用于光电子器件的故障保护器及相关方法

专利名称：用于光电子器件的故障保护器及相关方法
技术领域：
本发明涉及保护光电子器件免受电感应损坏，例如由静电放电和功率浪涌引起的 损坏，该功率浪涌能够在功率升高和功率下降时序期间出现。
背景技术：
包含发光二极管(LED)、激光二极管等的光电子器件，是每天生活中不断增加的部 分。确实，当人们经历他们生活的一天的过程时，他们会碰到或许数百甚至数千个LED和激
光二极管。使用LED的老生常谈的例子，包含报警时钟显示器、消费者电子器件的简单显示 器、大规模TV类显示器和甚至街道交叉路口的交通信号灯。使用激光二极管的例子，包含 超市条码扫描器、激光指针、结构对准器件和警用交通雷达。大多数光电子器件如果超过它们的标称电压或电流参数，能够容易被损坏。事实 上，含有光电子器件的产品常常似乎没有明显诱因便神秘地失效。这些器件失效模式的周 密深入考察，已经揭示在功率升高/下降时序期间的功率浪涌和静电放电(ESD)事件，是光 电子器件失效的两个主要原因。当在产品上的电源被接通或断开时，内部电路能够在它们的规定内部电源范 围以外工作一段短暂的时间段。作为一个例子，激光二极管驱动器中使用的轨对轨 (rail-to-rail)运算放大器，可以被规定工作在从2. 7到5. 5伏的电源范围。但生产商对 该运算放大器在0到2. 7伏的电源电压之间将如何动作不作保证或表述。正因如此，电流 或电压调节电路可以在功率升高和功率下降期间失去平衡，并常常把过电流或过电压状况 加到集成在产品内的光电子器件上。这些过电流或过电压状况可以使该光电子器件受力， 以致每次功率升高和功率下降循环以器件疲劳形式积累。最后，该光电子器件可以因疲劳 而失效，导致用户经历的所谓神秘的失效。静电放电(ESD)也可以导致神秘的器件失效，而ESD有许多方式可以与产品接触。 最常见的生成ESD方式之一是当人在铺地毯的楼板上走过，然后与某些东西接触时出现。 放电能够出现在任何被接触的物体上，范围从对ESD不敏感的物体，诸如门把手，到对ESD 非常敏感的物体，诸如电子产品。研究已经表明，当ESD放电出现时，放电电压能够分布在4000直到高达32，000伏 DC之间的任何值，取决于周围环境的状况，所穿的衣服，地板表面种类和其他因素。当被设 计成以2. 2伏端子电压工作的光电子器件经历数千伏ESD放电时，结果能够是毁灭性的。激光二极管通常作为两种不同损坏机理的结果而失效。损坏机理之一与光学有 关，并当激光二极管正在产生光(称为“激射”)，且光学能量密度超过激光二极管的完整反 射镜的反射能力时出现。当这种情况出现时，被作成反射镜的表面永远失去它的反射性，而 该激光二极管不再适当地起作用。这种情况可以被想象为激光变得这样强，以致它使反射 镜表面汽化。第二种损坏机理与激光二极管的PN结本身的失效有关。严重的过电流或过 电压的功率浪涌能够引起局部受热和其他有害现象，这在极端状况下，能够实际上使激光二极管芯片碎裂。显然，当这种情况发生时，激光二极管不再起作用。这些损坏机理两者能 够被过电压或过电流状况诱发。低功率的激光二极管，即，光输出功率在约200mW以下的激光二极管，对ESD特别 敏感。这是因为它们被设计成固有地快速器件。实际上，低功率激光二极管常常被直接调 制并用于有千兆赫数据速率范围的光纤通信。因此，激光二极管的PN结和光学元件对电 压或电流的变化能够非常迅速地反应。这样，为了有效，ESD保护器件和方法最好是通过把 防止过电压或过电流状态的发生放在第一位，不是通过在它一旦已经出现时才对它作出反 应，作为提前的主动措施被实施。图1示出典型低功率激光二极管的电流对电压的分布图。从图可见，该分布图类 似于其他类型的二极管和半导体器件的分布图。从零伏开始，在电压上施加增量的正增加 (即，那些趋向于使激光二极管正向偏置的电压)，有非常小的电流流量，直至到达约1.8 伏。更多的增量的正增加从约1.8伏起使电流的流量按粗略的指数率增加。然而，该激光 二极管没有发射激光，直至电流超过“激射阈值”，就这里所指的激光二极管，该“激射阈值” 出现在约30毫安及约2. 2伏上。对电压上进一步的增量的正增加，电流流量继续增加，同时该激光二极管发射的 光功率按粗略地与电流成比例的速率增加。一旦达到某一特定激光二极管的最大设计电流 (对本激光二极管，该最大设计电流约35毫安和2. 4伏)，电流的进一步增加将很可能产生 由上述损坏机理之一或两者引起的失效。因此，重要的是，对特定的二极管，要完全防止电 压从而防止电流的增加超出绝对最大额定值。在大多数情形下，如果该绝对最大额定值被 超过，那怕是一段短暂的时间段，低功率激光二极管将被破坏。本文中术语“正的ESD”被用于指其电压极性倾向于使激光二极管正向偏置的 ESD，而“负的ESD”指其电压极性倾向于使激光二极管反向偏置的ESD。在此指出，图1只示出正电压，就是说，使激光二极管正向偏置的电压的电流对电 压的分布图。激光二极管制造商建议，要避免负的的电压，就是说，倾向于使激光二极管反 向偏置的电压。示例性激光二极管的数据单列出2伏的绝对最大反向电压。为了保护该激光二极管不被ESD损坏，该保护装置应限制正电压在约2. 4伏和负 电压在约2. 0伏或更小。遍及本讨论的剩余部分这些电压都被用作参考。