專利名稱：阻斷型浪涌保護器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件領域，具體涉及半導體浪涌保護器件的領域，為一種阻斷
型浪涌保護器件。
背景技術：
電源浪涌或瞬態(tài)過壓定義為電子線路中出現(xiàn)顯著超出設計值的電壓。它主要有雷 擊、電力線搭接、電力線感應、或者地彈。當浪涌足夠高，瞬態(tài)過壓可以對計算機、電話等電 子設備造成嚴重的損害。它同樣也會造成設備壽命減少。 瞬態(tài)電壓浪涌抑制器限制了電力浪涌耦合到設備的能量，從而保護電子設備不被 損害。這類的產(chǎn)品包括，浪涌保護晶閘管、氧化物壓敏電阻和雪崩二極管。這兩種類型的器 件都是并聯(lián)在被保護電路，瞬態(tài)電流會從它們提供的并聯(lián)通路流出。這類并聯(lián)保護存在較 多問題，包括(l)與具體的浪涌類型有關，需要選擇繁多的型號匹配；(2)會限制系統(tǒng)帶寬 (容性負載限制它們只能用于低帶寬的應用)；(3)需要多個元件構成的復雜設計，導致高 的失效率；(4)經(jīng)常需要較大的空間；(5)針對保護設計方案而言，單位成本高。
目前得益于不間斷電源供應器(UPS)的引入，家用電腦、衛(wèi)星接收和其他家庭應 用設備的已經(jīng)擁有更為安全的保護。但是，計算機和其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線與外部世界 相連，這些數(shù)據(jù)線工作在非常低的電壓信號而且非常敏感。不幸的是，由于并聯(lián)保護存在的 較多問題，目前的浪涌保護技術仍然不能給予這類系統(tǒng)足夠的安全保證。結果是，眾多公司 在生產(chǎn)率降低和損害設備的修復上付出了昂貴的代價。 阻斷型浪涌保護器件(Blocking Surge Protector)，以下簡稱BSP，是一項顛覆性 技術，它提供了一種全新的浪涌保護方法。與傳統(tǒng)的旁路瞬態(tài)保護器將能量從負載轉移的 工作原理不同，BSP與負載串聯(lián)，從而使它能夠特定地保護單個負載。當它達到他的觸發(fā)閾 值后，它會改變狀態(tài)，然后使浪涌重定向經(jīng)氣體放電管等初級防護通路流過，從而"阻斷"進 入被保護設備的瞬態(tài)浪涌。 阻斷型浪涌保護器件(BSP)的全新的浪涌保護原理解決了傳統(tǒng)浪涌保護器件存 在的問題(l)能夠適用多種浪涌類型，不存在繁雜的選型；(2)串聯(lián)應用，不影響系統(tǒng)帶 寬，可應用于高速數(shù)據(jù)系統(tǒng)的保護；(3)應用設計簡單，降低保護設計的失效率；(4)同時 實現(xiàn)過流過壓防護，替代多個器件的功能，相應減小了空間占用；(5)針對保護設計方案而 言，單位成本降低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于為被保護系統(tǒng)提供一種阻斷型浪涌保護器件 (BSP)，該器件類似于可重置保險絲的可變電阻電路模塊，不僅可以實現(xiàn)保險絲阻斷浪涌的 作用，而且還可以重復阻斷復位。 本發(fā)明解決上述技術問題所采取的技術方案是一種阻斷型浪涌保護器件，包括 第一耗盡型場效應晶體管、第二耗盡型場效應晶體管以及第一電阻，所述浪涌保護器件的第一耗盡型場效應晶體管的源極與第二耗盡型場效應晶體管的源極相連，構成串聯(lián)結構， 其中，所述的第一耗盡型場效應晶體管的漏極與模塊輸入端相連，柵極與模塊輸出端相連； 第二耗盡型場效應晶體管的漏極與模塊輸出端相連，柵極與第一電阻連接，第一電阻再與 模塊輸入端相連。 其原理為在正常工作情況下兩個耗盡型場效應晶體管均導通，整個電路模塊表 現(xiàn)為小電阻的"短路"狀態(tài)，類似于熔絲正常工作下的特性；當輸入端進入正向浪涌，兩個場 效應晶體管的漏源電阻增大，相互反饋形成夾斷，最終輸入端到輸出端形成高阻狀態(tài)，整個 電路模塊表現(xiàn)為高阻的"阻斷"狀態(tài)，類似于熔絲的熔斷狀態(tài)，從而"阻斷"正向浪涌經(jīng)過浪 涌保護電路模塊進入被保護系統(tǒng)。 