所公開的技術(shù)涉及電子裝置，更具體地說涉及用于通信系統(tǒng)收發(fā)器接口的保護(hù)設(shè)備，用于提供對諸如電過載/靜電放電等瞬態(tài)電氣事件的保護(hù)。

背景技術(shù)：

某些電子系統(tǒng)可以暴露于持續(xù)相對短的持續(xù)時間并具有快速變化的電壓和/或電流的瞬時電氣事件。瞬時電氣事件可以包括例如靜電放電(esd)或電荷從物體或人員突然釋放到電子系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾事件。

瞬態(tài)電事件可能由于過電壓條件和/或ic的相對小的區(qū)域上的高功率耗散而損壞電子系統(tǒng)內(nèi)部的集成電路(ic)。這種功率的快速和高耗散可能導(dǎo)致對諸如柵極氧化物穿通，結(jié)損，金屬損傷和表面電荷積累等引起的核心電路以及其他有害現(xiàn)象的損害。此外，瞬態(tài)電氣事件可能導(dǎo)致閂鎖(換句話說，無意中產(chǎn)生低阻抗路徑)，從而破壞ic的功能并導(dǎo)致ic的永久性損壞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一些實施例中，集成電路設(shè)備包括其中形成有雙向半導(dǎo)體可控整流器(scr)的半導(dǎo)體襯底，其具有電連接到第一端子(t1)的陰極/陽極(k/a)和陽極/電連接到第二端子(t2)的陰極(a/k)。集成電路設(shè)備還包括形成在半導(dǎo)體襯底之上的多個金屬化層。集成電路設(shè)備還包括在第一側(cè)上形成在半導(dǎo)體襯底中并且與雙向scr相鄰的觸發(fā)設(shè)備。觸發(fā)設(shè)備包括一個或多個雙極結(jié)型晶體管(bjt)或雪崩pn二極管，其中觸發(fā)設(shè)備的第一設(shè)備端子與k/a共同連接到t1，并且其中第二設(shè)備端子觸發(fā)設(shè)備通過一個或多個金屬化電平電連接到雙向scr的中心區(qū)域。

在一些其他實施例中，集成電路設(shè)備包括其中形成有具有電連接到第一端子(t1)的陰極/陽極(k/a)的npnpn雙向半導(dǎo)體可控整流器(scr)的半導(dǎo)體襯底和電連接到第二端子(t2)的陽極/陰極(a/k)。集成電路設(shè)備還包括形成在半導(dǎo)體襯底之上的多個金屬化層。集成電路設(shè)備還包括形成在npnpn雙向scr的第一側(cè)上的半導(dǎo)體襯底中的觸發(fā)設(shè)備。觸發(fā)設(shè)備包括雙極結(jié)型晶體管(bjt)或雪崩二極管中的至少一種，其中觸發(fā)設(shè)備的第一設(shè)備端子通過一個或多個金屬化電連接到雙向scr的中心n型區(qū)域集成電路設(shè)備的電平。

在一些其它實施例中，集成電路設(shè)備包括其中形成有npnpn雙向半導(dǎo)體可控整流器(scr)的半導(dǎo)體襯底，其具有電連接到第一端子(t1)的陰極/陽極(k/a)以及電連接到第二端子(t2)的陽極/陰極(a/k)。集成電路設(shè)備還包括形成在與npnpn雙向scr相鄰的半導(dǎo)體襯底中的兩個或更多個觸發(fā)設(shè)備。兩個或更多個觸發(fā)設(shè)備的第一設(shè)備端子電連接到雙向scr的中心n型區(qū)域，并且通過形成在半導(dǎo)體襯底上方的集成電路設(shè)備的一個或多個金屬化層級彼此電連接。

附圖說明

圖1a是根據(jù)實施例的具有一個或多個系統(tǒng)級雙向保護(hù)設(shè)備的片上系統(tǒng)芯片(soc)或包裝系統(tǒng)(sip)。

圖1b是根據(jù)實施例的具有雙向保護(hù)設(shè)備的收發(fā)器集成電路的示意圖。

圖1c是根據(jù)實施例的以堆疊配置布置并且集成有雙向保護(hù)設(shè)備的封裝中的系統(tǒng)(sip)的示意性側(cè)視圖。

圖1d是根據(jù)實施例的以橫向相鄰配置布置的集成有雙向保護(hù)設(shè)備的封裝(sip)系統(tǒng)的示意性平面圖。

圖2a和2b是根據(jù)實施例的具有雙向保護(hù)設(shè)備的示例收發(fā)器接口的示意性電路圖。

圖3a是根據(jù)實施例的具有觸發(fā)設(shè)備和增益控制的雙向半導(dǎo)體可控整流器(scr)的雙向保護(hù)設(shè)備的示意性電路圖。

圖3b示出了根據(jù)實施例的觸發(fā)設(shè)備和增益控制的雙向scr的示意性準(zhǔn)靜態(tài)電流-電壓曲線。

圖3c示出根據(jù)實施例的觸發(fā)設(shè)備和增益控制雙向scr對應(yīng)于觸發(fā)設(shè)備和增益控制的雙向scr的單獨的電壓-時間曲線。

圖4a是根據(jù)實施例的具有基于pnp雙極結(jié)晶體管的觸發(fā)設(shè)備和增益控制雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的示意性電路圖。

圖4b是根據(jù)實施例的具有基于雪崩二極管的觸發(fā)設(shè)備和增益控制雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的示意性電路圖。

圖4c是根據(jù)實施例的具有基于npn雙極結(jié)晶體管的觸發(fā)設(shè)備和增益控制雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的示意性電路圖。

圖5是根據(jù)實施例的具有多個基于pnp雙極結(jié)晶體管的觸發(fā)設(shè)備和增益控制雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的示意性電路圖。

圖6a和6b分別是根據(jù)實施例的具有觸發(fā)設(shè)備和增益控制的雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的示意性截面圖和自頂向下視圖。

圖7a-7l是根據(jù)實施例的具有觸發(fā)設(shè)備和具有各種優(yōu)化的增益控制雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的示意性橫截面圖。

圖8a和8b是示出了根據(jù)圖9a-9d所示的實施例的基于雙向保護(hù)設(shè)備的模擬的脈沖電壓-時間曲線的曲線圖。

圖9a-9d示意性地示出了具有觸發(fā)設(shè)備和增益控制雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的各種實施例，對應(yīng)于圖8a-8b中所示的脈沖電壓-時間曲線。

圖10a-10i示意性地示出了根據(jù)實施例的具有觸發(fā)設(shè)備和增益控制的雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的各種實施例中連接到終端的鄰接重?fù)诫s區(qū)域的自上而下的布局圖。

圖11a是根據(jù)圖11b-11e所示的實施例的基于具有觸發(fā)設(shè)備和增益控制的雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的模擬的脈沖電壓-時間曲線的曲線圖。

圖11b-11e示意性地示出了具有觸發(fā)設(shè)備和增益控制的雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的各種實施例，對應(yīng)于圖11a中所示的脈沖電流-電壓時間曲線。

圖12a示意性地示出了具有觸發(fā)設(shè)備和不同配置下的增益控制雙向scr的雙向保護(hù)設(shè)備的實施例，對應(yīng)于圖12b中所示的脈沖電流-電壓時間曲線。

圖12b是基于圖12a所示實施例的雙向保護(hù)設(shè)備的仿真的準(zhǔn)靜態(tài)電流-電壓曲線圖。

具體實施方式

以下實施方案的詳細(xì)描述給出了本發(fā)明的具體實施方案的各種描述。然而，本發(fā)明可以以權(quán)利要求所限定和覆蓋的多種不同方式來體現(xiàn)。在本說明書中，參考附圖，其中相同的附圖標(biāo)記可以表示相同或功能相似的元件。

如本文所使用的諸如上面、下面等等的術(shù)語是指如圖所示定向的設(shè)備，并應(yīng)相應(yīng)地解釋。還應(yīng)當(dāng)理解，由于半導(dǎo)體設(shè)備(例如晶體管)內(nèi)的區(qū)域是通過摻雜具有不同雜質(zhì)或不同濃度雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料的不同部分來限定的，不同區(qū)域之間的離散物理邊界可能實際上不存在于完成的設(shè)備，但是區(qū)域可以從一個過渡到另一個。附圖中所示的一些邊界是這種類型的，并且僅僅是為了讀者的幫助被示出為突然的結(jié)構(gòu)。在下述實施例中，p型區(qū)域可以包括諸如硼的p型半導(dǎo)體材料作為摻雜劑。此外，n型區(qū)域可以包括諸如磷的n型半導(dǎo)體材料作為摻雜劑。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解下述區(qū)域中的各種濃度的摻雜劑。

用于包括使用低電壓cmos工藝制造的汽車和消費電子產(chǎn)品的各種應(yīng)用的新興集成電路(ic)越來越多地使用在相對高的雙向電壓下工作的輸入/輸出(i/o)接口引腳。這些ic通常在相對苛刻的環(huán)境中工作，并且應(yīng)符合適用的靜電放電(esd)和電磁干擾抗擾度(emi)規(guī)范。可靠的esd和emi抗擾度是可取的，因為ic可以經(jīng)受超過普通操作條件的寬范圍的高電壓瞬態(tài)電氣事件。

瞬態(tài)電事件可以是例如快速變化的高能量信號，例如靜電放電(esd)事件。瞬態(tài)電氣事件可能與由用戶接觸引起的過電壓事件相關(guān)聯(lián)。在其他情況下，制造商可以產(chǎn)生瞬態(tài)電氣事件，以在限定的應(yīng)力條件下測試收發(fā)器集成電路的穩(wěn)健性，這可以由各種組織設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)描述，諸如聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(jedec)，國際電工委員會(iec)和汽車工程委員會(aec)。

可以采用各種技術(shù)來保護(hù)ic的核心或主電路免受這些有害的瞬時電氣事件的影響。一些系統(tǒng)采用外部片外保護(hù)設(shè)備，以確保核心電子系統(tǒng)不會因瞬態(tài)靜電和電磁事件而受損。然而，由于性能、成本和空間考慮，對于與主電路單片集成的保護(hù)設(shè)備的需求日益增加，即要被保護(hù)的電路。

通過向ic的引腳或焊盤提供保護(hù)設(shè)備來增強電子電路的可靠性。當(dāng)瞬態(tài)電氣事件的電壓達(dá)到觸發(fā)電壓時，保護(hù)設(shè)備可以將焊盤處的電壓電平保持在預(yù)定義的安全范圍內(nèi)，從高阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變到低阻抗?fàn)顟B(tài)。此后，在瞬態(tài)電氣事件的電壓達(dá)到可能導(dǎo)致ic損壞的最常見原因之一的正或負(fù)故障電壓之前，保護(hù)設(shè)備可以分流與瞬態(tài)電事件相關(guān)聯(lián)的電流的至少一部分。保護(hù)設(shè)備可以被配置為例如保護(hù)內(nèi)部電路免受超過ic功率高和功率低(例如接地)電壓供應(yīng)電平的瞬態(tài)信號。保護(hù)設(shè)備可以被配置為不同的電流和電壓(i-v)阻塞特性，并且能夠在正常工作電壓條件下具有快速操作性能和低靜態(tài)功耗的正和負(fù)瞬態(tài)電氣事件的保護(hù)。

在電流和電壓處理能力平衡的速度方面，保護(hù)要求越來越復(fù)雜的一個技術(shù)領(lǐng)域是使用片上系統(tǒng)(soc)或封裝系統(tǒng)(sip)的技術(shù)。