为了评价ESD保护方案的效率，采用有助于示出和理解ESD事件期间所经历的电 压及电流电平的电路模型是有用的。有诸多所谓“人体模型”用于ESD的评价，而有用的一 个被示于图2，其中表明150皮法的电容器被充电到预定的电压，该电容器与330欧姆的电 阻器串联，后者再被连接到待测试中的器件(DUT)。该模型也可以是IEC 61000-4-2标准所 使用人体模型。如上所述，ESD事件的电压电平范围从约4000到约32，000伏DC。然而，为 模拟ESD事件的目的，常用的代表电压是15，000伏。考察该人体模型，该电容器被充电达15，000伏，用人体模型的330欧姆的串联电 阻器通过激光二极管放电，能够看到，该激光二极管在放电期间将经历超过45安培的电 流。简单的R/C分析表明，这一放电发生在非常短暂的时间段上，不大于数十纳秒。已经观 察到真实世界的ESD事件是在1到2纳秒范围内。因此，为了有效，ESD保护装置必须在纳 秒范围内作出反应，而且还有在从约20MHz到IGHz范围的有效频率带宽。使用图2所示的人体模型作为指导，能够看到，如果ESD保护方案作为无源装置被实施，并与激光二极管并联放置，那么它必须有小于44毫欧姆的有效阻抗，以便保护其 绝对最大反向偏置电压为2.0伏并且其正向偏置极限相同的激光二极管。数学计算是 (15，000伏/(330欧姆+44毫欧姆))X44毫欧姆=1. 99伏。在本领域当前的状态内，有诸多ESD保护装置被用于保护激光二极管的目的，并 为了把该保护装置定位到靠近该激光二极管，这些保护装置常常被嵌入在可以被定位在远 离激光二极管驱动器电路的“头部”内。图3示出熟知的被用于保护激光二极管的ESD保护装置之一。在该方案中，该头 部内的电阻器被直接跨接在激光二极管端子之间，并通常有大致100欧姆的电阻。使用图1的人体模型作为指导，容易看到，该保护装置不是有效的。如在上面所讨 论的，对15，000伏的ESD事件，电阻必需小于44毫欧姆，以便防止激光二极管电压超过2. 0 伏的最大反向偏置电压和超过类似的正向偏置电压。如果使用100欧姆的电阻器，它将允 许(15，000伏/(330欧姆+100欧姆))X 100欧姆=3488伏的浪涌进入该激光二极管。因 为该电压远远超过典型的2. 2伏激射阈值或2. 0伏最大反向偏置电压，这样几乎肯定毁坏 该激光二极管。虽然似乎该100欧姆电阻器可以简单地用44毫欧姆电阻器代替，但这是不 切实际的，因为这意味着在工作期间，远比该激光二极管本身消耗的功率大得多的功率被 消耗在该保护电阻器的工作上。图4示出当前正在使用的类似的方案，但其中用电容器取代电阻器这一点除外。 在该应用中，典型的电容器值的范围从数百纳法到数微法。乍一看，1微法的电容器似乎足 以限制15，000伏的ESD事件超过2. 0伏的最大反向偏置电压和类似的正向偏置极限。然 而，在实际生活中，还没有已知存在的具有纯粹电容性特征的电容器。所有已知的真实世界的电气部件都有寄生的性质。小的电容器能够用与串联了寄 生电感的寄生电阻串联的标称电容来模拟。正如所讨论的，ESD事件发生在数纳秒直到数 十纳秒的范围内；因此，与之相当的频域是约20MHz到1GHz。因此，为了有效地保护激光二 极管，电容器的阻抗必需在约20MHz到IGHz之间小于44毫欧姆。普通的1微法电解电容 器有等效串联电阻1欧姆和等效串联电感约15纳亨。该组合清楚地给出大于44毫欧姆的 阻抗。虽然最好的1微法钽电容器有接近50毫欧姆的等效串联电阻，但它们的等效串联电 感常常至少1纳亨，这样在IGHz上给出超过6欧姆的阻抗。是否实际存在在所考虑频率范 围内的其阻抗为44毫欧姆的电容器尚不清楚。然而，即便使用有效地保护激光二极管以防 ESD的完美电容器，但这样的电容也使激光二极管的直接调制格外困难，尤其是在高调制频 率上。因此，该简单的电容性方案存在明显的缺点。图5示出另一种通常用于保护激光二极管的ESD保护装置。在该方案中，肖特基 二极管被放置成与激光二极管并联。然而，该技术有若干问题。首先，大多数肖特基二极管 不被设计成处理高达50安培的纳秒脉冲。在本发明人自己用人体模型的测试中，许多肖特 基二极管它们自身被ESD事件损坏。因此，如果合适作为ESD保护装置的器件被ESD事件 损坏，该装置可以被认为是无效的ESD保护装置。其次，且更为重要的是，这样一种配置只 保护激光二极管免受负的ESD事件(即，那些倾向于反向偏置激光二极管的事件)。正的 ESD事件被允许通过该激光二极管而不被肖特基二极管衰减。因此，充其量，肖特基二极管 是不完整的ESD保护装置。图6示出类似的方案，但其中用齐纳二极管取代肖特基二极管这一点除外。该技术有若干问题。一个问题是，齐纳二极管是慢得出了名的器件，从而不能对ESD事件期间遇 到的纳秒级脉冲作出反应。第二个且更为严重的问题是，选择充分接近激光二极管的正向 偏置激射阈值的齐纳电压，且它的齐纳电压在激光二极管可能经历的全部温度范围上跟踪 激光二极管的激射阈值，相信是不可能的。图7示出另一种通常用于保护激光二极管免受ESD的方案。在该方案中使用“开 关”，并横跨激光二极管的端子放置。