TWI327401B - Thyristor circuit providing overcurrent protection to a low impedance load and method of using a gated thyristor to protect a low impedance load from overcurrent conditions - Google Patents
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Description
1327401 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係一般關於過電流保護電路，且尤指以閘控式 閘流體元件而保護低阻抗負載之電路。 [相關申請案] 此專利申請案係關於西元1 999年1 1月8日所提出之 標題爲"對於線路提供過電壓及過電流保護之半導體元件 (SEMICONDUCTOR DEVICE PROVIDING OVERCURRENT PROTECTION FOR A LINE)"的美國申請 案第0 9/4 36,114號（現爲美國專利第6,407,901號），且 關於西元2000年5月19曰所提出之標題爲”用於半導體 元件之單側接點（SINGLE SIDE CONTACTS FOR A SEMICONDUCTOR DEVICE)"的美國申請案第 0 9 / 5 7 5，8 6 1 號，其揭示內容係以參照方式而納入本文。 【先前技術】 已經發現半導體元件針對消費者、商業、工業與軍事 用途所製造之每個電氣電路的種種應用。類似於諸多其他 的電氣構件，半導體元件係當暴露於過量電流與電壓時而 容易受到損壞或破壞。當需要出現時，電路可被設計來提 供保護給可能遭遇過電流與過電壓之元件。通常，隨著保 護電路之複雜性提高，費用與可靠度受到不利的影響。 根據在過電流情況期間可能必須做調節之電流的大小 -5- 1327401 .，能夠使用不同的保護元件。若涉及在〇·5安培或更小之 範圍中的小電流，則習用的雙極電晶體或場效電晶體（ FET )電路可以被利用來分流過電流而遠離所欲保護的電 - 路。針對較大的電流，能夠使用功率閘流體做爲用以分流 . 過電流而遠離所欲保護的電路之元件。諸如矽控整流器（ SCRs )之閘流體元件係可運用來載有直流電流，三端雙 向可控矽開關元件係可運用來載有交流電流。閘控式閘流 φ體構成一系列之元件，其具有至少三個端子，有時稱爲一 陰極端子、一陽極端子與一閘極端子。閘極端子被運用來 當適當供給能量時驅動該元件成爲導通。諸如： SIDACtor®過電壓保護元件，某些閘流體元件係僅爲運用 一個陽極與一個陰極端子。此等二端子元件係通常運用以 保護電路爲免於過電壓。提供過電壓保護的一系列之 SIDACtor®過電壓保護元件係可購自美國德州Irving之 Teccor電子公司。 • 閘流體係經常運用作爲載有過電流之元件，因爲關聯 的感測電路係一極爲基本的性質。舉例而言，陽極與陰極 端子係可連接於接地與導線之間以載有電路電流。閘極端 '子係可連接至一電阻器電路，其感測電路電流。電阻器之 値通常在閘流體被閘控而導通以分流過電流自導線至接地 之前’設定爲由電路所載有的電流之臨界値。 先前技藝充滿用以保護電路免於過電壓與過電流之閘 流體的運用之揭示。美國專利第5,6 2 5，5 1 9號係揭示一種 三端雙向可控矽開關元件式的閘流體之運用於分流切換電 -6- 1327401 路，以分流過電流繞過負載。美國專利第5,65 7,1 95號揭 示一種與負載串聯之閘控式截斷（G TO )閘流體的運用。 當GTO閘流體係置於一阻斷狀態時，閘流體防止電流到 達負載。美國專利第5,652,575號揭示運用一種連接跨在 二個線路上之三端雙向可控矽開關元件，以防止於線路上 的過電壓影響其他的電路。 閘流體元件（尤其是SCRs與三端雙向可控矽開關元 件）被建構成爲多層再生半導體裝置。該型式之裝置可被 驅動成爲一初始的導通狀態，且若連接到那裡之外部電路 讓適當電壓條件跨於閘流體上，該等元件可被驅動成爲一 閂鎖狀態’其中，裝置係完全導通且跨在陽極與陰極上的 電壓係在1伏特左右之規模。當一閘流體被驅動成爲閂鎖 狀態，裝置係即使爲不存在閘通訊號而維持在完全導通。 閘流體裝置仍然維持在問鎖狀態，直到陽極-陰極電流下 降至一指定的保持電流（I h )之下。一閘控式閘流體之閂 鎖狀態係取決於不僅是該閘通訊號的程度，而且亦取決於 陽極與閘極之間的電壓大小。