在上述方案的基礎上，作為本發(fā)明的一個改進，所述的浪涌保護器件還包括第二 電阻，第二電阻的兩端分別與第二耗盡型場效應晶體管的源極和漏極相連。第二電阻能夠 在所述兩個耗盡型場效應晶體管都關斷后，為它們的源極提供穩(wěn)定的電位，避免該節(jié)點在 阻斷型浪涌保護器件(BSP)"阻斷"狀態(tài)下處于浮空，保證BSP的瞬態(tài)響應不受該節(jié)點存儲 電荷的影響。 在上述方案的基礎上，作為本發(fā)明的又一個改進，所述的浪涌保護器件還包括反 饋分壓器，反饋分壓器并聯(lián)于第二耗盡型場效應晶體管的漏極和源極之間，反饋分壓器中 間節(jié)點與第一耗盡型場效應晶體管的柵極相連，第一耗盡型場效應晶體管的柵極經(jīng)該反饋 分壓器與模塊輸出端相連。利用所述反饋分壓器減小了阻斷型浪涌保護器件在"短路"狀 態(tài)下的串聯(lián)電阻，降低了正常工作情況下BSP對被保護系統(tǒng)的信號電壓及功耗的影響。
在上述方案的基礎上，所述反饋分壓器由第三電阻和第四電阻構成，第三電阻和 第四電阻在第二耗盡型場效應晶體管源極和漏極之間并聯(lián)。 在上述方案的基礎上，所述的第一、第二耗盡型場效應晶體管為金屬氧化物半導 體場效應晶體管(MOSFET)、結型場效應晶體管(JFET)及靜電感應場效應晶體管(SIT)中的 一種。 具體的，所述的第一耗盡型場效應晶體管優(yōu)選為金屬氧化物半導體場效應晶體管 (M0SFET)。 進一步，所述的第一耗盡型場效應晶體管為高壓金屬氧化物半導體場效應晶體管 (HV M0SFET)。 在上述方案的基礎上，所述的第二耗盡型場效應晶體管為結型場效應晶體管 (JFET)。 在上述方案的基礎上，所述浪涌保護器件的第一耗盡型場效應晶體管的導電溝道 類型與所述第二耗盡型場效應晶體管的導電溝道類型相反。 在上述方案基礎上，提供針對第一、第二耗盡型場效應晶體管類型及其導電溝道 類型的具體方案 —、當浪涌保護器件用于阻斷正向浪涌時，所述第一耗盡型場效應晶體管為耗盡 型N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管(NM0SFET)，進一步優(yōu)選高壓耗盡型N溝道金屬 氧化物半導體場效應晶體管(HVNMOSFET)，所述第二耗盡型場效應晶體管為耗盡型P溝道 結型場效應晶體管(PJFET);通過高壓耗盡型N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管(HV NM0SFET)的漏極與浪涌保護器件(BSP)模塊輸入端相連，能夠保證BSP "阻斷"時可以承受
4幾百伏的高壓?？紤]到耗盡型P溝道結型場效應晶體管(PJFET)相比其他耗盡型P溝道場 效應晶體管具有更為優(yōu)越的通態(tài)性能及更寬的夾斷電壓范圍，因此選擇耗盡型PJFET與耗 盡型HV NMOSFET串聯(lián)，保證了 BSP在"短路"狀態(tài)下更小的串聯(lián)電阻和在發(fā)生"阻斷"時與 耗盡型HV NMOSFET相互反饋形成更快的關斷。 二、當浪涌保護器件用于阻斷反向浪涌時，所述第一耗盡型場效應晶體管為耗盡
型P溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管，所述第二耗盡型場效應晶體管為耗盡型N溝道
結型場效應晶體管。 本發(fā)明的有益效果是 本發(fā)明是一種與大多數(shù)浪涌保護器件不同的半導體器件，無需電源供應，其行為
與可重置的熔絲相似，因為他可以在納秒級時間內(nèi)觸發(fā)并與脆弱的電子設備斷開連接，直
到瞬態(tài)浪涌過去后恢復常態(tài)，與傳統(tǒng)的旁路瞬態(tài)保護器將能量從負載轉移的工作原理不