圖1a是根據(jù)本文公開的實施例的集成有雙向保護(hù)設(shè)備的芯片上系統(tǒng)(soc)/包裝系統(tǒng)(sip)100的示意圖。soc/sip100包括用于各種應(yīng)用的各種組件的信號處理平臺，包括消費者通信系統(tǒng)、醫(yī)療保健生命信號處理、機器人和任務(wù)關(guān)鍵工業(yè)、儀器儀表、航空和汽車平臺等應(yīng)用。在收發(fā)器接口(例如，多通道收發(fā)器接口(rxa，rxb，txa，txb，txb))處，soc/sip100包括一個或多個可以是系統(tǒng)級保護(hù)設(shè)備的雙向保護(hù)設(shè)備等)，用于保護(hù)各種部件。soc/sip100通常包括主中央數(shù)字信號處理控制器(例如微處理器和存儲器單元)中的一個或多個，其可以通信地耦合到用于模擬數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)獲取功能塊，用于遠(yuǎn)程的無線收發(fā)器控制，用于交替感測關(guān)鍵參數(shù)的傳感器組，例如溫度、壓力、強度、氣體濃度、位置、光強度或化學(xué)成分、功率管理和能量收集系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的功率狀況、其他功能塊。具有這些和其它功能塊的sip或非均勻集成的soc可以在一個或多個半導(dǎo)體工藝技術(shù)中實現(xiàn)，并且在其中集成了雙向保護(hù)設(shè)備，用于在與不同端部應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的可變環(huán)境條件下的可靠操作。

圖1b是根據(jù)實施例的集成有雙向保護(hù)設(shè)備156的收發(fā)器ic150的示意圖。收發(fā)器ic150包括耦合到核心電路152的收發(fā)器接口電路154，例如多用途數(shù)據(jù)處理控制電路，其可用于包括消費者通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采樣和雙工通信應(yīng)用的各種應(yīng)用，醫(yī)療保健信號處理和關(guān)鍵任務(wù)工業(yè)，儀器儀表和航空航天和汽車平臺等。收發(fā)器接口電路154被配置為耦合到收發(fā)器158以在其間接收和/或發(fā)送信號。當(dāng)耦合到收發(fā)器158時，收發(fā)器接口電路154同時直接電連接到雙向保護(hù)設(shè)備156，以保護(hù)收發(fā)器接口電路154。核心電路152被配置為產(chǎn)生用于收發(fā)器接口154的控制信號，以便控制其信令的操作。

仍然參考圖1b，雙向保護(hù)設(shè)備156電連接在收發(fā)器158和功率低電壓v1之間，功率低電壓v1可以是例如低阻抗功率低電源(例如地)。當(dāng)收發(fā)器158例如通過接口引腳接收瞬態(tài)電事件時，雙向保護(hù)設(shè)備156可以將與瞬態(tài)電事件相關(guān)聯(lián)的電流轉(zhuǎn)移或分流到功率低電壓v1，例如系統(tǒng)接地(gnd)，從而防止損壞電連接到接口引腳的內(nèi)部電路部件。

收發(fā)器接口電路154可以在具有各種共模電壓范圍的輸入信號下工作。在各種操作環(huán)境下的過電壓條件的范圍包括例如由iso-7637和iso-16750標(biāo)準(zhǔn)定義的范圍。為了在這些環(huán)境下響應(yīng)，可能需要設(shè)計保護(hù)設(shè)備156以可變的雙向阻斷電壓進(jìn)行操作，以快速響應(yīng)(例如，在2ns內(nèi))并處理大量的應(yīng)力電流，以安全地防止系統(tǒng)損壞應(yīng)力條件如iec61000-4-2或iso10605標(biāo)準(zhǔn)。此外，在一些應(yīng)用中，可能需要具有可變和/或不對稱觸發(fā)電壓以及可變和/或不對稱保持電壓的保護(hù)設(shè)備156。

圖1c是根據(jù)實施例的以堆疊配置布置并且集成有雙向保護(hù)設(shè)備的封裝(sip)160系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。sip160包括多個芯片上系統(tǒng)(soc)，包括通信地耦合到第一soc162和第二soc164，并且使用膠層168以堆疊的配置物理地附接。第一soc162可以是例如根據(jù)實施例的在第一半導(dǎo)體處理技術(shù)中實現(xiàn)的高性能信號處理、感測和通信soc以及可以包括在第二半導(dǎo)體處理技術(shù)中實現(xiàn)的雙向保護(hù)設(shè)備的第二soc164。第二soc164被配置為通過集成雙向保護(hù)設(shè)備耦合到外部接觸引線172，從而為sip160提供防止瞬時電氣事件的保護(hù)。

圖1d是根據(jù)實施例的在其中集成有雙向保護(hù)設(shè)備的橫向相鄰配置中布置的包裝系統(tǒng)(sip)180的示意性平面圖。sip180包括多個soc，包括第一片上系統(tǒng)(soc)184和第二片上系統(tǒng)(soc)188，第二片上系統(tǒng)(soc)188彼此通信耦合并橫向相鄰。第二soc188可以是例如在多個專用半導(dǎo)體工藝技術(shù)中實現(xiàn)的高性能信號處理器，隔離器，感測或通信soc。根據(jù)實施例，第一soc184可以包括以不同的半導(dǎo)體工藝技術(shù)實現(xiàn)的多個雙向保護(hù)設(shè)備186a-186c。第二soc184被配置為通過集成在其中的雙向保護(hù)設(shè)備耦合到多個外部接觸引線，從而為sip180防止瞬時電氣事件提供保護(hù)。在所公開的技術(shù)的范圍內(nèi)，可以適當(dāng)?shù)匦纬稍趕oc內(nèi)或芯片與封裝引腳之間的不同晶片之間的多個連接。

圖2a和2b分別示出根據(jù)實施例的可以用雙向保護(hù)設(shè)備實現(xiàn)的收發(fā)器接口200和250的電路圖。收發(fā)器接口200,250可以是例如諸如半雙工或全雙工通信收發(fā)器ic的接口ic，其中終端或引腳直接暴露給用戶，例如連接到汽車電纜或工業(yè)機械硬度，在正常的操作環(huán)境。收發(fā)器接口200,250可以用于通過接口來傳送數(shù)據(jù)，例如通過使用低電壓差分信令。

參考圖2a，收發(fā)器接口200包括第一和第二端子(左和右tx_rx's)、功率鉗位204、第一至第四電路驅(qū)動器控制單元208a-208d、第一鉗位設(shè)備202a、第二鉗位設(shè)備202b、第一至第六型金屬氧化物半導(dǎo)體(nmos)晶體管216a-216f、第一至第四p型金屬氧化物半導(dǎo)體(pmos)晶體管212a-212d、第一電阻器r1和第二電阻器r2。

nmos晶體管216a-216f和pmos晶體管212a-212d可以用于通過端子tx_rx電傳輸信號。例如，電路驅(qū)動器控制單元208a-208d可用于控制nmos晶體管216a-216f和pmos晶體管212a，212d的柵極電壓，以控制端子tx_rx之間的差分電壓。電壓可以具有正極性或負(fù)極性。

第一鉗位設(shè)備202a包括電連接到第一端子tx_rx(左)的第一端子和電連接到功率低電壓的第二端子，襯底電壓vsub。類似地，第二鉗位設(shè)備202b包括電連接到第二端子tx-rx(右)的第一端子和電連接到襯底電壓vsub的第二端子。第一和第二鉗位設(shè)備202a，202b可用于保護(hù)收發(fā)器接口200免受esd和/或emi事件的影響。鉗位設(shè)備202a，202b可以保護(hù)收發(fā)器接口200的組件，包括例如與部件相關(guān)聯(lián)的寄生襯底裝置。

圖2b示出根據(jù)實施例的另一個收發(fā)器接口250的電路圖，其可以包括本文所述的一個或多個雙極性過電壓鉗位設(shè)備。收發(fā)器接口250包括第一引腳1、第二引腳2、收發(fā)器電路(tx/rx)253、第一鉗位設(shè)備257a、第二鉗位器件257b、第一n型金屬氧化物半導(dǎo)體(nmos)晶體管258a、第二nmos晶體管258b、p型金屬氧化物半導(dǎo)體(pmos)晶體管259a、第二pmos晶體管259b、第一電阻260a、第二電阻260b、第三電阻260c、第四電阻260d、第一二極管結(jié)構(gòu)261a和第二二極管結(jié)構(gòu)261b。

nmos晶體管258a，258b和pmos晶體管259a，259b可以用于在第一和第二引腳1,2上的電傳輸信號。例如，收發(fā)器電路253可以用于控制nmos的柵極電壓晶體管258a，258b和pmos晶體管259a，259b，例如，以控制第一和第二引腳1,2之間的差分電壓。電壓可以具有正極性或負(fù)極性。

仍然參考圖2b，收發(fā)器接口250可以從功率高電源電壓v2和功率低電源電壓v1接收功率。收發(fā)器接口250的某些部件(諸如nmos晶體管258a，258b，pmos晶體管259a，259b，二極管結(jié)構(gòu)261a，261b和鉗位器件257a，257b)可以在使用襯底電壓vsub偏置的襯底中制造。

收發(fā)器接口250中可以存在各種寄生襯底設(shè)備。寄生襯底設(shè)備可以包括電連接到襯底電壓vsub的端子。缺少保護(hù)時，寄生襯底器件可在esd和/或emi條件下?lián)p壞。

在所示配置中，nmos晶體管258a，258b分別包括寄生襯底雙極晶體管267a，267b。此外，pmos晶體管259a，259b包括寄生襯底二極管268a-268d。此外，二極管結(jié)構(gòu)261a，261b分別包括寄生襯底二極管268e，268f。盡管圖2b中示出了某些寄生襯底器件，寄生襯底器件的其它結(jié)構(gòu)是可能的。

第一鉗位設(shè)備257a包括電連接到第一引腳1的第一端子vh，電連接到功率低電壓v1的第二端子vl，以及電連接到襯底電壓vsub的襯底端子。此外，第二鉗位設(shè)備257b包括電連接到第二引腳2的第一端子vh，電連接到功率低電壓v1的第二端子vl以及電連接到襯底電壓vsub的襯底端子。第一和第二鉗位設(shè)備257a，257b可用于保護(hù)收發(fā)器接口250免受esd和/或emi事件的影響。鉗位設(shè)備257a，257b可以保護(hù)收發(fā)器接口250的組件，包括例如與組件相關(guān)聯(lián)的寄生襯底裝置。

圖2a和2b的收發(fā)器接口200和250分別示出了可以用本文所述的雙向保護(hù)設(shè)備來實現(xiàn)的收發(fā)器接口。然而，收發(fā)器接口可以以其他方式實現(xiàn)以滿足通信協(xié)議限制。

另外，盡管在收發(fā)器接口的上下文中示出了夾緊裝置，但是本文所描述的鉗位設(shè)備可以用于各種各樣的ic和其他電子裝置，包括例如工業(yè)控制系統(tǒng)，接口系統(tǒng)，功率管理系統(tǒng)，微機電系統(tǒng)(mems)傳感器系統(tǒng)，汽車系統(tǒng)，無線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)和/或數(shù)字信號處理(dsp)系統(tǒng))。此外，盡管收發(fā)器接口20已經(jīng)被示出為包括兩個信號引腳和兩個鉗位設(shè)備，但是可以包括更多或更少的鉗位設(shè)備和引腳以滿足系統(tǒng)規(guī)格。此外，夾持裝置可以以其他方式連接。例如，鉗位設(shè)備的端子可以以其它方式連接，例如連接到其它節(jié)點和/或電壓。

圖3a是根據(jù)實施例的具有觸發(fā)設(shè)備和增益控制的雙向半導(dǎo)體可控整流器(scr)的雙向保護(hù)設(shè)備400的示意性電路圖。參考圖3a，雙向保護(hù)設(shè)備400包括被配置為在其間接收瞬時電信號的第一端子(t1)和第二端子(t2)，例如可能超過雙向保護(hù)設(shè)備的觸發(fā)電壓的瞬態(tài)正或負(fù)電壓信號例如，t1或t2中的一個可以是ic的信號引腳或焊盤，t1或t2中的另一個可以是功率低的引腳或焊盤，例如與電源低電壓電源相關(guān)聯(lián)的焊盤如vss或接地。

圖3a的雙向保護(hù)設(shè)備400包括被配置為提供第一電流并聯(lián)路徑和被配置為提供第二電流分路路徑的雙向半導(dǎo)體可控整流器(scr)404的觸發(fā)設(shè)備402。觸發(fā)設(shè)備402和雙向scr404彼此電耦合并且被配置為使得觸發(fā)設(shè)備402在閾值或觸發(fā)時放電或接收第一電流或放電電荷載體(即，電子或空穴)，其中至少部分地使雙向scr404觸發(fā)以釋放第二電流。