此後者參數係一般爲較小或 無須關注，由於所欲保護的負載係通常具有充分的電阻或 阻抗。然而’於負載具有極小的阻抗之彼等電路架構，閘 控式閘流體係可能無法問鎖，即使是一大的過電流係存在 且該裝置之閘極-陰極接面係順向偏壓。若此不利的狀況 發生’則過電流將持續通過負載與聞流體之閘極-陰極接 面，但是閘流體將非爲於一極低阻抗的閂鎖狀態以分流過 電流繞過負載。因此，提供過電流保護至低阻抗負載之間 1327401 -控式閘流體的運用係尙未被實現。 【發明內容】 • 根據本發明之原理與槪念’揭示一種閘流體電路粗對 • 應裝置，其克服於先前技藝所出現的缺點與問題。根據本 發明之一個重要態樣’一種閘流體電路被揭示，其橋接跨 在一低阻抗負載上以保護該負載免於過電流。—額外的小 •阻抗係串聯連接於負載以提高其整體阻抗，使得閘流體係 可回應於通過負載之臨界電流而爲可靠問鎖於導電狀態。 根據本發明之一個實施例’一加載電阻器係置放爲串 聯於變壓器，其形成該電路之負載。一閘控式閘流體之陽 極與閘極端子係橋接爲跨於加載電阻器與變壓器，藉此， 當一臨界電流爲通過該變壓器與加載電阻器，該閘流體被 閘控而導通以使得過電流爲分流而遠離負載。 根據本發明之另一個特徵，該加載電阻器係隨著閘流 Φ體元件而整合於半導體材料。 根據本發明之另一個層面，該閘流體元件係納入其形 成於閘極區域與陰極區域之間的一電阻性半導體路徑中， 其中’該電阻性的路徑之値係定義用以觸發閘流體元件成 爲導通之電流的臨界値。 根據本發明之又一個特徵，形成於半導體元件之加載 電阻（其串聯於負載）亦作用爲一自該閘流體晶片的表面 至相對的表面之電阻柱。 關於本發明之又一個特徵，一種用於低阻抗負載之閘 -8 - 1327401 流體電路被揭不，其包含：〜閘控式閘流體’具有一陽極 、一陰極與一閘極；一低阻坑負載；一串聯阻抗，串聯連接 於該低阻抗負載；該鬧控式閘流體之陽極與閘極係並聯連 接跨在該低阻抗負載與該串聯阻抗上；及，該陽極與陰極 被建構成該閘流體電路之端子，藉此，當超過—預定大小 之電流通過該低阻抗負載’該閘流體被閘控而導通且電流 爲分流繞過該低阻抗負載。 根據本發明之另一個特徵係包括一種用於變壓器負載 之閘流體電路，其包含：第一電阻器，串聯連接於該變 壓器負載，以提供該變壓器負載之外部的一額外電阻；一 閘控式閘流體，具有一陽極、陰極與閘極，該陽極與閘極 係並聯連接爲跨於該第一電阻器與變壓器負載；及，一第 二電阻器’連接於閘控式閘流體的閘極與陰極之間，該第 二電阻器爲作用以建立用於該閘控式閘流體之過電流臨界 値’藉此’閘控式閘流體當超過該過電流臨界値時被觸發 成爲導通，藉以防止過電流通過該變壓器負載。 根據本發明之再一個特徵，一種用於界定一負載的變 壓器之閘流體電路被提供’其中：該變壓器被封裝爲一模 組構件，且具有一第一繞組，其爲電感性連接至一第二繞 組。該電路亦包括：一第一電阻器，串聯連接該變壓器之 第一繞組’以提供一額外電阻至第一繞組，且該第一電阻 器被封裝於變壓器以作爲單一模組構件；一閘控式閘流體 ’具有一陽極、陰極與閘極’該陽極與閘極係適用於並聯 連接跨在第一電阻器與第一繞組上；及，一第二電阻器， -9 - Ϊ327401 - 連接於該閘控式閘流體的閘極與陰極之間，該第二電阻器 . 爲作用以建立用於閘流體電路之過電流臨界値’藉此’鬧 控式閘流體當超過過電流臨界値時被觸發成爲導通，藉以 * 防止過電流通過該變壓器負載。 . 根據本發明之一種方法，一種使用一閘控式鬧流體來 保護一低阻抗負載免於過電流狀態之方法被提出。該方法 包含步驟：連接一閘控式閘流體之一陽極端子與一閘極端 φ子跨在該低阻抗負載上；加入一串聯於該低阻抗負載之電 阻以提高其合成阻抗；當超過一臨界値之電流企圖通過低 阻抗負載，致使該閘控式閘流體被驅動至一閂鎖狀態，及 致使超過臨界値之電流連接通過閘控式閘流體且於該閘控 式閘流體的陽極端子與一陰極端子之間，因而排定電流繞 過該低阻抗負載的路線。
