专利名称：一种半导体抗浪涌保护器件的结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体器件制造领域，特别涉及一种串接在电路中将突然升高的浪涌电压吸收以对其它电路进行保护的半导体浪涌保护器件的结构，该器件串连接在程控交换机上用来对用户接口电路板(SLIC)实施保护的半导体浪涌保护器件。
背景技术：
在现代化电子设备中，经常会有意外的电压瞬变和浪涌电流使整机系统的性能下降，出现误动作甚至损坏。因此，对电压瞬变和浪涌的防护成为提高整机系统可靠性的一个重要组成部分。随着电话通讯网络的发展，如何才能有效防止雷击、交流电源波动或电磁感应而引起的过电压浪涌对通讯设备造成的损坏，一直是该领域技术人员关注的重要问题。 继欧美各国颁布了各自的通讯设备抗雷击浪涌标准后，我国也于1998年颁布了《中华人民共和国通信行业标准电信终端设备防雷击技术要求及实验方法YD/T9931998》。在短短的几十年间，抗浪涌保护器件历经了气体放电管、TVS 二极管、半导体固体放电管和可编程抗浪涌保护器件。《现代电子技术》杂志2005年第9期总第200期公开了一篇题目为“可编程半导体抗浪涌保护器件”，作者张方、苏秋萍的文章。文章介绍了第四代可编程抗浪涌保护器件 P61089的电路结构和工作原理，图1所示为其原理图，图2是其伏安特性图，该文分析了 P61089在程控交换机上对用户线接口电路(SLIC)板的保护原理，结果表明P61089是双路双向半导体抗浪涌保护器件，也是基于PNPN结构和原理，在前三代半导体抗浪涌保护器件的基础上性能大为提高，同时，它又增加了对正向浪涌起箝位作用的正向保护二极管和起控制作用的门控三极管，从而可对保护电压进行硬件编程，编辑范围对地为-10V -75V，目前P61089几乎被所有的程控交换机用来对SLIC板进行保护。但是，随着通信系统高压传输要求的发展，对保护器件可编程电压范围进一步拓宽，在器件的平面及纵向结构设计方面提出了更高的要求，以满足通信系统对高工作电压的需求。
发明内容本实用新型为适应可编程电压范围进一步拓宽，在器件的平面及纵向结构设计方面提出了更高的要求，以满足通信系统对高工作电压的需求而提供一种半导体抗浪涌保护器件的结构。本实用新型的技术方案是一种半导体抗浪涌保护器件的结构，包括基片，在所述的基片上一对角线上设置晶闸管区，另一对角线上设置二极管区，中间设置三极管区；所述的晶闸管区包括所述的基片上从上到下掺杂形成晶闸管N+扩散区、晶闸管P 扩散区、未掺杂的晶闸管N区、最下面是掺杂的晶闸管背面P+区；所述的二极管区在所述的基片上面掺杂形成二极管P+区，基片下面掺杂形成的二极管N+区；所述的三极管区从上到下掺杂形成的三极管N+发射区、三极管P区和三极管N+区；
在所述的晶闸管区、二极管区和三极管区的下侧设 置有背面金属层，在所述的晶闸管区、二极管区的上面设置有正面金属层，在所述的三极管区上面设置有场板，所述的场板的边缘大于所述的三极管区的三极管N+发射区，在所述的晶闸管区、二极管区和三极管区的上面，晶闸管区、二极管区和三极管区之间填充绝缘介质层。进一步的，上述的一种半导体抗浪涌保护器件的结构中所述的晶闸管区正面金属层下掺杂成N+扩散区部分留有一组短路孔，所述的晶闸管N+扩散层下方的晶闸管P扩散层通过短路孔向上延伸至正面金属层。本实用新型原理和效果为了扩展该器件的可编程电压范围，使之由原来的-10疒-75V扩展为-10疒-170V，就要求NPN三极管的EB结的反向击穿电压大于170V，同时将其共基极电流放大倍数控制在适当的范围。这也是该器件设计和工艺过程中的难点之一。为了达到上述目的，本使用新型采取了以下两项改进措施第一，在平面结构上，采用了场板技术，正面的三极管发射区的场板边缘大于N+ 发射区，实现了对N+发射区覆盖。当外加反向电压时，PN结下方的空间电荷区的曲率半径增大，反向击穿电压随之提高；第二，在纵向结构上，正面的三极管发射区从上而下依次设有N+层、N-层、P-层、 基片自身的N-型掺杂层、背面N+层，构成了三极管的发射区、基区以及集电区。这样，既保证了 NPN三极管的共基极电流放大倍数控制在适当的范围，又优化了发射结的形貌，提高了 EB结的反向击穿电压。应用本实用新型，可将器件的可编程电压范围扩展为-10疒-170V。。
以下结合附图和具体实施方式
对本发明进行较为详细的说明。
