瞬态电压抑制二极管的概述和展望

杨尊松，王立新，肖 超，陆 江，李彬鸿

（中国科学院大学 中国科学院微电子研究所 中国科学院硅器件技术重点实验室，北京 100029）

瞬态电压抑制二极管的概述和展望

杨尊松，王立新，肖 超，陆 江，李彬鸿

（中国科学院大学 中国科学院微电子研究所 中国科学院硅器件技术重点实验室，北京 100029）

文中基于推进我国瞬态电压抑制二极管（TVS）自主研发能力的目的，通过调研TVS的发展历程及近年的研究热点，综述了TVS的制备工艺和主要结构。同时，介绍了TVS的工作机制和主要参数，并重点描述了近年来国际上TVS在低压低电容和低漏电流方面所取得的理论和技术突破。最后提出了TVS的低压集成化等发展趋势。

瞬态电压抑制二极管；TVS；研究现状

瞬态电压和浪涌常出现在在整机和系统中，造成整机和系统中的半导体器件被烧毁或击穿。在半导体器件应用早期，它们并没有被重视，直到1961年贝尔实验室才开始进行瞬态电压对半导体器件损害的研究，工业上也是上世纪70年代才开始对此关注。

1 研究背景

造成瞬态电压和浪涌的原因主要有4种：雷电、整机开关、电磁脉冲和静电放电，它们的主要特性如表1所示。雷电是一种常见的自然现象，在地球上平均每秒就有一百次以上的雷击产生，雷击产生的电压高达上万伏特，峰值电流也高达两万安培，雷击不但对人身有直接的伤害，还对各种高楼建筑、公共设施和交通设备等具有潜在的威胁。整机开关可导致电机或螺线管等电抗负载关断，近而产生感应开关瞬态电压，它们出现时通常很难从外部观察到，常被称为半导体电子电路的静默杀手。电磁脉冲（EMP），是一种电磁瞬变现象，可以产生短脉冲的电磁能，电磁脉冲可能发生于雷击等自然现象中，也可能由人为因素产生，电磁脉冲可以对电子、电气设备产生不同程度的干扰和损害，尤其是核爆炸所产生的电磁脉冲，对电子设备的威胁尤为严重。静电放电是指在不同物体或同一物体不同部分之间由于电荷不均匀所产生的电荷瞬间转移现象，静电放电所产生的瞬态电压高达几千伏甚至上万伏，并且电压脉冲上升时间极短（ns级），可以瞬间摧毁绝大多数半导体器件和集成电路。

除上述4种原因之外，产生瞬态电压和浪涌的原因还有很多。由于瞬态电压和浪涌对电子电路的高危险性，所以为保证电子线路和精密器件的可靠性,必须对瞬态电压和浪涌进行抑制。瞬态电压抑制二极管（TVS）由于具有响应速度快、吸收功耗大、漏电流小、钳位电压稳定等优点，成为目前国际上普遍使用的一种二极管形式的高效瞬态电压保护器件。

表1 不同瞬态电压特性对比

2 TVS二极管工作机制

2.1 TVS二极管简介

瞬态电压抑制二极管（Transient Voltage Suppressor Diode，TVS），是目前国际上普遍使用的一种二极管形式的高效瞬态电压保护器件。当TVS的两端受到反向瞬态高电压冲击时，它能以10～12 s量级的时间将其两端的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数kW的浪涌功率，使两极间的电压钳位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲和静电的损坏。TVS有两种类型：一种是单向的TVS（Uni-directional），用来保护直流电压，它的阴极应接在电压的正端；另一种是双向 TVS（Bi-directional），它等同于由两只单向TVS反向串接而成，在使用时可以不考虑电压的正负极。