參照第1 a圖，用於保護一低阻抗負載爲免於歸因於 過量電流的損壞之一種閘控式閘流體電路係顯示。於所示 配置，閘流體10係並聯連接爲跨於負載12。聞流體 包含一 SCR，且負載包含一小値的電阻器12。一 SCR 10 係說明以描述本發明之特徵，瞭解的是，於交流電路，一 個三端雙向可控矽開關元件可被運用來保護負載12免於 各個極性的過電流之裝置型式。熟悉此技藝人士所瞭解的 是，一 SCR係四層式ρηρη裝置，其經常模型成爲如圖所 顯示之一ρηρ電晶體與一ηρη電晶體。一個三端雙向可控 -10- 1327401 砂開關兀件係類似構成爲一五層npnpn裝置》三端雙向可 控砂開關元件之結構與操作係可視爲形成於相同晶片之相 反方位的—個pnpn SCR裝置，其具有單—個共同的閘極 端子。 _ 四層SCR 10之ρηρ部分爲電晶體Q1，且SCR 1〇之 ηρπ部分爲電晶體Q2。該四層裝置之中間pn層係共用於 電晶體Q 1與Q2的基極與集極之間的半導體區域。如圖 所示’電晶體Q1與Q2係一起連接於半導體晶片，使得 φ 一再生效應係當該裝置被觸發至操作而發生。SCR 10包 括：一閘極端子〗4、一陰極端子16與一陽極端子18。陽 極端子18係連接至一電路導線20，其爲連接至負載12 之一端子。SCR 10之陰極端子16係連接至一電路導線22 。偏壓電阻器24係連接或形成於閘極端子14與陰極端子 16之間。偏壓電阻器24之値係作用來建立用以觸發SCR 10成爲導通之過電流的臨界値。SCR 10之閛極端子14係 連接至一加載電阻器26。加載電阻器26之另一端係連接 · 至負載1 2以串聯到那裡。 根據本發明之閘流體電路的操作係藉著參照第1 b圖 而最佳瞭解，其中，加載電阻器26係爲了解說而由一短 · 路所代替。如上所述，本發明之一個特徵係在於’ SCR 1 0 係配置以保護低阻抗負載12而免於過電流。若未保護而 免於過電流，負載係可能受損’取決於過電流的大小與過 電流所施加至電路的時間長度。一正極性電流係假設爲施 加至電路導線20，電流係通過負載12與偏壓電阻器24’ -11 - 1327401 -且自電路導線22而流出。隨著電流增大’跨於偏壓電阻 器24之電壓係增高。若電流爲超過一給定臨界値’跨於 偏壓電阻器24之電壓係超過電晶體Q2之基極-射極接面 - 的導通電壓。若電路狀態係滿足以起始且承受再生作用’ . 則電晶體Q1係驅動成爲導通’由於電晶體Q2所抽取之 集極電流係將引起電晶體Q 1之基極電流爲流通。然而’ 根據四層元件之眾所週知的再生作用’電晶體Q1之電流 鲁增益α 1加上電晶體Q2之電流增益α2係必須等於或大於 1，即：α1+α22ΐ·0。亦爲習知的是，較小的電流爲可利用 於閘流體，則電流增益係對應爲較小。 於第1 b圖之電路架構，當負載阻抗1 2之値係小，大 多數的過電流通過負載12與偏壓電阻器24’而未通過閘 流體元件1 〇。如此，閘流體1 〇係未驅動成爲一閂鎖狀態 ，由於電晶體Q 1係未導通。電晶體Q2之基極-射極接面 係完全導通且飽和，但是由於電晶體Q 1係歸因於不充分 ® 的基極-射極電壓而爲不導通，閘流體1 〇係未驅動成爲閂 鎗狀態以保護負載1 2爲免於過電流。假使過電流爲於充 分的持續期間且爲可觀的大小，負載12與偏壓電阻器24 _ 係可能受損。若是過電流爲可觀的大小且未分流爲繞過負 載12，負載構件係可能產生足夠的熱量而著火、破裂、 或引起對於週遭構件之實際損壞。 由前文，可看出的是，閘流體係並未成功運用於其具 有低阻抗負載之電流保護元件。於涉及低阻抗負載之諸多 實例，一個額外的阻抗係可加入而未實質折衷電路之功能 -12- 1327401 或效率。有時’串聯於低阻抗負載之僅爲數歐姆的加入係 將允許並聯到那裡的一閘流體元件之可靠運用，以提供小 於1安培之階層的過電流保護至負載。儘管第la圖之實 例係揭示用於負載裝置之電阻器的運用，其他型式的負載 阻抗亦可爲由閘流體電路所保護。當運用爲關連於電話線 路與低電感變壓器’如爲典型運用於用戶線路介面電路， 變壓器電阻係可爲於僅1歐姆之規模，偏壓電阻器24可 約爲4歐姆，且加載電阻器26可約爲2歐姆。 如上所述’負載1 2係保護爲免於流通至電路導線2〇 之過電流。流通於另一方向（即：至電路導線2 2 )之相反 極性的電流係由一個二極體2 8而分流爲繞過負載1 2。二 極體2 8係當本發明之閘流體過電流保護電路爲運用於用 戶線路介面電路而爲有用。否則，二極體28係選用式， 且若是涉及負載1 2之電路係不允許過電流爲流通於電路 導線22至負載1 2、或該電流爲限制於電路之其他處而非 爲必要。二極體2 8係可爲任何習用的整流器，或可爲形 成於具有SCR之晶片的一pn接面。 參照第2圖，適用於保護一通訊用戶線路電路的種種 構件之本發明的一個實施例係揭示。於諸多的通訊電路， 小型低電感變壓器係運用以提供直流隔離，以及耦合於其 之交流訊號。該型式之變壓器係通常封裝爲模組式，以提 供小型構件，具有關於安裝至其之印刷電路之一小的使用 面積。如眾所週知，小型變壓器繞組的直流電阻係可爲極 小，有時爲於一歐姆或更小之規模。