МНОГОКАНАЛЬНЫЙ МАТРИЧНЫЙ СТАБИЛИТРОН С МАЛЫМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ ДРЕЙФОМ Российский патент 2025 года по МПК H10D89/00 H01L25/65 

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при изготовлении устройств защиты от статического электричества (Electrostatic Discharge Protection, ESD) интерфейсных микросхем, контроллеров, процессоров и от импульсов помех, попадающих на вход порта при подключении к разъемам периферийных устройств.

Известен полупроводниковый стабилитрон [1] на основе р-n -перехода при обратном смещении в режиме пробоя (фиг. 1), состоящий из кремниевой пластины 1 (подложка) проводимости n-типа, области 2, 3 проводимости р-типа и контактов 4,5 и 6.

Существенным недостатком аналога является зависимость температурного коэффициента напряжения (ТКН) от начального значения напряжения пробоя, определяемого концентрацией донорных и акцепторных примесей областей р-n - перехода полупроводниковой структуры. Так, при начальных значениях напряжения пробоя U_CT ≈ 5,6 В ТКН близок к нулю, при Uct<5,6 В - отрицательный, а при Uct>5,6 В -положительный, что видно из зависимостей ТКН стабилитронов от напряжения стабилизации и тока стабилизации (фиг. 2) [2]. В результате, чем выше начальное значение напряжения пробоя, тем больше ТКН и, соответственно, при разогреве полупроводниковой структуры напряжение пробоя будет увеличиваться.

Изменение напряжения пробоя под воздействием температуры окружающей среды существенно ухудшает основные технические характеристики стабилитронов, предназначенные для формирования опорных напряжений в различных устройствах радиоэлектроники, например, в блоках питания, аналого-цифровых преобразователях, в ограничителях напряжения и иных защитных устройствах.

Назначением защитных устройств является ограничение повышения напряжения на сигнальных шинах и шинах питания относительно номинального значения, возникшего прежде всего за счет импульсных помех (коммутационных, электромагнитных, электростатических). При воздействии повышенного напряжения происходит разогрев полупроводникового стабилитрона и напряжение ограничения повышается, при этом ухудшается его основная функция. Кроме того, современные высокоскоростные линии передачи данных становятся все более чувствительными к повреждениям или защелкиванию от обычных электростатических разрядов. Поэтому обеспечение их надежной защиты имеет решающее значение [3].

На фиг. 3 показано поперечное сечение подповерхностного или так называемого «скрытого стабилитрона» [4], где 1 - монокристаллическая пластина с низкой концентрацией акцептов (р^- - типа проводимости), 2 -скрытый слой n⁺- типа проводимости, 3 - эпитаксиальный коллекторный слой n^- - типа проводимости, 4 - область n⁺- типа заглубленного р-n перехода с высокой концентрацией, 5 - область р⁺- типа заглубленного р-n перехода с высокой концентрацией, 6 - разделительная область р⁺-типа проводимости, 7 - область р^- - типа заглубленного р-n перехода с низкой концентрацией. В таком стабилитроне не происходит отказа, так как он представляет собой устройство, подобное поверхностному стабилитрону с зоной лавины, расположенной глубже в структуре, обычно на несколько микрометров ниже оксида. Затем горячие носители теряют энергию из-за столкновений с решеткой полупроводника, прежде чем достигнут оксидного слоя, и не могут быть там захвачены. Таким образом, «скрытые стабилитроны» имеют постоянное напряжение в течение всего срока службы. Большинство из них имеют напряжение пробоя 5-7 вольт.

Другим недостатком полупроводниковых структур, предназначенных для защиты от перенапряжений, выполненных на полупроводниковых стабилитронах [1, 2, 3], является ограниченная функциональность из-за возможности защиты от превышений напряжения только на одной шине.

Техническим результатом предлагаемого многоканального матричного стабилитрона с малым температурным дрейфом является исключение роста напряжения стабилизации при нагреве стабилитрона во время пробоя и расширения его функциональных возможностей.

Известно устройство защиты - матрица TVS-диодов (компания Semtech) серии RClam02522P от электростатического разряда для высокоскоростных линий передачи данных [5], отвечающая следующим требованиям стандарта [6]:

- электростатические разряды: ±15 кВ (разряд через воздушный промежуток),±8 кВ (контактный разряд);

- грозовой разряд: 5 А (8/20 мкс).

Диоды в RClampTM0522P имеют емкость между выводами 0,3 пФ, что позволяет их использовать в цепях с частотами свыше 3 ГГц без ослабления сигнала. Такие характеристики защитного прибора достигнуты благодаря технологии компании Semtech - процессу производства диодов с проколом базы. Устройство TVS-защиты выполнено в миниатюрном корпусе SLP размером 2.6×2.6×0.6 мм с низкой индуктивностью центрального заземляющего вывода. Информация об этих технологиях в свободном доступе отсутствует. Известно только, что они являются однокристальными приборами, в основе конструкции которых - кремниевые p-n-структуры, работающие на эффекте обратимого электрического пробоя при воздействии импульсного перенапряжения на обратно смещенный p-n-переход и предназначены для защиты радиоэлектронной аппаратуры с напряжениями питания более 5 В. Известна структурная схема устройств TVS-защиты серий RClam02522P для защиты двух (фиг. 4) каналов.