2.2 TVS二极管工作原理

TVS的电流-时间和电压-时间曲线如图1所示，在瞬态峰值脉冲电流的作用下，流过TVS的电流，由原来的反向漏电流IR迅速上升到峰值脉冲电流IPP，在其两极的电压也被钳拉到预定的最大钳位电压VC以下，然后随着脉冲电流衰减，TVS两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态VR（未导通前静态电压），这就是TVS抑制可能出现的瞬态电压或浪涌以及保护电子设备的过程。TVS的反向关断工作电压接近被保护电路的工作电压，一般比它的击穿电压低10%，这保证了极小的漏电流和由温度差异引起的电压漂移。TVS在瞬态发生后会立即开始钳制，限制峰值电压到安全的范围内，将有破坏性的电流转移到被保护电路之外。TVS的特性曲线如图2所示，单极TVS二极管的正向特性与普通二极管十分相似，导通电流随TVS两端电压呈指数上升。TVS二极管的反向特性类似于雪崩二极管的反向击穿特性，当TVS两极反向电压低于VR时，TVS流过的电流很小，可视为关断状态，当电压大于VBR时TVS被击穿，导通电流瞬间增大。

图1 TVS的电流-时间和电压-时间曲线

图2 TVS的I-V特性曲线

2.3 TVS二极管的主要参数

1）最大反向漏电流IR（Reverse Leakage Current）和额定反向关断电压VR（Stand-off Voltage）：VR是TVS的最大直流工作电压，当TVS两极的电压小于VR时，TVS处于关断状态，此时流过的最大反向漏电流为IR。

2）最小击穿电压VBR（Breakdown Voltage）和测试电流IT： VBR是TVS的最小雪崩电压，当反向电压达到VBR时，TVS已变成低阻通路。通常，规定当TVS流过1 mA（IT＝1 mA）电流时，其两极间的电压即为最小击穿电压。

3）最大钳位电压VC（Clamping Voltage）和最大峰值脉冲电流IPP（Peak Pulse Current）：最大峰值脉冲电流IPP流过TVS时的最大峰值电压称为最大籍位电压VC，VC和IPP反映了TVS器件的浪涌抑制能力。VC和VBR之比称为钳位因子，一般为1.3左右。钳位因子越小，抑制瞬态电压的效果越好。TVS的钳位因子比金属氧化物压敏电阻的钳位因子低很多。因此说TVS要优于金属氧化物压敏电阻。

4）电容C：电容C是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1 MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C过大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。

5）最大峰值脉冲功耗PPPM（Peak Pulse Power）：最大峰值脉冲功耗是TVS能承受的最大脉冲峰值耗散，一般而言PPPM=VC×IPP。在给定的最大钳位电压下，功耗PPPM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PPPM下，钳位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。

6）钳位响应时间TC：TC是指二极管从关断状态到最小击穿电压VBR的时间，对单极TVS器件TC小于1×10-12s，对双极TVS器件，TC一般小于1×10-8s。

2.4 压敏电阻、TVS二极管和TVS晶闸管特性对比

压敏电阻、TVS二极管和TVS晶闸管都是在电路和系统瞬态保护中被广泛使用的固态电子器件。压敏电阻的嵌位电压随峰值电流变化显著，保护效率低，但它价格低，浪涌吸收能力强；雪崩TVS二极管保护效率高，适用范围广（可用于20 V以下的低压保护），但价格高；TVS晶闸管电流承受能力强，功率耗散低，但适用范围广窄（用于50 V以上的中高压保护）[1-2]。

3 TVS二极管的结构与工艺

通过了解TVS二极管的制备工艺，可以加深对TVS二极管的理解，并且在TVS二极管选型使用时也能为工程师提供额外的视角，这一节主要阐述TVS二极管的主要制备工艺和器件结构。

TVS二极管制备工艺的主要步骤如图3所示，需要重点指出的是，由于制造商以及TVS种类的不同，工艺步骤会有一定差异，不同的工艺步骤适应于不同的封装种类和电性能需求。例如，合金制造的二极管在低压时具有更低的漏电流，但扩散二极管具有更好的浪涌承受能力。

TVS二极管的制备以硅单晶为基础材料，单晶硅锭生长出来之后，会进行参杂浓度和少子寿命等一系列测试，然后会被切割成圆形的薄片，也就是所谓的晶圆。在经过化学腐蚀、抛光和研磨等工艺之后，如明镜般完美无暇的硅表面便形成了。此时的晶圆在清洁之后会被放入真空容纳器，等待用来制造器件。