同理，變壓器係可爲 -13- 1327401 -飽和於低能量階層，因而造成一低阻抗負載。通訊電路（ 且尤其是暴露至其包括閃電與電力線路交叉之環境條件的 彼等型式者）係可能時常經歷過電流狀態。因此，針對用 - 於保護該等型式的負載爲免於過電流之一種簡單閘流體電 . 路的需求係存在。 通訊線路包括一尖端導線30與一環狀導線32。一熔 絲3 4係串聯於尖端導線3 〇。熔絲3 4係作用以回應於一 鲁承受的過電流而隔離尖端導線30自通訊電路導線36 〇取 代運用一熔絲，熟悉此技藝人士可發現的是：諸如一 PTC 元件之其他構件係相當適用於保護變壓器爲免於承受大的 過電流。電路導線36係典型爲連接至一變壓器38之一次 側4〇的一個端子、以及至一閘流體50之陽極54。變壓 器一次側40的另一個端子係連接至一加載電阻器44、或 其他加載阻抗。加載電阻器44係連接至一偏壓電阻器46 與閘流體50之閘極端子48。偏壓電阻器46之另一端係 •連接至閘流體50之陰極端子52與通訊線路之環狀導線 3 2。變壓器3 8之二次側係連接至該線路電路之其他構件 ’以處理聲音訊號、數位訊號、DTMF與其他訊號。儘管 變壓器38係顯示爲具有單一個一次側與單一個二次側之 一構件’存在其運用於通訊電路之諸多不同型式的變壓器 ’其均可爲藉著本發明之種種的實施例而保護。 於第2圖所示之閘流體電路的實施例，當觸發爲導通 時’閘流體5 0係操作於雙向方式以允許各個極性之過電 流爲通過於其。該閘流體係可構成於美國專利第 -14- 1327401 6,407,901號所述之方式。於諸多 AC電路’電流係可爲 各個極性，且因此閘流體5 0係將保護於各情形之負載。 實際上，閃電係撞擊至一通訊線路，或電力線路係相交， 可能涉及二個極性之過電流，且因此雙向的閘流體50係 相當適用於保護變壓器負載以免於歸因於承受過電流之損 壞。 於美國專利第6,407,90 1號所述之閘流體元件係提供 過電壓保護以及過電流保護至連接於其之電路。即使當所 保護之負載係特性爲低阻抗，過電壓保護係可能仍爲合意 於某些狀況，其中，負載包括一熔絲或其他類似保護元件 ’或負載包括其爲針對某個理由而開路之一構件。於此等 情況’即使一過電流爲無法流通至開路，一過電壓係將仍 然出現安全顧慮。藉著利用其具有過電壓及過電流保護之 裝置’橋接跨於閘流體元件之電路係保護爲免於過電壓及 過電流狀態。 於操作上，當通訊電路爲作用於習用方式，閘流體 5 〇係於阻斷狀態。即，通訊與訊號電流係通過熔絲3 4、 變壓器一次側40、加載電阻器44與偏壓電阻器46。訊號 之交流分量係經由變壓器38而連接至其他的處理電路（ 未顯示）。重要的是，偏壓電阻器46係選定爲一値，使 得正常的交流或直流電流係不致使閘流體5〇被觸發成爲 導通。當運用爲關連於其載有高達20 0毫安培的電流之用 戶線路’偏壓電阻器46係選定爲約4歐姆之値。用以觸 發閘流體5 0成爲導通之期望的臨界値係取決於偏壓電阻 -15- 1327401 . 器46之値，其係無關於加載電阻器44之値。以類似方式 ，針對變壓器之適當的過電流保護，加載電阻器44之値 係無關於偏壓電阻器46之値。然而，加載電阻器44之値 - 係取決於變壓器3 8之阻抗。變壓器3 8之阻抗加上加載電 . 阻器4 4之阻抗係應爲充分，使得於初始導通期間之通過 閘流體50的電流係允許α1+α2爲等於或超過1。期望的 是，當運用習用的閘流體與具有約爲0.1歐姆之一次側電 φ 阻的一變壓器，加載電阻器44之値係可在約1或2歐姆 之範圍。藉此配置，閘流體5 0可靠地保護變壓器3 8而免 於超過約200至2 5 0毫安培之過電流。熔絲34係將典型 爲具有一額定安培，使得於其之可熔解的連結係當承受過 電流爲遭遇時而熔化。藉此配置，閘流體5 0作用成爲一 高速開關，其將保護負載而免於其否則不足以熔化熔絲 34之暫態的過電流，且將保護負載爲免於承受過電壓而 直到熔絲3 4爲熔化。取決於所運用之閘流體5 0的額定功 • 率，裝置係可爲於不存在一熔絲3 4、或若電流爲不足以 燒掉熔絲3 4而提供保護給變壓器3 8。 加載電阻器44係顯示爲連接於變壓器一次側40之底 '端接腳。或者，加載電阻器44係可爲連接於變壓器一次 側40之頂端接腳。本質上，加載電阻器44係可連接於閘 流體5 0的陽極-閘極電路之任何處。誠然，加載電阻器 44係可藉著運用變壓器繞組之電阻線而整合至變壓器3 8 之繞組。於此情況，加載電阻器44係可整合至變壓器模 組而無須另一個電氣構件以安裝至印刷電路板、或類似者 -16- 1327401 。