(57)【要約】      （修正有）【課題】回路を過渡的な電気的事象から保護するための集積回路デバイスが開示される。【解決手段】双方向保護デバイス４００は、第１の電流シャント経路を提供するように構成されたトリガーデバイス４０２と、第２の電流シャント経路を提供するように構成された双方向半導体制御整流器（ＳＣＲ）４０４とを含む。トリガーデバイス４０２および双方向ＳＣＲ４０４は、互いに電気的に結合され、またはトリガーデバイス４０２が、閾値処理またはトリガー時に、第１の電流を放出もしくは受信するように、または電荷キャリアを放出するように構成され、少なくとも部分的に、双方向ＳＣＲ４０４に電流を放出させるようにトリガーする。【選択図】図３Ａ
2019041101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路デバイスであって、
第１のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）と、
第１の半導体制御整流器（ＳＣＲ）として動作させるために前記第１のＢＪＴと交差結合された第２のＢＪＴであって、前記第１のＢＪＴのベースが、前記第２のＢＪＴのコレクタに接続され、前記第２のＢＪＴのベースが、前記第１のＢＪＴのエミッタまたはコレクタに接続される、第２のＢＪＴと、
前記第１のＢＪＴの前記ベースに電気的に接続されたカソードを有する第１のダイオードを備える、トリガーデバイスと、
第２のＳＣＲとして動作させるために前記第２のＢＪＴと交差結合された第３のＢＪＴであって、前記第３のＢＪＴが、前記第２のＢＪＴの前記ベースに接続されたコレクタ、および前記第２のＢＪＴの前記コレクタに接続されたベースを有する、第３のＢＪＴと、を備える、集積回路デバイス。
【請求項２】
前記第１のＢＪＴの前記ベースとして構成された第１のタイプの第１のウエルを更に備え、前記第１のタイプの前記第１のウエルが、前記第１のＢＪＴの前記コレクタとして構成された第２のタイプの第１のウエルと、前記第１のＢＪＴのエミッタとして構成された第２のタイプの第２のウエルとの間に間置され、前記第１のタイプの前記第１のウエルには、前記第２のタイプの第１の高濃度にドープされた領域が更に形成される、請求項１に記載の集積回路デバイス。
【請求項３】
前記第１のダイオードの前記カソードが、前記第２のタイプの前記第１の高濃度にドープされた領域を通して、前記第１のＢＪＴの前記ベースに接続される、請求項２に記載の集積回路デバイス。
【請求項４】
前記第１のＢＪＴ、前記第２のＢＪＴ、前記第３のＢＪＴ、および前記トリガーデバイスが形成された半導体基板の上に形成された、複数の金属化レベルを更に備え、前記第１のダイオードの前記カソードが、前記金属化レベルの１つまたは２つ以上を通して、前記第１のＢＪＴの前記ベースに電気的に接続される、請求項２に記載の集積回路デバイス。
【請求項５】
前記第２のタイプの前記第１のウエルが、前記第２のＢＪＴの前記ベースとして更に構成され、前記第２のＢＪＴの前記ベースが、前記第２のタイプの前記第１のウエル内に形成され、かつ前記第２のＢＪＴのエミッタとして構成された前記第１のタイプの第１の高濃度にドープされた領域と、前記第２のタイプの前記第１のウエルの下に形成され、かつ前記第２のＢＪＴの前記コレクタとして構成された前記第１のタイプのディープウエルとの間に形成される、請求項２に記載の集積回路デバイス。
【請求項６】
第１の端子（Ｔ１）と、第２の端子（Ｔ２）と、を更に備え、前記第１のＳＣＲ、前記Ｔ１に電気的に接続されたカソード／アノード（Ｋ／Ａ）と、前記Ｔ２に電気的に接続されたアノード／カソード（Ａ／Ｋ）と、を備える双方向ＳＣＲとして構成され、前記集積回路デバイスが、前記Ｔ１と前記Ｔ２との間に受信された電気的オーバーストレス信号に応答して起動するように構成される、請求項１に記載の集積回路デバイス。
【請求項７】
前記トリガーデバイスが、前記第１のＢＪＴの前記ベースに電気的に接続されたカソードを有する第２のダイオードを更に備え、前記第１のダイオードのアノードが、前記Ｔ１に電気的に接続され、前記第２のダイオードのアノードが、前記Ｔ２に電気的に接続される、請求項６に記載の集積回路デバイス。
【請求項８】
第３のＳＣＲとして動作させるために前記第２のＢＪＴに交差結合された第４のＢＪＴを更に備え、前記第４のＢＪＴが、前記第２のＢＪＴの前記ベースに接続されたコレクタと、前記第２のＢＪＴの前記コレクタに接続されたベースと、を有する、請求項７に記載の集積回路デバイス。
【請求項９】
集積回路デバイスであって、
双方向半導体制御整流器（ＳＣＲ）がその中に形成された半導体基板であって、前記双方向ＳＣＲが、第１の端子と第２の端子との間に形成され、前記双方向ＳＣＲが、第２のタイプの高濃度にドープされた中央領域がその中に形成された第１のタイプの中央ウエルを備える、半導体基板と、
半導体基板の上に形成された、１つまたは２つ以上の金属化レベルと、
一対のダイオードであって、前記ダイオードの各々のカソードが、前記１つまたは２つ以上の金属化レベルを通して、前記第１のタイプの前記中央ウエルに電気的に接続される、一対のダイオードと、を備える、集積回路デバイス。
【請求項１０】
前記双方向ＳＣＲが、ベースとして構成された前記第１のタイプの前記中央ウエルを有する第１のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を備え、前記双方向ＳＣＲが、前記第１のＢＪＴのコレクタとして構成された前記第２のタイプの第１のウエルと、前記第１のＢＪＴのエミッタとして構成された前記第２のタイプの第２のウエルと、を備え、前記第１のタイプの前記中央ウエルが、前記第２のタイプの前記第１および第２のウエルの間に間置される、請求項９に記載の集積回路デバイス。
【請求項１１】
前記双方向ＳＣＲが、前記第１のタイプの前記中央ウエルに形成された、第１および第２の電気的浮遊金属層を更に備え、前記第１および第２の電気的浮遊金属層が、前記第２のタイプの前記高濃度にドープされた中央領域によって横方向に間置される、請求項１０に記載の集積回路デバイス。
【請求項１２】
前記双方向ＳＣＲが、前記双方向ＳＣＲとして動作させるために前記第１のＢＪＴと交差結合された第２のＢＪＴを更に備え、前記第１のＢＪＴのベースが、前記第２のＢＪＴのコレクタに接続され、前記第２のＢＪＴのベースが前記第１のＢＪＴのエミッタまたはコレクタに接続される、請求項１０に記載の集積回路デバイス。
【請求項１３】
前記第１のタイプのディープウエルを更に備え、前記第１のタイプの前記中央ウエルおよび前記第２のタイプの第１および第２のウエルの各々が、前記第１のタイプの前記ディープウエル内に形成される、請求項１２に記載の集積回路デバイス。
【請求項１４】
前記第２のＢＪＴが、前記第２のタイプの前記第１のウエル内に形成されたエミッタとしての役割を果たす、前記第１のタイプの高濃度にドープされた領域を備え、前記第２のタイプの前記第１のウエルが、前記第２のＢＪＴのベースとしての役割を果たし、前記第１のタイプの前記ディープウエルが、前記第２のＢＪＴのコレクタとしての役割を果たす、請求項１３に記載の集積回路デバイス。
【請求項１５】
第２のＳＣＲとして動作させるために前記第２のＢＪＴに交差結合された第３のＢＪＴを更に備え、前記第３のＢＪＴが、前記第２のＢＪＴの前記ベースに接続されたコレクタと、前記第２のＢＪＴの前記コレクタに接続されたベースと、を有する、請求項１２に記載の集積回路デバイス。
【請求項１６】
前記第２のタイプの前記高濃度にドープされた中央領域が、前記第３のＢＪＴのエミッタとして構成され、前記第１のタイプの前記中央ウエルが、前記第３のＢＪＴのベースとして構成され、前記第２のタイプの前記第１のウエルが、前記第３のＢＪＴのコレクタとして構成される、請求項１５に記載の集積回路デバイス。
【請求項１７】
集積回路デバイスであって、
第２のタイプの第１のウエルと前記第２タイプの第２のウエルとの間に間置された第１のタイプの第１のウエルを備える３つ以上のウエルがその中に形成された、半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された、１つまたは２つ以上の金属化レベルと、
前記３つ以上のウエル内に形成され、かつ双方向半導体制御整流器（ＳＣＲ）として、および前記３つ以上のウエル内に形成されたＳＣＲとして動作するように構成された、複数のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）であって、前記双方向ＳＣＲおよび前記ＳＣＲの各々が、一対のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を備え、前記一対のＢＪＴの各々が、前記一対のＢＪＴのもう一方のコレクタに接続されたベースを有する、複数のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）と、
前記第１のタイプの第２のウエルおよび前記半導体基板内に形成され、かつ前記３つ以上のウエルによって間置された、前記第１のタイプの第３のウエルと、
前記第１のタイプの前記第２のウエルおよび前記第２のタイプの前記第１のウエル内に形成された、第１のダイオードと、
前記第１のタイプの前記第３のウエルおよび前記第２のタイプの前記第２のウエル内に形成された、第２のダイオードと、を備え、
前記第１および第２のダイオードのカソードが、前記金属化レベルの前記１つまたは２つ以上を通して、互いに電気的に接続される、集積回路デバイス。
【請求項１８】
前記双方向ＳＣＲおよびＳＣＲが、共通のＢＪＴを共有する、請求項１７に記載の集積回路デバイス。
【請求項１９】
前記第１および第２のダイオードの前記カソードが、前記１つまたは２つ以上の金属化レベルを通して、前記第１のタイプの前記第１のウエルに共通に接続される、請求項１８に記載の集積回路デバイス。
【請求項２０】
前記共通のＢＪＴのベースおよび前記第１のダイオードのアノードが、前記第２のタイプの前記第１のウエル内に形成される、請求項１９に記載の集積回路デバイス。
【請求項２１】
システムオンチップ（ＳＯＣ）を形成するために前記半導体基板に集積された、１つまたは２つ以上のコア回路を更に備える、請求項１７に記載の集積回路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される技術は、電子機器に関するものであり、より具体的には、電気的過大ストレス／静電放電などの過渡的な電気的事象からの保護を提供するための、通信システムのトランシーバインターフェース用の保護デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の電子システムは、比較的短時間持続し、急速な電圧および／または電流の変化を有する過渡的な電気的事象に晒され得る。過渡的な電気的事象としては、例えば、物体または人から電子システムへの電荷の突然の放出によって生じる静電放電（ＥＳＤ）または電磁妨害事象を挙げることができる。
【０００３】
過渡的な電気的事象は、ＩＣの比較的小さい領域にわたる過電圧状態および／または高レベルの電力散逸により、電子システム内部の集積回路（ＩＣ）に損傷を与え得る。この急速かつ高い電力の散逸は、潜在的に、数ある損傷現象の中でも、ゲート酸化物のパンチスルー、接合の損傷、金属の損傷、および表面の電荷蓄積に起因する、コア回路に対する損傷につながり得る。更に、過渡的な電気的事象は、ラッチアップ（換言すれば、低インピーダンス経路の不用意な作成）を誘発する場合があり、それによって、ＩＣの機能を損ない、また、ＩＣに永久的な損傷を生じさせる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様において、集積回路デバイスは、第１の半導体制御整流器（ＳＣＲ）として動作させるために第１のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）および第１のＢＪＴと交差結合された第２のＢＪＴを含み、第１のＢＪＴのベースは、第２のＢＪＴのコレクタに接続され、第２のＢＪＴのベースは、第１のＢＪＴのエミッタまたはコレクタに接続される。集積回路デバイスは、第１のＢＪＴのベースに電気的に接続されたカソードを有する第１のダイオードを備える、トリガーデバイスを追加的に含む。集積回路デバイスは、第２のＳＣＲとして動作させるために第２のＢＪＴに交差結合された第３のＢＪＴを更に含み、第３のＢＪＴは、第２のＢＪＴのベースに接続されたコレクタと、第２のＢＪＴのコレクタに接続されたベースと、を有する。
【０００５】
別の態様において、集積回路デバイスは、双方向半導体制御整流器（ＳＣＲ）がその中に形成された、半導体基板を含み、双方向ＳＣＲは、第１の端子と第２の端子との間に形成され、双方向ＳＣＲは、第２のタイプの高濃度にドープされた中央領域がその中に形成された、第１のタイプの中央ウエルを備える。集積回路デバイスは、半導体基板および一対のダイオードの上に形成された、１つまたは２つ以上の金属化レベルを追加的に含み、ダイオードの各々のカソードは、金属化レベルの１つまたは２つ以上を通して、第１のタイプのウエルに電気的に接続される。
【０００６】
別の態様において、集積回路デバイスは、第２のタイプの第１のウエルと第２のタイプの第２のウエルとの間に間置された第１のタイプの第１のウエルを備える３つ以上のウエルがその中に形成された、半導体基板を含む。集積回路デバイスは、半導体基板の上に形成された、１つまたは２つ以上の金属化レベルを追加的に含む。集積回路デバイスは、３つ以上のウエル内に形成され、双方向半導体制御整流器（ＳＣＲ）として、および３つ以上のウエル内に形成されたＳＣＲとして動作するように構成された、複数のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を追加的に含み、双方向ＳＣＲおよびＳＣＲの各々が、一対のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を備え、一対のＢＪＴのうちの一方が、一対のＢＪＴのうちのもう一方のコレクタに接続されたベースを有する。集積回路デバイスは、半導体基板内に形成され、３つ以上のウエルによって間置された、第１のタイプの第２のウエルおよび第１のタイプの第３のウエルを追加的に含む。第１のダイオードは、第１のタイプの第２のウエルおよび第２のタイプの第１のウエル内に形成され、第２のダイオードは、第１のタイプの第３のウエルおよび第２のタイプの第２のウエル内に形成される。第１および第２のダイオードのカソードは、金属化レベルの１つまたは２つ以上を通して互いに電気的に接続される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】図１Ａは、実施形態による、１つまたは２つ以上のシステムレベル双方向保護デバイスを有する、システムオンチップ（ＳＯＣ）またはシステムインパッケージ（ＳＩＰ）の概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、実施形態による、双方向保護デバイスを有するトランシーバ集積回路の概略図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、実施形態による、積層構成で配設され、双方向保護デバイスがその中に積層された、システムインパッケージ（ＳＩＰ）の概略側面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、実施形態による、横方向に隣接する構成で配設され、双方向保護デバイスがその中に積層された、システムインパッケージ（ＳＩＰ）の概略平面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施形態による、双方向保護デバイスを有する例示的なトランシーバインターフェースの概略回路図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施形態による、双方向保護デバイスを有する例示的なトランシーバインターフェースの概略回路図である。
【図３Ａ】図３Ａは、実施形態による、トリガーデバイスおよび利得制御双方向半導体制御整流器（ＳＣＲ）を有する双方向保護デバイスの概略回路図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施形態による、トリガーデバイスおよび利得制御双方向ＳＣＲの概略的な準静的電流−電圧曲線である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、実施形態による、トリガーデバイスおよび利得制御双方向ＳＣＲに個々に対応する、トリガーデバイスおよび利得制御双方向ＳＣＲの概略的な電圧−時間曲線である。
【図４Ａ】図４Ａは、実施形態による、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタベースのトリガーデバイスおよび利得制御双方向ＳＣＲを有する、双方向保護デバイスの概略回路図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施形態による、アバランシェダイオードベースのトリガーデバイスおよび利得制御双方向ＳＣＲを有する、双方向保護デバイスの概略回路図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、実施形態による、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタベースのトリガーデバイスおよび利得制御双方向ＳＣＲを有する、双方向保護デバイスの概略回路図である。