雙向保護(hù)設(shè)備400的觸發(fā)設(shè)備402包括npn雙極結(jié)晶體管(bjt)410，pnp雙極結(jié)型晶體管(bjt)406或雪崩pn二極管408中的一個或多個。觸發(fā)設(shè)備402具有各種裝置的更詳細(xì)的描述如下。圖4a示出了具有npnbjt的實施例，圖4b示出了具有雪崩pn二極管的示例實施例，圖4c示出了具有pnpbjt的實施例。觸發(fā)設(shè)備402具有第一裝置端子t1和第二裝置端子t2，每個端子可以是觸發(fā)設(shè)備402的晶體管端子或二極管端子之一。觸發(fā)設(shè)備402的t1電連接，例如直接連接，而觸發(fā)設(shè)備402的t2例如通過第三電阻器(r3)連接到雙向scr404并被配置為向其提供電流或從其接收電流(即，提供電荷載波)。在各種實施例中，觸發(fā)設(shè)備的t2可以連接到雙向scr404的中心區(qū)域，例如npnpn雙向scr的中心n型區(qū)域。

應(yīng)當(dāng)理解，盡管圖3a中未示出，可以存在附加的觸發(fā)設(shè)備，其具有第三端子(t3，未示出)，其被電連接，例如直接連接到雙極保護(hù)設(shè)備400的t2，并且通常連接到雙向scr404通過第三電阻(r3)。具有附加觸發(fā)設(shè)備的實施例在下文中相對于圖5更詳細(xì)地描述。

雙向scr404包括第一npn雙極晶體管(bjt)412，pnp雙向雙極晶體管(bjt)414和第二npn雙極晶體管(bjt)416。第一npnbjt412的發(fā)射極電連接通過第一電阻器r1到t1，并且第一npnbjt412的基極通常電連接到t1，使得第一npnbjt416的集電極和基極通過r1彼此電連接。第一npnbjt412的基極電連接到pnp雙向bjt414的集電極/發(fā)射極(c/e)，并且第一npnbjt412的集電極電連接到pnp雙向bjt414的基極。類似地，第二npnbjt416的發(fā)射極通過第二電阻器r2電連接到t2，并且第二npnbjt416的基極通常電連接到t2，使得第二npnbjt416的集電極和基極為通過r2彼此電連接。第二npnbjt416的基極電連接到pnp雙向bjt414的發(fā)射極/集電極(e/c)，并且第二npnbjt416的集電極電連接到pnp雙向bjt414的基極。

現(xiàn)在參考圖3a中所示的觸發(fā)設(shè)備402和雙向scr404之間的電連接。如圖3a所示，觸發(fā)設(shè)備402的第一裝置端子t1通過第一電阻器r1電連接到第一npnbjt412的發(fā)射極。也就是說，第一npnbjt412的發(fā)射極和觸發(fā)設(shè)備402的第一裝置端子t1通常電連接到用于接收瞬態(tài)電信號的t1。此外，觸發(fā)設(shè)備402的第二裝置端子t2通過第三電阻器r3電連接到pnp雙向bjt414的基極，使得一旦被激活，觸發(fā)設(shè)備402被配置為提供或從雙向觸發(fā)當(dāng)前itr的scr404至少部分地導(dǎo)致雙向scr404的激活，這在下面更詳細(xì)地討論。在所示實施例中，觸發(fā)設(shè)備402被配置為向pnp雙向bjt414的基極區(qū)域提供電子。在下文中，描述雙向scr404的操作原理，其次是觸發(fā)設(shè)備402和觸發(fā)設(shè)備402與雙向scr404的電耦合。

在一個說明性方面，雙向scr404可以被描述為包括配置為第一npnpscr的pnp雙向bjt414和第一npnbjt412，以響應(yīng)于在t2相對接收的正電壓而被激活到t1(或相對于t2在t1接收的負(fù)電壓)。雙向scr404可以被描述為另外包括被配置為第二npnpscr的pnp雙向bjt414和第二npnbjt416，以響應(yīng)于在t1處相對于t2接收到的正電壓來激活(或者是負(fù)的在t2相對于t1接收的電壓)。以這種方式，可以在t1和t2之間的任何電壓極性中觸發(fā)雙向scr404。

第一npnpscr包括：包含第一npnbjt412的發(fā)射極的第一n區(qū)；包括pnp雙向bjt414的集電極/發(fā)射極(c/e)的第一p區(qū)域，其可以與第一npnbjt412的基極共同或連接到第一npnbjt412的基極；第二n區(qū)，包括可以與第一npnbjt412的集電極共用或連接的pnp雙向bjt414的基極；以及包括pnp雙向bjt414的發(fā)射極/集電極(e/c)的第二p區(qū)。如本文所述，第一n區(qū)，第二n區(qū)和第二p區(qū)有時可以被稱為分別為第一npnpscr的“陰極”、“柵極”和“陽極”。

類似地，第二npnpscr包括：包括第二npnbjt416的發(fā)射極的第一n區(qū)；包括pnp雙向bjt414的發(fā)射極/集電極(e/c)的第一p區(qū)域，其可以與第二npnbjt416的基極共同或連接到第二npnbjt416；包括pnp雙向bjt414的基座的第二n區(qū)，其可以與第二npnbjt416共用或連接到集電極；以及包括雙向pnpbjt414的集電極/發(fā)射極(c/e)的第二p區(qū)。如本文所述，有時可以將第一n區(qū)、第二n區(qū)和第二p區(qū)稱為分別為第二npnpscr的“陰極”、“柵極”和“陽極”。

不受任何理論束縛，應(yīng)當(dāng)理解，可以以不同的方式激活第一和第二npnpscr中的每一個。一種激活模式與施加在第一或第二npnpscr的陰極和陽極之間的電壓相關(guān)聯(lián)。有時將該模式稱為電壓觸發(fā)，當(dāng)超過閾值的正向電壓(即正電壓)位于npnpscr的陰極之間的陽極時，會發(fā)生電壓觸發(fā)。在低于第一npnpscr的閾值電壓的正向電壓下，第一n型區(qū)域與第一p型區(qū)域之間的第一np結(jié)與第二n型區(qū)域與第二p型區(qū)域之間的第二np結(jié)正向偏置，而第一p型區(qū)域和第二n型區(qū)域之間的中間pn結(jié)最初是反向偏置的。最初，由于很少的載流子穿過中間的pn結(jié)，所以pnpnscr的電流很小。然而，在超過第一npnpscr的第一閾值的正向電壓以上時，第一npnpscr部分地由于中間pn結(jié)中的載流子的雪崩乘法而開始導(dǎo)通。一旦擊穿開始，第一p型區(qū)域和第二n型區(qū)域中的多數(shù)載流子的增加驅(qū)動中間pn結(jié)進(jìn)行正向偏置，導(dǎo)致低阻抗?fàn)顟B(tài)，其中第一npnpscr的所有結(jié)點變?yōu)檎蚱姰?dāng)超過閾值的正向電壓被放置在相對于第二npnpscr的陰極的陽極之間時，類似的條件可以將第二npnpscr觸發(fā)成低阻抗?fàn)顟B(tài)。

欠電壓觸發(fā)模式下，當(dāng)瞬態(tài)電事件在t1上相對于t2的負(fù)電壓(其絕對值超過第一觸發(fā)電壓(vtr1))或相對于t1的t2上的負(fù)電壓絕對值超過第二觸發(fā)電壓(vtr2)時，第一和第二npnpscr都可以被閾值化，使得雙向scr204被激活。作為關(guān)于圖3a的雙向scr404的事件的說明性示例序列，響應(yīng)于相對于超過vtr1的t2的t1上的負(fù)電壓，第一npnbjt412可能開始導(dǎo)通，導(dǎo)致其集電極電位被下拉，這進(jìn)而降低pnp雙向bjt的基極電位這又導(dǎo)致中間np結(jié)的結(jié)擊穿，導(dǎo)致pnp雙向bjt414進(jìn)行。當(dāng)pnp雙向bjt414開始導(dǎo)通時，其集電極電位被拉起，其又提升第二npnbjt416的基極電位。可替換地，響應(yīng)于相對于t1的t2上的負(fù)電壓超過vtr2，類似的事件序列可以導(dǎo)致雙極scr404觸發(fā)到導(dǎo)通狀態(tài)。一旦以這種方式觸發(fā)雙向scr404，則它進(jìn)入低阻抗模式，其中可以通過在第一npnbjt412,416和pnp雙向bjt414之一上形成的反饋回路來維持低阻抗如上所述，即使t1和t2兩端的絕對電壓隨后都低于vtr1和vtr2。

除了上述激活的電壓觸發(fā)模式之外，當(dāng)多數(shù)載波被提供給上述第一和第二npnpscr的柵極時，雙極scr404的激活可以由另一激活模式引起，這是上述的圖3a中的pnp雙向bjt414的基極。有時稱為柵極觸發(fā)的第二模式發(fā)生在與上述第一或第二npnpscr兩端的正向電壓組合時，將電荷載體(例如，電子)提供給柵極(例如，第一或第二npnpscr的pnp雙向bjt414)。提供給npnpscr的柵極的電荷載體通過向柵極區(qū)域提供多數(shù)載流子來加速低阻抗?fàn)顟B(tài)，使得中間pn結(jié)的正向偏置可以被加速，從而加速低阻抗?fàn)顟B(tài)。在圖3a的雙向scr404中，觸發(fā)設(shè)備402被配置為將電荷載流子提供給第一和第二npnpscr的柵極。

在操作中，當(dāng)t1和t2兩端的電壓超過閾值或者觸發(fā)觸發(fā)設(shè)備402的電壓時，觸發(fā)設(shè)備402可以被激活。在觸發(fā)設(shè)備402被激活時，觸發(fā)設(shè)備402產(chǎn)生觸發(fā)當(dāng)前itr，其至少部分地導(dǎo)致雙向scr404被激活。觸發(fā)設(shè)備402的示例性實施例在下面參考圖4a-4c描述。

圖3b是示出觸發(fā)設(shè)備和增益控制雙向scr的電流-電壓(iv)曲線的示意圖300，如果觸發(fā)設(shè)備未連接以引起雙向scr的觸發(fā)，則將單獨獲得。具體地，圖304示意性地示出了雙向scr404對在t1和t2之間接收的電壓信號的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，并且圖308示意性地示出了觸發(fā)設(shè)備402對在t1和t2之間接收的電壓信號的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)t2。x軸和y軸分別表示準(zhǔn)靜態(tài)電壓和相應(yīng)的電流。iv曲線304和308具有各自的特征在于源極和相應(yīng)的擊穿電壓vbd1和vbd2之間的非常高的阻抗的阻擋區(qū)域(“off”區(qū)域)304a和308a。vbd1可以對應(yīng)于scr的觸發(fā)電壓(vtr)，vbd2可以對應(yīng)于觸發(fā)設(shè)備的bjt或雪崩二極管的閾值電壓(vth)。當(dāng)t1和t2兩端的電壓達(dá)到vbd1并且t1和t2兩端達(dá)到vbd2時，dv/di變?yōu)榱?，并且發(fā)生各個雙向scr404和觸發(fā)設(shè)備402的切換。阻擋區(qū)域304a和308a之后分別是vbd1和第一保持電壓vh1之間以及vbd2和第二保持電壓vh2之間的相應(yīng)的負(fù)電阻區(qū)域304b和308b(也稱為“回扣區(qū)域”)，隨后是各個正電阻區(qū)域(“on”區(qū)域)304c和308c。在保持電壓vh1和vh2中，相應(yīng)的保持電流值分別為ih1和ih2，其可以表示可維持各個器件的“導(dǎo)通”狀態(tài)的最小電流電平。根據(jù)實施例，雙向scr404和觸發(fā)設(shè)備402被配置為使得在準(zhǔn)靜態(tài)條件下或響應(yīng)于具有較長持續(xù)時間(例如，大于約100ns或大于約1μs)的電壓信號，雙向scr404的vbd1低于觸發(fā)設(shè)備402的vbd2。例如，雙向scr404可以被配置為在準(zhǔn)靜態(tài)條件下具有約5v至約25v之間或約10v至約20v之間的vbd1，例如約15v，而觸發(fā)設(shè)備402可以被配置為具有約10v至約40v之間，約15v至約35v之間或約20v至約30v之間的vbd2，例如約25v。