TVS二极管可以用不同的工艺来制备，比如平面工艺和台面工艺，这里以平面工艺为例对制备TVS的过程进行介绍。平面工艺首先是氧化层钝化，即在晶圆上生长一层氧化层对其进行保护，氧化层的典型生长温度是900～1 200℃。氧化层生成之后便利用光刻技术刻蚀出杂质扩散窗口，光刻技术是利用光刻胶感光后因光化学反应而改变耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到硅表面上。

光刻之后是扩散，扩散的目的是将一定可控量的杂质原子掺入到半导体中，以改变被扩散区域的导电类型。扩散的方法有很多，如离子注入、旋涂掺杂和化学气相沉积，以及低压器件使用的铝合金技术。退火之后，PN结的分布轮廓便固定下来，PN结的分布轮廓决定于衬底掺杂浓度、杂质剂量以及退火温度和退火时间等因素，它决定了器件的电学特性。

PN结形成之后要进行吸气处理，这可以移除扩散区域硅表面的污染物质，有利于改善器件的可靠性和漏电流特性。硅表面清理干净后接着进行第二次光刻，刻蚀出金属淀积窗口。金属淀积采用超高真空电子束蒸镀方法，具体淀积类型取决于TVS二极管的封装形式。硅片减薄处理后背部金属淀积也是采用超高真空电子束蒸镀方法。最后对测试之后的晶圆进行划片、封装测试以及电性能检查，便得到了TVS成品。

总结而言，就是根据需要确定TVS器件的电压档，然后进行恰当的硅片杂质扩散形成PN结，得到需要的目标雪崩击穿电压，再经过钝化保护及后端封装测试，制成成品。

图3 TVS二极管制备工艺的一般流程

4 发展现状

传统的硅基TVS二极管是基于PN结结构，可以在特定的反向电压下发生击穿，工作在雪崩击穿条件下。这种TVS二极管的器件结构和工艺都很简单，可以通过增大PN结面积来增强大电流处理能力，击穿电压一般在6 V到450 V之间[2]。

传统TVS二极管有单级和双极两种，均已被大量生产和广泛使用。其最大峰值功率有200 W，400 W直到15 kW，30 kW等很多种。但至15 kW和30 kW以后，就鲜有文献报道功率更高的TVS器件[2]。近年的研究热点主要集中在以下几个方面：

1）通过不断改善传统结构和工艺技术来提高TVS器件的整体性能，如MOSTVS[3]。相对于传统的TVS二极管，MOSTVS具有更稳定的嵌位电压，更低的成本，适合用于汽车电力电子器件的保护。

2）通过采用SiC等新材料来突破Si材料在高温等应用领域的的极限。文献[4-5]中指出，由于SiC材料独有的特性，相对于Si TVS器件，SiC TVS器件不但可以工作在更高的温度下，而且还具有更高的电流密度，更小的面积以及更低的寄生电容。因此，SiC TVS器件很有可能在将来瞬态电压抑制应用中起到至关重要的作用。

3）由分立的离片式TVS器件（off-chip TVS）到集成TVS器件（on-chip TVS）[6]。TVS器件和被保护芯片的距离越近，保护性能越好，如果将分立的TVS器件与芯片集成在一起，保护性能将会大大提高。2014年湘潭大学[6]利用0.5 CMOS工艺成功将TVS器件集成在了RS485通讯接口芯片中。

4）低压TVS器件的研究。如今，超深亚微米的工艺已成为集成电路加工工艺的主流，为降低超大规模集成电路的功耗，目前芯片的工作电压以3.3 V为主，为保护这类芯片，近年来低压TVS受到广泛关注。有关TVS器件的近一二十年的文献中，低压TVS相关的报道最多，所以是本文概述的重点，将放在第五节重点介绍。

5 低压TVS器件

随着集成电路的规模越来越大，芯片的工作电压越来越小，为保护这类电路芯片，需开发反向击穿电压小于3.3 V的TVS器件。对于硅基低压TVS二极管，需要参杂浓度很高的PN结才能形成齐纳击穿以减小击穿电压，这会导致TVS二极管的反向漏电流和寄生电容电容增加[7]，所以需要新材料或新的TVS器件结构。