【図５】図５は、実施形態による、複数のＰＮＰバイポーラ接合トランジスタベースのトリガーデバイスおよび利得制御双方向ＳＣＲを有する、双方向保護デバイスの概略回路図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施形態による、トリガーデバイスおよび利得制御双方向ＳＣＲを有する、双方向保護デバイスの概略断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ｂに例示される双方向保護デバイスの上面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実施形態による、双方向保護デバイスの等価回路図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、実施形態による、図７Ａに例示される双方向保護デバイスの概略断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、実施形態による、ダイオードを備えるトリガーデバイスを有する、双方向保護デバイスの等価回路図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、実施形態による、図８Ａに例示される双方向保護デバイスの概略断面図である。
【図９】図９は、実施形態による、異なる構成を有する双方向保護デバイスのシミュレーションされたＤＣ電流−電圧（ＩＶ）曲線を例示するグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施形態による、異なる構成を有する双方向保護デバイスの、伝送線路パルス（ＴＬＰ）試験条件の下での、シミュレーションされた電圧−時間（Ｖ−ｔ）曲線を例示するグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施形態による、異なる構成を有する双方向保護デバイスの、超高速伝送線路パルス（ＶＦＴＬＰ）試験条件の下での、シミュレーションされた電圧−時間（Ｖ−ｔ）曲線を例示するグラフである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、実施形態による、ダイオードを備えるトリガーデバイスを有する、双方向保護デバイスの概略断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａに例示される双方向保護デバイス内の異なる電流経路を通って流れる、シミュレーションされた電流の相対的割合を例示する図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、実施形態による、ダイオードおよび複数のＳＣＲ電流経路を備えるトリガーデバイスを有する、双方向保護デバイスの等価回路図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、実施形態による、図１２Ａに例示される双方向保護デバイスの概略断面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、代替の実施形態による、図１２Ａに例示される双方向保護デバイスの概略断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、実施形態による、ダイオードおよび複数のＳＣＲ電流経路を備えるトリガーデバイスを有する、双方向保護デバイスの概略断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａに例示される双方向保護デバイス内の異なる電流経路を通って流れる、シミュレーションされた電流の相対的割合を例示する図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、実施形態による、異なる構成を有する双方向保護デバイスの、伝送線路パルス（ＴＬＰ）試験条件の下での、実験的な電流−電圧（ＩＶ）曲線を例示するグラフ（均等目盛）である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４Ａに例示される実験的な電流−電圧（ＩＶ）曲線を例示するグラフ（対数目盛）である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、実施形態による、異なる構成を有する双方向保護デバイスの、超高速伝送線路パルス（ＶＦＴＬＰ）試験条件の下での、実験的な電流−電圧（ＩＶ）曲線を例示するグラフである。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、実施形態による、異なる構成を有する双方向保護デバイスの、超高速伝送線路パルス（ＶＦＴＬＰ）試験条件の下での、実験的な電圧−時間（Ｖ−ｔ）曲線を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の実施形態の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態の種々の説明を提示する。しかしながら、本発明は、特許請求の範囲によって定義および網羅されるような数多くの異なる方法で具現化することができる。この説明では、図面を参照するが、同様の参照番号は、同じまたは機能的に類似する要素を示し得る。
【０００９】
本明細書で使用される場合、「〜の上側（ａｂｏｖｅ）」、「〜の下側（ｂｅｌｏｗ）」、「〜の上（ｏｖｅｒ）」、その他などの用語は、図に示されるように配向されたデバイスを指し、それに応じて解釈されるべきである。また、半導体デバイス（トランジスタなど）内の領域は、異なる不純物または異なる濃度の不純物で半導体材料の異なる部分をドープすることによって画定されるので、完成したデバイスには異なる領域間の離散した物理的境界が実際に存在しない場合があるが、代わりに、領域が一方からもう一方に移行する場合があることも認識されたい。添付図面に示されるようないくつかの境界は、このタイプのものであり、また、単に読者を支援するためだけに、階段構造体として例示される。下で説明される実施形態において、p型領域は、ドーパントとしてp型半導体材料（例えば燐）を含むことができる。更に、ｎ型領域は、ドーパントとして、リンなどのｎ型半導体材料を含むことができる。当業者は、下で説明される領域における種々の濃度のドーパントを認識であろう。
【００１０】
低電圧ＣＭＯＳプロセスを使用して製造される自動車用および家庭用電子機器を含む種々の用途のための新生の集積回路（ＩＣ）は、比較的高い双方向電圧で動作する入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースピンをますます使用している。これらのＩＣは、しばしば、比較的過酷な環境で動作し、また、適用可能な静電放電（ＥＳＤ）および電磁妨害耐性（ＥＭＩ）仕様に従わなければならない。ＩＣは、通常の動作条件を超える広範囲にわたる高電圧の過渡的な電気的事象を受ける場合があるので、ロバストなＥＳＤおよびＥＭＩ耐性が望ましい。
【００１１】
過渡的な電気的事象は、例えば、静電放電（ＥＳＤ）事象などの、急速に変化する高エネルギー信号であり得る。過渡的な電気的事象は、ユーザの接触によって引き起こされる過電圧事象と関連付けられ得る。他の状況において、過渡的な電気的事象は、定義されたストレス条件下でトランシーバ集積回路のロバスト性を試験するために製造業者によって生成させることができ、該ストレス条件は、電子機器技術評議会（ＪＥＤＥＣ）、国際電気標準会議（ＩＥＣ）、および自動車技術評議会（ＡＥＣ）などの種々の組織によって設定された規格によって説明することができる。
【００１２】
様々な技術を用いて、これらの損傷を与える過渡的な電気的事象からＩＣのコアまたは主回路を保護することができる。いくつかのシステムは、外部のオフチップ保護デバイスを用いて、過渡的な静電的および電磁的事象に応答してコア電子システムが損傷を受けないことを確実にする。しかしながら、性能、コスト、および空間的な考慮事項のため、主回路、すなわち保護されるべき回路とモノリシックに集積化される保護デバイスに対する必要性が高まっている。
【００１３】
電子回路の信頼性は、ＩＣのピンまたはパッドに保護デバイスを提供することによって高めることができる。保護デバイスは、過渡的な電気的事象の電圧がトリガー電圧に到達したときに高インピーダンス状態から低インピーダンス状態に遷移することによって、パッドにおける電圧レベルを所定の安全範囲内に維持することができる。その後に、保護デバイスは、過渡的な電気的事象の電圧がＩＣ損傷の最も一般的な原因のうちの１つにつながり得る正または負の破壊電圧に到達する前に、過渡的な電気的事象と関連付けられた電流の少なくとも一部分を分流することができる。保護デバイスは、例えば、ＩＣ電力の高および低（例えば、接地）電圧供給レベルを超える過渡信号から内部回路を保護するように構成することができる。保護デバイスは、異なる電流および電圧（Ｉ−Ｖ）阻止特性に対して構成することができ、また、高速動作性能、および通常の動作電圧条件での低い静的電力散逸によって、正および負の過渡的な電気的事象からの保護を提供することが可能であることが望ましくなり得る。
【００１４】
速度を電流および電圧とバランスさせることに関して保護要件がますます複雑になっている１つの技術領域は、システムオンチップ（ＳＯＣ）またはシステムインパッケージ（ＳＩＰ）上のシステムを使用する技術である。
【００１５】
図１Ａは、本明細書に開示される実施形態による、双方向保護デバイスがその中に集積された、システムオンチップ（ＳＯＣ）／システムインパッケージ（ＳＩＰ）１００の概略図である。ＳＯＣ／ＳＩＰ１００は、数ある用途の中でも、家庭用通信システム、健康管理の生体信号処理、ロボット工学、ならびにミッションクリティカルな産業、計装、航空宇宙、および自動車のプラットフォームを含む、種々の用途のための種々の構成要素を集積する、信号処理プラットフォームを備える。ＳＯＣ／ＳＩＰ１００は、１つまたは２つ以上の双方向保護デバイス（例えば、破線の円で囲まれた構成要素）を含み、これは、トランシーバインターフェース、例えば種々の構成要素を保護するためのマルチチャネルトランシーバインターフェース（ＲＸＡ、ＲＸＢ、ＴＸＡ、ＴＸＢ、その他）における、システムレベルの保護デバイスとすることができる。ＳＯＣ／ＳＩＰ１００は、典型的に、主中央デジタル信号処理コントローラ、例えばマイクロプロセッサおよびメモリユニットの１つまたは２つ以上を含み、これは、数ある機能ブロックの中でも、アナログデータサンプリングおよびデータ変換のためのデータ収集機能ブロック、遠隔制御のための無線トランシーバ、重要な対象のパラメータ、例えば温度、圧力、強度、ガス濃度、位置、光強度、または化学組成を代替的に感知するためのセンサバンク、システムにおける電力条件を条件付けるための電力管理およびエネルギー採取システム、に通信的に結合することができる。これらのおよび他の機能ブロックを有するＳＩＰまたは不均一に集積されたＳＯＣは、１つまたは２つ以上の半導体プロセス技術で実施することができ、また、異なる最終用途と関連付けられた可変的な環境条件下での信頼性の高い動作のための双方向保護デバイスがその中に集積される。
【００１６】
図１Ｂは、実施形態による、双方向保護デバイス１５６がその中に集積された、トランシーバＩＣ１５０の概略図である。トランシーバＩＣ１５０は、コア回路１５２、例えば多目的データ処理制御回路に結合されたトランシーバインターフェース回路１５４を含み、該回路は、数ある中でも、家庭用通信システム、健康管理の生体信号処理、ならびにミッションクリティカルな産業、計装、および航空宇宙、および自動車のプラットフォームにおけるデータサンプリングおよび二重通信アプリケーションを含む、種々のアプリケーションに使用することができる。トランシーバインターフェース回路１５４は、トランシーバ１５８に結合されて、それらの間で信号を受信および／または伝送するように構成される。トランシーバ１５８に結合されたときに、トランシーバインターフェース回路１５４は、同時に、トランシーバインターフェース回路１５４を保護するための双方向保護デバイス１５６に直接電気的に接続される。コア回路１５２は、トランシーバインターフェース１５４に対する制御信号を生成して、そのシグナリング動作を制御するように構成される。
【００１７】
更に図１Ｂを参照すると、双方向保護デバイス１５６は、トランシーバ１５８と電力低電圧Ｖ１との間に電気的に接続され、これは、例えば、接地などの低インピーダンスの電力低供給部とすることができる。例えばインターフェースピンを通して、過渡的な電気的事象がトランシーバ１５８によって受信されたときに、双方向保護デバイス１５６は、過渡的な電気的事象と関連付けられた電流を電力低電圧Ｖ１、例えば系統接地（ＧＮＤ）に迂回させる、または分流することができ、それによって、インターフェースピンに電気的に接続された内部回路構成要素に対する損傷を防止する。
【００１８】
トランシーバインターフェース回路１５４は、多様な同相モード電圧範囲を有する入力信号で動作させることができる。種々の動作環境下での過電圧条件の範囲としては、例えば、ＩＳＯ−７６３７およびＩＳＯ−１６７５０規格によって定義される範囲が挙げられる。これらの環境下で応答するために、保護デバイス１５６を、可変的な双方向阻止電圧で動作させること、素早く（例えば、２ｎｓ以内に）応答させ、かつ大きなストレス電流を扱うこと、例えばＩＥＣ６１０００−４−２またはＩＳＯ１０６０５規格によって定義されるような応力条件中にシステムの損傷を安全に防止すること、が望ましい場合がある。加えて、いくつかの用途においては、可変および／または非対称のトリガー電圧ならびに可変および／または非対称の保持電圧を有する保護デバイス１５６を有することが望ましい場合がある。
【００１９】
図１Ｃは、実施形態による、積層構成で配設され、双方向保護デバイスがその中に積層された、システムインパッケージ（ＳＩＰ）１６０の概略側面図である。ＳＩＰ１６０は、複数のシステムオンチップ（ＳＯＣ）を含み、これは、互いに通信的に結合され、かつ接着層１６８を使用して積層構成で物理的に取り付けられた、第１のＳＯＣ１６２および第２のＳＯＣ１６４を含む。第１のＳＯＣ１６２は、例えば、第１の半導体プロセス技術で実装された、高性能な信号処理、感知、および通信ＳＯＣとすることができ、第２のＳＯＣ１６４は、実施形態による、第２の半導体プロセス技術で実装された双方向保護デバイスを含むことができる。第２のＳＯＣ１６４は、集積双方向保護デバイスを通して外部接触リード１７２に結合され、それによって、過渡的な電気的事象に対するＳＩＰ１６０の保護を提供するように構成される。
【００２０】
図１Ｄは、横方向に隣接する構成で配設され、双方向保護デバイスがその中に積層された、システムインパッケージ（ＳＩＰ）１８０の概略平面図である。ＳＩＰ１８０は、互いに通信的に結合され、横方向に隣接する第１のシステムオンチップ（ＳＯＣ）１８４および第２のシステムオンチップ（ＳＯＣ）１８８を含む、複数のＳＯＣを含む。第２のＳＯＣ１８８は、例えば、複数の特殊な半導体プロセス技術で実装された高性能信号プロセッサ、絶縁体、感知、または通信ＳＯＣとすることができる。第１のＳＯＣ１８４は、実施形態による、異なる半導体プロセス技術で実装された複数の双方向保護デバイス１８６ａ〜１８６ｃを含むことができる。第２のＳＯＣ１８４は、その中に集積された双方向保護デバイスを通して、複数の外部接触リードに結合され、それによって、過渡的な電気的事象からのＳＩＰ１８０の保護を提供するように構成される。ＳＯＣ内に、またはダイの間に組み込まれた異なるダイとパッケージピンとの間の複数の接続部は、開示される技術の範囲内の用途に適切であるように形成することができる。
【００２１】
図２Ａおよび２Ｂは、それぞれ、実施形態による、双方向保護デバイスによって実装することができる、トランシーバインターフェース２００および２５０の回路図を例示する。トランシーバインターフェース２００、２５０は、例えば、半または全二重通信トランシーバＩＣなどのインターフェースＩＣとすることができ、該ＩＣでは、端子またはピンが、通常の動作環境において、ユーザに直接露出され、例えば、自動車のケーブル、または産業機械用ハードネスに接続される。トランシーバインターフェース２００、２５０は、低電圧差シグナリングを使用することなどによって、インターフェースを通じてデータを通信するために使用することができる。
【００２２】
図２Ａを参照すると、トランシーバインターフェース２００は、第１および第２の端子（左右のＴｘ＿Ｒｘ）と、電力クランプ２０４と、第１〜第４の回路駆動装置制御ユニット２０８ａ〜２０８ｄと、第１のクランプデバイス２０２ａと、第２のクランプデバイス２０２ｂと、第１〜第６のｎ型金属酸化物半導体（ＮＭＯＳ）トランジスタ２１６ａ〜２１６ｆと、第１〜第４のｐ型金属酸化物半導体（ＰＭＯＳ）トランジスタ２１２ａ〜２１２ｄと、第１の抵抗器Ｒ１と、第２の抵抗器Ｒ２と、を含む。
【００２３】
ＮＭＯＳトランジスタ２１６ａ〜２１６ｆおよびＰＭＯＳトランジスタ２１２ａ〜２１２ｄは、端子Ｔｘ＿Ｒｘを通じて信号を電気的に伝送するために使用することができる。例えば、回路駆動装置制御ユニット２０８ａ〜２０８ｄは、ＮＭＯＳトランジスタ２１６ａ〜２１６ｆおよびＰＭＯＳトランジスタ２１２ａ、２１２ｄのゲート電圧を制御して、端子Ｔｘ＿Ｒｘ間の差動電圧を制御するために使用することができる。電圧は、正または負の極性を有することができる。
【００２４】
第１のクランプデバイス２０２ａは、第１の端子Ｔｘ＿Ｒｘ（左）に電気的に接続された第１の端子と、電力低電圧、基板電圧ＶＳＵＢに電気的に接続された第２の端子と、を含む。同様に、第２のクランプデバイス２０２ｂは、第２の端子Ｔｘ−Ｒｘ（右）に電気的に接続された第１の端子と、基板電圧ＶＳＵＢに電気的に接続された第２の端子と、を含む。第１のクランプデバイス２０２ａおよび第２のクランプデバイス２０２ｂは、ＥＳＤおよび／またはＥＭＩ事象からトランシーバインターフェース２００を保護するために使用することができる。クランプデバイス２０２ａ、２０２ｂは、例えば、構成要素と関連付けられた寄生基板デバイスを含む、トランシーバインターフェース２００の構成要素を保護することができる。
【００２５】
図２Ｂは、実施形態による、本明細書で説明される１つまたは２つ以上の二重極性過電圧クランプデバイスを含むことができる、別のトランシーバインターフェース２５０の回路図を示す。トランシーバインターフェース２５０は、第１のピン１と、第２のピン２と、トランシーバ回路（Ｔｘ／Ｒｘ）２５３と、第１のクランプデバイス２５７ａと、第２のクランプデバイス２５７ｂと、第１のｎ型金属酸化物半導体（ＮＭＯＳ）トランジスタ２５８ａと、第２のＮＭＯＳトランジスタ２５８ｂと、ｐ型金属酸化物半導体（ＰＭＯＳ）トランジスタ２５９ａと、第２のＰＭＯＳトランジスタ２５９ｂと、第１の抵抗器２６０ａと、第２の抵抗器２６０ｂと、第３の抵抗器２６０ｃと、第４の抵抗器２６０ｄと、第１のダイオード構造体２６１ａと、第２のダイオード構造体２６１ｂと、を含む。