该“开关”常常作为继电器实施，但其中该“开关”被 实施的实施方案被称为耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这种想法是，该 “开关”应当是“常闭”的，就是说，在没有功率向激光二极管或激光二极管驱动器电路供应 时，该“开关”使激光二极管端子短路，以便使ESD被该“开关”而不是激光二极管引导。当没有功率被施加到该系统时有起作用的ESD保护装置，确实是理想的，因为屡 屡都是在ESD事件发生的同时该系统电源被断开。然而，该“开关”方案有若干重要的缺点， 这些缺点将分开地对继电器和对耗尽型MOSFET情形讨论。正如所讨论的，任何无源技术的阻抗必需小于44毫欧姆，以便有效地防止15，000 伏的ESD事件超过典型的低功率激光二极管的典型的2伏最大反向偏置电压和类似的正向 偏置极限。如果该“开关”被作为继电器实施，则在继电器的整个寿命中，接触电阻、以及任 何印刷电路板(PCB)迹线和其他从继电器引向激光二极管的互连线电阻，必需总体地小于 44毫欧姆。作为继电器，在它们的寿命期间反复不断地断开和闭合，它们的触点会磨耗，且有 可能随着继电器的老化，触点电阻加上互连电阻将超过44毫欧姆。此外，在其中该继电器 被闭合的ESD事件期间，达到50安培或更高可能被继电器触点引导。重复的ESD事件导致 继电器触点的磨损侵蚀和继电器的最后失效。此外，在ESD事件期间，围绕继电器几何结构 内相对长的导线以及触点自身建立起磁场。该磁场可能耦合到附近的PCB迹线和到继电器 线圈，有效地使耦合ESD到也可能对ESD敏感的电路的其他部分。因此，即使该激光二极管 自身被保护，但ESD证明对激光二极管驱动电路成为破坏性的。当耗尽型MOSFET被用作“开关”并当电源是断开时，栅极和源极端子是在相同的 (零)电压电势上。这样会把耗尽型MOSFET “接通”，从而有助于引导ESD穿越MOSFET的 端子而不是激光二极管。遗憾的是，耗尽型MOSFET的典型接通电阻是在数欧姆的范围。示 例性器件有6欧姆的RDS (on)。如所讨论的那样，该电阻必需小于44毫欧姆，以便保护典型 激光二极管避免15，000伏的ESD事件。因此，耗尽型MOSFET对15，000伏的ESD事件不是 有效的ESD保护装置。无论该“开关”是否作为继电器被实施，MOSFET或一些其他器件，对该方案有另一 个缺点。该“开关”方案一般适用于其电源被断开的系统。一旦该系统的电源被接通，该开 关被断开并且该激光二极管被允许变成工作的。如果ESD事件发生的同时该激光二极管是 工作的并激射，则该“开关”将没有作用并且将不保护该激光二极管避免ESD。图8示出又另一种通常用于保护激光二极管免受ESD的方案。在该方案中，多层变 阻器被放置成与激光二极管并联。多层变阻器是其电阻变化的器件，它的电阻随横跨端子 之间出现的电压的增加而非线性下降。虽然多层变阻器的响应时间在纳秒范围，但它们的 击穿电压(变阻器在该电压上从高电阻过渡到低电阻)典型地大大超过典型低功率激光二 极管的2. 2伏激射阈值或2. 0伏最大反向偏置电压。本发明人尚不知道其击穿电压在3. 6以下的多层变阻器。因此，本发明人不相信该方案在防止低功率、快速响应的激光二极管在 避免被15，000伏ESD损坏中是完全有效的。

发明内容
当前发明的器件有利地通过防止反向偏置电压超过激光二极管制造商规定的绝 对极大值，最好是在所有情况下，克服先前已知技术的问题。它还防止ESD或其他与功率有 关的故障超过(并在许多情形中，甚至达到)激光二极管的最大正向偏置电压。本发明能 在这样做的同时不把显著的电阻或电容添加到该激光二极管，从而不使驱动该激光二极管 的任务变复杂。本发明针对用于保护激光二极管避免因ESD引起的损坏的器件和方法。虽然本文 主要讨论的是激光二极管，但类似的故障率、失效模式和保护方案，对许多类型的光电子器 件，包含LED，都是同样有效的。再者，虽然本发明是在ESD是过电压状态的原因的语境下讨 论，但这些状态也能够被其他类型的功率浪涌引起，其他类型的功率浪涌包含那些在通电 和断电时序期间出现的功率浪涌。在一个实施例中，本发明针对用于光电子器件的故障保护器。该故障保护器包 括MOSFET和与之并联的体二极管。该故障保护器还可以包括连接在该MOSFET的漏极和 栅极之间的电容器。在某些实施例中，电阻器可以被连接在该MOSFET的栅极和源极之间。 MOSFET的漏极可连接到光电子器件的第一端子，而MOSFET的源极可连接到光电子器件的 不同于第一端子的第二端子。有熟知的激光二极管驱动器配置，其中该激光二极管的阳极被接地而驱动电流被 加到阴极，有其他配置，其中激光二极管的阴极被接地而驱动电流被加到阳极，且仍有其他 配置，其中没有一个激光二极管的端子被接地，而是在电流监控电路之间浮动，或甚至在串 联的串内其他的激光二极管之间浮动。因为本发明的器件被直接跨接在激光二极管自身的 端子之间，所以能保护激光二极管，与驱动器配置或接地取向无关。此外，某些已知的ESD保护方案假定，该ESD只到达激光二极管的一个端子，例如 只到阳极，从而假定只有阳极需要被保护，这与当前发明的器件保护激光二极管的两个端 子截然相反。