附图1为现有可编程抗浪涌保护器件P61089的电路结构；附图2为可编程抗浪涌保护器件P61089的电特性曲线；附图3为本实用新型的俯视平面图；附图4为图3的B-B剖面图；附图5为图3的C-C剖面图；附图6为本实用新型保护单元对正向浪涌保护的原理图；附图7为本实用新型保护单元对负向浪涌保护的原理图；附图8为本实用新型器件管脚功能图；附图9为本实用新型器件外形图；附图10为本实用新型器件应用示例图；图中广8、引脚；9、基片；10、二极管区；11、晶闸管区；12、三极管区；13、短路孔；
14、晶闸管P扩散区；15、晶闸管背面P+区；16、三极管N+区；17、二极管N+区；18、背面金属层；19、正面金属层；20、绝缘介质层；21、三极管N+发射区；22、场板；23、三极管P区。
具体实施方式
实施例1，如图3、图4和图5所示，本实施例是一种半导体抗浪涌保护器件，设置在程控交换机上用来对用户接口电路板(SLIC)上，其外形如图9所示，功能引脚如图8所示，在电路中连接如图7和图6所示，脚1和脚4、5、8分别这接入点，2、3、6、7脚分别是地脚和空脚。如图8、9所示，该保护器件的封装体内部由两个保护单元组成，每个保护单元均由一个PN结二极管、一个PNPN型晶闸管和一个NPN型三极管组成，其中，二极管的阳极与晶闸管的阴极相连并共同作为保护单元的K端口，二极管的阴极与晶闸管的阳极以及三极管的集电极相连并共同作为保护单元的A端口，三极管的发射极与控制极相连，三极管的基极作为保护单元的G端口。如图3、图4和图5所示，本实施例的产品包括基片9，在基片9上一对角线上设置晶闸管区11，另一对角线上设置二极管区10，中间设置三极管区12正面如图3所示。如图4和图5所示，在晶闸管区11从上到下掺杂形成晶闸管N+扩散区、晶闸管P 扩散区14、未掺杂的晶闸管N区、最下面是掺杂的晶闸管背面的晶闸管P+区15 ；二极管区10在所述的基片9上面掺杂成二极管P+区，基片9下面掺杂的二极管 N+ 区 17 ；三极管区12从上到下掺杂成N+扩散区、三极管P区21和三极管N+区16。在晶闸管区11、二极管区10和三极管区12的下侧设置有背面金属层18，在晶闸管区11、二极管区10的上面设置有正面金属层19，在三极管区12上面设置有场板22，场板22的边缘大于三极管区12的三极管N+发射区21，在晶闸管区11、二极管区10和三极管区12的正面， 晶闸管区11、二极管区10和三极管区12之间填充绝缘介质层20。另外，在晶闸管区11正面金属层19下掺杂成N+扩散区部分留有一组短路孔13，晶闸管N+扩散层下方的晶闸管P 扩散层14通过短路孔13向上延伸至正面金属层19，这里短路孔13的顶部均与晶闸管N+ 扩散层上方所设的正面金属层19相连，N+扩散层下方的P+扩散层14通过短路孔13向上延伸至正面金属层19。如图3所示为本实用新型保护单元俯视平面图，从图中可以看出以一块N型半导体衬底作为基片9，在俯视平面上，具有6个区域，个每个保护单元对应一个半导体有源区域，每个有源区域由一个二极管区域10、一个晶闸管区域11和一个三极管区域12组成。图4左边部分为晶闸管区3中B-B的剖面图，从图中可以看出，在横截面上基片9 正面的晶闸管区11从上向下依次设有N+扩散层和P+扩散层14。基片9背面的晶闸管区从下向上设有晶闸管背面P+区15，晶闸管区11的晶闸管P扩散层14与P+扩散层15之间为基片9自身的N型轻掺杂层，以此在晶闸管区11自下而上构成PNPN晶闸管。晶闸管的 N+扩散层中，间隔设置一组短路孔13，每个短路孔的顶部均与N+扩散层上方所设的金属层 19相连，N+扩散层下方的晶闸管P扩散层14通过短路孔13向上延伸至正面金属层19。基片9背面设有背面金属层18，背面金属层18与P+扩散层15接触。图4右边部分为二极管区10的剖面图，从图中可以看出，在横截面上基片9正面的二极管区10从上向下设有P+扩散层。基片9背面的二极管区从下向上设有二极管N+ 扩散层17，二极管区10的P+扩散层与二极管N+扩散层17之间为基片9自身的N型轻掺杂层，以此二极管区10在自下而上构成二极管。图5右为NPN型三极管区12的剖面图，从图中可以看出，在横截面上上述基片9正面的三极管发射区12从上而下依次设有N+层、N-层、P-层、基片9自身的N-型掺杂层、背面N+层16，以此在三极管区12自上而下构成了 NPN型三极管。在俯视平面上，上述基片9正面的三极管发射区12的金属层22边缘大于N+发射区12，实现了对N+发射区12覆盖， 从而构成场板结构。本实施例的保护单元的A端口从背面金属层18引出，K端口由正面金属层19引出。G端口从正面金属层19引出。