亦可爲有利的是，安裝作爲一構件之加載電阻器44於 變壓器3 8所封裝至其之模組。 根據本發明之另一個特徵，加載電阻器44係可爲整 合至閘流體60其本身，如第3圖所示。閘流體60係作用 於雙向方式以提供於各個極性的過電流之保護。然而，電 阻器44或46的一或二者之整合係可達成於其他型式之閘 流體，諸如：SCR、三端雙向可控矽開關元件、三端子 S ID A Ctor®、或其他多層再生元件。於任何情形，偏壓電 阻器62係可隨著元件62而整合於半導體材料，如於美國 專利第6,407,90 1號所揭示。同理，加載電阻器66亦可 爲隨著元件62而整合於半導體材料。因爲電阻器62與 66之通常爲低的電阻値，藉著適當摻雜半導體材料之其 形成係易於實行。可能的是，數個値之電阻器係可形成於 半導體材料，且於處理期間選定之一者係允許閘流體60 爲例如回應於一期望的過電流臨界値。換言之，數個偏壓 電阻器6 2係可個別或透過電阻器分接點而形成於半導體 材料，且於處理期間選定之一者係使得閘流體爲於關聯的 過電流臨界値而觸發成爲導通。同理，加載電阻器6 6係 可形成爲數個電阻器，且於處理期間選定之一者係使得當 置放爲串聯於一負載時，確保的是，間流體係將置於再生 模式。 第3圖之實施例係提供運用單一構件之優點，該構件 係並聯連接於一低阻抗負載以提供可靠的過電流保護至其 。此外，當閘流體60係根據於美國專利第6,407,901號 -17- 1327401 -所揭示者而構成，過電壓保護係亦爲提供至負載’而無關 於任何的過電流條件。不存在一過電壓或一過電流時’元 件64係於一阻斷狀態，且正常的電路電流係流通於其串 - 聯於負載構件之電阻器62與66。 . 第4a與4b圖係說明習用設計的一種閘流體70 ’但 是具有根據本發明之一個實施例之整合於半導體材料的加 載電阻器。較佳而言，閘流體70係構成具有一輕摻雜η φ 型中間區域72。一上方ρ型基極區域74與一下方ρ型基 極區域7 6係形成於中間區域7 2。一 η型射極區域7 8係 形成於上方基極區域74。一下方η型射極區域（未顯示 )係形成於下方基極區域76。儘管未顯示，閘流體70可 包括其爲形成於個別的基極區域74與76及中間區域72 之間的埋入區域，且摻雜至一期望濃度階層以建立一指定 的擊穿電壓至閘流體70。擊穿電壓係閘流體70爲驅動至 導通以保護負載爲免於過電壓之臨界電壓。閘流體70係 ® 由連接跨於陽極與陰極端子之一過電壓而觸發成爲導通， 而均爲無關於施加至元件之任何閘極電壓。此外，射極區 域係可形成短路點，以控制在導通之前而流通於元件的電 流大小。爲此目的，此結構係形成第3圖所示之偏壓電阻 器62。 通常稱爲ΜΤ2端子之一陽極金屬化層80係形成於下 方基極區域76與下方射極區域（未顯示）。一金屬引線 架部分82係焊接或者接合至陽極金屬化層go。同理，一 陰極金屬化層84係形成接觸於上方射極區域78與上方基 -18- 1327401 極區域74。上方基極區域74係延伸至第4a圖之左側， . 且係覆蓋具有一金屬化層88。由金屬化層88所覆蓋之上 方基極區域90的一部分係成爲於第3圖所示之偏壓電阻 器62。基極區域90之該部分的厚度、側向面積與摻雜濃 - 度係定義第3圖之半導體偏壓電阻器62的電阻》—閘極 _ 互連引線架92係提供於金屬化層88與94之間的一互連 。瞭解的是，金屬化層84、88與94係可爲同時形成於製 程，但是圖案化以定義個別的互連》 φ 一周圍擴散層96係形成於中間區域72，擴散層96 係重度摻雜以P型雜質。周圍擴散層96係作用爲一隔離 層，即：作爲與中間區域72之一pn接面。周圍擴散層96 係藉者遮罩該半導體晶片之一側、植入一闻濃度之一 ρ型 雜質於遮罩之開口、且接著藉著一高溫驅動器以驅動雜質 至晶片而直到雜質爲會合及重疊於晶片中心所形成。取決 於所運用的雜質之型式’高溫驅動器係可能耗費五天或更 多。一中性區9 8係如周圍擴散層9 6而同時且由相同製程 0 所形成，其互連周圍擴散層9 6之相對側。此係形成n型 中間區域72之一隔離面積，其本質爲η型材料之一隔離 · 槽100。一 ρ +導電柱1〇2係形成於η型材料之隔離槽1〇〇 ' ’且延伸自該晶片之一側至相對側。導電柱1 〇2係如同周 圍擴散層96與中性區98而同時且爲以相同方式所形成。 導電柱1 02係形成第2圖所示之加載電阻器44、或第3 圖之加載電阻器66。 