半导体放电管的设计考虑

半导体放电管的设计考虑 半导体放电管的设计考虑 半导体放电管的设计考虑 纪秀明,宋哲浩,蒋季华 (常州半导体厂,江苏常州213001) 摘要:介绍了一种程控电话交换机用的新颖过压保护固体器件的设计考虑. 关键词:半导体放电管结构设计 中图分类号:TN335文献标识码:A文章编号:1003.353X(2001)03—0053—03 Designc0nsideratjOnsOfsemiconductorarrester JIXiu—ming,SONGZhe—hao,JIANGJi?hua (ChangzhOldc0d"cf0rFactory,Changzhou213001,China) Abstract:Thedesignconsiderationsofaflewtypeover—voltageprotectiondeviceusedprogram controltelephoneexchangeequipmentsisintroduced. Keywords:semiconductorattester;construction;design 1概速 半导体放电管,或称固体放电管,是一种新 颖的瞬态过压抑制保护器件.目前,完全由它们替 代气体放电管,用来保护程控交换机,电话机免遭 雷电和交流电源线感应的强脉冲干扰,是理想的换 代产品 在交换机总配线架前(上)设置第一级保护 器件,第二级保护器件设置在振铃继电器之前,第 三级保护器件设于用户线路卡之前.通过这样的三 层保护,可使数万伏峰值的电涌消失到不大于10 伏. 推而广之,这类保护器件在诸多必须装置防 雷设施的场 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 样可被应用. 2器件的结构和基本参数 同双向pnpn开关的结构相似,图1(a)示出半 导体放电管的短路阴极结构.由于结构对称,器件 的伏安特性曲线也对称,如图1(b)所示 从图1(b)不难看出,器件抑制过压一般靠的是 它的击穿电压的电平箝位作用.击穿电流升至值 时,器件迅速进入导通状态,这时近乎短路通过很 大的浪涌电流或脉冲电流,将起到快速地消失电涌 Mafch2001 』' f 』 — . 厂/\t. 图l(a)器件的结构(b)特性 的目的器件具有高的电流容量和较大的电流上 升率(ditdt).一般说来,雷电干扰的持续时问很 短(约几百微秒),为此要求器件具有快速放电 的能力.放电能力的优劣以通过的最大脉冲电流 来衡量.电流上升率越大,放电电流越大,放电 时间越短换句话说,通过电流的持续时间越 短,允许通过的脉冲电流越大.例如:l00A/ 1mS,lOA,ls. 器件放电瞬间,近乎短路信号电流.只要器 件的维持电流值大于流过器件的最大短路信号电流 值,待电涌消失后,器件就能自动恢复到初始的截 止状态(自动复位).因此,要求器件具有较大的维 持电流,以便确保器件在经受电涌后自动复位. 为确保被护设各上的信号顺利传送,要求器 件还具有较小的寄生电容和较大的电压上升率dvldt 耐量.这样,一方面保证器件反应快速,以适应 像雷电那样持续时间短而高的干扰电压.另一方 面,确保器件不会被有用的脉冲信号因快速的电压 变化率产生的结电容的位移电流所引起的触发作用 而误导通,从而不会影响被护设备的正常工作. 综上所述,给出器件的基本参数如表1 裹1器件的基本参数值 考虑到该器件的短路阴极结构要损失相当的有效面 积(约占一半),因此芯片的双向总面积约需4mi,Tt2 3.2硅单晶 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的选取 器件的高电流容量必然要求器件具有深结和宽 基区的纵向结构. 芯片内pnp晶体管的共基极电流增益.值约 为0.1—0.2.这样,器件的n基区宽度必须和其少 子扩散长度L相当,以保证晶闸管作用正常产 生.Eh于很小,加之采用了短路阴极结构,所 以器件的击穿电压十分接近于p.