本实施例保护器件的结构的封装体内部具有两个保护单元，这两个保护单元可以制作在同一块N型半导体衬底上，也可以分别制作在一块N型半导体衬底上。图10为本实施例器件应用示例图，从图中可以看出，本实施例器件具有两个保护单元，用于程控交换机对用户线接口电路(SLIC)板实现保护。应用中的连接关系可参见图 8和图10得出。图6为本实施例器件对正向浪涌保护的原理图，如图所示，当一条线路上发生正向浪涌时，正向二极管迅速导通，泄放浪涌能量到地，使得浪涌冲击无法进入用户线接口电路(SLIC)板，从而保护了用户线接口电路(SLIC)板上的元器件。图7为本实施例器件对负向浪涌保护的原理图，如图所示，当一条线路上发生负向浪涌时，门控端三极管迅速导通，并注入电流到晶闸管，从而引起电流的正反馈，使晶闸管进入闩锁导通，泄放浪涌能量到地，使得浪涌冲击无法进入用户线接口电路(SLIC)板，从而保护了用户线接口电路(SLIC)板上的元器件。为了保证长距离传输(比如广大农村电话的普及)，需要提高SLIC板工作电源，"48V会提高到-75V或-170V，也就是对该器件的保护电压进行硬件编程。目前对可编程半导体抗浪涌保护器件的结构需要编程的输入电压的范围要求更为广泛，本实用新型提供了拓宽器件可编程输入电压的范围有效措施，并且响应速度快、耐流能力强，寿命长。实施例二 一种具有场板结构及发射区两次掺杂的可编程半导体抗浪涌保护器件。该保护器件与实施例一的不同之处在于器件的封装体内部只有一个保护单元。 该保护单元的机构和内容与实施例一相同，不再赘述。实施例三一种具有场板结构及发射区两次掺杂的可编程半导体抗浪涌保护器件。该保护器件与实施例一的不同之处在于器件的封装体内部有四个保护单元。该保护单元的机构和内容与实施例一相同，不再赘述。本实施例具有四个保护单元的器件是两对双路双向半导体抗浪涌保护器件。上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。 凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都涵盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种半导体抗浪涌保护器件的结构，包括基片(9)，其特征在于在所述的基片(9) 上一对角线上设置晶闸管区(11)，另一对角线上设置二极管区(10)，中间设置三极管区 (12)；所述的晶闸管区(11)包括所述的基片(9)上从上到下掺杂形成晶闸管N+扩散区、晶闸管P扩散区(14)、未掺杂的晶闸管N区、最下面是掺杂的晶闸管背面P+区(15)；所述的二极管区(10)在所述的基片(9)上面掺杂形成二极管P+区，基片(9)下面掺杂形成的二极管N+区(17);所述的三极管区(12)从上到下掺杂形成的三极管N+发射区(21)、三极管P区(23)和三极管N+区(16)；在所述的晶闸管区(11)、二极管区(10)和三极管区(12)的下侧设置有背面金属层 (18)，在所述的晶闸管区(11)、二极管区(10)的上面设置有正面金属层(19)，在所述的三极管区(12)上面设置有场板(22)，所述的场板(22)的边缘大于所述的三极管区(12)的三极管N+发射区，在所述的晶闸管区(11)、二极管区(10)和三极管区(12)的上面，晶闸管区 (11)、二极管区(10)和三极管区(12)之间填充绝缘介质层(20)。
2.根据权利要求1所述的一种半导体抗浪涌保护器件的结构，其特征在于所述的晶闸管区(11)正面金属层(19)下掺杂成N+扩散区部分留有一组短路孔(13)，所述的晶闸管 N+扩散层下方的晶闸管P扩散层(14)通过短路孔(13)向上延伸至正面金属层(19)。
专利摘要本实用新型公开了一种半导体抗浪涌保护器件的结构，由两个或四个保护单元组成，每个保护单元均由一个PN结二极管、一个PNPN型晶闸管和一个NPN三极管连接构成，在N型半导体衬底基片正面的NPN三极管发射区采用了场板结构；其发射区自上而下采用了N+及N-两次掺杂。本实用新型可应用于程控交换机上对用户线接口电路(SLIC)板实现保护，以上改进可以有效控制NPN三极管的共基极电流放大倍数，提高EB结的反向击穿电压，从而提高器件的保护工作电压，使其达到170V以上。
文档编号H01L29/73GK202067791SQ20112008916
公开日2011年12月7日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者李建利 申请人:百圳君耀电子(深圳)有限公司