Наиболее близким по достигаемой цели, т.е. расширение функциональных возможностей защитных устройств и получение низких уровней напряжения пробоя (≈ 6,0 В) являются устройство TVS-защиты серии RClam02522P [5], изготовленное на основе конструкций кремниевых p-n-структур, аналогом которых является полупроводниковый стабилитрон [1].

Недостатком прототипа [5], выполненного по технологии аналога [1] является принципиальная невозможность создания полупроводниковой структуры одновременно с большим напряжением пробоя и маленьким температурным коэффициентом по напряжению. Возможность набора нужного напряжения стабилизации коммутацией, а не способом изготовления структуры стабилитрона расширяет спектр его использования. Малый температурный дрейф ограничителей напряжения имеет существенное значение с точки зрения эффективности защиты электронного оборудования от импульсных электрических перегрузок [7].

Целью изобретения является формирование многоканального матричного стабилитрона с размещенными на одной подложке нескольких структур стабилитронов, диодов и контактных площадок с использованием системы коммутации внутренних полупроводниковых элементов при формировании устройства защиты с меньшим температурным дрейфом и расширенными функциональными возможностями.

Поставленная цель достигается тем, что в структуру прототипа (фиг. 4) содержащего общую шину (земля), подключенную к выводу 2, четырех входных выводов 1, 3, 4, 6, стабилитрон и две пары последовательно включенных в одном направлении интегральных диодов, подключенные катодами к выводу питания 5, а анодами к выводу 2, линия соединения одной пары диодов подключена к выводам 3, 4, а другой пары - к выводам 1, 6, введены (фиг. 5) последовательно и/или параллельно как минимум еще одна или несколько структур стабилитронов 7, 8, расположенные в одной кремниевой подложке n- типа проводимости 1 с интегральными диодами 9, причем каждая структура стабилитрона состоит из области р-типа проводимости 3, в которой расположены область с высокой степенью легирования n-типа проводимости 10, область с высокой степенью легирования р-типа проводимости 2, область контактирования р-типа проводимости 15 и область контактирования n-типа проводимости 16, также в 1 расположены антипаразитные области n-типа проводимости 13, а над 1 расположен диэлектрический слой 14 со вскрытыми под контакты областями, через которые обеспечивается соединение областей контактирования 15,16 с металлическими контактами 17, которые подключены к системе коммутации соединений интегральных стабилитронов 18.

Отличительным признаком многоканального матричного стабилитрона с малым температурным дрейфом, является протекание тока через прямосмещенный диод и цепочку стабилитронов при повышении уровня входного сигнала хотя бы на одной входной контактной площадке, который шунтирует этот сигнал на соответствующей линии связи. Напряжение пробоя цепочки стабилитронов определяется системой коммутации и напряжением пробоя структур стабилитронов. На фиг. 6 а-в приведены примеры систем коммутации, обеспечивающих напряжения пробоя ≈6В, ≈18 В, ≈18В, ≈24 В и т.д.

Проверка предлагаемого многоканального матричного стабилитрона с малым температурным дрейфом была выполнена при разработке и организации производства многоканальных ограничителей напряжения с напряжениями пробоя ≈6 В, ≈12 В, ≈24 В и пиковом импульсном токе до 20А (импульс 8/20 мкс) [8] при возникновении в линии передачи данных высоковольтного импульса (фиг. 7), где первый сигнал СН 1 является высоковольтным импульсом в линии, а СН 2 - тот же импульс при срабатывании защиты.

ПОДПИСИ К РИСУНКАМ

Фиг. 1 - Полупроводниковый стабилитрон на основе р-n - перехода при обратном смещении в режиме пробоя:

1 - кремниевая пластина (подложка) проводимости n-типа, 2, 3 - области проводимости р-типа, 4, 5 и 6 - контакты.

Фиг. 2 - Зависимость ТКН стабилитронов от напряжения стабилизации и тока стабилизации

Фиг. 3 - Подповерхностный стабилитрон:

1 - монокристаллическая пластина с низкой концентрацией акцептов (р^- - тип проводимости), 2 - скрытый слой n⁺- типа проводимости, 3 - эпитаксиальный коллекторный слой n^- - типа проводимости, 4 - область п⁺- типа заглубленного р-n перехода с высокой концентрацией, 5 - область р⁺- типа заглубленного р-n перехода с высокой концентрацией, 6 - разделительная область р⁺- типа проводимости, 7 - область р^- - типа заглубленного р-n перехода с низкой концентрацией.

Фиг. 4 - структура устройств TVS-защиты серий RClam02522P, RClam02524P для защиты двух (фиг. 4 а) или четырех (фиг. 4 б) каналов-прототип.

