半导体放电管的设计考虑

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万方数据
r 1 0 2
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 1000A/cm 2 的正常浪涌电流密度为
Ｍａｒｃｈ ２００１
假设 p 基区的方块电阻 R = ρ / WB =700
Ｍａｒｃｈ ２００１
涌的目的
器件具有高的电流容量和较大的电流 一般说来 雷电干扰的持续时间 53
将起到快速地消失电
上升率 ( d i / d t )
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万方数据
很短 衡量
约几百微秒
为此要求器件具有快速放电 放电电流越大 例如 放电时 10A/
1
值约
器件的 n 基区宽度必须和其少 所以器
Байду номын сангаас
子扩散长度 L P 相当 以保证晶闸管作用正常产生
1
大的维持电流
以便确保器件在经受电涌后自动
很小
加之采用了短路阴极结构
+ -
件的击穿电压 V BR 十分接近于 p n 结的击穿电压 其值的范围约为 190~250V
为了确保制成器件后的 L P 值不小于 100 µ m 考虑必须选取少子寿命不低于 50 µ s 的硅单晶 求 这样 电阻率的选取范围也就被确定了 首先 然后满
的能力 放电能力的优劣以通过的最大脉冲电流来 电流上升率越大 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 1s 器件放电瞬间 值 待电涌消失后 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 器件就能自动恢复到初始的 因此 要求器件具有较 截止状态 复位 为确保被护设备上的信号顺利传送 耐量 面 这样 一方面保证器件反应快速 要求器 以适应 另一方 件还具有较小的寄生电容和较大的电压上升率d v/d t 像雷电那样持续时间短而高的干扰电压 自动复位 100A/1ms
半导体放电管的设计考虑
纪秀明
常州半导体厂
摘要 关键词 半导体放电管 结构 设计 A 文章编号 100 3-353 X(200 1)03 -0053 -03
宋哲浩
蒋季华
江苏 常州 ２ １ ３ ０ ０ １
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 TN 335 文献标识码
中图分类号
度越大 短路点之间的基区横向电阻就越小 所以 损失越多 发面积越大 d t 越大 阴极的触发周界越长或触
导致大的初始导通面积
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 过 如图 2 所示 这样 正方形中心处是电流 除了流过该处的纵向电 的最终截止点 临近关断时的维持电流就在此处通 电流由两部分组成 流之外 还有一部分必须横向通过 p 基区流入短路
１ 概 述
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 伏 推而广之 这类保护器件在诸多必须装置防 雷设施的场合同样可被应用 可使数万伏峰值的电涌消失到不大于 10
的
这样
可以适当地减小基区的横向电阻 I H 和 d v / d t 的数值
从
而增大 I BO
４ 器 件 的 转 折 电 流 和 维 持 电 流
转折电流 I BO 是器件从截止态向导通态转换过 程中出现的一种电流
1 1
转换的条件为 +
2
=1
和
2
分别是 pnp 晶体管和 npn 晶体管的共基极 此时 两管呈正常工作状态 此时 转换的条
足击穿电压和工艺设计 深结和宽基区结构 的共同要
确保器件不会被有用的脉冲信号因快速的电 从而不会影响被护设备的正常工 给出器件的基本参数如表 1
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 作 综上所述 表１ 器件的基本参数值
３．３ 短路阴极结构的设计 器件参数 I BO 结构设计密切相关 I BO I H 和 d v / d t 越大 d i /d t 越小 因此 IH d i/ d t 和 d v/ d t 等均同阴极 例如 另外 阴极短路点面积和密 由于阴极有效面积 从而使 d i /
２ 器 件 的 结 构 和 基 本 参 数
同双向 pn pn 开关的结构相似 的伏安特性曲线也对称 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 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I BO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
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30 о 则流过一个电流的最终截止点的维持电 流为 0 .7 = 4 . 18 mA R 360 700 × × 12 4ð θ 4ð 按照上述粗略的估算 至少需要设置 4 0 多个 ′ =4 IH =4 短路点 另外 以形成 30 多个电流的最终截止点 从上式不难看出 减小 R 才能 确保器件的维持电流 I H 达到 150mA 以上 合适地提高 p + 扩散 是有利的 也是必要 区的掺杂浓度 V
电流增益
维持电流IH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 件仍为
1
+
2
=1
但 响
1
和
2
是两管呈饱和工作状态时的共基极 所以维持电流 I H 一般比转
电流增益
由于大注入形成的基区自建电场的影
电流增益将增加
折电流 I BO 要略小一些
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准 则 10A/1s 的 I TSM 值约需 1mm 2 的阴极有效面积 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 4mm 2
３．２ 硅单晶材料的选取 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 为 0.1~0.2 由于 这样
* 必须利用脉冲技术测试
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
r dr 360 360 ρ V = ∫ IH (r ) d R = ∫ I H r × ρ 2ð rW × θ = 4ð W × θ × IH B B 1
Design considerations of semiconductor arrester
JI Xiu-ming, SONG Zhe-hao, JIANG Ji-hua
( Changzhou Semiconductor Factory , Changzhou 213001, China )
Abstract: The design considerations of a new type over-voltage protection device used program control telephone exchange equipments is introduced. Keywords: semiconductor arrester; construction; design