【００２６】
ＮＭＯＳトランジスタ２５８ａ、２５８ｂおよびＰＭＯＳトランジスタ２５９ａ、２５９ｂは、第１のピン１および第２のピン２を通じて信号を電気的に伝送するために使用することができる。例えば、トランシーバ回路２５３は、ＮＭＯＳトランジスタ２５８ａ、２５８ｂおよびＰＭＯＳトランジスタ２５９ａ、２５９ｂのゲート電圧を制御して、例えば、第１のピン１とおよび第２のピン２との間の差動電圧を制御するために使用することができる。電圧は、正または負の極性を有することができる。
【００２７】
更に図２Ｂを参照すると、トランシーバインターフェース２５０は、電力高供給電圧Ｖ２および電力低供給電圧Ｖ１から電力を受信することができる。ＮＭＯＳトランジスタ２５８ａ、２５８ｂ、ＰＭＯＳトランジスタ２５９ａ、２５９ｂ、ダイオード構造体２６１ａ、２６１ｂ、およびクランプデバイス２５７ａ、２５７ｂなどの、トランシーバインターフェース２５０の特定の構成要素は、基板電圧ＶＳＵＢを使用してバイアスされる基板に製造することができる。
【００２８】
種々の寄生基板デバイスをトランシーバインターフェース２５０に存在させることができる。寄生基板デバイスは、基板電圧ＶＳＵＢに電気的に接続された端子を含むことができる。保護がなければ、寄生基板デバイスは、ＥＳＤおよび／またはＥＭＩ条件中に、損傷を受ける場合がある。
【００２９】
例示される構成において、ＮＭＯＳトランジスタ２５８ａ、２５８ｂは、それぞれ、寄生基板バイポーラトランジスタ２６７ａ、２６７ｂを含む。追加的に、ＰＭＯＳトランジスタ２５９ａ、２５９ｂは、寄生基板ダイオード２６８ａ〜２６８ｄを含む。更に、ダイオード構造体２６１ａ、２６１ｂは、それぞれ、寄生基板ダイオード２６８ｅ、２６８ｆを含む。特定の寄生基板デバイスが図２Ｂに示されているが、寄生基板デバイスの他の構成が可能である。
【００３０】
第１のクランプデバイス２５７ａは、第１のピン１に電気的に接続された第１の端子ＶＨと、電力低電圧Ｖ１に電気的に接続された第２の端子ＶＬと、基板電圧ＶＳＵＢに電気的に接続された基板端子と、を含む。追加的に、第２のクランプデバイス２５７ｂは、第２のピン２に電気的に接続された第１の端子ＶＨと、電力低電圧Ｖ１に電気的に接続された第２の端子ＶＬと、基板電圧ＶＳＵＢに電気的に接続された基板端子と、を含む。第１のクランプデバイス２５７ａおよび第２のクランプデバイス２５７ｂは、ＥＳＤおよび／またはＥＭＩ事象からトランシーバインターフェース２５０を保護するために使用することができる。クランプデバイス２５７ａ、２５７ｂは、例えば、構成要素と関連付けられた寄生基板デバイスを含むトランシーバインターフェース２５０の構成要素を保護することができる。
【００３１】
図２Ａのトランシーバインターフェース２００および図２Ｂのトランシーバインターフェース２５０は、それぞれ、本明細書で説明される双方向保護デバイスによって実装することができる例示的なトランシーバインターフェースを例示する。しかしながら、トランシーバインターフェースは、通信プロトコルの制約を満たす他の方式で実装することができる。
【００３２】
追加的に、クランプデバイスは、トランシーバインターフェースの状況で例示されているが、本明細書で説明されるクランプデバイスは、例えば、産業用制御システム、インターフェースシステム、電力管理システム、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサシステム、自動車用システム、無線インフラストラクチャシステム、および／またはデジタル信号処理システム（ＤＳＰ）を含む、広範囲にわたるＩＣおよび他の電子機器において使用することができる。追加的に、トランシーバインターフェース２０は、２つの信号ピンおよび２つのクランプデバイスを含むように例示されているが、システム仕様を満たすために、より多いまたはより少ないクランプデバイスおよびピンを含むことができる。更に、クランプデバイスは、他の方式で接続することができる。例えば、クランプデバイスの端子は、他のノードおよび／または電圧などに、他の方式で接続することができる。
【００３３】
いくつかの保護デバイスは、１つまたは２つ以上の半導体制御整流器（ＳＣＲ）を含み、これは、比較的高い電圧および／または電流密度を有する電気的オーバーストレス（ＥＯＳ）事象からの非対称または対称阻止保護を提供することができる。しかしながら、いくつかのＳＣＲは、応答時間が遅く、それは、低い入力抵抗制約（例えば、２０Ω未満）に従い得る電子システムを保護する能力を損なう場合がある。保護デバイスは、しばしば、高電圧を有するEOSパルスからの保護を提供し、一方で、ラッチアップを防止するのに十分高い保持電圧を提供し、一方で、過渡ストレスに素早く応答するように構成される、といった競合する必要性を満たす必要がある。しかしながら、一方のパラメータの向上は、しばしば、他のパラメータの低下をもたらすので、競合する必要性を同時に満たすことは困難であり得る。例えば、ＳＣＲの２つの端子間の比較的長い間隔は、阻止および保持電圧を増加させることができる。しかしながら、そのような手法は、ＥＯＳ事象に応答する、より低いターンオン速度および高いオーバーシュート電圧をもたらし得る。オーバーシュートの問題に対処するために提案されたいくつかのオプションとしては、ターンオンプロセスの速度を上げるための外部トリガー回路の使用が挙げられる。しかしながら、外部トリガー回路を用いることは、より大きいフットプリント、より高いコストにつながり、また、高い二重極性電圧振幅信号を有するインターフェース回路に常に適しているとは限らない。したがって、以下では、コンパクトで、かつ高速な応答時間を有する保護デバイスの種々の実施形態が提供される。
【００３４】
図３Ａは、実施形態による、トリガーデバイスおよび利得制御双方向半導体制御整流器（ＳＣＲ）を有する双方向保護デバイス４００の概略回路図である。図３Ａを参照すると、双方向保護デバイス４００は、過渡電気信号、例えば双方向保護デバイス４００のトリガー電圧超え得る過渡的な正または負の電圧信号をそれらの間で受信するように構成された、第１の端子（Ｔ１）および第２の端子（Ｔ２）を含む。例えば、Ｔ１またはＴ２のうちの一方は、ＩＣの信号ピンまたはパッドとすることができ、Ｔ１またはＴ２のもう一方は、ＶＳＳまたは接地などの電力低電圧供給と関連付けられたパッドなどの、低電力ピンまたはパッドとすることができる。
【００３５】
図３Ａの双方向保護デバイス４００は、第１の電流シャント経路を提供するように構成されたトリガーデバイス４０２と、第２の電流シャント経路を提供するように構成された双方向半導体制御整流器（ＳＣＲ）４０４と、を含む。トリガーデバイス４０２および双方向ＳＣＲ４０４は、互いに電気的に結合され、また、トリガーデバイス４０２が、閾値処理またはトリガー時に、第１の電流を放出もしくは受信するように、または電荷キャリア（すなわち、電子またはホール）を放出するように構成され、これは、少なくとも部分的に、双方向ＳＣＲ４０４に第２の電流を放出させるようにトリガーする。
【００３６】
双方向保護デバイス４００のトリガーデバイス４０２は、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）４１０、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）４０６、またはアバランシェＰＮダイオード４０８、のうちの１つまたは２つ以上を含む。種々のデバイスを有するトリガーデバイス４０２の例は、下で更に詳細に説明される。図４Ａは、ＮＰＮ  ＢＪＴを有する一実施形態を例示し、図４Ｂは、アバランシェＰＮダイオードを有する例示的な一実施形態を例示し、図４Ｃは、ＰＮＰ  ＢＪＴを有する一実施形態を例示する。トリガーデバイス４０２は、第１のデバイス端子ｔ１および第２のデバイス端子ｔ２を有し、これらはそれぞれ、トリガーデバイス４０２のトランジスタ端子またはダイオード端子のうちの１つとすることができる。トリガーデバイス４０２のｔ１は、バイポーラ保護デバイス４００のＴ１に電気的に接続され、例えば直接接続され、一方で、トリガーデバイス４０２のｔ２は、双方向ＳＣＲ４０４に電気的に接続され、例えば第３の抵抗器（Ｒ３）を通して接続され、該抵抗器に電流を供給し、または該抵抗器から電流を受信する（すなわち、電荷キャリアを供給する）ように構成される。種々の実施形態において、トリガーデバイスのｔ２は、双方向ＳＣＲ４０４の中央領域、例えばＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲの中央ｎ型領域に接続することができる。
【００３７】
図３Ａには示されていないが、追加的なトリガーデバイスが存在してもよく、これは、第３の端子（ｔ３、図示せず）を有し、バイポーラ保護デバイス４００のＴ２に電気的に接続され、例えば直接接続され、また、第３の抵抗器（Ｒ３）を通して双方向ＳＣＲ４０４に共通に接続されることを認識されたい。追加的なトリガーデバイスを有する一実施形態は、図５に関して下でより詳細に説明される。
【００３８】
双方向ＳＣＲ４０４は、第１のＮＰＮバイポーラトランジスタ（ＢＪＴ）４１２と、ＰＮＰ双方向バイポーラトランジスタ（ＢＪＴ）４１４と、第２のＮＰＮバイポーラトランジスタ（ＢＪＴ）４１６と、を含む。第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のエミッタは、第１の抵抗器Ｒ１を通してＴ１に電気的に接続され、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のベースは、Ｔ１に共通に電気的に接続され、よって、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のコレクタおよびベースが、Ｒ１を通して互いに電気的に接続される。第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のベースは、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のコレクタ／エミッタ（Ｃ／Ｅ）に電気的に接続され、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のコレクタは、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースに電気的に接続される。同様に、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のエミッタは、第２の抵抗器Ｒ２を通してＴ２に電気的に接続され、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のベースは、Ｔ２に共通に電気的に接続され、よって、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のコレクタおよびベースが、Ｒ２を通して互いに電気的に接続される。第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のベースは、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のエミッタ／コレクタ（Ｅ／Ｃ）に電気的に接続され、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のコレクタは、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースに電気的に接続される。
【００３９】
以下、図３Ａに例示されるトリガーデバイス４０２と双方向ＳＣＲ４０４との間の電気的接続部を参照すると、トリガーデバイス４０２の第１のデバイス端子ｔ１は、第１の抵抗器Ｒ１を通して、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のエミッタに電気的に接続される。すなわち、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のエミッタおよびトリガーデバイス４０２の第１のデバイス端子ｔ１は、過渡電気信号を受信するために、Ｔ１に共通に電気的に接続される。加えて、トリガーデバイス４０２の第２のデバイス端子ｔ２は、第３の抵抗器Ｒ３を通してＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースに電気的に接続され、よって、起動されたときに、トリガーデバイス４０２が、双方向ＳＣＲ４０４との間でトリガー電流ＩＴＲを提供または受信して、双方向ＳＣＲ４０４の起動を少なくとも部分的に生じさせるように構成され、これは、下でより詳細に論じられる。例示される実施形態において、トリガーデバイス４０２は、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベース領域に電子を供給するように構成される。以下にでは、双方向ＳＣＲ４０４の動作原理が説明され、その後に、トリガーデバイス４０２の動作原理、および双方向ＳＣＲ４０４へのトリガーデバイス４０２の電気的結合が続く。
【００４０】
１つの例示的な態様において、双方向ＳＣＲ４０４は、Ｔ１に対してＴ２において受信された正電圧（またはＴ２に対してＴ１において受信された負電圧）に応答して起動されるべき第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲとして構成される、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４および第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２を含むと説明することができる。双方向ＳＣＲ４０４は、Ｔ２に対してＴ１において受信された正電圧（またはＴ１に対してＴ２において受信された負電圧）に応答して起動されるべき第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲとして構成される、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４および第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６を追加的に含むと説明することができる。このようにして、双方向ＳＣＲ４０４は、Ｔ１とＴ２との間でどちらかの電圧極性で起動することができる。
【００４１】
第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲは、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のエミッタを備える第１のＮ型領域と、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のベースと共通とすること、またはそこに接続することができるＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のコレクタ／エミッタ（Ｃ／Ｅ）を備える第１のＰ型領域と、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のコレクタと共通とすること、またはそこに接続することができるＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースを備える第２のＮ型領域と、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のエミッタ／コレクタ（Ｅ／Ｃ）を備える第２のＰ型領域と、を備える。本明細書で説明されるように、第１のＮ型領域、第２のＮ型領域、および第２のＰ型領域は、それぞれ、第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲの「カソード」、「ゲート」、および「アノード」と称されることもあり得る。
【００４２】
同様に、第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲは、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のエミッタを備える第１のＮ型領域と、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のベースと共通とすること、またはそこに接続することができるＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のエミッタ／コレクタ（Ｅ／Ｃ）を備える第１のＰ型領域と、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のコレクタと共通とすること、またはそこに接続することができるＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースを備える第２のＮ型領域と、双方向ＰＮＰ  ＢＪＴ４１４のコレクタ／エミッタ（Ｃ／Ｅ）を備える第２のＰ型領域と、を備える。本明細書で説明されるように、第１のＮ型領域、第２のＮ型領域、および第２のＰ型領域は、それぞれ、第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲの「カソード」、「ゲート」、および「アノード」と称されることもあり得る。
【００４３】