圖3c是示出與圖3a相同的觸發(fā)設(shè)備和增益控制雙向半導(dǎo)體可控整流器的電壓-時間(v-t)曲線的示意圖320，為了說明的目的，單獨地(即，不彼此連接)。具體地，曲線圖314示意性地示出了雙向scr404對在t1和t2之間接收的相對短脈沖(例如，短于大約1微米或更短于約100ns)的電壓信號的響應(yīng)，并且圖形318示意性地示出了觸發(fā)設(shè)備402對在t1和t2之間接收的相對短脈沖的電壓信號的響應(yīng)。圖形320的x軸和y軸分別表示時間和傳輸線脈沖(tlp)電壓。vt曲線314和318具有在對應(yīng)于雙向scr404和觸發(fā)設(shè)備402的原點和相應(yīng)的擊穿時間tbd1和tbd2之間具有特征在于非常高阻抗的阻塞區(qū)域(“off”區(qū)域)314a，318a。在tbd1和tbd2，dv/dt達(dá)到零，并且發(fā)生觸發(fā)設(shè)備402的切換，隨后發(fā)生雙向scr404的切換。阻擋區(qū)域314a和318a之后分別是tbd1和第一保持時間th1之間以及tbd2和第二保持時間th2之間的相應(yīng)的負(fù)電阻區(qū)域314b和318b，隨后分別是相應(yīng)的正電阻區(qū)域(“on”區(qū)域)314c和318c。在保持時間th1和th2，相應(yīng)的電流值為ih1和ih2。不同于各個器件對準(zhǔn)靜態(tài)電壓信號的響應(yīng)，如上文參考圖3b所述，雙向scr404和觸發(fā)設(shè)備402被配置為使得響應(yīng)于相對短的持續(xù)時間，例如響應(yīng)于在t1和t2之間以及t1和t2之間接收的傳輸線脈沖，雙向scr的vbd1404基本上高于觸發(fā)設(shè)備402的vbd2。例如，雙向scr404可以被配置為在具有非常短的瞬態(tài)電壓持續(xù)時間的tlp條件下具有例如在約100ps和約100ps之間的上升時間10ns，例如600ps，和/或具有約5ns至約500ns之間的脈沖寬度，例如100ns，約50v至約150v之間的vbd1，約75v至約125v之間，例如約100v，而觸發(fā)設(shè)備402可以被配置為具有在約10v和約50v基本上較低的vbd2，約20v至約40v之間，例如約30v。

如圖3b和3c所示，雙向scr404和觸發(fā)設(shè)備402中的每一個可以被激活到低阻抗?fàn)顟B(tài)的電壓可以取決于持續(xù)時間，例如，由相應(yīng)設(shè)備接收的激活信號的時間寬度。相反，雙向scr404和觸發(fā)設(shè)備402中的每一個可以被激活到低阻抗?fàn)顟B(tài)的速度可以取決于由相應(yīng)裝置接收的激活信號的電壓。不受任何理論束縛，這種減少有時被稱為dv/dt效應(yīng)，其效應(yīng)的大小可以取決于反向偏置結(jié)的電容等因素。基于這種效果，發(fā)明人認(rèn)識到，如圖3c所示，雙向保護(hù)設(shè)備400可以被配置為使得與雙向scr404和觸發(fā)設(shè)備402的激活相關(guān)聯(lián)的v-t曲線318和314可以被定制，例如重疊或分開。在所示示例中，雙向scr404和觸發(fā)設(shè)備402的vt曲線的峰值可以被調(diào)整為在一定的時間窗內(nèi)，例如以防止觸發(fā)設(shè)備402的物理損壞，觸發(fā)設(shè)備402可能未配置以處理與雙向scr404相同的電流。例如，在各種實施例中，對于雙向scr404和具有上面參照圖3b描述的vbd1和vbd2值的觸發(fā)設(shè)備402，對于具有例如約100ps至約10ns(例如600ps)和/或具有約5ns至約500ns(例如100ns)之間的脈沖寬度的上升時間的瞬態(tài)電壓信號，差值(tbd1vt曲線314和318的峰值之間的峰值可以為例如約200ps至約10ns，介于約150ps至約5.5ns之間，例如約3ns。

仍然參考圖3b和3c，應(yīng)當(dāng)理解，在某些條件下，瞬態(tài)電壓信號可激活觸發(fā)設(shè)備，但不激活雙向scr，例如，當(dāng)瞬態(tài)電壓信號的電壓在vbd1與vbd2之間時，和/或當(dāng)瞬態(tài)電壓信號的持續(xù)時間在tbd1和tbd2之間。

參考圖3c，對于某些應(yīng)用，可能希望具有雙向scr的相對較高的保持電壓(vh)，以防止對諸如可與雙向保護(hù)設(shè)備串聯(lián)連接的電阻器的無源部件的損壞。返回參考圖3a，在本文描述的各種實施例中，可以通過降低第一和/或第二npnbjt412,416的發(fā)射極注入效率和電流增益來增加vh，這可以通過連接第一npn的發(fā)射極區(qū)域來實現(xiàn)bjt412連接到第一電阻器r1并將第二npnbjt412的發(fā)射極區(qū)域連接到第二電阻器r2。在各種實施方案中，通過將r1和r2中的每一個調(diào)整為具有在約0.001歐姆與約20歐姆之間，約0.5歐姆與約2歐姆之間或約2歐姆與約10歐姆之間的范圍內(nèi)的電阻值，vh可以相應(yīng)地調(diào)整雙向scr404的值可以在約3v至約15v之間，約4v至約5v之間或約5v至約8v之間的范圍內(nèi)的值。

圖4a-4c是根據(jù)各種實施例的具有不同觸發(fā)設(shè)備的雙向保護(hù)設(shè)備的示意電路圖。類似于上面關(guān)于圖3a描述的雙向保護(hù)設(shè)備400，圖4a-4c包括雙向scr404和觸發(fā)設(shè)備，其中觸發(fā)設(shè)備和雙向scr404彼此電耦合，使得觸發(fā)設(shè)備在被激活時使載流子(例如電子)流入或流出的雙向scr404，其至少部分地導(dǎo)致雙向scr404被激活。

圖4a示出了根據(jù)實施例的雙向保護(hù)設(shè)備420，其中觸發(fā)設(shè)備422包括觸發(fā)bjt406的pnp。pnp觸發(fā)bjt406包括電連接到第一npnbjt412的基極和t1的集電極，并且還包括電連接到雙向scr404的pnp雙向bjt414的基極的基極，通過第五電阻r5。觸發(fā)bjt406的pnp還包括通過第三電阻器r3連接到pnp雙向scr414的第一和第二npnbjt412,416的集電極的發(fā)射極。當(dāng)雙向保護(hù)設(shè)備420在t1相對于t2接收到負(fù)瞬時電信號時，觸發(fā)bjt406的pnp被激活，從而通過pnp雙向bjt414的基極向雙向scr404提供電子，這進(jìn)而加速雙向scr404的激活成為低阻抗?fàn)顟B(tài)，如上面結(jié)合圖3a所討論的。

圖4b示出了根據(jù)實施例的雙向保護(hù)設(shè)備440，其中觸發(fā)設(shè)備442包括雪崩觸發(fā)二極管408。雪崩觸發(fā)二極管408包括電連接到第一npnbjt412的基極和t1的p型陽極。雪崩觸發(fā)二極管408還包括通過第三電阻器r3電連接到雙向scr404的pnp雙向bjt414的基極的n型陰極。當(dāng)雙向保護(hù)設(shè)備440在t1相對于t2接收到負(fù)瞬態(tài)電信號時，雪崩觸發(fā)二極管408被激活，從而通過pnp雙向bjt414的基極向雙向scr404提供電子，這進(jìn)而加速雙向scr404的激活成為低阻抗?fàn)顟B(tài)，如上面結(jié)合圖3a所討論的。

圖4c示出了根據(jù)實施例的觸發(fā)設(shè)備462包括觸發(fā)bjt410的npn的雙向保護(hù)設(shè)備460。觸發(fā)bjt410的npn包括電連接到第一npnbjt412的基極并且通過第六電阻器r6連接到t1的基極，并且還包括電連接到第一npnbjt412的發(fā)射極和t1至第一電阻器r1。觸發(fā)bjt406的npn還包括通過第三電阻器r3連接到雙向scr404的pnp雙向bjt414的基極的集電極。當(dāng)雙向保護(hù)設(shè)備460在t1相對于t2接收到負(fù)瞬態(tài)電信號時，觸發(fā)bjt410的npn被激活，從而通過pnp雙向bjt414的基極向雙向scr404提供電子，這進(jìn)而加速雙向scr404的激活成為低阻抗?fàn)顟B(tài)，如上面結(jié)合圖3a所討論的。

圖5是示出根據(jù)一些實施例的具有多個基于pnp雙極結(jié)晶體管的觸發(fā)設(shè)備和增益控制雙向觸發(fā)設(shè)備的雙向保護(hù)設(shè)備500的示意性電路圖。圖5示出了除了保護(hù)設(shè)備電路之外，在一些實施例中可以存在的周圍電路。

雙向保護(hù)設(shè)備500包括與圖4a的雙向scr404類似的雙向scr504,并且包括第一npnbjt512，pnp雙向bjt514和第二npnbjt516。雙向scr504以與圖4a的雙向scr404類似的方式電連接到r1，r2，t1和t2，并且省略了類似的電連接的詳細(xì)描述。

也類似于圖4a的雙向保護(hù)設(shè)備420，根據(jù)實施例，雙向保護(hù)設(shè)備500包括觸發(fā)設(shè)備522，其包括觸發(fā)bjt506a的第一pnp。觸發(fā)bjt506a的第一pnp以與圖4a的觸發(fā)設(shè)備422類似的方式電連接到第一npnbjt512，t1，r5，雙向bjt514和r3，并且省略了類似的電氣連接的詳細(xì)描述。除了第一pnp觸發(fā)bjt506a之外，雙向保護(hù)設(shè)備500還包括觸發(fā)bjt506b的第二pnp。觸發(fā)bjt506b的第二pnp包括電連接到第二npnbjt516和t2的基極的集電極，并且還包括通過r5電連接到雙向scr504的pnp雙向bjt514的基極的基極。觸發(fā)bjt506b的第二pnp的發(fā)射極通過第四電阻器r4電連接到雙向scr514。

在操作中，當(dāng)雙向保護(hù)設(shè)備520在t1和t2之間接收到超過某一值的負(fù)瞬態(tài)電信號時，觸發(fā)bjt506a的第一pnp可以被激活，并且通過以下方式提供電子給雙向scr404：雙向bjt514，其至少部分地使雙向scr504的激活進(jìn)入低阻抗?fàn)顟B(tài)，如上面結(jié)合圖3a所討論的。類似地，當(dāng)雙向保護(hù)設(shè)備520在t1和t2之間接收超過一定值的正瞬態(tài)電信號時，觸發(fā)bjt506b的第二pnp可以被激活，并且通過pnp雙向bjt的基極向雙向scr504提供電子514，其至少部分地使雙向scr504的激活成為低阻抗?fàn)顟B(tài)。雖然在一些實施例中，第一pnpbjt506a，第二pnpbjt506b和雙向scr514可以被配置為使得足以激活雙向保護(hù)設(shè)備520的絕對電壓在相反的極性上可以相似或相同，但在其它實施例中它們可以被配置為使得足以激活雙向保護(hù)設(shè)備520的絕對電壓可以在相反極性方面不同，這取決于應(yīng)用。

現(xiàn)在參考雙向保護(hù)設(shè)備500的周圍電路，可以存在電連接到雙向scr504的寄生電路530。寄生電路530包括第一寄生pnpbjt534和第二寄生pnpbjt538，每個寄生pnpbjt538具有共同連接到pnp雙向bjt514的基極的基極。此外，第一和第二寄生pnpbjt534和538具有發(fā)射極電連接到雙向bjt514的c/e和e/c。第一寄生pnpbjt的集電極可以連接到襯底區(qū)域554，例如形成在襯底中的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)。第一和第二寄生pnpbjt534和538的基極共同連接到第一npn寄生bjt542，其發(fā)射極可以連接到諸如天然埋層或深n阱的隔離區(qū)550。

