基本信息
- 项目名称：
- 高压大电流半导体集成放电管
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 通讯设备等整机系统中经常会被意外的雷电及瞬时浪涌破坏，本作品从对称扩散、终端造型，扩散匹配和原胞结构、短路点结构及分布等三个方面进行研究，建立了一种新的高压大电流半导体放电器件最高保护电压达到700V，保护放电电流为1500A，达到了国际先进水平，很好地代替了过去用于程控交换机等通讯设备安全系统的气体放电管、陶瓷放电管等有很多致命性缺点的器件，更好的提高了通讯系统的稳定性和可靠性。
- 详细介绍：
- 1. 半导体放电管的背景与其科学价值 随着社会的不断发展，通信技术成为人们生活生产中不可或缺的一部分。然而， 在通讯设备等整机系统中经常会遇到意外的雷电及瞬时浪涌，导致系统被烧毁破坏。因此，预防雷电，保护整机系统使之免遭瞬时浪涌电压、电流引起的损坏，采用可靠、稳定的保护系统是必不可少的。过去用于程控交换机、电话机、传真机、配线架等通讯设备安全系统的主要是气体放电管、陶瓷放电管等器件。而这些抗浪涌器件存在 “开路失效”等致命弱点，使得在遭到连续冲击时失去保护作用，因此迫切需要替代产品。 半导体放电管也叫固态放电管，是一种过压保护器件，是利用晶闸管原理制成的，依靠PN结的击穿电流触发泄放浪涌电流。用于通讯交换设备中的程控交换机、通讯发射设备等一切需要防雷保护的领域，以保护其内部的IC免受瞬间过电压的冲击和破坏。而且半导体放电管是短路失效模式，能更安全、稳定的运行，避免因雷电引起的不必要的人员伤亡和设备损坏。 在当今世界微电子及通讯设备高速发展的今天，具有很高的启动保护电压和极高标称放电电流的半导体放电管已成为世界通讯设备的首选保护器件。 2.半导体放电管的原理与实现 高压大电流固态放电管是采用NPNPN多原胞结构,是二端对称双向晶闸管结构的器件,其等效电路由两个晶闸管反向并联而成。当外来电压浪涌出现时, 不论其极性如何, 必有一组器件阻断, 另一组导通, 将干扰电压或者浪涌泄放掉。 围绕高压和大电流两大参数，本作品从对称扩散、终端造型，扩散匹配和原胞结构、短路点结构及分布等三个方面进行研究，研制了一种新的高压大电流放电器件，最高保护电压达到700V，保护放电电流为1500A，达到了先进水平。 3.半导体放电管的技术指标 本产品的主要目标是研究一种高压、大电流半导体放电管，并可进行批量生产，配套通讯设备等整机系统中，预防雷电，保护整机系统免遭瞬时浪涌电压、电流引起的损坏。该半导体放电管器件的技术指标如下： （1）启动保护电压达到700V （2）标称放电电流达到1.5KA （3）绝缘电阻≥100 MΩ （4）漏电流＜1μA 4.半导体放电管的技术特点和优势 1.高电压：现代通讯、网络需要传输的数据量越来越多，其传输功率密度越来越大，同样功率密度，高电压意味着电流小，所需材料少，因此，高电压SPD（电涌保护）是重要的发展方向。半导体放电管最高保护电压达到700V，对晶格完整性、扩散结面均匀性、平坦性和双面对称性等都需要创新性的研究和分析。 2.大电流：极大的放电电流采用过去常规的结构已不能实现，需要建立新的模型及结构，实现超大注入和强等离子区扩散方能实现。因此，本作品实现1.5kA的放电电流，不仅是参数的提升，同时也是大电流等离子区扩散理论的创新。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.本作品的设计、发明目的 通讯设备等整机系统中常会遇到意外的雷电及瞬时浪涌，从而导致整机和系统中的电路及系统被烧毁破坏，因此，采用可靠、稳定的保护系统是必不可少的。过去用于通讯设备安全系统的主要是气体放电管、陶瓷放电管等器件。而这些抗浪涌器件存 “开路失效”等致命弱点，而本作品的高压大电流半导体集成放电管是一种新型的固体放电管，以其最大启动电源达到700V,最大瞬间放电电流达到1.5kA,达到先进水平。 2.本作品的基本思路和技术关键 高压大电流固态放电管是采用NPNPN多原胞结构,是二端对称双向晶闸管结构的器件,其等效电路由两组器件并联而成，每组器件由两个NPN三极管所组成。当外它来电压浪涌出现时, 不论其极性如何, 必有一组器件阻断, 另一组导通, 将干扰电压或者浪涌泄放掉。 关键的技术之一是高压启动及启动电压一致性问题，包括终端技术和玻璃钝化技术，其次是承受大电流1.5KA雷电冲击的硅元胞设计及结构设计。 3.创新点 （1）将半导体NPNPN五层结构尺寸合理匹配，合理选择硅片厚度，合理选择B扩散结深，使其最高电源电压达到700V,瞬间电流达到1.5KA； （2）原胞和阴极短路点结构集成结构，提高浪涌电压； （3）应用超大注入和强等离子区扩散技术提高浪涌电流。 4.技术指标 （1）启动保护电压达到700V （2）标称放电电流达到1.5KA （3）绝缘电阻≥100 MΩ （4）漏电流＜1μA
