作為GTO管的陰極。GTO管具有大電流泄放能力，并且通態(tài)飽和壓降很低。本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明是一種新型的低電容、低殘壓浪涌保護(hù)器件，利用PIN管的低電容特性和GTO的 大電流泄放能力實(shí)現(xiàn)了單向低電容浪涌保護(hù)，在保護(hù)方式上采用了兩級(jí)保護(hù)，但又不同于 傳統(tǒng)的兩級(jí)保護(hù)，克服了傳統(tǒng)多級(jí)保護(hù)不能滿足高速數(shù)據(jù)低電容、低殘壓的要求；
本發(fā)明依據(jù)接入的TVS管實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)折電壓控制和殘壓下限控制，通過(guò)調(diào)節(jié)TVS管的擊 穿電壓可以有效控制器件的轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折后的殘壓。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1單向低電容浪涌保護(hù)器的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖2為圖1中GTO管由PNP管和NPN管代替的電路結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1單向低電容浪涌保護(hù)器IV特性圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的電路結(jié)構(gòu)圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例2的IV特性圖。附圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明
Dl —第一 PIN 管； D2—第二 PIN 管；
Tl —第一 TVS 管； T2 —第二 TVS 管； T3 —第三 TVS 管； Gl 一 GTO管；Ql—PNP三極管； Q2 — NPN三極管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步闡述。實(shí)施例1
請(qǐng)參閱圖1為本發(fā)明實(shí)施例1單向低電容浪涌保護(hù)器的電路結(jié)構(gòu)圖和圖2為圖1中 GTO管由PNP管和NPN管代替的電路結(jié)構(gòu)圖所示，一種單向低電容浪涌保護(hù)器件，為由第一 PIN管D1、第二 PIN管D2、第一 TVS管Tl、第二 TVS管T2和GTO管Gl構(gòu)成的兩端元件，其 中，
第一 PIN管Dl的陽(yáng)極作為第一引出端Sl ；
第一 PIN管Dl的陰極與第二 PIN管D2的陽(yáng)極相連，且與GTO管Gl的陽(yáng)極相連； 第二 PIN管D2的陰極與第一 TVS管Tl的陰極相連，且與第二 TVS管T2的陰極相連； 第二 TVS管T2的陽(yáng)極與GTO管Gl的門(mén)極相連； GTO管Gl的陰極與第一 TVS管Tl的陽(yáng)極相連，作為第二引出端S2。其中，所述的第一 PIN管Dl和第二 PIN管D2均為低結(jié)電容二極管。所述的第二 TVS管T2為普通的耐高壓二極管。所述的第二 TVS管T2的擊穿電壓可以根據(jù)需要設(shè)定，此電壓可用于規(guī)定器件進(jìn)入 大電流、低壓狀態(tài)的的轉(zhuǎn)折電壓。所述的GTO管Gl由PNP三極管Ql和NPN三級(jí)管Q2構(gòu)成，其中， PNP三極管Ql的發(fā)射極引出作為GTO管Gl的陽(yáng)極；