为了更充分地理解本发明，可参考下面结合附图的详细描述，附图示出本发明的 各种不同实施例，附图中图1示出典型低功率激光二极管的电流对电压的分布图；图2示出人体模型，常见用于评价ESD的作用和机理；图3示出作为ESD保护装置而被跨接于激光二极管两端之间的电阻器的典型使 用；图4示出作为ESD保护装置而被跨接于激光二极管两端之间的电容器的典型使 用；图5示出作为ESD保护装置而与激光二极管并联的肖特基二极管的使用；图6示出作为ESD保护装置而与激光二极管并联的齐纳二极管的使用；
图7示出作为ESD保护装置的“开关”，诸如继电器或耗尽型MOSFET的使用；图8示出作为ESD保护装置的多层变阻器的使用；图9是一种方案的图解，示出当前发明的器件的一个实施例，用于保护激光二极 管避免ESD和其他与功率有关的故障；图10示出本发明有附加电阻器的实施例；图11示出本发明有第三控制引线的又另一个实施例；图12示出本发明有附加电阻器和第三控制引线的实施例；和图13示出本发明再另一个实施例，其中采用P型沟道MOSFET代替如图9中所示 的N型沟道MOSFET。
具体实施例方式现在将在下文参照附图更充分地描述本发明，附图中本发明的优选实施例被出 示。然而，本发明可以按许多不同形式实现而不应认为是对本文所阐述实施例的限制。更 准确地说，被提供的这些实施例是为了使本公开是彻底和完备的，并充分地把本发明的范 围传达给本领域熟练的技术人员。本发明的一个实施例，如参照图9所示，是在它的在保护激光二极管避免ESD和其 他与功率有关的故障的使用的语境下进行描述。本领域熟练技术人员将认识到，本发明的 器件能够与其他光电子元件使用，且这种使用不企图作为限制。该器件依靠少数无源部件 和一类增强型M0SFET，该增强型MOSFET有非常低的栅极到源极阈值电压(在数据单中常被 指称为VGS (th))，且该增强型MOSFET有整体“体二极管”。电阻器、电容器和MOSFET的工作是已知的。只有与本发明有关的MOSFET元件在 本文被讨论。增强型MOSFET被用于高功率开关的应用。MOSFET常常用被“接通”或“断开”的 术语讨论。在MOSFET数据单中RDS(on)表示当栅极电压被提升到相对高电平时来自漏极到 源极的有效电阻，该相对高的电平常常为4. 5伏或更高。该RDS(on)通常还假定有非常小 的电压存在于漏极和源极之间。事实上，大多数应用实质上是使用MOSFET作为开关器件， 它要么完全闭合，要么完全断开。在完全闭合时，该RDS(on)是存在于该开关端子之间的电 阻。从历史上说，增强型MOSFET的栅极到源极阈值电压VGS (th)已经被有目的地设置 成非常高，通常约1. 6伏或更高。虽然典型MOSFET的数据单上可能规定1. 6伏的VGS (th)， 但显著的载流容量并不出现，直到被施加约4. 5伏或更高的栅极到源极电压为止。MOSFET数据单指示VGS(th)为阈值，但在VGS(th)电压上，非常小的电流流经漏极 和源极之间。虽然MOSFET最常见是被用作开关器件，但它们能够被考虑成线性模拟器件。 随着栅极到源极电压的增加超出VGS(th)，漏极到源极的电流流量增大，而描述这种现象的 是二次方关系。虽然本文提到激光二极管的“激射阈值”(Ith)和MOSFET的栅极到源极阈值 VGS(th)电压，但应当理解，本发明本质上不依靠阈值。本发明的器件当某一现象在某一阈值以下时不能认为是被脱开，而当某一现象在 某一阈值以上时是完全被接合。更准确地说，该器件依靠MOSFET的模拟特征以及漏极到源极的电流与栅极到源极电压之间的二次方关系。因此，还应当理解，本发明不把MOSFET用 作开关器件。当前发明的故障保护器1利用多个无源部件和增强型M0SFET5，该MOSFET 5有低 的VGS (th)和整体体二极管9。这种MOSFET的一些例子是来自Vishy的零件号SiA414DJ， 以及来自SGSThompson的零件号STN5PF02V，尽管这些特定元件不企图成为限制。尚不知道有使用MOSFET以保护激光二极管以防ESD的。已知有把MOSFET用作集 成电路内的有源元件，用于ESD保护的目的。然而，相信以前使用MOSFET的ESD方案要求 远为复杂的电路以保护该集成电路避免正的和负的ESD两者。例如，当需要避免正的和负 的ESD两者的保护时，至少要使用两个独立的MOSFET以及关联的电路。本发明的教导不限 于但包含使用体二极管作为ESD保护方案的一部分。该器件能保护激光二极管避免ESD和与功率有关的故障，该ESD和与功率有关的 故障可以在在三种独立情况时产生当没有功率被加到系统上，以及正的ESD事件或其他 功率浪涌出现时；当负的ESD事件出现，无论系统功率是否加上时；和当系统功率已被加上 之后且同时系统正在工作而出现正的ESD事件时。本发明的工作现在将在每一情况下分开地被描述。参考图9，在第一种情况中，该情况假定没有功率已经被加到激光二极管被集成在 其中的系统，激光二极管8在它的端子之间有0伏电压，而电容器6已充分地被放电并在它 的端子之间也有0伏电压。当正的ESD事件发生时，或当功率被首次接通时的功率浪涌期间，要么作为ESD放 电的直接结果，要么作为激光二极管驱动器电路提供电压的结果，电压出现在激光二极管8 两端之间。在这种情况中，电压的极性要使激光二极管8的阳极端子10有比阴极端子11更 加正的电压。因为电容器6开始时已被充分地充电，它将抵抗它端子之间电压的变化。因 此，任何在激光二极管8两端之间出现的电压，也将在初始时作为跨越MOSFET 5的栅极3 到源极4的电压出现。