半导体放电管的研制与生产
陈卫星
深爱半导体有限公司
摘要：本文论述了半导体放电管的工作原理，描述了其基本参数，提出了设计思路和工艺流程，总结了生产中的主要事项，给出了半导体放电管系列产品的研制和生产模型。
关键词：半导体 放电管 双极晶体管 设计 工艺流程
引言
随着我国通讯事业的飞速发展，电话和计算机网络产品已进入了千家万户。电话和网络
等通讯系统需要预防雷电事故等，保护电气电子系统及关键元件免遭瞬时浪涌电压、浪涌电流及其它电气噪声引起的损坏，因此需要配备一个稳定可靠的保护系统。过去用于电话等通讯系统保护的抗电涌器件主要有气体放电管、碳精放电管和陶瓷放电管，但它们存在阴极慢性漏气、寿命短、电流容量小等缺点，急需要替代产品。近年来发展的半导体放电管具有响应速度快、漏电流小、寿命长、性能稳定、通态压降低和对称性好等优点，可广泛应用于雷电等浪涌保护电路中，成为取代旧放电管的新一代抗雷电浪涌保护器件。
1 工作原理
半导体放电管是一种无栅对称双向晶闸管，采用短路发射极为阴极的PNPN结构组成，
芯片结构图见图（一）， 放电管的伏安特性如图（二），其中：VBR为击穿电压，VBO为转折电压，IH为维持电流，IBO为转折电流。其电路应用由伏安特性可知：当正常工作时，放电管处于关闭状态，放电管上流过的电流很小（uA级），相当于“开路”，电流流经被保护电路；当浪涌产生时，浪涌电压超过放电管的转折电压VBO，放电管形成低压大电流通路，相当于“短路”，浪涌电流全部通过放电管泄放，此时施加在被保护电路上的电压仅是放电管的导通电压值（几伏电压），从而保护了电路。当浪涌电流减弱，在维持电流IH以下时，放电管又恢复至关闭状态。
图（一） 图（二）
半导体放电管的内部工作原理：将芯片结构简化成PNP和NPN两双极晶体管模型，其模型和等效电路分别如图（三）和图（四）。由图可知：
IA→K= ，
Ir1、Ir2分别为PNP管和NPN管的反向漏电流，
α1、α2分别为PNP管和NPN管的共基极直流电流增益。
图（三） 图（四）
当外界瞬时浪涌产生的正向电压加在器件两端时，J1和J3结正偏，J2结反偏承受反向电压，其反向漏电流沿着基区P2横向流动，由短路点流向阴极K，当浪涌电压上升时，J2结反向漏电流增加，P2基区横向电压随之增加，一旦这一横向压降大于J2结的开启电压，放电管部分开通，发射区N2向基区P2注入电子，α2开始逐步增大，当α1+α2=1时，放电管全面开通，进入低阻大电流状态。浪涌电流下降时，α1、α2随之下降，α1+α2≠1，放电管又自动恢复到高阻状态。
2 主要参数
1） 击穿电压VBR和转折电压VBO：它们能满足精确和稳定的电压控制。例如：2SA200J产品，VBR=200V，VBO=260V。
2） 转折电流IBO和维持电流IH：只要维持电流大于被保护设备流过放电管的最大短路
信号电流值，就能确保放电管在经受电涌后可自动复位。较大的转折电流可确保放电管不会误导通。一般来说，IH≥150mA。
3） 最大峰值脉冲电流IPP：放电特性的优劣以通过的最大脉冲电流来衡量，通过电流的
持续时间越短，允许通过的脉冲电流越大，如：10A/2s、 100A/1ms 。通常定义脉冲波形的测试条件是脉冲上升时间tr=10us，脉冲延迟时间tp=1000us，记作10/1000us。根据市场情况，IPP 分为三个档次：50A（10/1000us）、80A（10/1000us）、100A（10/1000us）.
