[发明专利]低电容瞬变电压抑制器

说明书

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。