いかなる理論にも束縛されるものではないが、第１および第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲの各々が異なる方式で起動することができることが認識されるであろう。１つの起動モードは、第１または第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲのカソードとアノードとの間に印加される電圧と関連付けられる。このモードは、電圧トリガーと称されることもあり、閾値を超える順電圧（すなわち、正電圧）がＮＰＮＰ  ＳＣＲのアノードとカソードとの間に配置されたときに生じる。第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲの閾値電圧未満の順電圧の下で、第１のＮ型領域と第１のＰ型領域との間の第１のＮＰ接合、および第２のＮ型領域と第２のｐ型領域との間の第２のＮＰ接合は、順方向バイアスされ、一方で、第１のＰ型領域と第２のＮ型領域との間の中間ＰＮ接合は、最初に、逆方向バイアスされる。最初に、中間ＰＮ接合をキャリアがほとんど横断していないので、ＰＮＰＮ  ＳＣＲ全体にはほとんど電流が流れていない。しかしながら、第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲの第１の閾値を超える順電圧以上で、第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲは、中間ＰＮ接合のキャリアのアバランシェ現象により、部分的に伝導し始める。降伏が始まると、第１のＰ型領域および第２のＮ型領域における多数キャリアの増加が、中間ＰＮ接合の順方向バイアスを生じさせ、第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲの全ての接合が順方向バイアスされる、低インピーダンス状態をもたらす。類似した状態は、閾値を超える順電圧が第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲのアノードとカソードとの間に配置されたときに、第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲを低インピーダンス状態にトリガーし得る。
【００４４】
電圧トリガーモードの下で、過渡的な電気的事象が、Ｔ２に対してＴ１に負電圧を誘導し、その絶対値が第１のトリガー電圧（ＶＴＲ１）を超えたときに、またはＴ１に対してＴ２に負電圧を誘導し、その絶対値が第２のトリガー電圧（ＶＴＲ２）を超えたときに、第１および第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲはどちらも、双方向ＳＣＲ  ２０４が起動されるように閾値処理することができる。図３Ａの双方向ＳＣＲ  ４０４に関する事象の例示的なシーケンスとして、Ｔ２に対するＴ１への負電圧がＶＴＲ１を超えることに応答して、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２は、伝導し始めることができ、結果として、そのコレクタ電位がプルダウンされ、これが次に、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベース電位をプルダウンする。これが次に、中間ＮＰ接合の接合降伏を生じさせ、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４の伝導を生じさせる。ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４が伝導し始めたときに、そのコレクタ電位がプルアップされ、これが次に、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のベース電位をプルアップする。代替的に、Ｔ１に対するＴ２への負電圧がＶＴＲ２を超えることに応答して、類似する事象のシーケンスが、バイポーラＳＣＲ４０４を導電状態にトリガーすることに至らせることができる。このようにして双方向ＳＣＲ４０４がトリガーされると、低インピーダンスモードに入り、該モードでは、Ｔ１およびＴ２にわたる絶対電圧がその後にＶＴＲ１およびＶＴＲ２未満に下がる場合であっても、上で論じたように、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２および第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のうちの１つとＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４との間に形成されたフィードバックループによって、低いインピーダンスを維持することができる。
【００４５】
上で論じた電圧トリガーの起動モードに加えて、バイポーラＳＣＲ４０４の起動は、多数キャリアが、図３ＡのＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースである上で説明した第１および第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲのゲートに供給されたときに、別の起動モードによって引き起こすことができる。この第２のモードは、ゲートトリガーと称されることもあり、上で説明した第１または第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲにわたる順電圧と組み合わせて、電荷キャリア（例えば、電子）が、ゲート（例えば、第１または第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲのＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベース）に供給にされたときに生じる。ＮＰＮＰ  ＳＣＲのゲートに供給された電荷キャリアは、中間ＰＮ接合の順方向バイアスが加速されるように、ゲート領域に多数キャリアを供給することによって低インピーダンス状態を加速し、したがって、低インピーダンス状態を加速する。図３Ａの双方向ＳＣＲ４０４において、トリガーデバイス４０２は、第１および第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲのゲートに電荷キャリアを供給するように構成される。
【００４６】
動作中に、トリガーデバイス４０２は、数ある中でも、ｔ１およびｔ２にわたる電圧がトリガーデバイス４０２の閾値またはトリガー電圧を超えたときに起動することができる。起動されると、トリガーデバイス４０２は、トリガー電流ＩＴＲの生成を引き起こし、これは、少なくとも部分的に、双方向ＳＣＲ４０４を起動させる。トリガーデバイス４０２の例示的な実施形態は、下で図４Ａ〜４Ｃに関して説明される。
【００４７】
図３Ｂは、双方向ＳＣＲのトリガーを引き起こすようにトリガーデバイスが接続されなかった場合に個々に取得される、トリガーデバイスおよび利得制御双方向ＳＣＲの電流−電圧（ＩＶ）曲線を例示する概略的なグラフ３００である。具体的には、グラフ３０４は、Ｔ１とＴ２との間で受信された電圧信号に対する双方向ＳＣＲ４０４の準静的応答を概略的に例示し、グラフ３０８は、ｔ１とｔ２との間で受信された電圧信号にトリガーデバイス４０２の準静的応答を概略的に例示する。ｘ軸およびｙ軸は、それぞれ、準静的電圧および対応する電流を表す。ＩＶ曲線３０４および３０８は、それぞれの阻止領域（「オフ」領域）３０４ａおよび３０８ａを有し、原点とそれぞれの降伏電圧ＶＢＤ１およびＶＢＤ２との間で、それぞれ非常に高いインピーダンスを特徴とする。図３Ｂにおいて例示されるＤＣまたは準静的応答の状況において使用される場合、ＶＢＤ１は、ＳＣＲのＤＣまたは準静的降伏電圧に対応することができ、ＶＢＤ２は、トリガーデバイスのＢＪＴまたはアバランシェダイオードのＤＣまたは準静的降伏電圧に対応することができる。Ｔ１およびＴ２にわたる電圧がＶＢＤ１に到達し、かつｔ２およびｔ１にわたるが電圧がＶＢＤ２に到達したときに、ｄＶ／ｄＩがゼロになり、それぞれの双方向ＳＣＲ４０４およびトリガーデバイス４０２のスイッチングが生じる。阻止領域３０４ａおよび３０８ａの後には、それぞれ、ＶＢＤ１と第１の保持電圧ＶＨ１との間の、およびＶＢＤ２と第２の保持電圧ＶＨ２との間のそれぞれの負性抵抗領域３０４ｂおよび３０８ｂ（「スナップバック領域」とも称される）が続き、その後には、それぞれの正性抵抗領域（「オン」領域）３０４ｃおよび３０８ｃが続く。保持電圧ＶＨ１およびＶＨ２において、対応する保持電流値は、それぞれ、ＩＨ１およびＩＨ２であり、これらは、それぞれのデバイスの「オン」状態を維持することができる最小レベルの電流を表すことができる。実施形態によれば、双方向ＳＣＲ４０４およびトリガーデバイス４０２は、準静的条件の下で、または比較的長い持続時間（例えば、約１００ｎｓを超える、または約１μｓを超える）を有する電圧信号に応答して、双方向ＳＣＲ４０４のＶＢＤ１がトリガーデバイス４０２のＶＢＤ２よりも低くなるように構成される。例えば、双方向ＳＣＲ４０４は、準静的状態の下で、約５Ｖ〜約２５Ｖまたは約１０Ｖ〜約２０Ｖ、例えば約１５ＶのＶＢＤ１を有するように構成することができ、一方で、トリガーデバイス４０２は、約１０Ｖ〜約４０Ｖ、約１５Ｖ〜約３５Ｖ、または約２０Ｖ〜約３０Ｖ、例えば約２５ＶのＶＢＤ２を有するように構成することができる。
【００４８】
図３Ｃは、例示の目的で、図３Ａに関して説明されるものに個々に類似する（すなわち、互いに接続されていない）トリガーデバイスおよび利得制御双方向半導体制御整流器の過渡電圧−時間（Ｖ−ｔ）曲線を例示する概略的なグラフ３２０である。具体的には、グラフ３１４は、Ｔ１とＴ２との間で受信された比較的短いパルス（例えば、約１μｍよりも短い、または約１００ｎｓよりも短い）電圧信号に対する双方向ＳＣＲ４０４の応答を概略的に例示し、グラフ３１８は、ｔ１とｔ２との間で受信された類似する比較的短いパルス電圧信号に対するトリガーデバイス４０２の応答を概略的に例示する。例えば、グラフ３２０のｘ軸およびｙ軸は、それぞれ、時間および伝送線路パルス電圧（ＴＬＰ）を表す。Ｖ−ｔ曲線３１４および３１８は、それぞれの阻止領域（「オフ」領域）３１４ａ、３１８ａを有し、原点と、双方向ＳＣＲ４０４およびトリガーデバイス４０２に対応するそれぞれの降伏時間ｔＴＲ１およびｔＴＲ２との間の非常に高いインピーダンスを特徴とする。ｔＴＲ１およびｔＴＲ２において、ｄＶ／ｄｔがゼロに到達し、トリガーデバイス４０２のスイッチングが生じ、続いて、双方向ＳＣＲ４０４のスイッチングが生じる。阻止領域３１４ａおよび３１８ａの後には、それぞれ、ｔＢＤ１と第１の保持時間ｔＨ１との間の、およびｔＢＤ２と第２の保持時間ｔＨ２と間のそれぞれの負性抵抗領域３１４ｂおよび３１８ｂが続き、その後には、それぞれの正性抵抗領域（「オン」領域）３１４ｃおよび３１８ｃが続く。保持時間ｔＨ１およびｔＨ２において、対応する電流値は、ＩＨ１およびＩＨ２である。図３Ｂに関して上で説明したような準静的電圧信号に対するそれぞれのデバイスの応答とは異なり、双方向ＳＣＲ４０４およびトリガーデバイス４０２は、比較的短い持続時間に応答して、例えばＴ１とＴ２との間およびｔ１とｔ２の間で受信した伝送線路パルスに応答して、双方向ＳＣＲ４０４のトリガーまたはターンオン電圧ＶＴＲ１が、トリガーデバイス４０２のトリガーまたはターンオン電圧ＶＴＲ２よりも大幅に高くなるように構成される。例えば、双方向ＳＣＲ４０４は、非常に短い過渡電圧持続時間を有する、例えば約１００ｐｓ〜約１０ｎｓの、例えば６００ｐｓの立ち上がり時間を有する、および／または約５ｎｓ〜約５００ｎｓ、例えば１００ｎｓのパルス幅を有するＴＬＰ条件の下で、約５０Ｖ〜約１５０Ｖの、約７５Ｖ〜約１２５Ｖ、例えば約１００ＶのＶＴＲ１を有するように構成することができ、一方で、トリガーデバイス４０２は、約１０Ｖおよび約５０Ｖ、約２０Ｖ〜約４０Ｖ、例えば約３０Ｖにおいて、大幅に低いＶＴＲ２を有するように構成することができる。
【００４９】
図３Ｂおよび３Ｃによって例示されるように、双方向ＳＣＲ４０４およびトリガーデバイス４０２の各々を低インピーダンス状態に起動することができる電圧は、それぞれのデバイスによって受信される起動信号の持続時間、例えば時間幅に依存することができる。その反対に、双方向ＳＣＲ４０４およびトリガーデバイス４０２の各々を低インピーダンス状態に起動することができる速度は、それぞれのデバイスによって受信される起動信号の電圧に依存することができる。いかなる理論にも束縛されるものではないが、そのような低減は、ｄＶ／ｄｔ効果と称されることもあり、その効果の大きさは、数ある要因の中でも、逆バイアスされる接合の静電容量に依存することができる。この効果に基づいて、発明者らは、図３Ｃに例示されるように、双方向ＳＣＲ４０４およびトリガーデバイス４０２の起動と関連付けられたＶ−ｔ曲線３１８および３１４をカスタマイズして、例えば重なり合わせる、または分離させることができるように、双方向保護デバイス４００を構成することができる。例示される実施例において、双方向ＳＣＲ４０４およびトリガーデバイス４０２のＶ−ｔ曲線のピークは、特定の時間ウインドウの範囲内になるように、例えばトリガーデバイス４０２に対する物理的損傷を防止するように調整することができ、これは、双方向ＳＣＲ４０４と同程度の電流を扱うように構成することができない。例えば、様々な実施形態において、図３Ｂに関して上で説明したＶＢＤ１およびＶＢＤ２値を有する双方向ＳＣＲ４０４およびトリガーデバイス４０２の場合、約１００ｐｓ〜約１０ｎｓ、例えば６００ｐｓの立ち上がり時間を有する、および／または約５ｎｓ〜約５００ｎｓ、例えば１００ｎｓのパルス幅を有する過渡電圧信号について、Ｖ−ｔ曲線３１４および３１８のピーク間の差（ｔＢＤ１−ｔＢＤ２）は、例えば、約２００ｐｓ〜約１０ｎｓ、約１５０ｐｓ〜約５．５ｎｓ、例えば約３ｎｓであり得る。
【００５０】
更に図３Ｂおよび３Ｃを参照すると、特定の条件下で、例えば過渡電圧信号の電圧がＶＢＤ１／ＶＴＲ１とＶＢＤ２／ＶＴＲ２との間にあるときに、および過渡電圧信号の持続時間がｔＢＤ１とｔＢＤ２との間にあるときに、過渡電圧信号は、トリガーデバイスを起動させることができるが、双方向ＳＣＲを起動させることができないことが認識されるであろう。
【００５１】
図３Ｃを再度参照すると、特定の用途の場合、双方向保護デバイスと直列に接続され得る抵抗器などの受動構成要素に対する損傷を防止するために、比較的高い双方向ＳＣＲの保持電圧（ＶＨ）を有することが望ましくない場合がある。図３Ａを再度参照すると、本明細書で説明される様々な実施形態では、エミッタ注入効率および第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２および／または第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６の電流利得を減少させることによってＶＨを増加させることができ、これは次に、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のエミッタ領域を第１の抵抗器Ｒ１に接続し、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のエミッタ領域を第２の抵抗器Ｒ２に接続することによって達成することができる。様々な実施形態において、Ｒ１およびＲ２の各々を、約０．００１オーム〜約２０オーム、約０．５オーム〜約２オーム、または約２オーム〜約１０オームの範囲の抵抗値を有するように調整することによって、それぞれ、双方向ＳＣＲ４０４のＶＨを、約３Ｖ〜約１５Ｖ、約４Ｖ〜約５Ｖ、または約５Ｖ〜約８Ｖの範囲の値を有するように、それに応じて調整することができる。
【００５２】
図４Ａ〜４Ｃは、種々の実施形態による、異なるトリガーデバイスを有する双方向保護デバイスの概略回路図である。図３Ａに関して上で説明した双方向保護デバイス４００に類似して、図４Ａ〜４Ｃに例示される実施形態の各々は、双方向ＳＣＲ４０４と、トリガーデバイスと、を含み、トリガーデバイスおよび双方向ＳＣＲ４０４は、トリガーデバイスが起動されたときにキャリア、例えば電子を双方向ＳＣＲ４０４の中へ、またはその外へ流れさせるように互いに電気的に結合され、これは、少なくとも部分的に双方向ＳＣＲ４０４の起動を引き起こす。
【００５３】
図４Ａは、実施形態による、トリガーデバイス４２２がＰＮＰトリガーＢＪＴ４０６を含む、双方向保護デバイス４２０を例示する。ＰＮＰトリガーＢＪＴ４０６は、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のベースに、およびＴ１に電気的に接続されたコレクタを含み、また、第５の抵抗器Ｒ５を通して、双方向ＳＣＲ４０４のＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースに電気的に接続されたベースを更に含む。ＰＮＰトリガーＢＪＴ４０６は、第３の抵抗器Ｒ３を通して、ＰＮＰ双方向ＳＣＲ４１４の第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２および第２のＮＰＮ  ＢＪＴ４１６のコレクタに接続されたエミッタを更に含む。双方向保護デバイス４２０がＴ２に対してＴ１において負の過渡電気信号を受信したときに、ＰＮＰトリガーＢＪＴ４０６が起動され、それによって、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースを通して、双方向ＳＣＲ４０４に電子を供給し、これが次に、図３Ａに関連して上で論じたように、双方向ＳＣＲ４０４の低インピーダンス状態への起動を加速する。
【００５４】
図４Ｂは、実施形態による、トリガーデバイス４４２がアバランシェトリガーダイオード４０８を含む、双方向保護デバイス４４０を例示する。アバランシェトリガーダイオード４０８は、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のベースに、およびＴ１に電気的に接続された、ｐ型アノードを含む。アバランシェトリガーダイオード４０８は、第３の抵抗器Ｒ３を通して、双方向ＳＣＲ４０４のＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースに電気的に接続された、ｎ型カソードを更に含む。双方向保護デバイス４４０がＴ２に対してＴ１において負の過渡電気信号を受信したときに、ダイオード４０８トリガーアバランシェが起動され、それによって、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースを通して、双方向ＳＣＲ４０４に電子を供給し、これが次に、図３Ａに関連して上で論じたように、双方向ＳＣＲ４０４の低インピーダンス状態への起動を加速する。