根據本發明之一個重要特徵，導電柱102係作用爲第 -19- 1327401 .3圖之加載電阻器66 »橫截面積、長度與摻雜濃度係定義 該導電柱1 02之電阻、以及因此該加載電阻器66之電阻 。導電柱102之底端係金屬化爲具有一金屬1〇4。一閘極 - 引線架部分係焊接或者是接合至金屬1〇4。導電柱 102係串聯於閘極端子106與半導體閘極區域90之間。 亦可理解的是，閘極區域9 0之偏壓電阻器的電阻係可作 成而無關於由導電柱102所界定之加載電阻器的電阻。 φ 應注意的是，晶片之彎曲部分係藉著適當的蝕刻步驟 而形成，以移除半導體材料之選定部分。未顯示者係鈍化 材料’其典型爲運用以提供環境保護至半導體晶片。 第5 a至5 d圖係說明本發明之另一個實施例，如爲納 入至一個半導體晶片。第5 a圖係半導體晶片1 1 〇的俯視 圖’其右側顯示一第一單向閘流體1 1 2與一第二單向閘流 體1 1 4。閘流體1 1 2與1 1 4係構成以分別載有正與負電流 。換言之，當過電流爲交流型式，閘流體1 1 2與1 1 4將交 _替導通。 載流電阻柱 1 1 6係橫截面爲大以降低電阻且提高該 結構之載流能力。於本發明之一個較佳形式，由電阻柱 ^ 116所界定之加載電阻器具有約爲1歐姆之一電阻。此低 胃彳系相當適用於保護諸多實際小的通訊線路變壓器負載 。實際上，半導體晶片係厚度約爲10密爾（mil )，且電 阻柱116具有橫截面積爲數百平方密爾，藉著適合的摻雜 濃度。此係可產生約爲1歐姆之一電阻以串聯於閘極端子 -20- 1327401 參照第5 b圖，二個閘流體丨〖2與丨丨4之橫截面圖係 顯示。閘流體1 1 2與1 1 4係運用一輕摻雜n型中間區域 1 1 8而構成。第一閘流體1〗2係形成於中間區域1 1 8，藉 著形成數個埋入區域120於一上方p型基極區域122與中 間區域1 1 8之間。一 n型射極1 24係形成於上方基極區域 1 22。射極1 24係於其已經形成此技藝眾所週知之型式的 複數個短路點。一π型下方射極丨2 6係形成第一閘流體 1 1 2的底部。第二閘流體丨i 4係如第一閘流體i i 2而爲同 時形成，且爲以實質相同方式而形成，但是其載有通過半 導體晶片之相反方向的電流。 —金屬陰極接點1 2 8係形成於半導體晶片之頂表面上 ’且一金屬陽極接點1 3 0係形成於半導體晶片之底表面上 。半導體晶片係藉著一絕緣玻璃或其他的鈍化材料（未顯 示）而爲鈍化。 —金屬邊緣閘極接點1 3 2係形成於電阻柱1 1 6之頂部 。邊緣閘極接點1 3 2之右邊緣係側向相隔於金屬陰極接點 1 28之左邊緣。一電氣絕緣〗34 (諸如：氧化矽）係形成 於邊緣閘極接點1 3 2與陰極接點丨2 8的隔開邊緣之間。在 陰極接點128之下面的半導體區域係通常爲關於提供過電 壓保護之兀件的功能，即：一種二端子SIDACtor®過電壓 保護元件之主要功能。在邊緣閘極接點丨3 2之下面的半導 體區域係通常爲關於閘控功能，以回應於一過電流條件而 觸發該元件之過電壓保護部分爲導通。 邊緣閘極接點1 3 2係形成爲接觸於電阻柱1 1 6之頂表 -21 - 1327401 .面。一金屬閘極接點1 3 6係形成爲接觸於電阻柱6之底 表面。是以，電阻柱Π6係串聯於閘極半導體結構，極爲 類似於第3圖所示者。用於提供一順向偏壓至閘極-陰極 - 接面之偏壓電阻係形成爲其位於個別的射極區域與邊緣閘 極結構之間的半導體區域與特徵之部分者。 儘管本發明之上述實施例係已經描述爲關連於一加載 電阻器之運用以加入一電阻至負載，熟悉此技藝之人士係 φ 可發現的是，於某些情況，加載阻抗係可包含：電感、電 容、或其組合而具有或不具有電阻。 根據本發明之一個實施例，閘流體電路係可封裝於種 種方式，其二者係顯示於第6與7圖。於第6圖，關連於 第3圖之上述的閘流體60係可封裝於一種四接腳的封裝 組件1 40。閘流體60之陽極端子1 42係可連接至封裝1 40 之一對的接腳144與146。或者，陽極端子142係可連接 至封裝140之僅有一個接腳。陰極端子148係顯示爲連接 參至封裝之接腳1 5 0。最後，閘流體6 0之閘極端子1 5 2係 連接至封裝組件1 40之接腳1 54。此種配置係允許閘流體 封裝140之容易實施於一印刷電路板。 第7圖係說明一種六接腳封裝160，其容納二個閛流 體60a與60b。閘流體60a具有一陽極端子162，其連接 至封裝組件160之一接腳164。閘流體60a之閘極端子 166係連接至接腳168，且陰極端子170係連接至接腳 1 72。伴隨的閘流體60b係類似連接至封裝1 60之三個其 他的接腳。