PNP三極管Ql的基極與NPN三極管Q2的集電極相連，PNP三極管Ql的集電極與NPN 三極管Q2的基極相連，作為GTO管Gl的門(mén)極引出； NPN三極管Q2的發(fā)射極引出作為GTO管Gl的陰極。所述的GTO管具有大電流泄放能力，并且通態(tài)飽和壓降很低。請(qǐng)參閱圖3為本發(fā)明實(shí)施例1單向低電容浪涌保護(hù)器IV特性圖所示，單向低電容 浪涌保護(hù)器在正常情況下均處于斷開(kāi)狀態(tài)，即呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。當(dāng)從引出端Sl流入的正向浪涌電壓超過(guò)器件的保護(hù)電壓Vbk時(shí)，第一 TVS管Tl發(fā) 生擊穿，浪涌電流沿著第一 PIN管D1、第二 PIN管D2、第一 TVS管Tl這個(gè)方向進(jìn)行泄放，隨 著浪涌電流的增大，在第一 TVS管Tl的陰極上的電壓降開(kāi)始增大。當(dāng)?shù)谝?TVS管Tl陰極上的電壓超過(guò)了第二 TVS管T2的擊穿電壓Vclampl時(shí)，第 二 TVS管T2反向?qū)ǎ贕TO管Gl的門(mén)極有電流流入，此時(shí)由GTO管Gl開(kāi)啟，器件進(jìn)入負(fù) 阻區(qū)。隨著GTO管Gl門(mén)極電流的增大，GTO管Gl進(jìn)入大電流、低壓降狀態(tài)。此時(shí)，由于落在第二 PIN管D2和第一 TVS管Tl上的壓降降低，第一 TVS管Tl反向截止，整個(gè)器件表現(xiàn) 為低壓降、大電流狀態(tài)。之后隨著浪涌電流的進(jìn)一步增大，GTO管Gl上的壓降也跟著增大，當(dāng)GTO管Gl陽(yáng) 極上的壓降增大到超過(guò)第一 TVS管Tl的擊穿電壓與第二 PIN管D2正向壓降之和時(shí)，第一 TVS管Tl再一次導(dǎo)通，由于第一 TVS管Tl的分流，器件殘壓再一次被降低。浪涌泄放結(jié)束 后，保護(hù)器件停止工作，恢復(fù)至高阻狀態(tài)。器件的反向呈高阻狀態(tài)。如圖3所示，調(diào)整第二 TVS管T2的擊穿電壓，可以改變器件的轉(zhuǎn)折電壓Vclampl。實(shí)施例2
請(qǐng)參閱圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的電路結(jié)構(gòu)圖所示，作為實(shí)施例1的一個(gè)改進(jìn)，在實(shí)施例 1電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將單向低電容浪涌保護(hù)器電路中的GTO管Gl的陰極與器件的S2端之 間串聯(lián)一個(gè)第三TVS管T3，其他連接方式不變，S卩，GTO管Gl的陰極與第三TVS管T3的陰 極相連，第三TVS管T3的陽(yáng)極與第一 TVS管Tl的陽(yáng)極相連，作為第二引出端S2。第三TVS 管T3的擊穿電壓可根據(jù)保護(hù)需要進(jìn)行設(shè)定。如圖4所示，當(dāng)從引出端Sl流入的正向浪涌電壓超過(guò)器件的保護(hù)電壓Vbk時(shí)，第一 TVS管Tl發(fā)生擊穿，浪涌電流沿著第一 PIN管D1、第二 PIN管D2、第一 TVS管Tl這個(gè)方向 進(jìn)行泄放，隨著浪涌電流的增大，在第一 TVS管Tl的陰極上的電壓降開(kāi)始增大。當(dāng)?shù)谝?TVS管Tl陰極上的電壓超過(guò)了第二 TVS管T2的擊穿電壓和第三TVS管T3 的擊穿電壓之和Vclampl時(shí)，第二 TVS管T2反向?qū)?，在GTO管Gl的門(mén)極有電流流入，此 時(shí)，GTO管Gl開(kāi)啟，器件進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，隨著GTO管Gl門(mén)極電流的增大，GTO管Gl進(jìn)入大電 流、低壓降狀態(tài)。電壓下限由第三TVS管T3的鉗位電壓Vclamp2決定，此時(shí)，器件的殘壓被 限制在Vclamp2和Vclampl之間，隨著浪涌電流的進(jìn)一步增大，GTO管Gl和第三TVS管T3 上的壓降也跟著增大。當(dāng)GTO管Gl陽(yáng)極上的壓降增大到超過(guò)第一 TVS管Tl的擊穿電壓與第二 PIN管D2 正向壓降之和時(shí)，第一 TVS管Tl再一次導(dǎo)通，由于第一 TVS管Tl的分流，器件殘壓再一次 被降低。浪涌泄放結(jié)束后，保護(hù)器件停止工作，恢復(fù)至高阻狀態(tài)。