應(yīng)當(dāng)理解，在寄生電路530中，第一npn寄生bjt542的集電極和第二pnp寄生bjt538的基極將彼此連接，并且第二pnp寄生bjt的集電極和538，并且第一npn寄生bjt542的基極彼此連接，使得第一npn寄生bjt542和第二pnp寄生bjt538形成交叉耦合的寄生pnpnscr546。寄生scr546可以由結(jié)構(gòu)例如隔離結(jié)構(gòu)(例如，天然摻雜掩埋層或深n阱)和襯底區(qū)域，并且是不期望的。因此，產(chǎn)生寄生pnpnscr546的結(jié)構(gòu)可以被配置為使得它們在操作中不被激活。仍然參考圖5，雙向保護(hù)設(shè)備500可以具有背柵極二極管548，其可以電連接到襯底區(qū)域554和t1。

圖6a和6b分別是根據(jù)一些實施例的具有集成觸發(fā)設(shè)備的雙向保護(hù)設(shè)備600的橫截面俯視圖。所示實施例是環(huán)形裝置，其中形成在基板中的各個區(qū)域圍繞環(huán)形裝置的中心區(qū)域，其中，圖6a示出了沿著環(huán)形裝置的一半截取的橫截面。

如圖6a所示，為了更好地理解與操作雙向保護(hù)設(shè)備600有關(guān)的各種結(jié)構(gòu)特征，各種結(jié)構(gòu)區(qū)域被覆蓋有等效電路圖。在下文中，首先描述各種結(jié)構(gòu)特征，然后是對應(yīng)的等效電路圖。雙向保護(hù)設(shè)備600包括半導(dǎo)體襯底602，例如p型半導(dǎo)體襯底，其中形成有插入在第一p型阱(pw)608和第二p型阱608之間的第一n型阱(nw)(pw)610。第一pw608在其中形成有第一重?fù)诫sn型(n+)區(qū)域620a區(qū)域，其電連接到第一端子t1，并且第二pw610在其中形成有第二重?fù)诫sn-類型(n+)區(qū)域620b，其電連接到第二端子(t2)，使得形成雙向可控硅整流器(scr)，其中雙向scr具有用作陰極/陽極(k/a)的第一n+區(qū)域，并且第二n+區(qū)域用作陽極/陰極(a/k)。

如本文和整個說明書所描述的，將理解的是，半導(dǎo)體襯底602可以以各種方式實施，包括但不限于摻雜半導(dǎo)體襯底或絕緣體上硅(soi)襯底，包括硅絕緣體硅結(jié)構(gòu)，其中使用諸如掩埋的sio2層的絕緣體層從支撐襯底隔離上述各種結(jié)構(gòu)。此外，應(yīng)當(dāng)理解，上述各種結(jié)構(gòu)可以至少部分地形成在形成在表面區(qū)域處或附近的外延層中。

在所示實施例中，第一pw608與第一nw618橫向分開間隙，而第二pw610接觸第一nw618以在它們之間形成連接點。然而，其他實施例是可能的，例如，其中第一pw608和第一nw618可以彼此接觸以在它們之間形成接合，和/或第二pw610和第一nw618被分離，這取決于所需的設(shè)備特點，如下文更詳細(xì)討論的。

如本文所使用的，接合區(qū)或結(jié)區(qū)是指當(dāng)兩種不同類型的半導(dǎo)體材料形成界面時形成的區(qū)域，并且可以包括靠近電子帶(即，導(dǎo)電帶和價帶)的界面附近的區(qū)域由于內(nèi)置電場。因此，結(jié)區(qū)域的尺寸可以取決于各種因素，例如形成結(jié)的不同類型的半導(dǎo)體材料的摻雜濃度和摻雜分布。

仍然參考圖6，雙向保護(hù)設(shè)備600包括設(shè)置在第一nw618，第一pw608和第二pw610的一個或多個的下端，例如緊鄰下方或與其接觸的深n阱(dnw)604。一些實施例中，dnw604在y方向上垂直地形成與第一pw608,610的連接區(qū)域，同時形成來自第一nw618的n型區(qū)域的垂直延伸。在第一pw608和第一nw618彼此橫向分離，和/或第二pw610和第一nw618彼此橫向分離，dnw604可以填充形成在分離區(qū)域之間的相應(yīng)間隙。例如，如圖6a所示，第一pw608和第一nw618由dnw604隔開，使得dnw604也可以形成來自第一nw618的橫向延伸區(qū)域。

仍然參考圖6a，第一n+區(qū)域620a，第一pw608，第一nw618，第二pw610和第二n+區(qū)域620b電連接，從而形成npnpn雙向scr。雙向scr包括第一pnp雙向bjt614、第一npnbjt612和第二npnbjt616，以類似的方式電連接于參照圖5描述的pnp雙向bjt514、第一npnbjt512和第二npnbjt516。

仍然參考圖6a，雙向保護(hù)設(shè)備600還包括與第一pw608相鄰的第二n型阱(nw)624。第二nw624在其中形成有第一重?fù)诫sp型(p+)區(qū)域628a。第一p+區(qū)628a，第二nw624和第一pw608被配置為第一觸發(fā)pnpbjt606a的發(fā)射極、基極和集電極。第一pw608在其中形成有第二重?fù)诫sp+區(qū)域628b，第一觸發(fā)pnpbjt606a的集電極通過該第二重?fù)诫sp+區(qū)域628b電連接到t1，使得第一觸發(fā)pnpbjt606a的集電極通常電連接到t1，其中第一n+區(qū)域620a被配置為雙向保護(hù)設(shè)備600的雙向scr的陰極/陽極(k/a)。

雙向保護(hù)設(shè)備600被配置為使得第二pw610插入在第一側(cè)上的第一nw618和第二側(cè)上的dnw604之間并與其接觸。dnw604在其中形成有第三重?fù)诫sp型(p+)區(qū)域628c。第三p+區(qū)域628c，dnw604和第二pw618被配置為第二觸發(fā)pnpbjt606b的發(fā)射極、基極和集電極。第二pw610在其中形成有第四重?fù)诫sp+區(qū)域628d，第二觸發(fā)pnpbjt606b的集電極通過該第二重?fù)诫sp+區(qū)域628d電連接到t2，使得第二觸發(fā)pnpbjt606b的集電極通常電連接到t2第二n+區(qū)域620b被配置為雙向保護(hù)設(shè)備600的雙向scr的陽極/陰極(a/k)。

在雙向保護(hù)設(shè)備600中，當(dāng)?shù)诙+區(qū)域628b直接電連接到t1時，第一n+區(qū)域620a通過第一電阻器r1電連接到t1。類似地，當(dāng)?shù)谒膒+區(qū)域628d直接電連接到t2時，第二n+區(qū)域620b通過第二電阻器r2電連接到t2。r1和r2具有分別連接到第一npnbjt612和第二npnbjt616的發(fā)射極的電阻值，可以可控地減少各個bjt的發(fā)射極注入效率和相應(yīng)增益，從而增加保持電壓npnpn雙向scr，如上文參考圖3c所述。通過圖案化一個或多個金屬化水平(例如，第一(m1)至第n(mn)個金屬化水平)可以在雙向保護(hù)設(shè)備600之上形成r1和r2，其中n可以是2至10。每個r1和r2可以由的圖案化多晶硅或圖案化的薄膜金屬層中的一個或多個形成。

第一觸發(fā)pnpbjt606a和第二觸發(fā)pnpbjt606b被進(jìn)一步配置為使得相應(yīng)的發(fā)射器通過形成在雙向保護(hù)設(shè)備600上方的一個或多個金屬化電平電連接到第一nw618。在所示實施例中，第一p+區(qū)域628a通過形成在一個或多個第一p+區(qū)域628a上的第三電阻器r3電連接到形成在第一nw618中的第三重?fù)诫s(n+)區(qū)域620c，其可以設(shè)置在npnpn雙向scr的中心區(qū)域。類似地，第三p+區(qū)域628c通過形成在一個或多個金屬化層級652上的第四電阻器r4與形成在第一nw618中的第三重?fù)诫s(n+)區(qū)域620c電連接。各種實施例中，r3和r4中的每一個具有約0.01歐姆至約2000歐姆之間的電阻值，例如約0.05歐姆。r3和r4中的每一個可以由一個或多個圖案化多晶硅或圖案化的薄膜金屬層形成。

因此，雙向保護(hù)設(shè)備600包括：包括第一n+區(qū)域620a，第一pw608，第一nw618，第二pw610和第二n+區(qū)域620b的npnpn雙向scr；第一觸發(fā)設(shè)備，包括包括第一p+區(qū)628a，第二nw624和第一pw608的第一觸發(fā)pnpbjt606a；以及包括包括第三p+區(qū)域628c，dnw604和第二pw610的第二觸發(fā)pnpbjt606b的第二觸發(fā)設(shè)備。通過使第一和第二觸發(fā)bjt606a和606b的發(fā)射極電連接到npnpn雙向scr通過第一nw618在被激活時向其提供電子，npnpn雙向scr和第一和第二觸發(fā)設(shè)備類似于上面參照圖5描述的雙向scr504和觸發(fā)設(shè)備522操作。

現(xiàn)在結(jié)合圖6a參考圖6b，描述雙向保護(hù)設(shè)備600的環(huán)形構(gòu)造。雙向保護(hù)設(shè)備600具有設(shè)置在環(huán)形構(gòu)造的中心處的第三n型阱(nw)640，并且在其中形成有第六重?fù)诫sn型(n+)區(qū)域620f。第三nw640由第二pw610，第一nw618，第一pw608，第二nw624，第四n型阱(nw)644連續(xù)地圍繞，其中形成有第四重?fù)诫sn型(n+)阱區(qū)域620d和在其中形成有第七重?fù)诫sp型(p+)區(qū)域628g的第三p型阱(pw)648。第七p+區(qū)域628g可以電連接，例如開爾文連接到vsub處的主電路基板，vsub可能處于地面。

應(yīng)當(dāng)理解，第三nw640，dnw604和第四nw644形成橫向和垂直地包圍他的第一pw608，第二pw610，第一nw618和第二nw的桶型隔離區(qū)在一些實施例中，桶型隔離可以是電漂浮的。

如上所述，第一和第二第一觸發(fā)器pnpbjt606a和606b通過在一個或多個金屬化電平652處形成的r3和r4電連接到第一nw618。雙向保護(hù)設(shè)備的金屬化處理架構(gòu)600包括多個金屬化水平，例如第一(m1)至第(mn)個金屬化水平，其中n可以是2至10。如本文所用，金屬化水平包括由導(dǎo)電材料形成的橫向延伸的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，例如cu、al或w，例如金屬線，其可以使用光刻掩模進(jìn)行圖案化，并且還包括垂直延伸的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，例如通孔或由例如cu，al或w的導(dǎo)電材料形成的觸點，其直接位于下方橫向延伸的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。因此，第一金屬化水平404包括襯底602上方的最低級金屬線以及在pw或nw內(nèi)的通向n+或p+區(qū)(例如，自對準(zhǔn)硅化物或“salicided”接觸))的通孔或觸點。類似地，m2包括m1上方的更高級別的金屬線以及通向m1的通孔或觸點。m3至mn在本文中類似地限定，以包括它們下方的橫向線和垂直連接。

在圖6b的自頂向下的圖示中，圖6a的一個或多個金屬化水平652由多個金屬帶652a/b形成，多個金屬帶652a/b通過第一p+區(qū)域628a徑向地電連接到第二nw624，通過第三n+區(qū)域620c連接到第一nw618，并通過第三p+區(qū)域連接到dnw604628c，如圖6a/6b所示。在一些實施例中，金屬條652a/b有利地形成在低于m3的金屬水平處，即在金屬化水平m1和/或m2處，以最小化所得到的凈電容，同時針對上述r3和r4的電阻值，rc延遲被最小化以將觸發(fā)載體傳送到第一nw618。例如，相鄰金屬帶652a/652b之間的尺寸和間隔可以被設(shè)計成使得凈電容低于約100ff，低于約50fff或低于約30ff。此外，應(yīng)當(dāng)理解，可以優(yōu)化金屬帶652a/652b的數(shù)量。例如，雖然在圖6b中示出了28(每側(cè)7個)金屬條652a和4金屬條652b，不同的布置是可能的，其中存在或多或少數(shù)量的金屬帶652a/b使得r3和r4中的每一個的凈電阻值在約0.001歐姆和約20歐姆之間，例如在0.05歐姆之間。