4）截止态漏电流IRM：确保放电管稳定而可靠地工作，旁路信号的作用极小。
5）电流上升率di/dt和电压上升率dv/dt：一般说来，浪涌干扰的持续时间很短，为此
要求放电管具有快速放电的能力。电流上升率越大，放电电流越大，放电时间越短。电压上升率大，可确保放电管不会被有效脉冲信号引起的结电容位移电流触发而误导通，保证被保护设备正常工作。
3 工艺与设计
1） 半导体放电管的工艺流程：
一次氧化—→一次光刻—→硼离子注入—→煺火—→二次光刻—→磷预扩、磷主扩—→三次光刻—→金属化—→四次光刻—→测试—→合金—→分选—→封装—→成品测试—→打印、包装
2） 半导体放电管的选材：放电管中PNP晶体管的共基极电流增益α1很小，这样PNP管的N基区宽度必须与其少子扩散长度LP相当，以保证晶闸管作用正常产生。因采用短路阴极结构且α1很小，放电管的击穿电压VBR近似于P2N1结J2的击穿电压。所以材料电阻率由P2N1结的单结击穿电压VP2N1=VBR来确定其选取范围。影响单结击穿电压的因素有材料电阻率和结深，考虑到流过P2区的电流很大，J2结深一般要求20um左右。在此基础上，由VBR决定材料电阻率的选取。例如：VBR为200V，其材料电阻率选2~3Ω•cm。
3） 半导体放电管的版图设计：
放电管的版图设计主要考虑芯片面积和短路点的尺寸和间距。
芯片面积受最大脉冲电流和寄生电容的制约，芯片面积越大，承受的脉冲电流越大，但寄生电容也越大。在一般半导体放电管的设计中，主要考虑承受最大脉冲电流，以普通晶闸管的正常浪涌电流密度1000A/cm2 为参考，即：10A/mm2，根据所设计放电管的相关参数IPP要求，选取阴极有效面积，注意总面积还要考虑短路点所占面积。在对寄生电容要求特别小的放电管设计中，可放弃用击穿电压选材的方法，选择高阻材料，改变结构，用三重扩散的办法或外延的办法来降低因高阻材料所带来的高击穿电压，实现所需击穿电压，同时，侧面的高阻可有效降低放电管的寄生电容。上述是用平面工艺方法，也可直接用台面工艺的办法实现减小寄生电容的目的。
放电管短路点设计与IH、IBO、di/dt、dv/dt等密切相关。短路点直径和密度越大，短路点之间的基区横向电阻就越小，则IH、IBO、dv/dt越大；而阴极有效面积损失越多，di/dt越小。在上述四个参数中，维持电流IH为放电管的主要参数，是短路点设计的依据。根据：
IH=
其中W2为有效基区宽度，Vk为开放电压（约0.7V），ρ2为基区电阻率，a为短路点直径，b为两个短路点中心距离的1/2。 选取：R□= =30Ω/□，Vk=0.7 V，a=50um，b=150um，则： IH= = 153mA
在设计中，综合考虑工艺及各参数间的关系，进行微量调整，找出适应本生产线最佳的方案，投片后实测能得到较为满意的结果。
4 生产事项
半导体放电管的生产是在半导体双极晶体管的生产线进行，它与双极晶体管的工艺基本
兼容，半导体放电管在生产线流片取得连续三批试制成功，芯片合格率到达85%以上后，进行大批量生产。
在进行大批量生产时，须做好以下工作：
1） 材料分选：购入的材料电阻率一般有一个较宽的范围，为使批量生产一致性好，须对购入的材料重新进行分选，一般以0.2Ω•cm为间隔细分材料，这样每批次的材料电阻率分布较为集中，便于工艺调试。
2） 每道工艺要留有1~2片做测试图形，以便及时检测，发现问题，进行整改和调整。
3） 设置质量检测点进行有效检测，例如注重J2结的结深和方块电阻的监测，保证其值
在适当的范围内，否则进行返工或补救。
4） 注意各工序的工艺卫生，特别是圆片清洗时，要严格执行操作规程，注意时间、温度、湿度、溶液更换和配比等，注意设备和工具的清洁。
5） 遇到工艺异常，要及时报告，技术人员到现场查看，及时提出解决办法，确保生产在有序、控制下进行。
6） 做好每道工序的工艺记录，要求记录及时、准确、完整，使产品质量可追溯。
5 结论
我们采用平面工艺的方法，经过设计、工艺的配合，已研制和生产出6~400V的半导体放电管产品，满足不同的VBR、VBO和IPP的要求。现在，我们已经可以系列化地提供半导体放电管产品，这表明我们的设计和生产是可行的。
[参考资料]
[1] 黄如等译，半导体器件基础，电子工业出版社，2004.11
[2] 詹娟，半导体放电管的短路点设计，电子器件，1997.6， 45~47
[3] 赵毅强等译，半导体物理与器件（第三版），电子工业出版社，2005.2
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