【００５５】
図４Ｃは、実施形態による、トリガーデバイス４６２がＮＰＮトリガーＢＪＴ４１０を含む、双方向保護デバイス４６０を例示する。ＮＰＮトリガーＢＪＴ４１０は、第６の抵抗器Ｒ６を通して、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のベースおよびＴ１に電気的に接続されたベースを含み、また、第１の抵抗器Ｒ１を通して、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ４１２のエミッタおよびＴ１に電気的に接続されたエミッタを更に含む。ＮＰＮトリガーＢＪＴ４０６は、第３の抵抗器Ｒ３を通して、双方向ＳＣＲ  ４０４のＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースに接続されたコレクタを更に含む。双方向保護デバイス４６０がＴ２に対してＴ１において負の過渡電気信号を受信したときに、ＢＪＴ４１０トリガーＮＰＮが起動され、それによって、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ４１４のベースを通して、双方向ＳＣＲ４０４に電子を供給し、これが次に、図３Ａに関連して上で論じたように、双方向ＳＣＲ４０４の低インピーダンス状態への起動を加速する。
【００５６】
図５は、いくつかの実施形態による、複数のＰＮＰバイポーラ接合トランジスタベースのトリガーデバイスおよび利得制御双方向トリガーデバイスを有する、双方向保護デバイス５００を例示する概略回路図である。図５は、保護デバイス回路構成に加えて、いくつかの実施形態において存在し得る周囲の回路構成を示す。
【００５７】
双方向保護デバイス５００は、図４Ａの双方向ＳＣＲ４０４に類似する双方向ＳＣＲ５０４を含み、また、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ５１２と、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ５１４と、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ５１６と、を含む。双方向ＳＣＲ５０４は、図４Ａの双方向ＳＣＲ４０４に類似した様式で、Ｒ１、Ｒ２、Ｔ１、およびＴ２に電気的に接続されるので、類似する電気的接続部の詳細な説明は省略する。
【００５８】
同様に、図４Ａの双方向保護デバイス４２０に類似して、双方向保護デバイス５００は、実施形態による、第１のＰＮＰトリガーＢＪＴ５０６ａを含むトリガーデバイス５２２を含む。第１のＰＮＰトリガーＢＪＴ５０６ａは、図４Ａのトリガーデバイス４２２に類似した様式で、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ５１２、Ｔ１、Ｒ５、双方向ＢＪＴ５１４、およびＲ３に電気的に接続されるので、類似する電気的接続部の詳細な説明は省略する。第１のＰＮＰトリガーＢＪＴ５０６ａに加えて、双方向保護デバイス５００は、第２のＰＮＰトリガーＢＪＴ５０６ｂを追加的に含む。第２のＰＮＰトリガーＢＪＴ５０６ｂは、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ５１６のベースに、およびＴ２に電気的に接続されたコレクタを含み、また、Ｒ５を通して、双方向ＳＣＲ５０４のＰＮＰ双方向ＢＪＴ５１４のベースに電気的に接続されたベースを更に含む。第２のＰＮＰトリガーＢＪＴ５０６ｂのエミッタは、第４の抵抗器Ｒ４を通して、双方向ＳＣＲ  ５１４に電気的に接続される。
【００５９】
動作中に、双方向保護デバイス５２０がＴ１とＴ２との間の特定の値を超える負の過渡電気信号を受信したときには、第１のＰＮＰトリガーＢＪＴ５０６ａを起動させ、双方向ＢＪＴ５１４のベースを通して双方向ＳＣＲ４０４に電子を供給することができ、これは、図３Ａに関連して上で論じたように、双方向ＳＣＲ５０４の低インピーダンス状態への起動を少なくとも部分的に生じさせる。同様に、双方向保護デバイス５２０がＴ１とＴ２との間の特定の値を超える正の過渡電気信号を受信したときには、第２のＰＮＰトリガーＢＪＴ５０６ｂを起動させ、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ５１４のベースを通して双方向ＳＣＲ５０４に電子を供給することができ、これは、双方向ＳＣＲ５０４の低インピーダンス状態への起動を少なくとも部分的に生じさせる。いくつかの実施形態において、第１のＰＮＰ  ＢＪＴ５０６ａ、第２のＰＮＰ  ＢＪＴ５０６ｂ、および双方向ＳＣＲ５１４は、双方向保護デバイス５２０を起動させるのに十分な絶対電圧が逆の極性において類似し得る、または同じであり得るように構成することができるが、他の実施形態において、それらは、用途に応じて、双方向保護デバイス５２０を起動させるのに十分な絶対電圧が逆の極性において異なり得るように構成することができる。
【００６０】
以下、双方向保護デバイス５００の周囲の回路構成を参照すると、双方向ＳＣＲ５０４に電気的に接続された寄生回路５３０が存在し得る。寄生回路５３０は、第１の寄生ＰＮＰ  ＢＪＴ５３４と、第２の寄生ＰＮＰ  ＢＪＴ５３８と、を含み、それぞれが、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ５１４のベースに共通に接続されたベースを有する。加えて、第１の寄生ＰＮＰ  ＢＪＴ５３４および第２の寄生ＰＮＰ  ＢＪＴ５３８は、それぞれ、双方向ＢＪＴ５１４のＣ／ＥおよびＥ／Ｃに電気的に接続されたエミッタを有する。第１の寄生ＰＮＰ  ＢＪＴのコレクタは、基板領域５５４、例えば基板に形成されたガードリング構造体に接続することができる。第１の寄生ＰＮＰ  ＢＪＴ５３４および第２の寄生ＰＮＰ  ＢＪＴ５３８のベースは、第１のＮＰＮ寄生ＢＪＴ５４２に共通に接続され、そのエミッタは、例えば、天然埋込層またはディープＮウエルなどの絶縁領域５５０に接続することができる。
【００６１】
寄生回路５３０では、第１のＮＰＮ寄生ＢＪＴ５４２のコレクタおよび第２のＰＮＰ寄生ＢＪＴ５３８のベースが互いに接続され、第２のＰＮＰ寄生ＢＪＴ５３８のコレクタおよび第１のＮＰＮ寄生ＢＪＴ５４２のベースが互いに接続され、よって、第１のＮＰＮ寄生ＢＪＴ５４２および第２のＰＮＰ寄生ＢＪＴ５３８が、交差結合された寄生ＰＮＰＮ  ＳＣＲ５４６を形成することが認識されるであろう。寄生ＳＣＲ５４６は、単離構造体などの構造体（例えば、自然にドープされた埋込層またはディープＮウエル）および基板領域から生じる場合があり、また、望ましくない場合がある。それに応じて、寄生ＰＮＰＮ  ＳＣＲ５４６を引き起こす構造体は、それらが動作中に起動しないように構成することができる。更に図５を参照すると、双方向保護デバイス５００は、バックゲートダイオード５４８を有することができ、これは、基板領域５５４に、およびＴ１に電気的に接続することができる。
【００６２】
図６Ａおよび６Ｂは、それぞれ、いくつかの実施形態による、集積トリガーデバイスを有する双方向保護デバイス６００の断面図および上面図である。例示される実施形態は、基板に形成された種々の領域が環状デバイスの中央領域を取り囲む、環状デバイスであり、図６Ａは、環状デバイスの半分に沿って切断した断面を示す。
【００６３】
図６Ａでは、種々の構造的な特徴を、それらが双方向保護デバイス６００の動作に関連するものとして、より良好に理解するのを補助するために、種々の構造領域を等価回路図と重ね合わせている。以下、種々の構造的特徴を最初に説明し、続いて、対応する等価回路図を説明する。双方向保護デバイス６００は、第１のｐ型ウエル（ＰＷ）６０８と第２のｐ型ウエル（ＰＷ）６１０との間に間置された第１のｎ型ウエル（ＮＷ）６１８がその中に形成された、半導体基板６０２、例えばｐ型半導体基板を含む。第１のＰＷ６０８は、第１の端子Ｔ１に電気的に接続される第１の高濃度にドープされたｎ型（ｎ＋）領域６２０ａ領域がその中に形成され、第２のＰＷ６１０は、第２の端子（Ｔ２）に電気的に接続される第２の高濃度にドープされたｎ型（ｎ＋）領域６２０ｂがその中に形成され、よって、双方向半導体制御整流器（ＳＣＲ）が形成され、双方向ＳＣＲは、カソード／アノード（Ｋ／Ａ）としての役割を果たす第１のｎ＋領域と、アノード／カソード（Ａ／Ｋ）としての役割を果たす第２のｎ＋領域と、を有する。
【００６４】
本明細書で説明されるように、および本明細書の全体を通して、半導体基板６０２は、様々な方式で実装することができ、該半導体基板としては、限定されないが、埋込ＳＩＯ２層などの絶縁層を使用して、上で説明した種々の構造体が支持基板から絶縁されるシリコン−絶縁体−シリコン構造体を含む、ドーピングした半導体基板またはシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板が挙げられることが認識されるであろう。加えて、上で説明した種々の構造体は、表面領域に、またはその近くに形成されたエピタキシャル層内に少なくとも部分的に形成することができることが認識されるであろう。
【００６５】
例示される実施形態において、第１のＰＷ６０８は、第１のＮＷ６１８からある間隙だけ横方向に分離され、一方で、第２のＰＷ６１０は、第１のＮＷ６１８に接触して、それらの間の接合を形成する。しかしながら、下で更に詳細に論じられるように、他の実施形態が可能であり、例えば、所望のデバイス特性に応じて、第１のＰＷ６０８および第１のＮＷ６１８を互いに接触させて、それらの間の接合を形成することができ、および／または第２のＰＷ６１０および第１のＮＷ６１８が分離される。
【００６６】
本明細書で使用される場合、接合または接合領域は、異なるタイプの２つの半導体材料がインターフェースを形成したときに形成された領域を指し、また、内蔵電界により電子バンド（すなわち、伝導および価電子バンド）が屈曲したインターフェースの近くの領域を含むことができる。したがって、接合領域の寸法は、接合を形成する異なるタイプの半導体材料のドーピング濃度およびドーピングプロファイルなどの種々の要因に依存し得る。
【００６７】
更に図６を参照すると、双方向保護デバイス６００は、例えば、第１のＮＷ６１８、第１のＰＷ６０８、および第２のＰＷ６１０のうちの１つまたは２つ以上の底端部の下側、例えば真下に、または該底端部と接触して配置されたディープＮウエル（ＤＮＷ）６０４を含む。いくつかの実施形態において、ＤＮＷ６０４は、ｙ方向に縦方向に第１のＰＷ６０８および第２のＰＷ６１０を有する接合領域を形成し、一方で、第１のＮＷ６１８からｎ型領域の縦方向延在部を形成する。第１のＰＷ６０８および第１のＮＷ６１８が互いから横方向に分離される実施形態、および／または第２のＰＷ６１０および第１のＮＷ６１８が互いから横方向に分離される実施形態において、ＤＮＷ６０４は、分離された領域の間に形成されたそれぞれの間隙を埋めることができる。例えば、図６Ａにおいて、第１のＰＷ６０８および第１のＮＷ６１８は、ＤＮＷ６０４もまた第１のＮＷ６１８からの横方向延在領域を形成することができるように、ＤＮＷ６０４によって分離される。
【００６８】
更に図６Ａを参照すると、第１のｎ＋領域６２０ａ、第１のＰＷ６０８、第１のＮＷ６１８、第２のＰＷ６１０、および第２のｎ＋領域６２０ｂは、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲが形成されるように、電気的に接続される。双方向ＳＣＲは、図５に関して上で説明したＰＮＰ双方向ＢＪＴ５１４、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ５１２、および第２のＮＰＮ  ＢＪＴ５１６に類似した様式で電気的に接続される、第１のＰＮＰ双方向ＢＪＴ６１４と、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ６１２と、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ６１６と、を含む。
【００６９】
更に図６Ａを参照すると、双方向保護デバイス６００は、第１のＰＷ６０８に隣接する第２のｎ型ウエル（ＮＷ）６２４を更に備える。第２のＮＷ６２４は、第１の高濃度にドープされたｐ型（ｐ＋）領域６２８ａがその中に形成される。第１のｐ＋領域６２８ａ、第２のＮＷ６２４、および第１のＰＷ６０８は、第１のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ａのエミッタ、ベース、およびコレクタとして構成される。第１のＰＷ６０８は、第２の高濃度にドープされたｐ＋領域６２８ｂがその中に形成され、それを通して、第１のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ａのコレクタがＴ１に電気的に接続され、よって、第１のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ａのコレクタは、双方向保護デバイス６００の双方向ＳＣＲのカソード／アノード（Ｋ／Ａ）として構成された第１のｎ＋領域６２０ａと共に、Ｔ１に共通に電気的に接続される。
【００７０】
双方向保護デバイス６００は、第２のＰＷ６１０が、第１の側の第１のＮＷ６１８と第２の側のＤＮＷ６０４との間に間置され、それらと接触するように構成される。ＤＮＷ６０４は、第３の高濃度にドープされたｐ型（ｐ＋）領域６２８ｃがその中に形成される。第３のｐ＋領域６２８ｃ、ＤＮＷ６０４、および第２のＰＷ６１８は、第２のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ｂのエミッタ、ベース、およびコレクタとして構成される。第２のＰＷ６１０は、第４の高濃度にドープされたｐ＋領域６２８ｄがその中に形成され、それを通して、第２のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ｂのコレクタがＴ２に電気的に接続され、よって、第２のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ｂのコレクタは、双方向保護デバイス６００の双方向ＳＣＲのアノード／カソード（Ａ／Ｋ）として構成された第２のｎ＋領域６２０ｂと共に、Ｔ２に共通に電気的に接続される。
【００７１】
双方向保護デバイス６００において、第２のｐ＋領域６２８ｂは、Ｔ１に直接電気的に接続されるが、第１のｎ＋領域６２０ａは、第１の抵抗器Ｒ１を通してＴ１に電気的に接続される。同様に、第４のｐ＋領域６２８ｄは、Ｔ２に直接電気的に接続されるが、第２のｎ＋領域６２０ｂは、第２の抵抗器Ｒ２を通してＴ２に電気的に接続される。Ｒ１およびＲ２は、それぞれ、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ６１２および第２のＮＰＮ  ＢＪＴ６１６のエミッタに接続された程度の抵抗値を有し、それぞれのＢＪＴのエミッタ注入効率および対応する利得は、上で図３Ｃに関して説明したように、制御可能に低減させることができ、それによって、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲの保持電圧を増加させる。Ｒ１およびＲ２は、１つまたは２つ以上の金属化レベル、例えば第１（Ｍ１）〜第ｎの（Ｍｎ）金属化レベルをパターン化することによって、双方向保護デバイス６００の上側に形成され、ｎは、２〜１０とすることができる。Ｒ１およびＲ２の各々は、パターン化されたポリシリコンまたはパターン化された薄膜金属層のうちの１つまたは２つ以上で形成することができる。
【００７２】
第１のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ａおよび第２のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ｂは、それぞれのエミッタが、双方向保護デバイス６００の上側に形成された１つまたは２つ以上の金属化レベルを通して、第１のＮＷ６１８に電気的に接続されるように更に構成される。例示される実施形態において、第１のｐ＋領域６２８ａは、第１のＮＷ６１８に形成された第３の高濃度にドープされた（ｎ＋）領域６２０ｃに電気的に接続され、これは、金属化レベル６５２の１つまたは２つ以上に形成された第３の抵抗器Ｒ３を通して、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲの中央領域に配置することができる。同様に、第３のｐ＋領域６２８ｃは、金属化レベル６５２の１つまたは２つ以上に形成された第４の抵抗器Ｒ４を通して、第１のＮＷ６１８に形成された第３の高濃度にドープされた（ｎ＋）領域６２０ｃに電気的に接続される。種々の実施形態において、Ｒ３およびＲ４の各々は、約０．０１オーム〜約２０００オーム、例えば約０．０５オームの抵抗値を有する。Ｒ３およびＲ４の各々は、パターン化されたポリシリコンまたはパターン化された薄膜金属層のうちの１つまたは２つ以上で形成することができる。
【００７３】
したがって、双方向保護デバイス６００は、第１のｎ＋領域６２０ａ、第１のＰＷ６０８、第１のＮＷ６１８、第２のＰＷ６１０、および第２のｎ＋領域６２０ｂを含むＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲと、第１のｐ＋領域６２８ａ、第２のＮＷ６２４、および第１のＰＷ６０８を含む第１のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ａを備える第１のトリガーデバイスと、第３のｐ＋領域６２８ｃ、ＤＮＷ６０４および第２のＰＷ６１０を含む第２のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ｂを備える第２のトリガーデバイスと、を含む。第１のＮＷ６１８を通してＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲに電気的に接続されて、起動されているときにそこに電子を提供するように、第１のトリガーＢＪＴ６０６ａおよび第２のトリガーＢＪＴ６０６ｂのエミッタを有することによって、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲならびに第１および第２のトリガーデバイスは、図５に関して上で説明した双方向ＳＣＲ５０４およびトリガーデバイス５２２と同様に動作する。