繼續(xù)參考圖6a，雙向保護(hù)設(shè)備600包括在x方向上橫向延伸并分離相鄰的重?fù)诫s(n+和p+)區(qū)域中的一些的多個電浮置金屬層：形成在第一pw608和第二p+區(qū)域628b和第一n+區(qū)域620a之間；形成在第一pw608的表面上以及第一n+區(qū)域620a和第五p+區(qū)域628e之間的第二電浮動金屬層632b；形成在第一nw618和dnw604之間以及第五p+區(qū)域628e和第三n+區(qū)域620c之間的接合區(qū)域的表面上的第三電浮動金屬層632c；形成在第一nw618的表面上以及第三n+區(qū)域620c和第六p+區(qū)域628f之間的第四電浮動金屬層632d；形成在第二pw610的表面上以及第六p+區(qū)域628f和第二n+區(qū)域620b之間的第五電浮動金屬層632e；以及形成在第二pw610的表面上以及第二n+區(qū)域620b和第四p+區(qū)域628d之間的第六電浮動金屬層632f。電浮置的金屬層是電浮動的，因為它們不與其它結(jié)構(gòu)電連接，并且與它們由薄的電介質(zhì)層形成的表面分離。不受任何理論的束縛，應(yīng)當(dāng)理解，浮動金屬層可以允許將相對摻雜的相鄰n+和p+區(qū)域放置在相對接近的橫向鄰近處，用于由以下步驟形成的器件的高電流(例如>1×10⁵a/cm²)具有改善的擊穿特性的n+和/或p+區(qū)域，例如由于帶-帶隧道和/或穿透效應(yīng)。這又允許優(yōu)化雙向scr器件的各種bjt以達(dá)到相對高的電流和高速能力，例如通過使第一npnbjt612，第二npnbjt616和雙向pnpbjt614的較短基極區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)最佳晶體管效率。

有利的是，第一至第六電浮置金屬層632a至632f可以在和使用在該裝置中的其它地方形成n-fet(未示出)或p-fet(未示出)的柵極疊層的處理步驟期間同時形成，電氣連接到雙向保護(hù)設(shè)備600。因此，在本文所述的各種實施例中，浮動金屬層形成在沉積的下部薄電介質(zhì)(例如，sio2，sion或高k電介質(zhì))上或生長以形成集成電路中其它地方的n-fet和/或p-fet的柵極電介質(zhì)(未示出)。因此，盡管為了清楚起見，雖然沒有在圖中示出，浮動金屬層不直接接觸它們形成在其上的阱的下面的表面，而是由薄的電介質(zhì)垂直地插入。此外，盡管為了清楚起見，盡管也未示出，但也可以在浮動金屬層的側(cè)壁上形成側(cè)壁間隔物(例如，sin間隔物)，以使浮動金屬層與相鄰的n+和p+區(qū)域接觸。底層?xùn)沤橘|(zhì)層和側(cè)壁間隔物防止在相鄰的n+和p+區(qū)之間形成直接的電短路。薄的電介質(zhì)層防止在浮動金屬層和下面的阱表面之間形成硅化物，并且用于電絕緣不與任何其它結(jié)構(gòu)電連接的浮動金屬層。

當(dāng)金屬層由n-fet的柵極形成時，可以使用的材料包括n摻雜半導(dǎo)體，例如n摻雜多晶硅或具有功函數(shù)φm，n的合適的“n型”金屬約4.1ev至約4.65ev之間，約4.1ev至約4.4ev之間，或約4.4ev至約4.65ev之間。當(dāng)金屬層由p-fet的柵極形成時，可以使用的材料包括p摻雜半導(dǎo)體，例如p摻雜多晶硅或具有函數(shù)φm的合適的“p型”金屬，p在約4.65ev之間約5.2ev，約4.65ev至約4.9ev之間，或約4.9ev至約5.2ev之間。

在本文公開的各種實施例中，用于圖6a中的電浮置金屬層632a-632f的合適金屬列舉了例如鋁(al)，鎢(w)，鈦(ti)，鉭(ta)，鉬(mo)，銣(ru)，tin，tan，tacn和tasixny。

應(yīng)當(dāng)理解，電浮置金屬層632a-632f中的每一個的橫向尺寸小于約1μm，小于約0.5μm，小于約0.2μm，在約0.1μm和約0.3μm之間，或約0.06微米至約0.2微米，例如約0.16微米。

不被電浮置金屬層分離的雙向保護(hù)設(shè)備600的一些其它相鄰的重?fù)诫s(p+和n+)區(qū)域可以被第一至第八絕緣隔離層636a-636h中的一個隔離，該隔離層可以是淺溝槽隔離區(qū)。類似于浮動金屬層，電介質(zhì)隔離可以允許將相對摻雜的相鄰n+和p+區(qū)域放置在相對靠近的側(cè)向接近處以實現(xiàn)高電流能力。然而，與浮動金屬層相比，電介質(zhì)隔離區(qū)可以允許用于相對較低速度優(yōu)化雙向scr器件的各種bjt，例如通過在相鄰的n+和p+區(qū)之間實現(xiàn)較長的路徑長度，例如更長的路徑一些bjt的基本區(qū)域的長度。

除了電介質(zhì)隔離之外，還有一些其它相鄰的重?fù)诫s(n+，p+)區(qū)域被電浮置金屬層分開，以便以更長的載流子漂移路徑為代價在相鄰連接點之間提供額外的擊穿電壓。例如，第五p+區(qū)域628e和第三n+區(qū)域620c被第三電浮置金屬層632c和第五絕緣隔離層636e隔開。在圖示的實施方案中，第五絕緣隔離636e增加了dnw604與第一nw之間的連接點的擊穿電壓，同時增加了pnp雙向bjt614的有效基極長度，使得雙向scr的觸發(fā)電壓在可以增加相對于t2的正偏置t1，以換取較慢的速度。

本文公開的各種p+區(qū)域和n+區(qū)域可具有超過約1×10¹⁹cm^-3以上的峰值摻雜濃度，超過約1×10²⁰cm^-3，或約1×10²⁰cm^-3至約8×10²⁰cm^-3，例如約2×10²⁰cm^-3。此外，各種pw和nw以及dnw具有在約1.5×10¹⁶cm^-3至約7.5×10¹⁶cm^-3的范圍內(nèi)的峰值摻雜濃度，例如約5.0×10¹⁶cm-3。

通過使用電介質(zhì)隔離區(qū)域，浮動金屬層和各種結(jié)構(gòu)之間的優(yōu)化的橫向尺寸的組合，雙向保護(hù)設(shè)備600的觸發(fā)設(shè)備和雙向scr可以被優(yōu)化以如上面參照圖1和2所述進(jìn)行操作。例如，第四電介質(zhì)隔離636d在x方向上具有橫向長度d1，并且第六介電隔離636f在x方向上具有橫向長度d2，其尺寸可以被調(diào)整以優(yōu)化第一和第二與npnpn雙向scr的橫向尺寸d3相比，觸發(fā)pnpbjt606a和606b相對較短，npnpn雙向scr是第一n+區(qū)域620a和第二n+區(qū)域620b之間的距離，使得觸發(fā)pnpbjt606a和606b被配置為在雙向scr的激活之前被激活，如上面參考圖4a和5所述。在各種實施例中，d1和d2中的每一個在約1μm和約5μm之間，在2μm和4μm之間，例如約3μm，而d3在約10μm和約30微米，約15微米至約25微米，例如約20微米。在一些實施方案中，比率d3/d1和d3/d2中的每一個在約3:1和約7:1之間，在約4:1和約6:1之間，例如約5:1。

圖7a-7l是如下所述的其他參數(shù)的雙向保護(hù)設(shè)備的各種實施例的橫截面圖，其中各種區(qū)域針對速度，電流和/或保持電壓被優(yōu)化。

雙向保護(hù)設(shè)備7a-71中的每一個可以是環(huán)形裝置，其中形成在基板中的各個區(qū)域圍繞環(huán)形裝置的中心區(qū)域，類似于上面關(guān)于圖6b描述的環(huán)形構(gòu)造，使得圖7a-7l示出了沿著環(huán)形裝置的一半截取的橫截面。

參考圖7a-7l，相對于圖7a-7l示出的每個雙向保護(hù)設(shè)備7a-71具有與上述相對于圖6a和6b所示的實施例相似的一些特征。例如，雙向保護(hù)設(shè)備7a-71中的每一個包括：半導(dǎo)體襯底602，其中形成有插入在第一p型阱(pw)608和第二p型阱之間的第一n型阱(nw)618井(pw)610；形成在第二pw610的靠近裝置中心的一側(cè)的第三n型阱(nw)640，并且在其中形成有第六重?fù)诫sn型(n+)區(qū)域620f，第四n型阱(nw)644，其形成在第一pw612的背離裝置的中心的一側(cè)，并且在其中形成有第四重?fù)诫sn型區(qū)域(n+)620d和dnw604，其橫向排列為桶型隔離，垂直地包圍第一pw608，第二pw610，第一nw618和第二nw624；第三p型阱(pw)648，形成在第四nw644的背離裝置的中心的一側(cè)，并且在其中形成有第七重?fù)诫sp型(p+)區(qū)域628g。類似于上面關(guān)于圖6a/6b描述的實施例，雙向保護(hù)設(shè)備7a-71中的每一個具有形成在第一pw608和dnw604之間的邊界區(qū)域處的第五p+區(qū)域628e，以及形成在第一nw618之間的邊界區(qū)域處的第六p+區(qū)域628f和第二pw610.雙向保護(hù)設(shè)備7a-71中的每一個也類似地具有第一至第八介電隔離區(qū)636a-636h。

參考圖7a的雙向保護(hù)設(shè)備700a，類似于圖6a/6b的實施例，在第一pw608中，形成通過第一電阻器r1電連接到第一端子(t1)的第一重?fù)诫sn型(n+)區(qū)域620a，并且在第二pw610中，第二重?fù)诫s形成通過第二電阻器r2電連接到第二端子(t2)的n型(n+)區(qū)域620b，使得第一n+區(qū)域620a，第一pw608，第一nw618，第二pw610和第二n+區(qū)域620b電連接，從而形成npnpn雙向scr。雙向scr包括以與圖6a/6b的雙向保護(hù)設(shè)備600類似的方式電連接的第一pnp雙向bjt614，第一npnbjt612和第二npnbjt616。

在所示實施例中，第一pw608與第一nw618橫向分開間隙，而第二pw610接觸第一nw618以在它們之間形成連接點。然而，其他實施例是可能的，例如，其中第一pw608和第一nw618可以彼此接觸以形成它們之間的連接，和/或第二pw610和第一nw618被分離的地方。

仍然參考圖7a，dnw604，第一pw608和第一n+區(qū)域620a被配置為第一觸發(fā)npnbjt706a的集電極、基極和發(fā)射極。第一pw608還在其中形成有在t1的每側(cè)上并且共同連接到t1的第一p+區(qū)域728a和第二p+區(qū)域628b，使得第一觸發(fā)npnbjt706的基極和第一npnbjt612的基極是通常電連接到t1。此外，第一觸發(fā)npnbjt706a的發(fā)射極和第一npnbjt612的發(fā)射極各自通過第一pw608和r1的第七電阻器r7連接到t2。雖然不是必需的，但是在所示的實施例中，第一n+區(qū)域620a在每一側(cè)接觸第一和第二p+區(qū)域728a和628b。