在VGS(th)电压刚达到时，电流开始在MOSFET 5的漏极2和源极4 之间流动。本文的示例性实施例中使用的一类M0SFET，该电压通常在约0. 5伏以下。在图1中，能够看到，显著的电流没有开始在激光二极管8中流动，直到电压达到 约1. 8伏为止，而且，在该配置和情况中，电流不开始在按约0. 5伏电压开始的MOSFET 5中 流动，由于这一点，该MOSFET 5能提前主动地动作，通过引导基本上全部电流流过MOSFET 5，保护激光二极管8。激光二极管8两端之间增加的电压还继续出现在MOSFET 5的栅极3和源极4之 间。如所说明的，该MOSFET是模拟器件，它的漏极2到源极4的电流关系是随栅极3到源极 4电压的增加而增加。由于这一点，电压的再增加由引起MOSFET 5更积极的保护，MOSFET 5将继续引导基本上全部电流流过它，在任何显著的电流流过激光二极管8之前照此做下去。MOSFET 5最好有足够低的栅极3到源极4阈值VGS (th)，使MOSFET 5在显著的 电流流过激光二极管8之前引导该显著的电流。示例性的MOSFET是来自Vishy的零件号 SiA414DJ，它能在栅极到源极电压是1. 5伏时，从漏极引导M安培到源极。1. 5伏的电压仍 然远在典型低功率激光二极管即使开始吸进电流的电压以下，大大小于远在2. 2伏以下的 激射阈值。因此，该类MOSFET能在激光二极管的最大正向电压和电流额定值被超过之前引导基本上全部电流。因为有电容器6，跨越MOSFET 5的栅极3到源极4的电压基本上与激光二极管8 两端之间出现的电压相同，直到两件事情之一发生在第一种情形中，激光二极管8两端之 间出现的电压返回到零，这种情形在ESD放电事件中发生。典型的ESD事件发生在1纳秒 到数十纳米之间；所以当ESD事件发生时，电容器6允许全部ESD电压出现在MOSFET 5的 栅极3上。一旦ESD事件平息，激光二极管8两端之间的电压返回到零，横跨MOSFET 5所 有端子上的电压也如此。第二种情形是，能够影响栅极3到源极4电压的是电阻器7，该电阻器7提供电容 器6的放电路径，而出现在MOSFET 5的漏极2和栅极3端子之间的任何电压最终被电阻器 7放电。电阻器7和电容器6形成R/C时间常数。这些部件的值被选择成允许MOSFET 5在 预期的功率浪涌或ESD事件持续的时间段内引导电流离开激光二极管8。如所说明的，ESD 事件本身只持续非常短暂的时间段，但在功率升高和功率下降时序期间可能起因于电路不 稳定的功率浪涌可以持续长得多的时间，或许到数十微秒，甚或数毫秒。本发明人已经成功地使用电容器6的1000皮法值和电阻器7的100千欧姆值。这 样能使故障保护器电路1保护激光二极管8避免持续高达约100微秒的ESD或功率浪涌。 数学计算是100千欧姆X 1000皮法=100微秒。当然，可以使用其他的电阻器和电容器 的组合以满足所需工程约束或所需定时关系。因为激光二极管是电流工作器件，一般地说，一旦系统功率被加上，跨越激光二极 管端子之间出现的电压，即使在调制期间也不会改变非常多。当示例性激光二极管，诸如 Toshiba零件号T0LD9442M被使用时，通过该二极管的电流范围从约30到35毫安，但在调 制期间，电压变化只从约2，2到约2，4伏。因此，在普通的情况下，激光二极管两端之间的 电压是相对稳定的，且可以只变化几个十分之一伏或更小。当有恒定电压和电流流过激光二极管8时，能够看到，经过5个R/C时间常数之 后，MOSFET 5栅极3上的电压与源极4上的电压相同。在这些状况下，故障保护器1引起 激光二极管8的非常小的寄生阻抗。即使在调制时，激光二极管8两端之间的电压只变化 几个十分之一伏，该变化的电压在MOSFET 5的VGS(th)以下。因此，无论故障保护器发明 1是否在应有位置，激光二极管8的调制和驱动特征实际上是不能区分的。这表明，虽然该 故障保护器发明1在保护激光二极管8避免ESD和与功率有关的故障上非常有效，一旦激 光二极管驱动器电路是工作的，它还实质上给出该电路的无负载。再参考图9，该第二种情况是负的ESD事件，该负的ESD事件当系统功率被加上并 工作时，或当功率被断开时能够出现。当负的ESD事件出现时，电压出现在激光二极管两端 之间，该电压的极性要使激光二极管8的阳极端子10有比阴极端子11更加负的电压。这种 电压配置引起激光二极管反向偏置。不同于许多能够经受数十或甚至数百伏反向偏置的半 导体器件，激光二极管非常不能容忍反向偏置，且能够被如2.0伏那样小的反向偏置破坏。 故障保护器1通过利用MOSFET 5中整体“体二极管” 9的部分，防止这样的反向偏置。出现在激光二极管8两端之间的反向偏置的增加，有使体二极管9正向偏置的趋 势，该体二极管是MOSFET 5的整体部分。因为流过该体二极管的电流大致与它两端之间电 压的平方成比例，所以激光二极管8两端之间反向偏置的进一步增加，由于被体二极管9引导而受到更强有力的保护。为了更充分理解使用整体体二极管的含义，MOSFET结构将被简要地讨论，同时 也讨论整体体二极管如何形成在较新型的MOSFET中。MOSFET的早期型式由于在漏极到 源极电压的高上升速率(dV/dt)下趋向于接通，所以对电压击穿是敏感的，这样常常导致 MOSFET的灾难性失效。