5.1 LOCOS TVS二极管

TVS二极管结两侧掺杂浓度较高时，PN结结深变浅、曲率增加，导致结的边缘电场增强，会使器件边缘过早发生击穿以及反向工作漏电流增加。通过增加终端结构可以改善这种情况在高掺杂衬底表面增加一个轻掺杂区域，可以使器件边缘形成一个较平坦的结，进而减小边缘电场、改善击穿特性以及减小漏电流。

这个轻掺杂区域可以通过外延工艺或反相掺杂离子注入工艺形成，大大增加了成本，所以LOCOS（LOCal Oxidation of Silicon）结构被引入进来。LOCOS工艺可以被用来将轻掺杂区域推到深处，以便轻掺杂区域可以完全覆盖结边缘，对边缘进行保护。文献[8]中指出，LOCOS结构的TVS器件具有良好的低压特性，当反向工作为1 V时，该结构TVS的漏电流比传统TVS二极管要小一个数量级。

5.2 V型TVS二极管

二极管的击穿电压对穿过PN结的峰值电场有很强的敏感性。通过采用特殊的几何结构，可以增加PN结的电场，进而减小击穿电压。采用平面工艺制备大功率的器件时，经常要采用特殊终端结构来减小柱面结或球面结的电场强度，防止其过早击穿，而V型结构恰恰是利用了球面结容易击穿的特性来制备低压TVS。V型结构通过尖端放电效应来增加顶端的电场，达到减小击穿电压的目的。文献[9]中指出，在同等掺杂条件下，V型二极管可以得到比平面二极管小的多的击穿电压。同时，通过选用合适的刻蚀技术，这种TVS的几何参数可以很好的被控制，并且制备工艺也很简单。这种新结构成本较低，可能会成为低压低电容应用领域中的新一代TVS器件。

5.3 穿通结构

将穿通结构用于TVS器件是90年代之前提出的一种理论，是制备低压TVS的有效方法。最初的穿通结构实际上是利用BJT晶体管集电极和发射极之间的结构，理论上可以得到比基区和集电区PN结的雪崩击穿（Vcbo）小倍的击穿电压（Vceo）[10]。将BJT晶体管的基极开路，在集电极和发射极两端加电压，可以得到 Vcbo、Vceo分别与基区参杂浓度（NB）的关系。在NB高于1018cm-3或低于1016cm-3的情况下，Vceo都有比较小的值。当基区重掺杂（NB＞1018cm-3）时，β变得很小，Vceo接近于雪崩击穿的值。当基区轻掺杂（NB＜1016cm-3）时，在发生雪崩击穿击穿之前，基区便完全耗尽，可看成是集电区与发射区穿通二极管的击穿，此时的击穿电压也比较小。利用这种穿通结构制备的TVS器件与传统齐纳二极管TVS相比，在漏电流和电容方便都有显著改善。

另外研究发现，由于空间电荷中移动载流子的影响，基于p+-n--p+穿通结构的TVS在导通大电流时，具有较高的动态电阻和钳位电压。以此为据，由于电子具有更大的迁移率，n+-p--n+结构通常被用于穿通结构中。为了降低空间电荷的电压降，需要减小基区的厚度，但基区厚度减小将大大增加工艺复杂度[11]，将基区的厚度控制在1 μm，为了得到更理想的穿通电压，一层p+掺杂被引入到结构中，形成n+-p+-p-n+四层结构，它在基区形成p+和p-梯度掺杂，以避免反偏n+p+结不会发生雪崩击穿[12]。

几何和工艺参数对TVS结构的电学性能具有重要影响。典型n+-p+-p-n+穿通TVS器件结构的剖面图如图4所示，该结构主要的几何工艺参数包括：衬底电阻，p-外延层掺杂浓度（Nepi）和厚度（Depi），p+缓冲扩散区的峰值浓度（Nd）和厚度（Dd）以及发射扩散区的峰值浓度（Ne）、深度（De）和宽度（We）。文献[13]中给出了TVS四层穿通结构的击穿电压和漏电流等电学特性与几何和工艺参数的相关性，通过选择合适的几何工艺参数，可以得到理想的低压TVS器件。