雙向保護(hù)設(shè)備700a被配置為使得第二pw610介于第一側(cè)上的第一nw618和第二側(cè)上的dnw604之間并與其接觸。第二n+區(qū)域620b，第二pw618和dnw604被配置為第二觸發(fā)npnbjt706b的發(fā)射極，基極和集電極。第二pw610在其中形成有與第二n+區(qū)域620b電連接到t2的第三p+區(qū)域728c，使得第二觸發(fā)npnbjt706b的基極電連接到t2。此外，第二觸發(fā)npnbjt706b的發(fā)射極和第二npnbjt616的發(fā)射極各自通過第二pw610和r2的第八電阻器r8連接到t2。雖然不是必需的，但是在所示實施例中，第二n+區(qū)域620b接觸第三p+區(qū)域728c。

類似于圖6a/b的實施例，在雙向保護(hù)設(shè)備700a中，r1和r2具有電阻值，使得當(dāng)連接到第一npnbjt612和第二npnbjt616的發(fā)射極時，相應(yīng)的bjt的增益被可控地減小，從而增加保持npnpn雙向scr的電壓。它們的物理結(jié)構(gòu)和r1和r2的電阻值類似于上面關(guān)于圖6a/6b描述的那些。

第一和第二觸發(fā)npnbjt706a和706b進(jìn)一步被配置為使得由dnw604中的相應(yīng)n+區(qū)形成的相應(yīng)集電極區(qū)域通過在雙向保護(hù)上形成的一個或多個金屬化電連接到第一nw618在所示實施例中，形成在dnw604中的第四和第五n+區(qū)域720b和720c通過第三電阻器r3和第四電阻器r4電連接到形成在第一nw618中的第三n+區(qū)域620c，一個或多個金屬化層652。在各種實施例中，r3和r4中的每一個具有與上述關(guān)于圖6a/6b所描述的那些類似的結(jié)構(gòu)和電阻值。

除了第一至第八隔離區(qū)域636a至636h之外，雙向保護(hù)設(shè)備700a還包括在第一p+區(qū)域728a和第五p+區(qū)域628e之間的第九隔離區(qū)域736a和第六隔離區(qū)域736b之間的第六隔離區(qū)域736bp+/pldd區(qū)域628f和第二n+區(qū)域620b。當(dāng)存在時，第九隔離區(qū)域736a和第十隔離區(qū)域736b可以分別具有分別增加第一npnbjt612和第二npnbjt610的基極長度以使得它們的增益可控地減小的效果。

因此，雙向保護(hù)設(shè)備700a包括：npnpn雙向scr，其包括第一n+區(qū)域620a，第一pw608，第一nw618，第二pw610和第二n+區(qū)域620b；第一觸發(fā)設(shè)備，包括由dnw604，第一pw612和第一n+區(qū)域720a形成的第一觸發(fā)npnbjt706a；以及包括由第二n+區(qū)域620b，第二pw610和dnw604形成的第二觸發(fā)npnbjt706b的第二觸發(fā)設(shè)備。通過使第一和第二觸發(fā)npnbjt706a和706b的發(fā)射極電連接到npnpn雙向scr通過第一nw618在被激活時提供電子，每對npnpn雙向scr和第一和第二觸發(fā)設(shè)備類似于上面參照圖2描述的雙向scr404和觸發(fā)設(shè)備462操作。4c。

仍然參考圖7a，在某些配置下，形成第一觸發(fā)npnbjt706a的區(qū)域和/或形成第二觸發(fā)npnbjt706b的區(qū)域具有物理特性，使得所得到的第一和/或第二觸發(fā)設(shè)備基本上表現(xiàn)為雪崩二極管。特別地，當(dāng)?shù)谒膫€n+區(qū)域720b和第二個p+區(qū)域628b之間的電流路徑長度，例如通過第四介質(zhì)隔離層636d的寬度測量時，例如小于5微米，小于3.5微米，所得到的觸發(fā)設(shè)備被配置為使得當(dāng)t1相對于t2負(fù)偏置時，第四n+區(qū)域720b，dnw，第一pw608和第二p+區(qū)域628b被配置為服務(wù)于n+p雪崩二極管706a。類似地，當(dāng)?shù)谖錸+區(qū)域720c和第三p+區(qū)域728c之間的電流路徑長度例如小于5微米，小于3.5微米或更小的2微米時，所得到的觸發(fā)設(shè)備被配置為使得當(dāng)t2相對于t1是負(fù)偏置的，第五n+區(qū)域720c，dnw，第二pw612和第三p+區(qū)域728c配置成用于n+p雪崩二極管706b。

在下文中，相對于圖7b-7l描述替代實施例，其中描述了與圖7a相似的許多特征省略。

參考圖7b，雙向保護(hù)設(shè)備700b布置成類似于雙向保護(hù)設(shè)備700a，除了代替在dnw604中形成的第四n+區(qū)域720b之外，形成第一p+區(qū)域628a。結(jié)果，形成包括第一觸發(fā)pnpbjt708a的第一觸發(fā)設(shè)備，其中第一p+區(qū)628a，dnw604和第一pw608被配置為發(fā)射極，基極和集電極。類似地，代替在dnw604中形成的第五n+區(qū)域720c，形成第三p+區(qū)域628c，使得形成包括第二觸發(fā)pnpbjt708b的第二觸發(fā)設(shè)備，其中第三p+區(qū)域628c，dnw604并且第二pw610被配置為發(fā)射器，基極和集電極。通過使第一和第二觸發(fā)pnpbjt708a和708b的發(fā)射極通過第一nw618電連接到npnpn雙向scr，以在激活時向其提供電子，每對npnpn雙向scr和第一和第二觸發(fā)設(shè)備類似于上面關(guān)于圖4a描述的雙向scr422和觸發(fā)設(shè)備404進(jìn)行操作。

參考圖7c，雙向保護(hù)設(shè)備700c的布置類似于圖7a的雙向保護(hù)設(shè)備700a，除了代替第十隔離區(qū)域736b之外，形成第五電浮置金屬層632e。如上所述，當(dāng)形成電浮置金屬層代替電介質(zhì)隔離區(qū)時，可以為相鄰的高摻雜區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)?shù)拇┩ê蛶λ淼佬?yīng)，而不會引起由電介質(zhì)隔離區(qū)的物理尺寸。結(jié)果，與圖7a的雙向保護(hù)設(shè)備700a相比，雙向保護(hù)設(shè)備700c的第二觸發(fā)npnbjt706b可以具有相對較高的增益和/或更快的速度。

參考圖7d，雙向保護(hù)設(shè)備700d的布置類似于圖7b的雙向保護(hù)設(shè)備700b，除了代替第十隔離區(qū)域736b之外，形成第五電浮置金屬層632e。如上所述，當(dāng)形成電浮置金屬層代替電介質(zhì)隔離區(qū)時，可以為相鄰的高摻雜區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)?shù)拇┩ê蛶λ淼佬?yīng)，而不會引起由電介質(zhì)隔離區(qū)的物理尺寸。結(jié)果，與圖7b的雙向保護(hù)設(shè)備700b相比，雙向保護(hù)設(shè)備700c的第二觸發(fā)pnpbjt708b可以具有相對較高的增益和/或更快的速度。

參考圖7e-7h，雙向保護(hù)設(shè)備700e，700f，700g和700h分別類似于雙向裝置700a(圖7a)，700b(圖7b)，700c(圖7c)和700d(圖7d)，除了在每個器件700e-700g中，除了第四電浮動層632d之外，在第三n+區(qū)域620c和第五p+區(qū)域628f之間形成第十一絕緣隔離區(qū)域736c。當(dāng)實施時，由于雙向pnpbjt614的有效基極長度的增加，第十一介質(zhì)隔離區(qū)域736c可以具有減小的增益和/或速度的降低的效果，使得觸發(fā)電壓在相對于t1的正偏置t2下的雙向scr的增加可以增加，以換取其它效果的較慢速度?；蛘撸谑唤殡姼綦x區(qū)域736c可以由電浮置金屬層代替，以允許更快的導(dǎo)電性調(diào)制和在應(yīng)力下更快的激活，如上面關(guān)于圖7a-7d所述。

參考圖7i-7l，雙向保護(hù)設(shè)備700i，700j，700k和700l分別類似于雙向裝置700a(圖7a)，700b(圖7b)，700c(圖7c)和700d(圖7d)，除了在每個器件700i-700l中，省略了第一p+區(qū)域728a。此外，形成比第一n+區(qū)域620a(fgs7a-7d)寬的例如2x，3x或4x的第一n+區(qū)域720a。當(dāng)植入時，較寬的第一n+區(qū)域720a增加第一npnbjt612的發(fā)射極注入面積，使得當(dāng)前處理能力增加。

圖8a是示出根據(jù)實施例的各種雙向保護(hù)設(shè)備的模擬裝置響應(yīng)曲線(用相應(yīng)的雙向保護(hù)設(shè)備904a-904d標(biāo)記)的曲線圖900a。響應(yīng)曲線是通過根據(jù)場誘導(dǎo)的充電器件模型(ficdm)模擬片上應(yīng)力來獲得的，已知其提供可用的最快上升時間之一，例如在600ps方案中。圖8b的曲線圖900b是圖8a的曲線圖900a的放大視圖，擴展為顯示零和2納秒之間的時間范圍。設(shè)備響應(yīng)曲線904a，904b，904c和904d對應(yīng)于圖9a，9b，9c和9d所示的雙向保護(hù)設(shè)備904a，904b，904c和904d。因此，在下文中，與相應(yīng)的雙向保護(hù)設(shè)備904,904b904c和904d一起討論了圖8a/8b的裝置響應(yīng)曲線。在圖8a/8b中，x軸表示時間，y軸表示雙向保護(hù)設(shè)備的各種實施例的模擬電壓響應(yīng)。

應(yīng)該注意的是，雙向保護(hù)設(shè)備904a-904d分別代表了速度和/或電壓響應(yīng)中的一個速率和/或電壓響應(yīng)的連續(xù)改進(jìn)，如圖1和2所示的對應(yīng)的裝置響應(yīng)曲線所示。也就是說，標(biāo)記為904a-904d的裝置響應(yīng)曲線分別示出了與雙向保護(hù)設(shè)備904a-904d的相應(yīng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)相關(guān)聯(lián)的連續(xù)改進(jìn)。因此，在下文中，首先描述904a-904d的共同特征，然后是連續(xù)的差異。應(yīng)當(dāng)理解，圖1的器件響應(yīng)曲線中的相對較低的第一峰值電壓。圖8a/8b可以對應(yīng)于相對更快的響應(yīng)，因為較低的第一峰值電壓可以由相應(yīng)的快速放電引起。

參考圖9a-9d，雙向保護(hù)設(shè)備900a-900d中的每一個包括與上文所述的各種實施例類似的特征，例如圖6a/6b和7a。例如，每個雙向保護(hù)設(shè)備900a-900d包括：半導(dǎo)體襯底602，其中形成有插入在第一p型阱(pw)608和第二p型阱(pw)610之間的第一n型阱(nw)618；形成在第二pw610的靠近裝置中心的一側(cè)的第三n型阱(nw)640，并且在其中形成有第六重?fù)诫sn型(n+)區(qū)域620f，第四n型阱(nw)644，其形成在第一pw612的背離裝置的中心的一側(cè)，并且在其中形成有第四重?fù)诫sn型區(qū)域(n+)620d；排列成桶式隔離器的dnw604；以及形成在第四nw644的背離裝置的中心并在其中形成有第七重?fù)诫sp型(p+)區(qū)域628g的第三p型阱(pw)648。雙向保護(hù)設(shè)備900a-900d中的每一個具有形成在第一pw608和dnw604之間的邊界區(qū)域處的第五p+區(qū)域628e，以及形成在第一nw618與第一nw618之間的邊界區(qū)域處的第六p+/pldd區(qū)域628f第二pw610。雙向保護(hù)設(shè)備900a-900d中的每一個也類似地具有第一至第八絕緣隔離636a-636h和第三和第四電浮動金屬層632c和632d。