同，阻斷型浪涌保護器件與負載串聯(lián)，從而使它能夠特定地保護單個負載； 由于本發(fā)明的浪涌保護器件可以串聯(lián)在被保護線路上，因此能夠用于高帶寬的系
統(tǒng)，而傳統(tǒng)器件無論是壓敏電阻、晶閘管還是雪崩二極管等并聯(lián)保護器件都無法應用于這
些系統(tǒng)； 本發(fā)明的應用方法簡單，便于保護設計，同時實現(xiàn)過電壓和過電流保護，需要更少 的元件和更小的空間，能夠替代多種類型的器件，相對單位成本更低。
圖1為本發(fā)明實施例1的電路結構原理圖。 圖2為本發(fā)明實施例2的電路結構原理圖。 圖3為本發(fā)明實施例3的電路結構原理圖。 圖4為本發(fā)明實施例4的電路結構原理圖。 附圖中標號說明 10、20、30、40-浪涌保護器件 Ql-第一耗盡型場效應晶體管 Q2_第二耗盡型場效應晶體管 Rl-第一電阻 R2-第二電阻 R3-第三電阻R4-第四電阻 R-反饋分壓器 S-源極 D-漏極 G-柵極
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步闡述。
實施例1 請參閱圖1為本發(fā)明實施例1的電路結構原理圖所示，一種阻斷型浪涌保護器件， 所述的浪涌保護器件10 (BSP)由第一耗盡型場效應晶體管Ql (耗盡型N溝道金屬氧化物半 導體場效應晶體管NMOSFET)、第二耗盡型場效應晶體管Q2 (耗盡型P溝道結型場效應晶體 管PJFET)以及第一電阻R1(恒流源電阻)構成可變電阻電路模塊。 所述浪涌保護器件10 (BSP)內(nèi)部各器件的連接關系描述如下所述的阻斷型浪涌保護器件10的第一耗盡型場效應晶體管Ql的源極S與第二耗盡型場效應晶體管Q2的源極 S相連，構成串聯(lián)結構的導通路徑，其中，所述的第一耗盡型場效應晶體管Q1(NM0SFET)的 漏極D與模塊輸入端相連，柵極G與模塊輸出端相連；第二耗盡型場效應晶體管Q2 (PJFET) 的漏極D與模塊輸出端相連，柵極G與第一電阻Rl連接，第一電阻Rl再與模塊輸入端相連。 由于第二耗盡型場效應晶體管Q2的漏極D與模塊輸出端相連，第一耗盡型場效應晶體管Ql 的柵極G也與第二耗盡型場效應晶體管Q2的漏極D相連。 浪涌保護器件IO(BSP)內(nèi)部的工作原理描述如下當被保護線路正常工作時，模 塊輸入端與輸出端壓降較小，因為串聯(lián)的第一、第二耗盡型場效應晶體管Ql和Q2都是耗 盡型，所以模塊輸入端到輸出端為小電阻特性，此時作為整個模塊的浪涌保護器件10 (BSP) 表現(xiàn)為正常的"短路"狀態(tài)。 當被保護線路發(fā)生由雷擊或電源搭接引起的正向浪涌，模塊輸入端與輸出端承受 的電壓迅速增大，流經(jīng)浪涌保護器件10的電流也迅速增大，從而引起第一耗盡型場效應晶 體管Q1的漏源壓降和第二耗盡型場效應晶體管Q2的源漏壓降迅速增加。由于第二耗盡型 場效應晶體管Q2的源漏壓降反饋成為第一耗盡型場效應晶體管Ql的負柵源偏壓，隨著第 二耗盡型場效應晶體管Q2的源漏壓降增加，第一耗盡型場效應晶體管Q1的柵源偏壓負向 增加，導致第一耗盡型場效應晶體管Q1的漏源電阻越大，進一步引起第一耗盡型場效應晶 體管Q1的漏源壓降增大。由于第一耗盡型場效應晶體管Q1的漏極D電位通過第一電阻Rl 構成的恒定電流源的耦合，與第二耗盡型場效應晶體管Q2的柵極G電位相同，因此第一耗 盡型場效應晶體管Q1的漏源壓降反饋成為第二耗盡型場效應晶體管Q2的正柵源偏壓。隨 著第一耗盡型場效應晶體管Ql的漏源壓降增加，第二耗盡型場效應晶體管Q2的柵源偏壓 正向增加，導致第二耗盡型場效應晶體管Q2的源漏電阻越大。而第二耗盡型場效應晶體管 Q2的源漏電阻增大引起的源漏壓降又形成反饋，進一步引起第一耗盡型場效應晶體管Ql 的柵源偏壓負向增大。 如上所述，當正向浪涌電流進入輸入端時，浪涌保護器件10內(nèi)部兩個串聯(lián)的第 一、第二耗盡型場效應晶體管Ql和Q2之間形成相互關斷的循環(huán)反饋，直到流經(jīng)第一、第二 耗盡型場效應晶體管Ql和Q2的電流達到使其完全關斷的閾值，第一、第二耗盡型場效應晶 體管Ql和Q2會迅速進入截止狀態(tài)，模塊輸入端到輸出端形成高阻，此時作為整個模塊的浪 涌保護器件10表現(xiàn)為"阻斷"狀態(tài)。