科学性、先进性
- 高压大电流固态放电管是采用NPNPN多原胞结构，高压和大电流相互影响，是使器件性能恶化的关键参数。由于器件的本身发热功率为导通电压和放电电流的乘积，要实现高压，器件厚度必然增加，导通电压必然增加，在放电时，在超大电涌电流的作用下常因为自身的发热而损坏。针对这个矛盾，围绕高压和大电流两大参数，本作品从对称扩散、终端造型，扩散匹配和原胞结构、短路点结构及分布等三个方面进行研究，建立了一种新的高压大电流放电器件最高保护电压达到700V，保护放电电流为1500A，达到了国际先进水平，具有很高的科学性和先进性。 主要从以下几个关键点进行研究： （1）双面深硼扩散对称工艺研究及终端技术研究，使保护启动电压能够达到700V、启动电压一致 （2）双面磷扩散及硼磷扩散匹配研究，形成对称的NPNPN自触发可控硅结构，实现负阻型保护，使响应时间＜1ns （3）多原胞结构研究、短路点结构及分布研究、大电流等离子区扩散研究，使放电电流达到1.5KA
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明 本作品是传统产业的升级换代，用高压大电流半导体放电管替代过去可靠性差的氧化锌压敏电阻和气体放电管，使我们的通信系统、网络更稳定可靠。用于半导体放电管在配线架保安单元中的应用电路、通信线路，防止浪涌、电话机防止雷击、无线电接收机等方面。 2.技术特点和优势 （1）高电压:现代通讯、网络需要传输的数据量越来越多，其传输功率密度越来越大，同样功率密度，高电压意味着电流小，所需材料少，因此，高电压电涌保护是重要的发展方向。 （2）大电流：建立新的模型及结构，实现超大注入和强等离子区扩散方能实现，实现1500A的放电电流，不仅是参数的提升，同时也是大电流等离子区扩散理论的创新。 3.推广前景、市场分析和经济效益预测 在信息时代的当今社会，通讯设备等整机系统无处不在。在这样一个大背景下，作为保护器件的半导体集成放电管的市场应用非常广泛。并且本作品研制的高压大电流固态放电管具有升级换代性的优势，通过工艺优化，极易推广价值，在未来几年，其产品市场规模可观。
同类课题研究水平概述
- 目前大部分厂家采用真空气体放电管，少数厂家采用TVS代替真空气体放电管。由于固态放电管的优越性，通讯设备防雷抗浪涌的设备将逐步由气体放电管、TVS二极管逐步过渡到以固态放电管为主。固态放电管将成为国内外防雷抗浪涌的首选器件。虽然有部分厂家开始采用固态放电管，但是由于现有固态放电管并未充分体现其优越性。现有的固态放电管的所能承受的最大击穿电压和最大瞬间电流都不高。这就意味着现有的固态放电管的系统保护和抗电涌功能是有限的，特别是在遇到高电压时的应用领域，目前还是空白。 由于半导体放电管是双面器件，硅片厚度由限制电压和放电电流（决定扩散结深、长短基区宽度）决定，根据本作品保护参数要求，其硅片厚度小于300um。同时扩散结深超过30um，必须采用1250℃高温长时间扩散。综合这两个因素，只能选用3-4英寸硅片，有很高的试验条件要求。 另一方面，国内更多的是关注集成电路的设计，对半导体放电管内高压大电流器件研究很少，我国在此类器件方面缺少经验，一定程度上阻碍了高压大电流固态放电管的开发、应用。而实际生产生活的广泛需求，目前使用的低抗涌固态放电管必将走向高抗涌（高电压、大电流）的方向。这是由于现实设备中不断产生的巨大的电压瞬变和浪涌电流决定的。特别是在信息化不断加深的今天，实际生活中，经常会遭遇十分巨大的浪涌电压、电流,所以如何保护日益增多的通讯设备的整机系统是一个不得不解决的问题。虽然现在高压大电流固态放电管的研发在国内只是起步阶段，但是固态放电管的高电压、大电流趋势是不会改变的。充分说明了本作品具有很好的先进性和科学性。