參考圖9a，不同于圖6a/6b的實施例，觸發(fā)設(shè)備，連接到第一n+區(qū)域620a的電阻器(例如，圖6a中的第一電阻器r1)和連接到第二n+區(qū)域620a的電阻器(例如，圖6a中的第二電阻器r2)從雙向保護(hù)設(shè)備900a省略區(qū)域620b。此外，第一nw618和第二pw610由由dnw604形成的間隙分開。另外，與圖1的實施例不同，如圖7b所示，雙向保護(hù)設(shè)備900a另外具有代替電浮置金屬層的第九絕緣隔離層736a和第十介電隔離層736b。如圖9的圖900a所示。如圖8a/8b所示，相應(yīng)的器件響應(yīng)曲線900a示出了相對較高(超過80v)的峰值電壓。

圖9b的雙向保護(hù)設(shè)備900b類似于圖9a的雙向保護(hù)設(shè)備900a，除了第九絕緣隔離層736a和第十介電隔離層736b之外，雙向保護(hù)設(shè)備900b分別包括第二電浮置金屬層632b和第五電浮置金屬層632e。如上所述，用電浮置金屬層代替介電隔離可以導(dǎo)致相鄰重?fù)诫s區(qū)域之間的相同橫向間隔的改進(jìn)的速度，至少部分是由于物理載體路徑長度減小。例如，第一npn晶體管612的基極與雙向pnpbjt614的集電極/發(fā)射極(c/e)之間以及第二npn晶體管616的基極與發(fā)射極/集電極(e/雙向pnpbjt614的c)相對于圖9a的雙向保護(hù)設(shè)備904a的相應(yīng)電流路徑被縮短。如圖8a/8b的圖900a所示，相應(yīng)的器件響應(yīng)曲線904b表示與器件響應(yīng)曲線900a相比較低的峰值電壓。

圖9c的雙向保護(hù)設(shè)備904c和圖9d的904d及其對應(yīng)的器件響應(yīng)曲線分別示出了相對于圖9a和9b的保護(hù)器件900a和900b的器件峰值電壓的進(jìn)一步改進(jìn)，包括包括第一pnpbjt708a的第一觸發(fā)設(shè)備和包括第二觸發(fā)設(shè)備的第二觸發(fā)設(shè)備，第二觸發(fā)設(shè)備包括第二pnpbjt708b以加速雙向scr的激活。雙向保護(hù)設(shè)備904c和904d中的每一個類似于圖7l的雙向保護(hù)設(shè)備700l。因此，將省略各種組件的詳細(xì)描述。然而，每個保護(hù)設(shè)備904c和904d具有第一至第四電阻器(圖9c中的r1'-r4'和圖9d中的r1'-r2'，r3“-r4”)的特定值，使得它們的裝置響應(yīng)曲線被優(yōu)化，如下所述。

雙向保護(hù)設(shè)備900c具有通過圖案化一個或多個金屬化電平而形成在襯底上方的r1'和r2，使得每個具有約0.005歐姆至約0.05歐姆之間的電阻值或約0.01歐姆至約0.10歐姆，標(biāo)稱電阻值為0.05歐姆。此外，雙向保護(hù)設(shè)備900c具有通過圖案化一個或多個電平652而形成在襯底上方的r3'和r3，其中r3'和r4'中的每一個具有介于約10歐姆至約100歐姆之間的電阻值，或約5歐姆歐姆約50歐姆，標(biāo)稱電阻值約10歐姆。如圖9的圖900a所示。如圖8a/8b所示，對應(yīng)的裝置響應(yīng)曲線904c示出了與裝置響應(yīng)曲線900a和900b相比較低的峰值電壓。

雙向保護(hù)設(shè)備900d與雙向保護(hù)設(shè)備900c相同，除了第三和第四電阻器r3”和r4”中的每一個具有約0.001歐姆至約0.1歐姆之間或約0.005歐姆和約0.05歐姆，標(biāo)稱電阻值約0.01歐姆。如圖8a/8b的圖900a所示，相應(yīng)的器件響應(yīng)曲線904d示出了與器件響應(yīng)曲線900a-900c相比較低的峰值電壓。

圖10a-10i示出了在上述各種實施例中連接到t1和/或t2的鄰接重?fù)诫s(n+和p+)區(qū)域1000a-1000i的各種平面圖布局圖，包括圖6a-6b的雙向設(shè)備600、圖7a-7l的700a-71和圖9a-9d的900a-900d的相鄰重?fù)诫s區(qū)域。

特別地，鄰接的n+和p+區(qū)域1000a-1000i中的每一個具有一個或多個p+區(qū)域1004，其具有形成在其上的一個或多個觸點1020和一個或多個p+區(qū)域1008，其上形成有一個或多個觸點1020。根據(jù)雙向設(shè)備，由于上述原因，鄰接的n+和p+區(qū)域1000a-1000i可以包括虛擬柵極/場氧化物區(qū)域1012和有源場氧化物區(qū)域1016中的一個或多個。

鄰接n+和p+區(qū)域1000a-1000i的具體配置取決于所優(yōu)化的所得到的器件參數(shù)。例如，在對于第一npnbjt612和/或第二npnbjt616需要相對高的發(fā)射體注入的情況下，可能需要相對較大的n+區(qū)域。相反，如果期望觸發(fā)bjt的pnp觸發(fā)bjt的相對較高的集電極電流或用于觸發(fā)bjt的npn的相對高的基極電流，則可能需要較大的p+區(qū)域。

此外，形成在n+區(qū)域1008上的接觸區(qū)域1020的數(shù)量和尺寸可以直接影響第一電阻器r1和/或第二電阻器r2的值。如上所述，r1和r2的電阻值可以直接影響本文公開的雙向保護(hù)設(shè)備的各種實施例的保持電壓。

圖11a是示出了類似于圖8的曲線圖900a的使用ficdm的各種實施例的模擬裝置響應(yīng)曲線的圖表1100。具體地，設(shè)備響應(yīng)曲線1104a-1104d對應(yīng)于圖11b-11e中所示的雙向保護(hù)設(shè)備1104a-1104d。在圖11a中，x軸表示時間，y軸表示模擬的器件電壓。標(biāo)記為1104a-1104d的裝置響應(yīng)曲線分別示出了與雙向保護(hù)設(shè)備1104a-1104d的相應(yīng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)相關(guān)聯(lián)的連續(xù)改進(jìn)。因此，在下文中，首先描述1104a-1104d的共同特征，然后是連續(xù)的差異。應(yīng)當(dāng)理解，雖然每個雙向保護(hù)設(shè)備1104a-1104d沒有示出連接到相應(yīng)的雙向scr的上述觸發(fā)設(shè)備，但是所描述的特征可以在觸發(fā)設(shè)備或不使用觸發(fā)設(shè)備的情況下實踐。

參考圖11b-11d，雙向保護(hù)設(shè)備1104a-1104d中的每一個具有在其中形成有插入在第一pw608和第二pw610之間的nw618的半導(dǎo)體襯底(未示出)。dnw604被布置為桶型隔離橫向和垂直地包圍第一pw608，第二pw610和nw618。第一pw608在其中形成有各自連接到t1的第一n+區(qū)域620a和第二p+區(qū)域628b，以及插入其間的第一隔離區(qū)域1136a。第二pw610在其中形成有分別連接到t2的第二n+區(qū)域620b和第四p+區(qū)域628d以及插入其間的第六隔離區(qū)域1136f。nw618具有形成在其中的第三n+區(qū)域620c。每個雙向保護(hù)設(shè)備1104a-1104d另外具有形成在第五p+/pldd區(qū)域628e和第三n+區(qū)域620c之間的第五p+/pldd區(qū)域628e，第三隔離區(qū)域1136c和第三電浮動金屬層632c。

參考圖11b，雙向保護(hù)設(shè)備還包括形成在dnw604和第二pw/pf610之間的結(jié)處的第六p+/pldd區(qū)域628f，形成在第一n+區(qū)域620a和第五p+/pldd區(qū)域之間的第二隔離區(qū)域1136b628e，形成在第二n+區(qū)域620b和第四p+區(qū)域628d之間的第五隔離區(qū)域1136e，形成在nw618中的第四隔離區(qū)域1136d和形成在第三n+區(qū)域620c和第六p+pldd區(qū)域628f。從圖11的曲線圖1100可以看出，如圖11a所示，在ficdm應(yīng)力條件下，相應(yīng)的器件響應(yīng)曲線1104a示出了在峰值電壓下降到峰值電壓的大約一半之前約20ns的相對高(超過20v)和相對長的持續(xù)時間的峰值電壓。

參見圖11c，除了在第三n+區(qū)域620c和第五p+/pldd區(qū)域628f之間省略隔離區(qū)域之外，雙向保護(hù)設(shè)備1104b與雙向保護(hù)設(shè)備1104a(圖11b)相同。參考圖11a，相應(yīng)的器件響應(yīng)曲線1104b示出了與雙向保護(hù)1104a相比較，其相對高(超過20v)但具有相對較短的持續(xù)時間(峰值電壓下降到大約一半之前約10ns)的峰值電壓。

參考圖11d，雙向保護(hù)設(shè)備1104c與雙向保護(hù)設(shè)備1104b(圖11c)相同，除了第一n+區(qū)域620a和第五p+/pldd區(qū)域628e之間的第二隔離區(qū)域1136b被第二電浮置層632b和第二n+區(qū)域620b和第六p+/pldd區(qū)域628f之間的第五隔離區(qū)域1136e被第五電浮置層632e替代。參考圖如圖11a所示，相應(yīng)的器件響應(yīng)曲線1104c示出了相對較低(約18v)并具有相對較短持續(xù)時間(峰值電壓下降到峰值電壓的大約一半之前約10ns)的峰值電壓，與峰值電壓的雙向保護(hù)1104a相比，圖。如圖11b所示，

參考圖11e，雙向保護(hù)設(shè)備1104d與雙向保護(hù)設(shè)備1104c(圖11d)相同，除了第五個p+/pldd區(qū)域628f被省略。此外，在第三n+區(qū)域620c和第二n+區(qū)域620b之間延伸形成第六電浮置金屬層1232a。參考圖11a，相應(yīng)的器件響應(yīng)曲線1104d示出了相對較低(約18v)并具有相對較短持續(xù)時間(峰值電壓下降到峰值電壓的大約一半之前約10ns)的峰值電壓，與圖11b的峰值電壓的雙向保護(hù)1104a相比。

圖12a示出了根據(jù)一些實施例和圖12b的雙向保護(hù)設(shè)備1200如上所述通過改變連接在t1與第一n+區(qū)域之間的第一電阻器的值來調(diào)節(jié)保持電壓的曲線圖1204。雙向保護(hù)設(shè)備1200類似于圖11b的雙向保護(hù)設(shè)備1104a，為了說明的目的，除了在t1和第一n+區(qū)域620a之間包括第一電阻器r1之外。如上所述，r1的值與雙向保護(hù)設(shè)備1200的雙向bjt的保持電壓成正比。為了指導(dǎo)目的，對應(yīng)于雙向保護(hù)的雙向bjt的激活特性的直流電流(iv)曲線為r1的不同值繪制器件1200。iv曲線1204a-1204e對應(yīng)于分別具有電阻值為1歐姆，2歐姆，3歐姆，4歐姆和5歐姆的r1的雙向保護(hù)設(shè)備1200。如圖所示，r1的電阻值對直流觸發(fā)電壓的影響相對較小，但對保持電壓有直接的影響。通過將電阻值從1歐姆增加到5歐姆，直流保持電壓從約2.5v增加到約7v。應(yīng)當(dāng)理解，雖然雙向保護(hù)設(shè)備1200未示出連接到相應(yīng)的雙向scr的上述觸發(fā)設(shè)備，但是可以使用或不使用觸發(fā)設(shè)備來實現(xiàn)所描述的特征。

雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的某些實施例，但是這些實施例僅以示例的方式呈現(xiàn)，并不意圖限制本公開的范圍。實際上，本文描述的新穎的裝置，方法和系統(tǒng)可以以各種其他形式來體現(xiàn)；此外，在不脫離本公開的精神的情況下，可以對本文所述的方法和系統(tǒng)的形式進(jìn)行各種省略，替換和改變。可以組合上述各種實施例的元件和動作的任何合適的組合以提供其他實施例。所附權(quán)利要求及其等同物旨在涵蓋落入本公開的范圍和精神內(nèi)的這些形式或修改。