结的击穿电 压,其值的范围约为l90—250V. 为了确保制成器件后的L值不小于100gin, 首先考虑必须选取少子寿命不低于50gs的硅单 晶,然后满足击穿电压和工艺设计(深结和宽基区 结构)的共同要求这样,电阻率的选取范围也就 被确定了 3.3短路阴极结构的设计 器件参数,B0,IH1di/dt和dv/dt等均同阴 极结构设计密切相关.例如,阴极短路点面积 和密度越大,短路点之问的基区横向电阻就越 小,所以,Bo,,H和dvldt越大;另外,Eh于 阴极有效面积损失越多,dildt越小:阴极的触 发周界越长或触发面积越大,导致大的初始导 通面积,从而使di/dt越大.因此,短路阴极 结构设计的要点就是阴极的触发周界和短路点 的大小及密度. 假设阴极短路圆点呈正方形配置(也可以 矩形配置)如图2所示.这样,正方形中心处 是电流的最终截止点,临近关断时的维持电流就 在此处通过.电流由两部分组成:除了流过该处 的纵向电流之外,还有一部分必须横向通过P基区 流入短路点和从欧姆接触处流出的电流.如果纵向 通态电流部分临近关断时小到可以忽略不计,则横 向通态电流部分接近于此时的维持电流. 如图2所描述,正方形中心处至任一个短路点 的横向压降可近似表示为: SIjc(r)dR=Jjx — p×=×,H 假设p基区的方块电阻a=P,=7000t口, 必须利用脉冲技术测试 3器件的设计考虑 3.1芯片尺寸的选取 芯片尺寸受寄生电容和最大脉冲电流的共同限 制.芯片面积越大,结电容(寄生电容)越大, 承受的脉冲电流越大.以工频脉冲电流为例:如果 按普通晶闸管的1000Mcmz的正常浪涌电流密度为 准,则10A/ls的IrsM值约需lmm2的阴极有效面积 54半导体技术蒂26誊蒂3期 , 麓一 二O0一丰i再 一30.,则流过一个电流的最终截止点的维持电 流为: ,=V =亘0.7-8 —— ×————×lZ 4?84 按照上述粗略的估算,至少需要设置40多个 短路点,以形成30多个电流的最终截止点,才能 确保器件的维持电流,达到150mA以上 另外,从上式不难看出,台适地提高P+扩散 纵向 图2维持电流的分布 布区 区的掺杂浓度(减小口)是有利的,也是必要 的这样,可以适当地减小基区的横向电阻,从 而增大,Bo,,H和dvtdt的数值. 4器件的转折电流和维持电流 转折电流,.是器件从截止态向导通态转换过 程中出现的一种电流.转换的条件为: 1 +21 d和d分别是pnp晶体管和npn晶体管的共基极 电流增益.此时,两管呈正常工作状态. 维持电流是器件从导通态向截止态转换过程 中出现的一种最小的导通电流.此时,转换的条 件仍为: 1 +2=1 但.和是两管呈饱和工作状态时的共基极 电流增益.由于大注入形成的基区自建电场的影 响,电流增益将增加,所以维持电流一般比转折 电流,.要略小一些. (上接第52页) 3结果测试和分析 封装好的管予利用惠普4145B晶体管测试仪, 首先测出室温下的输出特性,见图3可以看出在 小注入下电流增益有较好的线性.说明器件漏电流 很小,器件的饱和特性也很好.然后把器件缓慢放. 入液氮中,待稳定后再扫出它的输出特性,见图4. 此时电流增益最大达到26000,比室温下的电流增 益增大80多倍.此结果说明SiGetSiHBT在液氮 温度下工作具有非常高的电流增益,如果适当设计 基区的掺杂浓度和锗组分以及锗组分的分布,可以 得到不同的低温电流增益值. 4结论 SiGetSiHBT由于SiGe材料作为基区,其材 料的禁带变窄,而且主要是价带上移在低温下 能够很有效地阻挡基区空穴反向注入发射区,使 之更有效地提高发射区的注入效率.从而使电流 增益进一步增加.在器件制作过程中,有效地减 小表面漏电流,提高小电流注入下的室温电流增 益,低温电流增益的增加会更加明显.SiGetSi HBT是一种很好的低温工作的半导体器件. Marc#2o0i 0 E,v 图3室温下的输出特性 2 图4液氪中的输出特性 rrrrrrrr[