【００７４】
以下、図６Ａと併せて図６Ｂを参照すると、双方向保護デバイス６００の環状構成が説明される。双方向保護デバイス６００は、環状構成の中央に配置された第３のｎ型ウエル（ＮＷ）６４０を有し、また、第６の高濃度にドープされたｎ型（ｎ＋）領域６２０ｆがその中に形成される。第３のＮＷ６４０は、第２のＰＷ６１０、第１のＮＷ６１８、第１のＰＷ６０８、第２のＮＷ６２４、第４の高濃度にドープされたｎ型（ｎ＋）領域６２０ｄがその中に形成された第４のｎ型ウエル（ＮＷ）６４４、および第７の高濃度にドープされたｐ型（ｐ＋）領域６２８ｇがその中に形成された第３のｐ型ウエル（ＰＷ）６４８によって逐次的に取り囲まれる。第７のｐ＋領域６２８ｇは、接地であり得るＶＳＵＢの主回路構成の基板に電気的に接続する、例えばケルビン接続することができる。
【００７５】
第３のＮＷ６４０、ＤＮＷ６０４、および第４のＮＷ６４４は、第１のＰＷ６０８、第２のＰＷ６１０、第１のＮＷ６１８、および第２のＮＷ６２４を横方向および縦方向に囲む、タブ型絶縁領域を形成することが認識されるであろう。いくつかの実施形態において、タブ型絶縁は、電気的に浮遊し得る。
【００７６】
上で論じたように、第１のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ａおよび第２のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ｂは、金属化レベル６５２の１つまたは２つ以上に形成されたＲ３およびＲ４を通して第１のＮＷ６１８に電気的に接続される。双方向保護デバイス６００の金属化プロセスアーキテクチャは、複数の金属化レベル、例えば第１（Ｍ１）〜第ｎの（Ｍｎ）金属化レベルを含み、ｎは、２〜１０とすることができる。本明細書で使用される場合、金属化レベルは、リソグラフィマスクを使用してパターン化することができる、金属配線などの導電性材料、例えばＣｕ、Ａｌ、またはＷで形成された、横方向に延在する導電性構造体を含み、更に、横方向に延在する導電性構造体の真下にある、例えばＣｕ、Ａｌ、またはＷなどの導電性材料で形成されたバイアまたは接点などの縦方向延在する導電構造を含む。したがって、第１の金属化レベル４０４は、ＰＷまたはＮＷ内で、基板６０２の上側の最下位レベルの金属配線、およびｎ＋またはｐ＋領域に対して作製されたバイアまたは接点（例えば、自動整合シリサイドまたは「サリサイド化」接点）を含む。同様に、Ｍ２は、次に高いレベルのＭ１の上側の金属配線およびＭ１に対して作製されたバイアまたは接点を含む。Ｍ３〜Ｍｎは、同様に、それらの下側に横方向の配線および縦方向の接点の両方を含むように本明細書で定義される。
【００７７】
図６Ｂの上面図において、図６Ａの１つまたは２つ以上の金属化レベル６５２は、図６Ａ／６Ｂに例示されるように、半径方向に延在し、第１のｐ＋領域６２８ａを通して第２のＮＷ６２４に、第３のｎ＋領域６２０ｃを通して第１のＮＷ６１８に、および第３のｐ＋領域６２８ｃを通してＤＮＷ６０４に電気的に接続された、複数の金属ストリップ６５２ａ／ｂで形成される。いくつかの実施形態において、金属ストリップ６５２ａ／ｂは、結果として生じる正味の静電容量を最小にするために、Ｍ３の下側の金属レベルに、すなわち、金属化レベルＭ１および／またはＭ２に好都合に形成され、一方で、トリガーキャリアを第１のＮＷ６１８に送達するためにＲＣ遅延が最小になるように、上で説明したＲ３およびＲ４の抵抗値を目標とする。例えば、隣接する金属ストリップ６５２ａ／６５２ｂ間の寸法および間隔は、正味の静電容量が約１００のｆＦ未満、約５０ｆＦ未満、または約３０ｆＦ未満になるように設計することができる。加えて、金属ストリップ６５２ａ／６５２ｂの数を最適化できることが認識されるであろう。例えば、図６Ｂには、２８個（１つの側に７個）の金属ストリップ６５２ａおよび４個の金属ストリップ６５２ｂが例示されているが、異なる配設が可能であり、Ｒ３およびＲ４の各々の正味の抵抗値が約０．００１オーム〜約２０オーム、例えば０．０５オームであるように、より多いまたはより少ない数の金属ストリップ６５２ａ／ｂが存在する。
【００７８】
図６Ａを引き続き参照すると、双方向保護デバイス６００は、ｘ方向に横方向に延在し、隣接する高濃度にドープされた（ｎ＋およびｐ＋）領域のいくつかを分離する、複数の電気的浮遊金属層と、第１のＰＷ６０８の表面に、および第２のｐ＋領域６２８ｂと第１のｎ＋領域６２０ａとの間に形成された、第１の電気的浮遊金属層６３２ａと、第１のＰＷ６０８の表面に、および第１のｎ＋領域６２０ａと第５のｐ＋領域６２８ｅとの間に形成された、第２の電気的浮遊金属層６３２ｂと、第１のＮＷ６１８とＤＮＷ６０４との間の、および第５のｐ＋領域６２８ｅと第３のｎ＋領域６２０ｃとの間の接合領域の表面に形成された、第３の電気的浮遊金属層６３２ｃと、第１のＮＷ６１８の表面に、および第３のｎ＋領域６２０ｃと第６のｐ＋領域６２８ｆとの間に形成された、第４の電気的浮遊金属層６３２ｄと、第２のＰＷ６１０の表面に、および第６のｐ＋領域６２８ｆと第２のｎ＋領域６２０ｂとの間に形成された、第５の電気的浮遊金属層６３２ｅと、第２のＰＷ６１０の表面に、および第２のｎ＋領域６２０ｂと第４のｐ＋領域６２８ｄとの間に形成された、第６の電気的浮遊金属層６３２ｆと、を含む。電気的浮遊金属層は、それらが他の構造体に電気的に接続されず、また、薄い誘電体層によって形成される表面から分離されるので、電気的に浮遊している。いかなる理論にも束縛されるものではないが、浮遊金属層は、例えばバンド間トンネリングおよび／またはパンチスルー効果のため、それらの間に改善された降伏特性を有するｎ＋および／またはｐ＋領域によって形成されたデバイスの高い電流能力（例えば、１ｘ１０５Ａ／ｃｍ２を超える）のために、比較的近い横方向の近接度での、反対型にドープされた隣接するｎ＋およびｐ＋領域の配置を可能にすることができることが認識されるであろう。これが次に、例えば最適なトランジスタ効率のために第１のＮＰＮ  ＢＪＴ６１２、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ６１６、および双方向ＰＮＰ  ＢＪＴ６１４のより短いベース領域を可能にすることによって、比較的高い電流および高速能力のための双方向ＳＣＲデバイスの種々のＢＪＴの最適化を可能にする。
【００７９】
好都合に、第１〜第６の電気的浮遊金属層６３２ａ〜６３２ｆは、双方向保護デバイス６００に電気的に接続される装置（例えば、コア回路）内の他の場所で、ｎ−ＦＥＴ（図示せず）またはｐ−ＦＥＴ（図示せず）のゲートスタックを形成する処理ステップ中に、それを使用して同時に形成することができる。それに応じて、本明細書で説明される種々の実施形態において、浮遊金属層は、下地の薄い誘電体（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、または高Ｋ誘電体）上に形成され、該誘導体は、集積回路内の他の場所で、ｎ−ＦＥＴおよび／またはｐ−ＦＥＴのゲート誘電体（図示せず）を形成するように堆積または成長させる。したがって、明確にするために図面に表されていないが、浮遊金属層は、それらが形成されるウエルの下地の表面に直接接触するのではなく、薄い誘電体によって縦方向に間置される。加えて、同じく明確にするために例示されていないが、側壁スペーサ（例えば、ＳｉＮスペーサ）を、浮遊金属層の側壁に形成して、浮遊金属層が、隣接するｎ＋領域およびｐ＋領域に接触することから絶縁することができる。下地のゲート誘電体層および側壁スペーサは、隣接するｎ＋領域とｐ＋領域との間に直接の電気的短絡を形成することを防止する。薄い誘電体層は、浮遊金属層と下地のウエル表面との間のケイ素化合物の形成を防止し、また、浮遊金属層を電気的に絶縁する役割を果たし、該浮遊金属層は、任意の他の構造体に電気的に接続されない。
【００８０】
金属層がｎ−ＦＥＴのゲートで形成されたとき、使用することができる材料としては、ｎドープ多結晶シリコンなどのｎドープ半導体、または約４．１ｅＶ〜約４．６５ｅＶ、約４．１ｅＶ〜約４．４ｅＶ、または約４．４ｅＶ〜約４．６５ｅＶの仕事関数Φｍ，Ｎを有する、適切な「ｎ型」金属が挙げられる。金属層がｐ−ＦＥＴのゲートで形成されたとき、使用することができる材料としては、ｐドープ多結晶シリコンなどのｐドープ半導体、または約４．６５ｅＶ〜約５．２ｅＶ、約４．６５ｅＶ〜約４．９ｅＶ、または約４．９ｅＶ〜約５．２ｅＶの仕事関数Φｍ，Ｐを有する適切な「ｐ型」金属が挙げられる。
【００８１】
本明細書で開示される種々の実施形態において、図６Ａの電気的浮遊金属層６３２ａ〜６３２ｆのための適当な金属としては、例えば、いくつかの例として、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルビジウム（Ｒｕ）、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＣＮ、およびＴａＳｉｘＮｙが挙げられる。
【００８２】
電気的浮遊金属層６３２ａ〜６３２ｆの各々の横方向寸法は、約１μｍ未満、約０．５μｍ未満、約０．２μｍ未満、約０．１μｍ〜約０．３μｍ、または約０．０６μｍ〜約０．２μｍ、例えば約０．１６μｍであることが認識されるであろう。
【００８３】
電気的浮遊金属層によって分離されていない双方向保護デバイス６００のいくつかの他の隣接する高濃度にドープされた（ｐ＋およびｎ＋）領域は、第１〜第８の誘電体絶縁６３６ａ〜６３６ｈのうちの１つによって分離することができ、これは、シャロートレンチアイソレーション領域とすることができる。浮遊金属層に類似して、誘電絶縁は、高い電流能力のために、比較的近い横方向近接度での、反対型にドープされた隣接するｎ＋およびｐ＋領域の配置を可能にすることができる。しかしながら、浮遊金属層と比較して、誘電体絶縁領域は、例えば、隣接するｎ＋領域とｐ＋領域との間のより長い経路長、例えばいくつかのＢＪＴのベース領域のより長い経路長を可能にすることによって、比較的より低い速度のための双方向ＳＣＲデバイスの種々のＢＪＴの最適化を可能にすることができる。
【００８４】
更にいくつかの他の隣接する高濃度にドープされた（ｎ＋、ｐ＋）領域は、誘電体絶縁に加えて、電気的浮遊金属層の両方によって分離されて、より長いキャリアドリフト経路を犠牲にして、隣接する接合間に追加的な降伏電圧を提供する。例えば、第５のｐ＋領域６２８ｅおよび第３のｎ＋領域６２０ｃは、第３の電気的浮遊金属層６３２ｃおよび第５の誘電体絶縁６３６ｅによって分離される。例示される実現形態において、第５の誘電体絶縁６３６ｅは、ＤＮＷ６０４と第１のＮＷとの間の接合の降伏電圧を増加させ、一方で、ＰＮＰ双方向ＢＪＴ６１４の有効なベース長を増加させ、よって、より遅い速度と引き換えに、Ｔ２に対して正にバイアスされたＴ１の下での双方向ＳＣＲのトリガー電圧を増加させることができる。
【００８５】
本明細書で開示される種々のｐ＋領域およびｎ＋領域は、約１×１０１９ｃｍ−３を超える、約１×１０２０ｃｍ−３を超える、または約１×１０２０ｃｍ−３〜約８×１０２０ｃｍ−３、例えば約２×１０２０ｃｍ−３のピークドーピング濃度を有することができる。加えて、種々のＰＷおよびＮＷおよびＤＮＷは、約１．５×１０１６ｃｍ−３〜約７．５×１０１６ｃｍ−３、例えば約５．０×１０１６ｃｍ−３のピークドーピング濃度を有する。
【００８６】
種々の構造体の間の誘電体絶縁領域、浮遊金属層、および最適化された水平寸法の組み合わせを使用することによって、双方向保護デバイス６００のトリガーデバイスおよび双方向ＳＣＲは、図４Ａおよび図５に関して上で説明したように動作するように最適化することができる。例えば、第４の誘電体絶縁６３６ｄは、ｘ方向の水平長さｄ１を有し、第６の誘電体絶縁６３６ｆは、ｘ方向の水平長さｄ２を有し、その寸法は、第１のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ａおよび第２のトリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ｂを、第１のｎ＋領域６２０ａと第２のｎ＋領域６２０ｂとの間の距離であるＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲの水平寸法ｄ３と比較して、比較的短く最適化するように調整することができ、よって、トリガーＰＮＰ  ＢＪＴ６０６ａおよび６０６ｂは、図４Ａおよび図５に関して上で説明したように、双方向ＳＣＲを起動する前に起動されるように構成される。種々の実施形態において、ｄ１およびｄ２の各々は、約１μｍ〜約５μｍ、２μｍ〜４μｍ、例えば３μｍであり、一方で、ｄ３は、約１０μｍ〜約３０μｍ、約１５μｍ〜約２５μｍ、例えば約２０μｍである。いくつかの実施形態において、比率ｄ３／ｄ１およびｄ３／ｄ２の各々は、約３：１〜約７：１、約４：１〜約６：１、例えば約５：１である。
【００８７】
図７Ａおよび７Ｂは、それぞれ、実施形態による、双方向保護デバイス７００の等価回路図７００Ａおよび断面図である。いくつかの実施形態において、双方向保護デバイス７００は、図６Ｂに関して上で説明した環状構成に類似して、基板内に形成された種々の領域が環状デバイスの中央領域を取り囲む、環状デバイスとすることができ、よって、図７Ｂの断面図は、環状デバイスの半分に沿って切断した断面を表す。図７Ｂでは、種々の構造的な特徴を、それらの回路としての双方向保護デバイス７００の動作に関連して、より良好に理解するのを補助するために、種々の構造領域を、図７Ａの等価回路図７００Ａに類似する等価回路図と重ね合わせている。
【００８８】
図７Ｂを参照すると、双方向保護デバイス７００は、上で図６Ａおよび６Ｂに関して説明した双方向保護デバイス６００に存在する、いくつかの特徴を有する。例えば、双方向保護デバイス７００は、第１のｐ型ウエル（ＰＷ）６０８と第２のｐ型ウエル（ＰＷ）６１０との間に間置された第１のｎ型ウエル（ＮＷ）６１８を含む、少なくとも３つのウエルがその中に形成された半導体基板６０２を含む。第１のＰＷ６０８、第２のＰＷ６１０および、第１のＮＷ６１８は、それぞれ、第１の高濃度にドープされたｎ型（ｎ＋）領域６２０ａ、第２の高濃度にドープされたｎ型（ｎ＋）領域６２０ｂ、および第３の高濃度にドープされたｎ型（ｎ＋）６２０ｃがその中に形成される。第１のＰＷ６０８および第２のＰＷ６１０は、それぞれ、第２のｐ＋領域６２８ｂおよび第４のｐ＋領域６２８ｄが追加的その中に形成される。デバイス７００は、第１のＰＷ６０８の左側に形成された第２のＮＷ６２４と、第２のＰＷ６１０の右側に形成され、第６のｎ＋領域６２０ｆがその中に形成された第３のＮＷ６４０と、第２のＮＷ６２４の左側に形成され、第４のｎ＋領域７２０ｄがその中に形成された第４のＮＷ７４４と、第２のＮＷ６２４と第４のＮＷ７４４との間にあり、第７のｐ＋領域７２８ｇがその中に形成された第３のＰＷ７４８と、第３のＮＷ６４０の右側に形成され、第５のｎ＋領域７２０ｅがその中に形成された第５のＮＷ７５２と、第３のＮＷ６４０と第５のＮＷ７５２の間に形成され、第８のｐ＋領域７２８ｈがその中に形成された第４のＰＷ７５６と、を追加的に含む。デバイス７００は、少なくとも第１のＰＷ６０８、第２のＰＷ６１０、第１のＮＷ６１８、第２のＮＷ６２４、および第３のＮＷ６４０の底部領域を囲み、接触するタブ型絶縁ウエルとして配設された、ＤＮＷ６０４を追加的に含む。図６Ａおよび６Ｂに関して上で説明した実施形態に類似して、双方向保護デバイス７００は、第１のＰＷ６０８内に形成された第２のｐ＋領域６２８ｂと、第２のＰＷ６１０内に形成された第４のｐ＋領域６２８ｄと、第１のＰＷ６０８とＤＮＷ６０４との間の境界領域に形成された第５のｐ＋領域６２８ｅと、第１のＮＷ６１８と第２のＰＷ６１０との間の境界領域に形成された第６のｐ＋領域６２８ｆと、を有する。双方向保護デバイス７００はまた、示されるように種々の位置に形成された第１〜第２の誘電体絶縁領域６３６ａ〜６３６ｂおよび第４〜第８の誘電体絶縁領域６３６ｄ〜６３６ｈも有する。
【００８９】
図７Ｂに関して例示される双方向保護デバイス７００および図７Ａに関して例示される等価回路７００Ａを参照すると、図６Ａおよび６Ｂに関して例示される保護デバイス６００に類似して、第１のＰＷ６０８において、第１のｎ＋領域６２０ａは、第１の端子（Ｔ１）に電気的に接続され、第２のＰＷ６１０において、第２のｎ＋領域６２０ｂは、第２の端子（Ｔ２）に電気的に接続され、よって、第１のｎ＋領域６２０ａ、第１のＰＷ６０８、第１のＮＷ６１８、第２のＰＷ６１０、および第２のｎ＋領域６２０ｂは、Ｔ１とＴ２との間に電気的に接続され、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲとして構成される。図７Ｂに例示される重ね合わせた等価回路図および図７Ａの等価回路図７００Ｂに例示されるように、双方向ＳＣＲは、第１のＰＮＰ双方向ＢＪＴ（Ｑ２）６１４と、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ（Ｑ１）６１６と、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ（Ｑ３）６１２と、を含み、これらは、図６Ａおよび６Ｂに関して例示される双方向保護デバイス６００に類似する様式で電気的に接続される。本明細書本明細書の他の場所で説明されるように、Ｑ１  ６１６およびＱ２  ６１４は、一方のベースをもう一方のコレクタに接続することによって交差結合される。同様に、Ｑ３  ６１２およびＱ２  ６１４は、一方のベースをもう一方のコレクタに接続することによって交差結合される。双方向保護デバイス７００において、および本明細書で説明される種々の実施形態の全体を通して、ＳＣＲは、１つのタイプを有するものとして説明され得るが、実施形態はそのように限定されず、他の実施形態では、類似するＳＣＲを逆のタイプとして構成することができることが認識されるであろう。例えば、他の実施形態において、第１のＰＮＰ双方向ＢＪＴ（Ｑ２）６１４は、ＮＰＮ  ＢＪＴとすることができ、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ（Ｑ１）６１６および第２のＮＰＮ  ＢＪＴ（Ｑ３）６１２は、ＰＮＰ  ＢＪＴとすることができる。