尤其，陽極端子1 74係連接至接腳1 7 6，閛極 -22- 1327401 端子178係連接至接腳180且陰極端子182係連接至接腳 184° 儘管本發明係已經關連於種種實施例而描述於上文， 可瞭解的是’此揭示內容係僅爲舉例而作成，由於細節與 _ 結構的諸多變化係可作成於本發明而未偏離本發明之精神 與範疇，其爲由隨附的申請專利範圍所界定。 【圖式簡單說明】 φ 藉由隨附圖式所示之本發明的較佳與其他實施例之以 下更特定說明，進一步的特點與優點係將成爲顯明，類似 的參考符號係表示於不同圖式中的相同零件、功能或元件 ，其中： 第1 a圖係根據本發明的一個實施例之一種閘流體電 路的電氣不意圖； 第1 b圖係未運用加載電阻器而跨接於一低阻抗負載 之一種閘流體電路的電氣示意圖； φ 第2圖係適用對一變壓器提供過電流保護之一種閘流 體電路的另一個實施例； _ 第3圖係以記號說明具有整合於其的種種電阻器之一 ’ 種雙向閘流體； 第4a與4b圖係分別爲其實施本發明之主旨與槪念的 一種半導體晶片之一個實施例的側視橫截面圖與俯視圖； 第5a圖係根據本發明之具有形成於其的雙向閘流體 以及種種電阻器之一種半導體晶片的俯視圖； -23- 1327401 第5b圖係第5a圖沿著線5b-5b而取得之半導體晶片 的橫截面圖； 第5c圖係第5a圖沿著線5c_5c 的橫截面圖； 第5d圖係第5a圖沿著線5d-：5d 的橫截面圖； Μ取得之半導體晶片 $取得之半導體晶片 第6圖係用於容納本發明之-個寶施例的積體電路之
一種四接腳封裝的簡圖；及 第7圖係用於容納根據本發明之〜自 路之一種六接腳封裝的簡圖。 實施例的積體電 [主要符號說明] 10、 50、 60、 60a、 60b、 70:閘流 _ 12 :負載 14、 48 、 106 ' 152、 166 16、 52、 148 ' 】70、 182 18、 54、 142、 162、 174 20、22:電路導線 24、46、62:偏壓電阻器 26、44、66:加載電阻器 28 :二極體 3 0 :尖端導線 3 2 :環狀導線 1 7 8 ·閛極端子 :陰極端子 :陽極端子 3 4 :熔絲 -24 * 1327401 3 6 :通訊電路導線 38 :變壓器 4 0 :—次側 42 :二次側 64 :裝置 7 2 : η型中間區域 74、76、122: ρ型基極區域
78、124、126: η型射極區域 80、 84、 88、 94:金屬化層 82 :金屬引線架部分 90 :上方基極區域 92 :閘極互連引線架 9 6 :周圍擴散層 98 :中性區 1〇〇 :隔離槽
1 0 2 :導電柱 1 04 :金屬 1 1 0 :半導體晶片 1 1 2 :第一單向閘流體 1 1 4 :第二單向閘流體 1 1 6 :電阻柱 1 1 8 :中間區域 1 2 0 :埋入區域 128 :陰極接點 -25- 1327401 1 3 Ο :陽極接點 1 3 2 :邊緣閘極接點 1 3 4 :電氣絕緣 1 3 6 :閘極接點 140 :四接腳的封裝組件 144、146、150、154:接腳 160 :六接腳的封裝組件 1 8 4 :接腳 164、 168、 172、 176、 180'
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Claims (1)
1327401 拾、申請專利範圍 1. 一種和低阻抗負載一起使用之閘流體電路，包含： 閘控式閘流體，具有陽極、陰極與閘極； 加載阻抗，用以與該低阻抗負載串聯連接； 該閘控式閘流體之該陽極與閘極係適以跨在該低阻抗 負載與該加載阻抗之上而並聯連接；及 該陽極與該陰極形成該閘流體電路用之端子，藉此， 當超過預定大小之電流通過該低阻抗負載時，該閛控式閘 流體被閘控而導通且電流被分流繞過該低阻抗負載。 2 .如申請專利範圍第1項之閘流體電路，另包括：電 阻器，係耦接在該閘控式閘流體的該閘極與陰極之間，該 電阻器作用來提供跨在該閛控式閘流體的閘極-陰極接面 之上的電壓。 3. 如申請專利範圍第1項之閘流體電路，其中，該閘 控式閘流體包含三端雙向可控矽開關元件。 4. 如申請專利範圍第1項之閘流體電路，其中，該低 阻抗負載包含變壓器繞組。 5 .如申請專利範圍第1項之閘流體電路，其中，該閘 控式閘流體包含矽控整流器（SCR )。 6 ·如申請專利範圍第1項之閘流體電路，其中，該加 載阻抗包含電阻器。 7 ·如申請專利範圍第6項之閘流體電路，其中，該電 阻器包含分離的電阻器構件。 