實施例2 請參閱圖2為本發(fā)明實施例2的電路結構原理圖所示，為針對實施例1的浪涌保 護器件的改進結構，浪涌保護器件20增加了第二電阻R2(偏置電阻)，第二電阻R2的兩端 分別與第二耗盡型場效應晶體管的源極S和漏極D相連，由于第二耗盡型場效應晶體管Q2 的漏極D與模塊輸出端相連，第二電阻R2也與模塊輸出端相連。 第二電阻R2在第一、第二耗盡型場效應晶體管Ql和Q2關斷后，為第一、第二耗盡 型場效應晶體管Ql和Q2的源極S提供穩(wěn)定的電位，避免該節(jié)點在浪涌保護器件20的"阻 斷"狀態(tài)下處于浮空，保證浪涌保護器件20在瞬態(tài)響應時不受該節(jié)點存儲電荷的影響，保證 了浪涌保護器件20在穩(wěn)定阻斷瞬態(tài)浪涌。
實施例3 請參閱圖3為本發(fā)明實施例3的電路結構原理圖所示，為針對實施例1的浪涌保
6護器件的一個改進，浪涌保護器件30增加了反饋分壓器R，并聯(lián)在第二耗盡型場效應晶體 管Q2的源極S和漏極D之間，其中，反饋分壓器R由第三電阻R3和第四電阻R4并聯(lián)構成， 使第三電阻R3和第四電阻R4在第二耗盡型場效應晶體管Q2源極S和漏極D之間并聯(lián)，第 三電阻R3與第四電阻R4之間的反饋分壓器R中間節(jié)點與第一耗盡型場效應晶體管Ql的 柵極G相連，第一耗盡型場效應晶體管Ql的柵極G經(jīng)反饋分壓器R的第四電阻R4與模塊 輸出端相連。 通過第三電阻R3和第四電阻R4構成的反饋分壓器R，第二耗盡型場效應晶體管 Q2的源漏壓降反饋到第一耗盡型場效應晶體管Ql的負柵源偏壓Ves減至R3/(R3+R4)*Ves， 同樣情況下比實施例2的浪涌保護器件20的第一耗盡型場效應晶體管Ql的負柵源電壓絕 對值小，從而保證了第一耗盡型場效應晶體管Ql在同等電流下工作時具有較小的漏源電 阻，減小了浪涌保護器件30在"短路"狀態(tài)下的串聯(lián)電阻，降低了對被保護系統(tǒng)的信號電壓 及功耗的影響。
實施例4 請參閱圖4為本發(fā)明實施例4的電路結構原理圖所示，為針對實施例3的浪涌保 護器件的一個改進，用于阻斷正向浪涌，浪涌保護器件40的第一耗盡型場效應晶體管Q1為 高壓耗盡型N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管(HV NMOSFET)，第二耗盡型場效應晶體 管Q2為耗盡型P溝道結型場效應晶體管(PJFET)。在Ql漏源極內(nèi)部存在一個高壓的反向 二極管，保證了HV NMOSFET能夠承受幾百伏的高壓。目前耗盡型的HV NMOSFET可以利用 橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管(LDMOSFET)和縱向雙擴散金屬氧化物半導體 場效應晶體管(V匿OSFET)實現(xiàn)。通過耗盡型HV NMOSFET的漏端與BSP模塊輸入端相連， 能夠保證BSP "阻斷"時可以承受幾百伏的高壓?？紤]到耗盡型P溝道結型場效應晶體管 PJFET相比其他耗盡型P溝道場效應晶體管具有更為優(yōu)越的通態(tài)性能及更寬的夾斷電壓范 圍，因此選擇耗盡型PJFET與耗盡型HV NMOSFET串聯(lián)，保證了浪涌保護器件40在"短路"狀 態(tài)下更小的串聯(lián)電阻和在發(fā)生"阻斷"時與耗盡型HV NMOSFET相更快地形成的相互反饋關 斷。
權利要求