Фиг. 5 - Многоканальный матричный стабилитрон с малым температурным дрейфом:

1 - кремниевая подложка n-типа проводимости, 2 - область с высокой степенью легирования р-типа проводимости, 3 - область р-типа проводимости, 7 - первая структура стабилитронов, 8 - еще одна структура стабилитронов, 9 - структуры интегральных диодов, 10 - область с высокой степенью легирования n-типа проводимости, 13 - антипаразитные области n-типа проводимости, 14 - диэлектрический слой со вскрытыми под контакты областями, 15 - область контактирования р-типа проводимости, 16 - область контактирования n-типа проводимости, 17 - металлические контакты, 18 - система коммутации соединений интегральных стабилитронов.

Фиг. 6 - Примеры соединения интегральных стабилитронов с помощью схемы коммутации, обеспечивающей напряжение пробоя ≈6 В, ≈12 В, ≈24 В.

Фиг. 7 - временная диаграмма работы макета многоканального матричного стабилитрона.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Сонин, М.С. Полупроводниковый стабилитрон [Текст] / М.С. Сонин // Патент РФ № 546046 А1, 1977.

2. Артемьев, Б.В. Источники электропитания в приборостроении: учебное пособ. Б.В. Артемьев, В.Г. Костиков, В.А. Шахнов-М.: Изд. МГТУ им. Баумана, 2023. - 397.

3. Слабухин, А. Защита систем передачи данных от переходных процессов [Текст] / А. Слабухин // Компоненты и технологии. 2005. №4, С. 130-132.

4. LTC and LT are registered trademarks of Linear Technology Corporation. Understanding and Applying Voltage References, 1999 y. 1-12 p.

5. Data Sheet. Ultra Low Capacitance TVS Arrays. RClamp0522P, RClamp0524P, Semtech Corporation, 2008 y. 1-13 p.

6. ГОСТ IEC 61000-4-4-2016. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-4. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к электрическим быстрым переходным процессам (пачкам). - М.: Стандартинформ, 2017. - 35 с.

7. Скорняков, С. Кремниевые ограничители напряжения - эффективные элементы защиты радиоэлектронных устройств по напряжению [Текст] / С. Скорняков, В. Павлов, А. Рахматов // Компоненты и технологии. 2008. № 3, С. 70-74.

8. Создание семейства полупроводниковых, фотоэлектронных приборов и интерфейсных микросхем с выпуском на отечественной фабрике [Текст]: отчет по комплексному проекту (промежут.): АО «НЗПП ВОСТОК», рук. Глухов А.В.; исполн.: Платонова Д.С. [и др.]. - Новосибирск., 2023. - С. 26-42. - № госрегистрации 122102800001-9.

- Инв. № 663.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. Многоканальный матричный стабилитрон с малым температурным дрейфом, содержащий общую шину - земля, четыре входных вывода, стабилитрон и две пары последовательно включенных в одном направлении интегральных диодов, подключенных катодами к выводу питания, а анодами - к земле, линия соединения одной пары диодов выведена на два соединенных вывода, а другой пары - к другим выводам. При этом структура матричного стабилитрона выполнена в кремниевой подложке n-типа проводимости и состоит из области р-типа проводимости, в которой расположены область с высокой степенью легирования n-типа проводимости, область с высокой степенью легирования р-типа проводимости, область контактирования р-типа проводимости и область контактирования n-типа проводимости, также в кремниевой подложке расположены антипаразитные области n-типа проводимости, дополнительно к первой структуре стабилитрона выполнены как минимум еще одна или несколько структур стабилитронов, последовательно и/или параллельно расположенных в одной кремниевой подложке n-типа проводимости с интегральными диодами, а на поверхности кремниевой пластины расположен диэлектрический слой со вскрытыми под контакты областями, через которые обеспечивается соединение областей контактирования с металлическими контактами, которые подключены к системе коммутации соединений интегральных стабилитронов. Техническим результатом изобретения является исключение роста напряжения стабилизации при нагреве стабилитрона во время пробоя и расширение его функциональных возможностей. 7 ил.

Многоканальный матричный стабилитрон с малым температурным дрейфом, содержащий общую шину - земля, четыре входных вывода, стабилитрон и две пары последовательно включенных в одном направлении интегральных диодов, подключенных катодами к выводу питания, а анодами - к земле, линия соединения одной пары диодов выведена на два соединенных вывода, а другой пары - к другим выводам, отличающийся тем, что структура матричного стабилитрона выполнена в кремниевой подложке n-типа проводимости и состоит из области р-типа проводимости, в которой расположены область с высокой степенью легирования n-типа проводимости, область с высокой степенью легирования р-типа проводимости, область контактирования р-типа проводимости и область контактирования n-типа проводимости, также в кремниевой подложке расположены антипаразитные области n-типа проводимости, дополнительно к первой структуре стабилитрона выполнены как минимум еще одна или несколько структур стабилитронов, последовательно и/или параллельно расположенных в одной кремниевой подложке n-типа проводимости с интегральными диодами, а на поверхности кремниевой пластины расположен диэлектрический слой со вскрытыми под контакты областями, через которые обеспечивается соединение областей контактирования с металлическими контактами, которые подключены к системе коммутации соединений интегральных стабилитронов.