8 ·如申請專利範圍第1項之閘流體電路，其中，該加 1327401 . 載阻抗係和閘控式閘流體一起被形成於半導體材料中^ 9.如申請專利範圍第1項之閘流體電路，其中，該鬧 控式閘流體被建構而使得施加於跨在該陰極與陽極之上的 - 過電壓觸發該閘控式閘流體成導通，以保護該低阻抗負載 . 而免於承受超過預定臨界値之電壓。 1 0_如申請專利範圍第1項之閘流體電路，其中，該 加載阻抗作用來提高耦接跨在該閘控式閘流體之上的阻抗 •。 1 1.如申請專利範圍第1項之閘流體電路，另包含：耦 接跨在該閘控式閘流體的該陽極與陰極之上的整流器，該 整流器作用來分流指定極性的電流繞過該低阻抗負載。 1 2 .如申請專利範圍第〗項之閘流體電路，其中，該 閘控式閘流體裝置被建構以回應於超過臨界値之過電壓， 其中，該過電壓係耦接在該陰極與陽極之間。 1 3 .如申請專利範圍第1項之閘流體電路，另包含··結 Φ合該低阻抗負載。 1 4 . 一種和變壓器負載一起使用之閘流體電路，包含： 第一電阻器，係適以與該變壓器負載串聯連接，以提 ’供該變壓器負載之外部的額外電阻； 閘控式閘流體，具有陽極、陰極與閘極，該陽極與該 閘極係適以跨在該第~電阻器與該變壓器負載之上而並聯 連接；及 第二電阻器，係耦接在該閛控式閘流體的該閘極與陰 極之間，該第二電阻器作用來建立用於該閘流體電路之過 -28- 1327401 電流臨界値，藉此，當超過該過電流臨界値時，該閘控式 閘流體被觸發而成爲導通，藉以防止過電流通過該變壓器 負載。 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項之閘流體電路，其中’該 第一與第二電阻器和該閘控式閘流體一起被整體形成於半 導體材料中。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之閘流體電路，其中，該 第一電阻器係形成自半導體晶片之表面至其相對的表面。 1 7 .如申請專利範圍第1 4項之閘流體電路，另包含： 結合一電話線路，該電話線路具有連接至熔絲之導線’該 熔絲係連接至該變壓器負載，且該電話線路之第二導體係 耦接至該閘控式閘流體之該陰極。 1 8 ·如申請專利範圍第1 4項之閘流體電路，其中，該 第一電阻器具有在約爲1-5歐姆之範圍中的電阻。 1 9 ·如申請專利範圍第丨4項之閘流體電路，其中，該 閘控式閘流體被建構以回應於超過預定大小之耦接在該陰 極與陽極之間的過電壓。 20.—種和界定負載之變壓器一起使用之閘流體電路 ，包含： 該變壓器’被封裝成爲一模組構件，該變壓器具有第 一繞組’而該第一繞組係電感式地連接至第二繞組； 第一電阻器’和該變壓器之該第一繞組串聯連接，以 提供額外電阻至該第一繞組，該第一電阻器和該變壓器一 起被封裝以便成爲一單一模組構件； -29- 1327401 . 閘控式閘流體，具有陽極、陰極與閘極，該陽極與閘 極係適以跨在該第一電阻器與該第一繞組之上而並聯連接 ;及 . 第二電阻器，係連接在該閘控式閘流體的該閘極與陰 . 極之間，該第二電阻器作用來建立用於該閘流體電路之過 電流臨界値，藉此，當超過該過電流臨界値時，該閘控式 閘流體被觸發而成爲導通，藉以防止過電流通過該變壓器 ^ 負載0 2 1 ·如申請專利範圍第2 0項之閘流體電路，其中，該 第一電阻器包含分離的電阻器。 22.如申請專利範圍第20項之閘流體電路，其中，該 第一電阻器包含形成於構成該第一繞組之導線的電阻。 23 · —種使用閘控式閘流體來保護低阻抗負載以免於 過電流狀態之方法，包含步驟： 加入和該低阻抗負載串聯連接之電阻以提高其合成阻 鲁抗； 跨在該低阻抗負載之上而耦接該閘控式閘流體之陽極 '端子與閘極端子； 當超過臨界値之電流通過該低阻抗負載時，致使該閘 控式閘流體被驅動至閂鎖狀態；及 致使該電流通過該閂鎖之閘控式閘流體而被耦接在該 閂鎖之閘控式閘流體的該陽極端子與陰極端子之間，藉以 排定過電流繞過該低阻抗負載的路線。 24.如申請專利範圍第23項之方法，另包含：使用具 -30- 1327401 有結合入於其中之電阻的閘流體，以及藉由跨在該低阻抗 負載之上而連接該閘流體，以加入與該低阻抗負載串聯連 接之電阻。 25. 如申請專利範圍第23項之方法，另包含：使用在 該閘極端子與該陰極端子之間的偏壓電阻，以建立該臨界 値。 26. 如申請專利範圍第23項之方法，另包含：使用結合 入於該閘控式閘流體中的偏壓電阻。
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