该dV/dt接通是由于在N型沟道MOSFET内存在固有的寄生NPN晶 体管(类似的寄生PNP晶体管存在于P型沟道MOSFET内)。使漏极到栅极的结电容充电 所必需的电流流量，起类似于基极电流的作用，该基极电流使寄生的NPN接通。在较新型的 MOSFET中，通过使用源极金属化造成M源极到P+体的短路，从而建立固有的PN 二极管与 MOSFET的反并联(在本发明中被称为“体二极管”)，该寄生NPN的作用被抑制。在此指出， 不是所有MOSFET都有体二极管，且迄今为止，不相信一般用在ESD方案中的MOSFET包含体 二极管。许多MOSFET制造商都教导要远离使用内部的体二极管，强烈建议反对依靠该内部 寄生二极管的特征，并相反地建议使用外部超快整流管，放在MOSFET之外，以防止该内部 寄生二极管被接通。本发明就其简单性、利用有整体体二极管的一类MOSFET方面，相信是独一无二 的。正因如此，该MOSFET实际上能够按两种独立的方式执行两种独立的ESD保护任务，从 而排除任何外部超快整流管或其他电路的需要。然而，如果期望该激光二极管处于高电流、 持续相对长时间的反向偏置情况的话，这种外部整流管可能是需要的。例如，如果该激光二 极管按电学上反向方式被连接到激光二极管驱动器，这些状态是可能存在的。当系统功率已被加上之后且同时系统正在工作而出现正的ESD事件时，第三种情 况出现。如所讨论那样，当系统正在工作时，在激光二极管8两端之间正常地有恒定的或近 似恒定的电压。在该情况中，该电压的极性使激光二极管8的阳极端子10有比阴极端子11 更加正的电压。当系统已经工作多于5个R/C时间常数时，栅极3的电压和源极4的电压基本上 相同，从而基本上没有电流流过MOSFET 5。如果激光二极管8两端之间的电压出现突然增加，那么该电压的增加(即该增量 的量值)也在MOSFET 5的栅极3和源极4之间出现。如果该电压的增加足以达到VGS(th)， 则MOSFET 5弓丨导漏极2和源极4之间的电流，分担激光二极管和MOSFET之间的电流。在此指出，该第三种情况基本上不同于第一种情况。在第一种情况中，MOSFET 5引 导基本上全部电流，并且在激光二极管8两端之间的电压能达到任何电流甚至在激光二极 管8中流动的电平之前都如此。在该第三种情况中，电流已经在激光二极管8中流动，且激 光二极管两端之间电压的增加必须在MOSFET开始分担电流负载之前达到高于VGS (th)的 电平。因为MOSFET通过二次速率以降低流过激光器的电流，该MOSFET仍然能保护激光二 极管免遭破坏，只要该激光二极管在ESD事件的时间持续期间内能经受得起该电压和电流 的增加。然而，存在容易忽略的非直觉的事实。当激光二极管8已经有电流流过它时，激光 二极管8本身处于比本来当没有电流或电压跨越它的端子时好得多的保护自身免受正的 ESD的地位。动态电阻由电压的变化被电流的变化除所定义。因为，一旦激射阈值已经被达 到，要建立相对更大的电流变化只要求电压中小的变化，这一点的意思是，激光二极管的动 态电阻通常是非常低的，常常小于10欧姆，且有些时候甚至小于100毫欧姆。因此，激光二极管本身实际上处于分担正的ESD保护重担的良好态势。在此指出，虽然图9包含被连接在MOSFET 5的漏极2和栅极3之间的电容器6，该 电容器实际上起两种独立功能的作用，每一种可以作为独立器件实现。电容器6起作为“漏 极到栅极耦合装置”和还作为“定时装置”的功能的作用。该漏极到栅极耦合装置可以作为 独立的连接在MOSFET 5的漏极2和栅极3之间的晶体管实施。该晶体管可以依次被电容 器或其他定时装置触发以提供定时功能。使用独立晶体管作为漏极到栅极耦合装置可以允 许该定时装置实体上做得更小，因而可能有助于把本发明集成在集成电路组件内的能力。还要指出，虽然图9包含被连接在MOSFET 5的源极4和栅极3之间的电阻器7。 但电阻器7是“栅极返回装置”，它的用途是使栅极3返回到VGS(th)电平以下电压。电阻 器7因而可以按不同方式实施。当该部件作为集成电路的一部分实施时，以晶体管或其他 半导体器件的形式实现电阻器7可能是便利的。在另一实施例中，可以在MOSFET的栅极端子和由电阻器及电容器形成的节点之 间，添加附加的栅极电阻。该附加的栅极电阻对本发明不要求可工作，虽然如此，但本发明 希望包含这样的实施例。图10示出器件21的另一个实施例，该器件21能够有效地防止第三种情况中正的 ESD损坏。该故障保护器器件21类似于器件1，但添加附加的电阻器30以建立部分偏置，从 而保持MOSFET 25的栅极23在提升的电压上，同时激光二极管28两端之间出现电压。该 实施例的工作，现在将用与上面相同的情况描述。如所讨论的，当系统正在工作时，激光二极管28两端之间通常有恒定的或接近恒 定的电压。示例性的激光二极管是以2. 2伏正电压工作的Toshiba T0LD9442M。当系统已经工作多于5个R/C时间常数时，MOSFET 25的栅极23和源极44之间 的电压差由电阻器30和电阻器27的比值支配。能够设定该电压使它等于VGS (th)，由此把 MOSFET 25置于轻微的偏置上，在本发明中，它能够被想象为MOSFET 25处在准备状态的被 加强状态。