【００９０】
例示される実施形態において、第１のＰＷ６０８は、ＤＮＷ６０４の領域で形成された間隙によって第１のＮＷ６１８から横方向に分離され、一方で、第２のＰＷ６１０は、第１のＮＷ６１８に接触して、それらの間の接合を形成する。しかしながら、他の実施形態が可能であり、例えば、第１のＰＷ６０８および第１のＮＷ６１８を互いに接触させて、それらの間の接合を形成することができ、および／または、第２のＰＷ６１０および第１のＮＷ６１８が分離される。類似する様態で、互いから横方向に分離されるように例示される任意の隣接するウエルは、他の実施形態において、互いに接触させることができ、逆に、他の実施形態において、互いに接触しているように例示される任意の隣接するウエルは、ＤＮＷ６０４の介在領域によって分離することができる。
【００９１】
図７Ｂを引き続き参照すると、図６Ａに関する上の説明に類似する様態で、双方向保護デバイス７００は、基板６０２の表面に形成され、一方で、そこに導電接続されておらず、また、ｘ方向に横方向に延在して、隣接する反対型に高濃度にドープされた（ｎ＋およびｐ＋）領域のいくつかを分離する、複数の電気的浮遊金属層を含む。電気的浮遊金属層は、第１〜第５の電気的浮遊金属層６３２ａ〜６３２ｆを含む。上で説明したように、電気的浮遊金属層は、実施形態による双方向保護デバイスの高い電流（例えば、１ｘ１０５Ａ／ｃｍ２を超える）および高速能力のために、比較的近い横方向の近接度での、反対型にドープされた隣接する領域（例えば、隣接するｎ＋およびｐ＋領域）の配置を可能にすることができ、一方で、誘電体絶縁領域に類似する絶縁機能を提供する。いかなる理論にも束縛されるものではないが、高い電流および高速能力は、例えば、最適なトランジスタ効率のために、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ６１２、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ６１６、および双方向ＰＮＰ  ＢＪＴ６１４のより短いベース領域を可能にすることによって、提供することができる。いくつかの隣接するｎ＋およびｐ＋領域は、それらの間に形成された電気的浮遊金属層を有するように例示されているが、実施形態はそのように限定されず、他の実施形態では、電気的浮遊金属層の任意の１つまたは２つ以上を、誘電体絶縁領域と置き換えること、またはそれを補充することができる。同様に、いくつかの隣接するｎ＋およびｐ＋領域は、それらの間に形成された誘電体絶縁領域を有するように例示されているが、実施形態はそのように限定されず、他の実施形態では、誘電体絶縁領域の任意の１つまたは２つ以上を、電気的浮遊金属層と置き換えること、またはそれを補充することができる。例えば、他の実施形態では、第５の誘電体絶縁領域６２６を取り除くことができる。
【００９２】
本明細書で開示される種々の実施形態において、第１〜第５の電気的浮遊金属層６３２ａ〜６３２ｆの水平幅は、結果として生じる接合が高い電流密度能力を有し、一方で、パンチスルー効果およびバンド間トンネリングに対する高い抵抗を有するように、ウエルおよび高濃度にドープされた領域のドーピング濃度と併せて選択することができる。種々の実施形態において、第１〜第５の電気的浮遊金属層６３２ａ〜６３２ｆの１つまたは２つ以上または各々は、約１μｍ未満、約０．５μｍ未満、約０．２μｍ未満、約０．１μｍ〜約０．３μｍ、または約０．０６μｍ〜約０．２μｍ、例えば約０．１６μｍの幅を有することができる。これらの幅は、約１×１０１９ｃｍ−３を超える、約１×１０２０ｃｍ−３を超える、または約１×１０２０ｃｍ−３〜約８×１０２０ｃｍ−３、例えば約２×１０２０ｃｍ−３のピークドーピング濃度を有する、隣接するｐ＋領域およびｎ＋領域と組み合わせたときに、高速、高い電流、およびパンチスルー効果に対する高い抵抗の間でバランスさせることができる。
【００９３】
上で説明したように電気的浮遊層を有することに加えて、保護デバイス７００の速度および阻止電圧は、双方向ＮＰＮＰＮ  ＳＣＲの水平長さを最適化することによって更にバランスさせることができる。例示される実施形態では、第１のｎ＋領域６２０ａと第２のｎ＋領域６２０ｂとの間の水平長さが、約１０μｍ〜約３０μｍ、約１５μｍ〜約２５μｍ、例えば約２０μｍであるように最適化することができる。加えて、第１のＰＷ６０８および第２のＰＷ６１８は、Ｑ３  ６１２およびＱ１  ６１６のベースとＴ１およびＴ２との間の抵抗Ｒ１０およびＲ１１が、それぞれ、１０Ω〜４００Ω、１０Ω〜２００Ω、もしくは２００Ω〜４００Ω、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲であるように、約１．５×１０１６ｃｍ−３〜約７．５×１０１６ｃｍ−３、例えば約５．０×１０１６ｃｍ−３のピークドーピング濃度を有する。
【００９４】
いくつかの電子システム、例えば、自動車用インターフェース、プログラマブル論理コントローラ、計装用増幅器、ならびに分散型リモートノードおよびセンサとの通信インターフェースは、低入力抵抗の制約（例えば、２０Ω未満）を受けるに従属してもよい。これらのシステムは、数多くの競合する必要性を満たすために、保護デバイスを必要とする場合がある。同時に、これらのシステムは、該システムを高電圧のＥＯＳパルスから保護し、一方で、ラッチアップを防止するのに十分高い保持電圧を提供することに対して、一方でまた、非常に短い過渡ストレスに素早く応答するように構成することに対しても、保護デバイスの競合する必要性を有する場合がある。例えば、いくつかのシステムは、例えば上で説明した実施形態のいくつかによって提供することができるよりも高速な応答時間および高い保持電圧を必要とする場合がある。このため、以下では、双方向ＳＣＲの水平長さの最適化および電気的浮遊金属層の使用を含む、上で説明した種々の特徴に加えて、追加的な実施形態が下で説明され、その保護デバイスは、いくつかの例として、阻止電圧、高い電流能力、高速な応答時間、および充分な保持電圧のバランスを有するコンパクトな解決策を提供する。
【００９５】
図８Ａおよび８Ｂは、実施形態による、ダイオードを備えるトリガーデバイスを有する、双方向保護デバイス８００の説明図である。図８Ｂは、保護デバイス８００の断面図を例示し、図８Ａは、双方向保護デバイス８００の等価回路図８００Ａを例示する。双方向保護デバイス８００のいくつかの特徴は、上で説明した双方向保護デバイスのいくつか、例えば双方向保護デバイス７００（図７Ａ、７Ｂ）に類似しており、したがって、以下では、重複する特徴のうちのいくつかの詳細な説明は省略する。
【００９６】
図８Ｂを参照すると、双方向保護デバイス８００は、半導体基板６０２を含み、該半導体基板には、図７Ｂに関する上の説明に類似する様態で、第１のＮＷ６１８、第１のＰＷ６０８、第２のＰＷ６１０、第１のｎ＋領域６２０ａ、第２のｎ＋領域６２０ｂ、および第３のｎ＋領域６２０ｃ、ならびに第２のｐ＋領域６２８ｂおよび第４のｐ＋領域６２８ｄが形成される。双方向保護デバイス８００は、第２のＮＷ６２４と、第６のｎ＋領域６２０ｆがその中に形成された第３のＮＷ６４０と、第４のｎ＋領域７２０ｄがその中に形成された第４のＮＷ７４４と、第７のｐ＋領域７２８ｇがその中に形成された第３のＰＷ７４８と、第５のｎ＋領域７２０ｅがその中に形成された第５のＮＷ７５２と、第８のｐ＋領域７２８ｈがその中に形成された第４のＰＷ７５６と、図７Ｂに関して上で例示した双方向デバイス７００と同様に配設されたＤＮＷ６０４と、を追加的に含む。デバイス７００（図７Ｂ）に類似して、双方向保護デバイス８００は、第２のｐ＋領域６２８ｂと、第４のｐ＋領域６２８ｄと、第１〜第２の誘電体絶縁領域６３６ａ〜６３６ｂと、第４〜第８の誘電体絶縁領域６３６ｄ〜６３６ｈと、を有する。しかしながら、図７Ｂに関して上で説明した保護デバイス７００と比較して、デバイス８００は、第５のｐ＋領域６２８ｅおよび第６のｐ＋領域６２８ｆを取り除いている。代わりに、デバイス８００は、第５のｐ＋領域６２８ｅおよび第６のｐ＋領域６２８ｆが双方向保護デバイス７００（図７Ｂ）に関して取り除かれている領域に、第９の誘電体領域８３６ｉおよび第１０の誘電体領域８３６ｊを含む。追加的に、保護デバイス７００とは異なり、デバイス８００は、第２のＮＷ６２４内に形成された第６のｎ＋領域７２０ｆと、第３のＮＷ６４０内に形成された第７のｎ＋領域７２０ｇと、を含む。第６のｎ＋領域７２０ｆは、第３の誘電体絶縁領域６３６ｃと第４の誘電体領域６３６ｄとの間に間置され、第７のｎ＋領域７２０ｇは、第１１の誘電体絶縁領域８３６ｋと第５の誘電体絶縁領域６３６ｆとの間に間置される。
【００９７】
図７Ａおよび７Ｂに関して上で説明したデバイス７００に類似して、図８Ｂに関して例示される双方向保護デバイス８００および図８Ａに関して例示される等価回路８００Ａにおいて、第１の高濃度にドープされたｎ型（ｎ＋）領域６２０ａは、第１の端子（Ｔ１）に電気的に接続され、第２の高濃度にドープされたｎ型（ｎ＋）領域６２０ｂは、第２の端子（Ｔ２）に電気的に接続され、Ｔ１とＴ２との間には、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲとして構成された、第１のｎ＋領域６２０ａ、第１のＰＷ６０８、第１のＮＷ６１８、第２のＰＷ６１０、および第２のｎ＋領域６２０ｂが形成される。ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲは、図７Ａおよび７Ｂの双方向保護デバイス７００に類似した様式で交差結合され、電気的に接続される、第１のＰＮＰ双方向ＢＪＴ（Ｑ２）６１４と、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ（Ｑ１）６１６と、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ（Ｑ３）６１２と、を含む。第１のｎ＋領域６２０ａおよび第２のｎ＋領域６２０ｂは、過渡的な電気的事象の極性に応じて、それぞれ、アノード（Ａ）およびカソード（Ｋ）としての、または、それぞれ、カソード（Ｋ）およびアノード（Ａ）としての役割を果たすことができる。
【００９８】
更に図８Ｂを参照すると、図３Ａおよび図４Ｂに関して上で説明した実施形態に機能的に類似する様態で、双方向保護デバイス８００は、ダイオードを備えるトリガーデバイスを含む。例示される実施形態において、第２のｐ＋領域６２８ｂおよび第１のＰＷ  ６０８のうちの１つまたは２つ以上のｐ型領域、ならびにＤＮＷ６０４、第２のＮＷ６２４、および第６のｎ＋領域７２０ｆのうちの１つまたは２つ以上のｎ型領域は、第１のトリガーダイオード（Ｄｎ）８０８として構成され、１つまたは２つ以上のｐ型領域は、Ｄｎ８０８のアノードとしての役割を果たし、１つまたは２つ以上のｎ型領域は、Ｄｎ８０８のカソードとしての役割を果たす。第１のｎ＋領域６２０ａおよび第２のｐ＋領域６２８ｂはどちらも、第１のＰＷ６０８Ｑ４  第１のＮＰＮ  ＢＪＴ６１２に形成され、Ｄｎ８０８のアノードは、Ｔ２に共通に電気的に接続される。
【００９９】
更に図８Ｂを参照すると、Ｄｎ８０８の構成に類似する様式で、第４のｐ＋領域６２８ｄおよび第２のＰＷ６１２の１つまたは２つ以上のｐ型領域、ならびにＤＮＷ６０３、第３のＮＷ６４０、および第７のｎ＋領域７２０ｇのもう１つのｎ型領域は、第２のトリガーダイオード（Ｄｐ）８０４として構成され、１つまたは２つ以上のｐ型領域は、Ｄｐ８０４のアノードとしての役割を果たし、１つまたは２つ以上のｎ型領域は、Ｄｐ８０４のカソードとしての役割を果たす。第２のｎ＋領域６２０ｂおよび第４のｐ＋領域６２８ｄはどちらも、第２のＰＷ６１０に形成され、そのようなＱ１  ６１６のエミッタおよびＤｐ８０４のアノードは、Ｔ１に共通に電気的に接続される。
【０１００】
更に図８Ａおよび８Ｂを参照すると、特定の構成の下で、Ｄｎ８０８を形成する領域および／またはＤｐ８０４を形成する領域は、Ｄｎ８０８および／またはＤｐ８０４が本質的にアバランシェダイオードとして振る舞うような物理的特性を有する。本明細書で説明されるように、アバランシェダイオードは、指定された逆バイアス電圧でアバランシェ降伏を経験するように設計されるダイオードである。いかなる理論にも束縛されるものではないが、アバランシェ降伏は、加速された少数担体が結晶格子をイオン化する程度の十分に高い速度まで加速されるように、少数キャリアによって引き起こされ、より多くキャリアを生じさせ、これが次に、より多くのイオン化を生じさせる。具体的には、例えば第４の誘電体絶縁６３６ｄの幅によって測定したときの、第６のｎ＋領域７２０ｆと第２のｐ＋領域６２８ｂとの間の電流経路長Ｄ１が、例えば５μｍ未満、３．５μｍ未満、または２μｍ未満であるときに、結果として生じるＤｎ８０８が、実施形態によるアバランシェダイオードとして構成される。同様に、第７のｎ＋領域７２０ｇと第４のｐ＋領域６２８ｄとの間の電流経路長Ｄ２が、例えば、５μｍ未満、３．５μｍ未満、または２μｍ未満であるときに、結果として生じるＤｐ８０４が、実施形態によるアバランシェダイオードを提供するように構成される。結果として生じるＤｎ８０８およびＤｐ８０４は、例えば図１０Ａおよび１０Ｂに関して下で例示されるように、高速な応答時間を有することができる。
【０１０１】
図８Ｂを引き続き参照すると、双方向保護デバイス７００（図７Ｂ）に関する上の説明に類似する様態で、双方向保護デバイス８００は、ｘ方向に横方向に延在し、隣接する高濃度にドープされた（ｎ＋およびｐ＋）領域のいくつかを分離する、複数の電気的浮遊金属層を含む。電気的浮遊金属層は、第１〜第６の電気的浮遊金属層６３２ａ〜６３２ｆを含み、これらは、例えば、最適なトランジスタ効率のために、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ６１２、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ６１６、および双方向ＰＮＰ  ＢＪＴ６１４のより短いベース領域を可能にすることによって、ならびに、図７Ａおよび７Ｂに関して上で、ならびに図１０Ａおよび１０Ｂに関して下で論じられるように、より短い電流経路長Ｄ１およびＤ２を可能にすることによって、高い電流（例えば、１ｘ１０５Ａ／ｃｍ２を超える）および高速能力のために、比較的近い横方向の近接度での、反対型にドープされた隣接するｎ＋およびｐ＋領域の配置を可能にすることができ、一方で、バンド間のトンネリングおよびパンチスルー効果を抑制する役割を果たす。
【０１０２】
動作中に、双方向保護デバイス８００が、過渡的な電気信号の極性に応じて、Ｔ１とＴ２の間で過渡的な電気信号、例えばＥＯＳ信号を受信したときに、一対のダイオードＤｎ８０８、８０４の組み合わせたターンオン電圧は、Ｄｎ８０８およびＤｐ８０４のうちの順方向バイアスされた１つの順方向閾値またはターンオン電圧と、Ｄｎ８０８およびＤｐ８０４のうちの逆方向バイアスされた１つの逆降伏電圧との合計に近似または比例し得る。上で説明したように、Ｄ１およびＤ２を最適化することによって、一対のダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４の組み合わせたターンオン電圧は、それに応じて特定の目的に対して調整することができる。発明者らは、いかなる理論にも束縛されるものではないが、ストレス条件中のいくつかの保護デバイスの電圧オーバーシュートが、キャリア輸送の遅延によって引き起こされることを見出した。好都合に、一対のダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４（一対のダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４は、比較的短いアノード−カソード間の距離を有する）を、ＢＪＴ６１２、第１のＰＮＰ  ＢＪＴ６１４、および第２のＮＰＮ  ＢＪＴ６１６を備えるＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲと電気的に並列に配列することによって、一対のダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４を伴わない双方向ＳＣＲデバイスと比較して、双方向保護デバイス８００の応答またはターンオン時間を極めて高速にし、結果として生じる電圧オーバーシュートを大幅に低くすることができる。
【０１０３】