一種阻斷型浪涌保護器件，其特征在于包括第一耗盡型場效應晶體管、第二耗盡型場效應晶體管以及第一電阻，所述浪涌保護器件的第一耗盡型場效應晶體管的源極與第二耗盡型場效應晶體管的源極相連，構成串聯(lián)結構，其中，所述的第一耗盡型場效應晶體管的漏極與模塊輸入端相連，柵極與模塊輸出端相連；第二耗盡型場效應晶體管的漏極與模塊輸出端相連，柵極與第一電阻連接，第一電阻再與模塊輸入端相連。
2. 根據(jù)權利要求1所述的阻斷型浪涌保護器件，其特征在于所述的浪涌保護器件還包括第二電阻，第二電阻的兩端分別與第二耗盡型場效應晶體管的源極和漏極相連。
3. 根據(jù)權利要求1所述的阻斷型浪涌保護器件，其特征在于所述的浪涌保護器件還包括反饋分壓器，反饋分壓器并聯(lián)于第二耗盡型場效應晶體管的漏極和源極之間，反饋分壓器中間節(jié)點與第一耗盡型場效應晶體管的柵極相連，第一耗盡型場效應晶體管的柵極經(jīng)該反饋分壓器與模塊輸出端相連。
4. 根據(jù)權利要求4所述的阻斷型浪涌保護器件，其特征在于所述反饋分壓器由第三電阻和第四電阻構成，第三電阻和第四電阻在第二耗盡型場效應晶體管源極和漏極之間并聯(lián)。
5. 根據(jù)權利要求1至4之一所述的阻斷型浪涌保護器件，其特征在于所述的第一、第二耗盡型場效應晶體管為金屬氧化物半導體場效應晶體管、結型場效應晶體管及靜電感應場效應晶體管中的一種。
6. 根據(jù)權利要求5所述的阻斷型浪涌保護器件，其特征在于所述的第一耗盡型場效應晶體管為金屬氧化物半導體場效應晶體管。
7. 根據(jù)權利要求6所述的阻斷型浪涌保護器件，其特征在于所述的第一耗盡型場效應晶體管為高壓金屬氧化物半導體場效應晶體管。
8. 根據(jù)權利要求5所述的阻斷型浪涌保護器件，其特征在于所述浪涌保護器件的第一耗盡型場效應晶體管的導電溝道類型與所述第二耗盡型場效應晶體管的導電溝道類型相反。
9. 根據(jù)權利要求8所述的阻斷型浪涌保護器件，其特征在于當浪涌保護器件用于阻斷正向浪涌時，所述第一耗盡型場效應晶體管為耗盡型N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管，所述第二耗盡型場效應晶體管為耗盡型P溝道結型場效應晶體管；當浪涌保護器件用于阻斷反向浪涌時，所述第一耗盡型場效應晶體管為耗盡型P溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管，所述第二耗盡型場效應晶體管為耗盡型N溝道結型場效應晶體管。
10. 根據(jù)權利要求9所述的阻斷型浪涌保護器件，其特征在于所述的第一耗盡型場效應晶體管為高壓耗盡型N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管，第二耗盡型場效應晶體管為耗盡型P溝道結型場效應晶體管，在第一耗盡型場效應晶體管的漏源極內(nèi)部設置一個高壓的反向二極管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的阻斷型浪涌保護器件，所述的浪涌保護器件包括第一耗盡型場效應晶體管、第二耗盡型場效應晶體管以及第一電阻，所述的浪涌保護器件的第一耗盡型場效應晶體管的源極與第二耗盡型場效應晶體管的源極串聯(lián)，其中，所述的第一耗盡型場效應晶體管的漏極與模塊輸入端相連，柵極與模塊輸出端相連；第二耗盡型場效應晶體管的漏極與模塊輸出端相連，柵極與第一電阻連接，第一電阻再與模塊輸入端相連。本發(fā)明可形成類似于可重置保險絲的可變電阻電路，實現(xiàn)如保險絲阻斷浪涌一樣的作用，且可無限次重復阻斷復位，阻斷型浪涌保護器件與負載串聯(lián)，使能夠特定地保護單個負載，并且能夠應用于高帶寬的系統(tǒng)，同時實現(xiàn)過電壓和過電流保護。
文檔編號H02H3/06GK101702509SQ200910199069
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權日2009年11月19日
發(fā)明者吳興農(nóng), 張關保, 張婷, 李星, 蘇海偉 申請人:上海長園維安微電子有限公司