在这种配置中，当激光二极管8两端之间的电压出现突然增加时，该电压的增加 (即该增量的量值)也在MOSFET 25的栅极23和源极M之间出现。然而，在该情形中，因 为栅极23到源极M的电压是在VGS(th)电压上开始的，电压的增加立刻导致电流流过漏 极22和源极M之间的MOSFET 25，从而MOSFET 25以积极得多的方式分担该电流，不让激 光二极管观两端之间的电压变得太高。虽然在上面的例子中已经描述，电阻器30和电阻器27的值被选成使栅极23到源 极M的电压等于VGS(th)电压，但这一点不应视为本发明的限制。电阻器30和电阻器27 的值能够被选成实现任何需要的部分偏置电平或其他工程约束。例如，对灵敏的激光二极 管观，使栅极23到源极M电压高于VGS (th)可能是理想的，由此使MOSFET 25经常分担电 流负载的某一部分，且还在正的ESD事件情况下处在准备状态的被加强状态。如果激光二 极管观不那么灵敏，使栅极23到源极M电压低于VGS (th)电压可能是理想的，由此防止 MOSFET 25在正常工作下引导电流，并与所示出和更早参照图9所描述的实施例相比，还仍 然有“电压增力口”的优点。电阻器30和电阻器27两者作为“部分偏置装置”起作用，但该部分偏置装置可以 按不同方式实现。要么是电阻器可以作为半导体器件，诸如二极管、晶体管实现，要么作为电阻器和半导体器件的组合实现。任何已知的建立部分偏置的方式，都在本发明范围之内。如已经给出那样，电阻器7和电容器6形成R/C时间常数，该时间常数本质上是在 正的ESD事件，或在功率升高或功率下降期间的功率浪涌事件的冲击之后，支配本发明1保 持有效的时间。在上面给出的例子中，电阻器7的100千欧姆和电容器6的1000皮法的值， 提供100微秒的R/C时间常数。这意味着，从电压首次出现在激光二极管8的端子上的时 间起，基本上全部电流都流过MOSFET 5并对激光二极管8是无效的。对其中使用100%调 制，且对激光二极管8两端之间电压被在0伏和2. 2伏之间切换的应用，该时间量可能与设 计者的调制意图相抵触。克服这一限制的一个办法可以是简单地缩减电阻器7的值或缩减电容器6的值， 由此缩小本发明保持有效的时间。但当这样做的时候，它缩短本发明1提供的对功率升高 和功率下降时序期间可能导致的功率浪涌的保护时间长度。图11示出本发明41另一个实施例，其中MOSFET 45的栅极43被通过电阻器47连 接到附加的连接线51。该连接线可以受外部电路控制，该外部电路检测是电源接通还是电 源断开时序正在进行，并向连接线51施加升高的电压。该升高的电压使栅极43到源极44 的电压超过VGS(th)电压，从而使MOSFET 45引导电流离开激光二极管48。该实施例41允 许使用更小值的电阻器47或电容器46，从而有更小的R/C时间常数，该更小的R/C时间常 数允许本发明41有更快的去激活时间，同时如果需要且如果被外部电路经由连接线51触 发，仍然允许有非常长的保护时间。在此指出，连接线51向本发明41提供附加的通用性，因为连接线51可以被用于 不同于检测与功率有关的故障的目的。连接线51可以由外部电流监控器提供，该监控器检 测何时已经出现与电流或电压有关的故障，或基本上任何其他种类的故障或事件。在此指出，在该实施例41中，R/C时间常数被建立在电阻器47和电容器46之间。 该R/C时间常数不仅支配MOSFET 45在故障已经发生后变成无效的时间，而且该R/C时间 常数还支配MOSFET 45在被连接线51触发后变成有效的时间。被连接线51触发的反应时 间不同于ESD和与功率有关的故障的反应时间，常常可能是需要的。对连接线51的反应时 间可以受与电阻器47并联放置的二极管或其他电路的影响。电阻器47是发挥两种功能的单个部件，可以想象得到，两种功能的每一种可以作 为独立器件实现。第一种功能是“栅极返回装置”，它使MOSFET 45的栅极43返回到VGS(th) 以下的电平。第二种功能是“外部连接线耦合装置”，它允许外部信号与MOSFET 45接合。 代替按单个电阻器实施这些功能，某些实施例可以把该两种功能分开成两个独立部件-例 如，可用来达到栅极返回装置目的的电阻器，和发挥外部连接线耦合装置功能的二极管。该 电阻器本身可以作为晶体管或其他半导体器件实现。基本上，任何使栅极返回和耦合外部 信号的方法都在本发明的范围之内。图12示出器件61的另一实施例，器件61组合了发明41提供的附加连接线和发 明21的准备状态的被加强状态。仅作为例子，在全部的本书面的陈述中，该MOSFET已经用N型沟道MOSFET代表。 作为替代，P型沟道MOSFET也可以使用(如参照图13所示)，以电容器被连接在漏极和栅 极端子之间，而电阻器被连接在栅极和源极端子之间(或被用作为外部控制引线)。在此指 出，无论被使用的是N型沟道MOSFET还是P型沟道MOSFET，MOSFET和激光二极管之间的连接线的极性应当使体二极管的阳极被连接到激光二极管的阴极，而体二极管的阴极被连接 到激光二极管的阳极。本文的电阻器和电容器已经作为本发明的元件被描述，例如，图10中所示的电阻 器27及电阻器30和电容器26。应当理解，单个电阻器能够被用作电阻器27，而独立的单个 电阻器能够被用作电阻器30.