在低压领域（＜3.3V），这种四层穿通结构表现出了极好的低钳位电压、低电容以及低漏电流特性，是TVS齐纳二极管理想替代。

5.4 横向穿通结构

目前市场上可获得的商用TVS穿通器件大都是垂直架构的单芯片封装器件，如图4所示，它是在顶部和底部各有一个电极，垂直导通。尽管垂直TVS穿通器件的浪涌抑制能力比同类型的齐纳二极管高很多，但这种垂直架构的工艺与CMOS平面工艺不兼容，不能集成在集成电路中。如果能将TVS集成在IC系统中，封装成本和寄生影响将大大减小。

水平穿通的TVS器件，与CMOS工艺高度兼容，如果将其与被保护电子电路集成在同一芯片上，将大大减小TVS与被保护模块的距离，进而比垂直分离TVS器件具有更高的保护效率[14]。

水平穿通TVS典型结构如图5所示，它是一个基区开路的BJT晶体管，集成在N+或P+衬底的P型外延层上。文献[11-14]中指出，通过选定相应的几何、工艺参数，水平穿通TVS甚至可以得到优于垂直架构TVS的电学特性。

图4 TVS剖面图[15]

图5 水平穿通TVS典型结构[14]

6 发展趋势

在未来几年内，TVS的研究与发展仍将围绕以下几点。一是随着工艺技术的发展，TVS的工艺结构依然会被不断改善，进而提高TVS器件的整体性能。同时，在特殊应用领域的TVS器件，如高频电路中的低电容TVS器件，也会得到发展。二是新材料（如SiC等）在TVS器件制备中的应用，将突破Si材料TVS器件固有的极限，进而大幅度改善TVS器件的特性。三是集成[16]TVS器件的发展，这将是未来几年的发展重点。随着集成技术的不断提高，将TVS器件与被保护芯片集成在一起将逐步趋于现实。四是低压TVS器件的研究，集成电路的规模依然会继续增大，同时电压也会越做越小，所以低压TVS器件依旧会是将来的研究重点。

7 结束语

文中介绍了TVS的工作机制、主要参数和制备工艺，对TVS与压敏电阻、TVS晶闸管的特性进行了对比。压敏电阻的嵌位电压随峰值电流变化显著，保护效率低，但它价格低，浪涌吸收能力强；雪崩TVS保护效率高，适用范围广，但价格高；TVS晶闸管电流承受能力强，功率耗散低，但适用范围广窄。总结了近年来TVS相关的主要研究热点。通过不断改善穿通结构、工艺技术和采用SiC新材料也可以提高TVS二极管的整体性能。介绍了适用于汽车电力电子器件保护的TVS器件（MOSTVS），并提出了未来TVS在低电压、低电容和集成化等方面的发展趋势。最后重点阐述了近年来国际上TVS在低压低电容和低漏电流方面所取得的理论和技术突破[17]。由于目前国内市场上销售的各种封装外形的小型和微型TVS绝大多数都是采用进口TVS芯片来进行封装，对其进行研究，在提高我国自主研发能力方面具有重要意义。

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A review of transient voltage suppression diodes

YANG Zun-song，WANG Li-xin，XIAO Chao，LU Jiang，LI Bin-hong
（Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences，Key Laboratory of Si Devices Technologies，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China）

This paper reviewed the preparation process and the main structure oftransient voltage suppression diode（TVS），for the purposeof improving TVSR&D capabilities in our country，through researching TVS's development and research focus in recent years.Meanwhile，the working mechanism and main parameters of TVS are introduced，and the theory and technology of TVSin low voltage and low leakage in recent years are described.Finally，the development tendency of TVS diodes in the future is proposed.

transient voltage suppression diode；TVS；research status；development tendency

TN31

A

1674－6236（2016）24-0108-05

2016-03-30 稿件编号：201603402

国家自然科学基金（61404169；61404161）

杨尊松（1991—），男，山东济宁人，硕士研究生。研究方向：半导体功率器件。