器件的反向呈高阻狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種單向低電容浪涌保護(hù)器件，由PIN管、TVS管和GTO管構(gòu)成的兩端元件，其特征 在于所述的PIN管包括第一 PIN管(Dl)和第二 PIN管(D2)，TVS管包括第一 TVS管(Tl) 和第二 TVS管(T2)，其中，第一 PIN管(Dl)的陽(yáng)極作為第一引出端(Si)；第一 PIN管(Dl)的陰極與第二 PIN管(D2)的陽(yáng)極相連，且與GTO管(Gl)的陽(yáng)極相連；第二 PIN管(D2)的陰極與第一 TVS管(Tl)和第二 TVS管(T2)的陰極相連；第二 TVS管(T2)的陽(yáng)極與GTO管(Gl)的門(mén)極相連；GTO管(Gl)的陰極與第一 TVS管(Tl)的陽(yáng)極相連，作為第二引出端(S2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向低電容浪涌保護(hù)器件，其特征在于所述的TVS管還包 括第三TVS管(T3)，GTO管(Gl)的陰極與第三TVS管(T3)的陰極相連，第三TVS管(T3)的 陽(yáng)極與第一 TVS管(Tl)的陽(yáng)極相連，作為第二引出端(S2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向低電容浪涌保護(hù)器件，其特征在于所述的PIN管為低 結(jié)電容PIN 二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單向低電容浪涌保護(hù)器件，其特征在于所述的第二TVS 管(T2)為普通的耐高壓二極管，用于控制器件的轉(zhuǎn)折電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單向低電容浪涌保護(hù)器件，其特征在于第三TVS管(T3)為 普通TVS 二極管，用于控制器件的轉(zhuǎn)折電壓及鉗位下限電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單向低電容浪涌保護(hù)器，其特征在于所述的GTO管 (Gl)由PNP三極管(Ql)和NPN三級(jí)管(Q2)構(gòu)成，其中，PNP三極管(Ql)的發(fā)射極引出作為GTO管(Gl)的陽(yáng)極；PNP三極管(Ql)的基極與NPN三極管(Q2 )的集電極相連，PNP三極管(Ql)的集電極與 NPN三極管(Q2)的基極相連，作為GTO管(Gl)的門(mén)極引出；NPN三極管(Q2)的發(fā)射極引出作為GTO管(Gl)的陰極。
全文摘要
本發(fā)明涉及單向低電容浪涌保護(hù)器件，包括第一PIN管和第二PIN管，第一TVS管和第二TVS管和GTO管，中，其第一PIN管的陽(yáng)極作為第一引出端S1；第一PIN管的陰極與第二PIN管的陽(yáng)極相連，且與GTO管的陽(yáng)極相連；第二PIN管的陰極與第一TVS管和第二TVS管的陰極相連；第二TVS管的陽(yáng)極與GTO管的門(mén)極相連；GTO管的陰極與第一TVS管的陽(yáng)極相連，作為第二引出端S2。優(yōu)點(diǎn)是利用PIN管的低電容特性和GTO的大電流泄放能力實(shí)現(xiàn)了單向低電容浪涌保護(hù)器，采用兩級(jí)保護(hù)，克服傳統(tǒng)多級(jí)保護(hù)不能滿足高速數(shù)據(jù)低電容、低殘壓的要求，依據(jù)接入的TVS管實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)折電壓控制和殘壓下限控制，通過(guò)調(diào)節(jié)TVS管的擊穿電壓可以有效控制器件的轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折后的殘壓。
文檔編號(hào)H02H9/04GK102130448SQ20111006264
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者葉力, 吳興農(nóng), 張關(guān)保, 王永錄, 蘇海偉 申請(qǐng)人:上海長(zhǎng)園維安微電子有限公司