[实用新型]多元胞型固体放电管

说明书

本实用新型涉及半导体器件固体放电管。

现有的固体放电管，是用于通信终端、调制解调器、配线架等信息传输设备或系统的瞬时过电压和雷电干扰的防护器件。它具有体积小、响应快、可恢复型击穿、短路型保护、吸收浪涌能力强等优点，正迅速取代广泛使用的气体放电管。

现有技术使用的固体放电管主要采用单元胞型结构，图1、图2是目前国外销售的单元胞型固体放电管的结构示意图，名称为：固体放电管或半导体浪涌保护器。其中图1是单元胞型固体放电管的表面结构示意图，图2是图1的A-A剖面结构示意图。如图所示，该单元胞型固体放电管主要由重掺杂P型杂质扩散区P3、P5，N型杂质扩散区N2、N4，硅衬底中间部分即器件的长基区P1构成，单元胞型固体放电管上下两面分别是上下合金金属接触M1、M2，每一面的边缘分别是上下氧化硅绝缘层O1、O2,T1、T2是上下金属电极，J1、J3是第一次n型扩散形成的pn结，J2、J4是第二次p型扩散形成的pn结。如图1、1所示，其P3、P5、N2、N4区呈长方体形，其中固体放电管的单元胞型结构相当于两个无门极晶闸管在同一基片上反并联，并具有同一长基区(即P1区)的对称结构，这样器件可以不用辨认电极使用。

单元胞型固体放电管的工作原理是：在T1接被保护设备输入端、T2接地情况下，当外界电涌或瞬时干扰正向电压高于J2结的雪崩击穿电压时，有一雪崩电流Ia流过N2P1N4，如图2所示。随着Ia增大，N2P1N4构成的等效晶体管共基极电流放大系数αn增大。当Ia在N2造成的压降超过P3N2结的正偏起始压降时，P3向N2注入空穴，形成电流Ib流过P3N2P1N4区，并引起Ic，P3N2P1等效晶体管的放大系数αp随Ic的增大而变大，当αn+αp=1时，由于器件的基区电导调制效应使器件进入低阻导通状态，Ic迅速增大并均匀流过整个器件，即固体放电管吸收了浪涌电流，从而保护了被保护的设备。另外，当固体放电管处于开通状态，被保护的设备可能会流出一股短路电流，只要固体放电管的维持电流参数大于这一短路电流值，在浪涌过去，浪涌电流下降到维持电流时，αn+αp迅速变小，器件自动关闭，被保护设备恢复正常工作，这一过程是在瞬间(＜1mS)进行的。以上是固体放电管左半部分的工作，如器件反接，则器件右半部分工作原理相同。单元胞型放电管存在如下缺点：

1、单元胞型固体放电管结构中，当放电管发生保护作用时，浪涌电流集中于器件的一边，电流流动产生的热量也集中于一边，使器件发热不均，加上不利于散热，使器件的峰值温度变高且集中，容易造成器件的永久性损坏。换句话说，这种结构限制了固体放电管最大浪涌电流值。

2、雪崩电流流过较宽的P3N2结结面，使P3N2结建立使之导通的正偏起始压降比较难，使器件的转折和开通过程拉长，引起器件开通过程功耗变大，不利于器件可靠性提高和限制了器件吸收浪涌能力进一步提高。

固体放电管的最重要技术指标是要有高的非重复脉冲峰值电流容量，但这不能采用增加器件面积这一通常的方法来解决。因为增加器件面积会明显增大器件电容，导致器件高频损耗增大，器件就不能用于高速信息传输系统的浪涌保护了。

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的缺点，提供一种多元胞型固体放电管，在保持器件总面积不变的情况下，在二维方向上展开多元胞复用，即将原单元胞结构变为多元胞结构，使浪涌电流在X、Y方向趋于均匀，浪涌电流流过器件引起的发热也更加均匀，流过额定浪涌峰值电流脉冲时，器件最高温升降低，或容许器件可流过更大的浪涌电流而不损坏。

本实用新型的多元胞型固体放电管是将圆形单元胞在的X、Y方向展开多元胞复用，构成二维对称的四元胞、九元胞、十六元胞等多元胞结构，每个圆形单元胞的P3区是圆形，N2区环绕P3区，P3区和N2区表面面积大致相等，在P3区周边有对称的四个束流环。

上述结构中，在束流环间空隙的截面，雪崩电流集中在这一部分靠近P3N2结结面流过N2区；在跨切束流环的截面，雪崩电流基本不在这一部分流过N2区。增加束流环有如下作用：1、可使雪崩电流集中于束流环之间的空隙，雪崩电流的集中使P3N2结区更容易、更快地建立其有效偏压，引起P3区空穴注入和电流增长，从而导致负阻效应，器件很快进入全通导状态而流过很大的浪涌电流；2、由于束流环均布于P3区四周，使正向导通起始电流分布均匀，有利于使最后的正向导通电流(浪涌电流)更快均布于整个P3区，对进一步减少通导时间和使通导电流均匀有明显的好处。