作为替代，多个电阻器串联或并联或既串联亦并联的组合， 可以被用作电阻器27或用作电阻器30。依赖电压的电阻器或依赖温度的电阻器也可以被 使用且仍然在本发明的范围之内，如能够作为电路元件而本身不是电阻器，但提供类似电 阻器性质，诸如半导体材料或被部分偏置的晶体管。同样，虽然单个电容器沈能够被使用， 但使用电容器的串联或并联或串并联组合以获得相同电容也是可能的。基本上，电阻器、电 容器和MOSFET能够按本领域熟知的任何方式被制造和实施。本发明就简单性方面被相信是独一无二的。以少至三个廉价部件(电阻器、电容 器和有整体体二极管的M0SFET)，能够保护激光二极管免于正的和负的ESD的有害作用，并 还免受在功率升高和功率下降阶段中能够出现的功率浪涌的作用。相信已知的保护系统和 方法在对抗正的和负的ESD两者的保护上，还不是完全有效的。由于能够出现和建立功率浪涌的功率接通的不平衡性，所以在故障状况期间，电 压总能够找到它的路径，一条路径或另一条路径，到达激光二极管的端子。因此，为了使故 障保护方案成功，最好是直接把激光二极管自身两端连接起来，并被定位在尽量接近激光 二极管处。因为本发明的器件仅要求少数小的电气部件，把分立部件放置在可直接地跨接 激光二极管两端的电路板上，是非常容易的。还可以考虑的是，该器件可以被直接嵌入或集 成在激光二极管本身的组件内。本发明的许多修改和其他实施例，将是本领域熟练技术人员利用前面的描述和关 联的附图给出的教导所能够想到的。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例， 且这些修改和实施例旨在被包含在受本公开支持的权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种电子电路，包括增强型M0SFET，它有栅极，控制在源极和漏极之间的电流，该MOSFET包含可一同工作 的体二极管；被连接在该MOSFET的漏极和栅极之间的电容器装置； 被连接在该MOSFET的源极和栅极之间的电阻器装置，其中该漏极可与光电子器件的第一端子连接，以及该源极可与光电子器件的第二端子 连接，该第二端子不同于第一端子。
2.按照权利要求1的电路，还包括光电子器件，该光电子器件是激光二极管和发光二 极管中的至少之一。
3.按照权利要求1的电路，其中该电路形成故障保护器，该故障保护器作为分立部件 之一并且作为该光电子器件的整体部分被实施。
4.按照权利要求1的电路，其中该MOSFET是N型沟道MOSFET和P型沟道MOSFET之
5.按照权利要求1的电路，其中该体二极管是快速恢复的体二极管。
6.按照权利要求1的电路，其中施加于MOSFET的栅极到源极阈值电压是在0.5伏以下。
7.按照权利要求1的电路，其中该电阻器装置包括第一电阻器装置，且其中该电路还 包括被连接在漏极和栅极之间的第二电阻器装置，该第一和第二电阻器装置各提供部分偏 置以维持栅极在需要的电压上。
8.按照权利要求7的电路，其中该第二电阻器装置与该电容装置形成并联连接。
9.按照权利要求1的电路，其中该体二极管被完整地形成在MOSFET的主体内。
10.一种可用作光电子器件的故障保护器的电子电路，该电路包括增强型M0SFET，它有栅极，控制在源极和漏极之间的电流，该MOSFET包含体二极管； 电容器装置，被连接在该MOSFET的漏极和栅极之间；电阻器装置，它有被连接到该MOSFET的漏极的第一端子和用于连接到外部端子的第二端子，其中该MOSFET的漏极可与光电子器件的第一端子连接并且该MOSFET的源极可与该光 电子器件的第二端子连接，该第二端子不同于第一端子。
11.按照权利要求10的电路，还包括被连接在该MOSFET的漏极和栅极之间的第二电阻器装置。
12.按照权利要求10的电路，还包括光电子器件，该光电子器件是激光二极管和发光 二极管中的至少之一。
13.按照权利要求10的电路，其中该电路形成故障保护器，该故障保护器作为分立部 件之一并且作为该光电子器件的整体部分被实施。
14.按照权利要求10的电路，其中该MOSFET是N型沟道MOSFET和P型沟道MOSFET之
15.按照权利要求10的电路，其中该体二极管是快速恢复的体二极管。
16.按照权利要求10的电路，其中施加于MOSFET的栅极到源极阈值电压是在0.5伏以下。
17.按照权利要求10的电路，还包括功率故障检测器，该功率故障检测器有用于连接 到该电阻器装置的外部端子。
全文摘要
一种用于光电子器件的故障保护器，包含有整体体二极管的MOSFET。电容器被连接在该MOSFET的漏极和栅极之间，而电阻器被连接在该MOSFET的栅极和源极之间。MOSFET的漏极可与光电子器件的第一端子连接，而MOSFET的源极可与光电子器件的第二端子连接。该器件通过防止反向偏置电压超过制造商规定的绝对极大值，克服以前已知技术的问题，并且还防止ESD或其他与功率有关的故障避免超过激光二极管的最大正向偏置电压，同时不把显著的电阻或电容添加到该激光二极管，从而不使驱动该激光二极管的任务变复杂。
文档编号H02H3/20GK102089949SQ200980126761
公开日2011年6月8日 申请日期2009年7月9日 优先权日2008年7月11日
发明者小威廉·R·本纳 申请人:小威廉·R·本纳