更に図８Ａおよび８Ｂを参照すると、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲを通した伝導経路よりも高速である、初期の伝導経路を通したより高速な応答時間を提供することに加えて、一対のダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４は、ある程度は、１つまたは２つ以上の金属化レベル７５２を通したダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４のカソードと第１のＰＮＰ  ＢＪＴ６１４のベースとの間の電気接続によって、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲ自体の応答の速度を上げることができる。例示されるように、少なくとも部分的にＤｎ８０８のカソードとしての役割を果たす第６のｎ＋領域７２０ｆ、および少なくとも部分的にＤｐ８０４のカソードとしての役割を果たす第７のｎ＋領域７２０ｇは、基板６０２内に形成された双方向保護デバイス８００の上側に形成された１つまたは２つ以上の金属化レベル７５２を通して、第１のＮＷ６１８に電気的に接続される。１つまたは２つ以上の金属化レベル７５２は、類似する様態で形成することができ、また、図６Ａおよび６Ｂに関して上で説明した１つまたは２つ以上の金属化レベル６５２に関して上で説明した特徴のいずれかを有することができる。例えば、示されていないが、１つまたは２つ以上の金属化レベル７５２は、第３の抵抗器Ｒ３および第４の抵抗器Ｒ４を提供することができ、これは、約０．０１オーム〜約２０００オーム、例えば０．０５オームの抵抗値を有することができ、また、パターン化されたポリシリコンまたはパターン化された薄膜金属層のうちの１つまたは２つ以上で形成することができる。例示される実施形態において、第６のｎ＋領域７２０ｆは、第１のＮＷ６１８に形成された第３の高濃度にドープされた（ｎ＋）領域６２０ｃに電気的に接続され、これは、金属化レベル７５２の１つまたは２つ以上を通して、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲの中央領域に配置することができる。同様に、第７のｎ＋領域７２０ｆは、金属化レベル７５２の１つまたは２つ以上を通して、第１のＮＷ６１８に形成された第３の高濃度にドープされた（ｎ＋）領域６２０ｃに電気的に接続される。
【０１０４】
第１のＮＷ６１８を通してＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲに電気的に接続されたダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４のカソードを有することによって、ダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４からの電子を、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲに提供して、その起動を加速することができ、よって、一対のダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４と並列に電気的に接続されたＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲの組み合わせは、例えば図４Ｂに関して上で説明した双方向ＳＣＲ４０４およびトリガーデバイス４４２と同様に動作する。
【０１０５】
図９は、種々のデバイスのシミュレーションされたＤＣ電流−電圧（ＩＶ）曲線を例示するグラフ９００であり、双方向保護デバイス７００（図７Ａ／７Ｂ）に対応するＩＶ曲線９０４、双方向保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）の一対のダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４に類似するダイオード対のＩＶ曲線９０８、および双方向保護デバイス８００（図８Ｂ）に類似するＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲおよび一対のダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４の組み合わせのＩＶ曲線９１２にそれぞれ対応する。ＩＶ曲線９０８によって例示されるように、絶縁における一対のダイオードのＤＣ降伏電圧は、ＤＣ条件の下で双方向ＳＣＲのＤＣ降伏電圧よりも大きい。したがって、ＩＶ曲線９１２によって例示されるように、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲと並列に電気的に接続されたときに、一対のダイオードは、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲのＩＶ曲線にほとんど影響を及ぼさない。
【０１０６】
図１０Ａおよび１０Ｂは、グラフ１０００Ａ、１００Ｂであり、伝送線路パルス（ＴＬＰ）の試験条件（１Ａの電流レベル、１００ｐｓの立ち上がり時間、および１０ｎｓのパルス幅）の下での、種々のデバイスのシミュレーションされた電圧−時間（Ｖ−ｔ）曲線を例示し、双方向保護デバイス７００（図７Ａ／７Ｂ）、双方向デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）の一対のダイオードＤｎ８０８、Ｄｐ８０４に類似するダイオード対、双方向保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）に類似するＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲと一対のダイオードとの組み合わせ、および双方向保護デバイス１２００（下で説明される図１２Ａ／１２Ｂ）に類似するＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲと一対のダイオードとの修正された組み合わせ、にそれぞれ対応するＶ−ｔ曲線１００４、１００８、１０１２、１０１６を含む。グラフ１０００Ａは、１〜１０ｎｓの時間範囲における電圧応答を例示し、グラフ１０００Ｂは、０〜５００ｐｓの時間範囲における電圧応答を例示する。例示されるように、Ｖ−ｔ曲線１００４の５０ｎｓ〜１００ｐｓにおいて観察されるほぼ９０Ｖのピークオーバーシュート電圧は、ダイオードを有するデバイスに対応するＶ−ｔ曲線１０１２および１０１６において約４５Ｖまで低減される。加えて、保持電圧は、例えば約２〜４ｎｓにおいて、Ｖ−ｔ曲線１００４に対してＶ−ｔ曲線１０１２において増加しているが、Ｖ−ｔ曲線１００４に対してＶ−ｔ曲線１０１６において減少しており、これは、本明細書で説明される構造的な修正による、例えば図７Ａ／７Ｂ、図８Ａ／８Ｂ、および図１２Ａ／１２Ｂに関して例示される双方向保護デバイスによるデバイス構造体の修正による保持電圧の同調性を示す。保持電圧の同調性は、種々の理由から有利であり得る。ある状況下では、例えばラッチアップを防止するために、高い保持電圧が望ましい場合がある。しかしながら、他の状況において、高い保持電圧がデバイスのロバスト性を危殆化し得る、例えばより高いジュール加熱によりＥＳＤ／ＥＭＣ保護性能能力が低下し得るときには、高い保持電圧が望ましくない場合がある。
【０１０７】
図１１Ａを参照すると、過渡的な電気的事象に対する種々の電気的応答を理解するのを支援するために、シミュレーションに基づく、動作中の、ダイオードを備えるトリガーデバイスを有する、双方向保護デバイス１１００の異なる電流経路が例示される。図１１Ａは、図７Ａおよび７Ｂに関して上で説明した保護デバイス７００と同様に構成される半導体基板６０２内の種々の領域を有する、保護デバイス１１００の断面図を例示する。加えて、図８Ａおよび８Ｂに関して上で説明した保護デバイス８００に類似する様態において、保護デバイス１１００は、第１のトリガーダイオード（Ｄｎ）８０８および第２のトリガーダイオード（Ｄｐ）８０４に電気的に接続する、例えばカソードに接続する、１つまたは２つ以上の金属化レベル７５２を有する。具体的には、双方向保護デバイス１１００は、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲとして構成された、第１のｎ＋領域６２０ａと、第１のＰＷ６０８と、第１のＮＷ６１８と、第２のＰＷ６１０と、第２のｎ＋領域６２０ｂと、を含む。保護デバイス１１００は、第１のトリガーダイオード（Ｄｎ）８０８として構成された、第２のｐ＋領域６２８ｂおよび第１のＰＷ６０８の１つまたは２つ以上のｐ型領域、ならびにＤＮＷ６０４、第２のＮＷ６２４、および第６のｎ＋領域７２０ｆの１つまたは２つ以上のｎ型領域を追加的に含む。第１のｎ＋領域６２０ａに加えて、第１のＰＷ６０８は、第２のｐ＋領域６２８ｂがその中に追加的に形成され、よって、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ（Ｑ３）６１２のエミッタおよびＤｎ８０８のアノードは、Ｔ２に共通に電気的に接続される。保護デバイス１１００は、第２のトリガーダイオード（Ｄｐ）８０４として構成された、第４のｐ＋領域６２８ｄおよび第２のＰＷ  ６１２の１つまたは２つ以上のｐ型領域、ならびにＤＮＷ６０３、第３のＮＷ６４０、および第７のｎ＋領域７２０ｇのもう１つのｎ型領域を追加的に含む。第２のｎ＋領域６２０ｂに加えて、第２のＰＷ６１０は、第４のｐ＋領域６２８ｄがその中に追加的に形成され、よって、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ６１６のエミッタおよびＤｐ８０４のアノードは、Ｔ１に共通に電気的に接続される。シミュレーションに基づいて、発明者らは、異なる電流経路を通して特定の割合の電流を流すように保護デバイスを構成することによって、保持電圧を含む種々のパラメータを制御することができることを見出した。具体的には、保護デバイス１１００に形成される異なる電流経路は、Ｄｎ８０８を通した第６のｎ＋領域７２０ｆから第２のｐ＋領域６２８ｂへの、およびＤｐ８０４を通した第５のｎ＋領域７２０ｅから第４のｐ＋領域６２８ｄへのダイオード経路１１０４と、第１のＮＰＮトランジスタ６１２を通した第３のｎ＋領域６２０ｃから第１のｎ＋領域６２０ａへのＮＰＮ経路１１０８と、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲを通した第４のｐ＋領域６２８ｄから第１のｎ＋領域６２０ａへの双方向ＳＣＲ経路１１１２と、を含む。図８Ａに例示される等価回路を再度参照すると、第２のトリガーダイオードＤｐ８０４は、第２のＰＷ６１６に形成された抵抗器Ｒ１１に電気的に並列に、およびＰＮＰトランジスタ（Ｑ２）６１４のエミッタ−ベースダイオードに電気的に並列に配置される。図１１Ｂには、過渡的な電気的事象に応答する、時間の関数としての、異なる電流経路１１０４、１１０８、および１１１２を通る電流のシミュレーションされた相対的割合が例示される。例示されるように、最初の１０ｎｓにおいて、ダイオード経路１１０４を通る電流のパーセンテージは、比較的高い。発明者らは、図１０Ａおよび１０Ｂに関して上で説明したように（Ｖ−ｔ曲線１００４に対するＶ−ｔ曲線１０１２を参照されたい）、ダイオードＤｐ８０４、Ｄｎ８０８を通したこの比較的高い割合の電流が、ＮＰＮ経路１１０８を通した比較的低い割合の電流につながり、これが次に、比較的高い保持電圧につながることを見出した。ダイオード経路１１０４を通した電流の相対的な量と保持電圧とのこの観察された相関に基づいて、発明者らは、ダイオード経路１１０４を通る電流の相対的な量を増加させることによって、保持電圧を増加させることができることを見出した。対照的に、図１２Ａおよび１２Ｂに関して下で説明される構造的な修正に基づいて、保持電圧を下げることができる。
【０１０８】
図１２Ａおよび１２Ｂは、実施形態による、集積トリガーダイオードを有し、より低い保持電圧に対して構成された、双方向保護デバイス１２００を例示する。図１２Ｂは、保護デバイス１２００の断面図を例示し、図１２Ａは、双方向保護デバイス１２００の等価回路図１２００Ａを例示する。双方向保護デバイス１３００のいくつかの特徴は、双方向保護デバイス８００（図８Ａ、８Ｂ）に類似しており、したがって、以下において、類似する特徴のいくつかの詳細な説明は省略する。
【０１０９】
図１２Ｂを参照すると、保護デバイス１２００は、保護デバイス１２００において第３のｎ＋領域６２０ｃが取り除かれ、その位置において、中央ｐ＋領域１２２０が第１のＮＷ６１８に形成されることを除いて、図８Ｂに関して上で説明した双方向保護デバイス８００と同様に位置付けられ、構成される半導体基板６０２の種々の領域を有する。結果として生じる等価回路は、図１２Ａに例示される。図８Ａおよび８Ｂに関して上で説明したデバイス８００に類似して、双方向保護デバイス１２００は、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲを備え、これは、双方向保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）に類似した様式で電気的に接続される、第１のＰＮＰ双方向ＢＪＴ（Ｑ２）６１４と、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ（Ｑ１）６１６と、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ（Ｑ３）６１２と、を含む。第１のｎ＋領域６２０ａおよび第２のｎ＋領域６２０ｂは、過渡的な電気的事象の極性に応じて、それぞれ、ＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲのアノード（Ａ）およびカソード（Ｋ）としての、または、それぞれ、カソード（Ｋ）およびアノード（Ａ）としての役割を果たすことができる。
【０１１０】
更に図１２Ｂを参照すると、図８Ａおよび８Ｂに関して上で説明したデバイス８００とは異なり、中央ｐ＋領域１２２０の存在は、第２のＰＮＰ  ＢＪＴ（Ｑ４）１２０８および第３のＰＮＰ  ＢＪＴ（Ｑ５）１２０４を形成する。Ｑ４  １２０８について、中央ｐ＋領域１２２０は、エミッタとして構成され、第１のＮＷ６１８およびＤＮＷ６０４は、ベースとして構成され、第１のＰＷ６０８は、コレクタとして構成される。Ｑ５  １２０４について、中央ｐ＋領域１２２０は、エミッタとして構成され、第１のＮＷ６１８およびＤＮＷ６０４は、ベースとして構成され、第２のＰＷ６１０は、コレクタとして構成される。図１２Ａに例示される等価回路を参照すると、第２のトリガーダイオードＤｐ８０４は、第２のＰＷ６１６に形成された抵抗器Ｒ１１に電気的に並列に、ならびにＱ２  ６１４およびＱ１  ６１６に形成された第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲに電気的に並列に配置され、Ｑ２  ６１４およびＱ１  ６１６の各一方は、Ｑ２  ６１４およびＱ１  ６１６のもう一方のコレクタに接続されたベースを有する。構成されたときに、第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲは、Ｑ１  ６１６およびＱ５  １２０４によって形成された第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲと電気的に並列であり、Ｑ１  ６１６およびＱ５  １２０４の各一方は、Ｑ１  ６１６およびＱ５  １２０４のもう一方のコレクタに接続されたベースを有する。したがって、Ｑ１  ６１６は、第１および第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲの間で共有される、共通のＮＰＮ  ＢＪＴを形成する。同様に、第１のトリガーダイオードＤｎ８０８は、第１のＰＷ６０８に形成された抵抗器Ｒ１０に電気的に並列に、ならびにＱ２  ６１４およびＱ３  ６１２に形成された第３のＮＰＮＰ  ＳＣＲに電気的に並列に配置され、Ｑ２  ６１４およびＱ３  ６１２の各一方は、Ｑ２  ６１４およびＱ３  ６１２のもう一方のコレクタに接続されたベースを有する。構成されたときに、第３のＮＰＮＰ  ＳＣＲは、Ｑ４  ６１２およびＱ４  １２０８によって形成された第４のＮＰＮＰ  ＳＣＲと電気的に並列であり、Ｑ３  ６１２およびＱ４  １２０８の各一方は、Ｑ３  ６１２およびＱ４  １２０８のもう一方のコレクタに接続されたベースを有する。したがって、Ｑ２  ６１６は、第３および第４のＮＰＮＰ  ＳＣＲの間で共有される、共通のＮＰＮ  ＢＪＴを形成する。
【０１１１】
更に図１２Ｂを参照すると、デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）に類似して、双方向保護デバイス１２００は、第１のトリガーダイオード（Ｄｎ）８０８を備え、第１のＮＰＮ  ＢＪＴ６１２のエミッタおよびＤｎ８０８のアノードが、Ｔ２に共通に電気的に接続され、また、第２のトリガーダイオード（Ｄｐ）８０４を更に備え、第２のＮＰＮ  ＢＪＴ６１６のエミッタおよびＤｐ８０４のアノードが、Ｔ１に共通に電気的に接続される。Ｑ５  １２０４の存在、ならびに交差結合されたＱ１  ６１６およびＤｐ８０４と電気的に並列であるＱ５  １２０４によって形成された結果として生じる第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲの存在により、保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）と比較して、過渡的な電気的事象に応答して、比較的少ない量の電流が保護デバイス１２００のＤｐ８０４を通って流れる。同様に、Ｑ４  １２０８の存在、ならびに交差結合されたＱ３  ６１２およびＤｎ８０８と電気的に並列であるＱ４  １２０８によって形成された結果として生じる第４のＮＰＮＰ  ＳＣＲの存在により、保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）と比較して、過渡的な電気的事象に応答して、比較的少ない量の電流が保護デバイス１２００のＤｎ８０８を通って流れる。保護デバイス１２００のデバイス挙動に関する、Ｄｐ８０４およびＤｎ８０８を通って流れる比較的少ない量の電流の効果は、図１３Ａおよび１３Ｂに関して下で更に説明される。
【０１１２】
図１２Ｃは、実施形態による、双方向保護デバイス１２００Ｂを例示する。保護デバイス１２００Ｂは、第５の誘電体絶縁６３６ｅが第１のＮＷ６１８から取り除かれていることを除いて、図１２Ｂに関して例示される保護デバイス１２００と同一である。図８Ｂに関する上の説明に類似する様態で、双方向保護デバイス１２００Ｂは、ｘ方向に横方向に延在し、隣接する高濃度にドープされた（ｎ＋およびｐ＋）領域のうちのいくつかを分離する、複数の電気的浮遊金属層、すなわち、第１〜第６の電気的浮遊金属層６３２ａ〜６３２ｆを含み、これらは、図８Ａおよび８Ｂに関して上で論じたように、高い電流および高速能力のために、比較的近い横方向の近接度での、反対型にドープされた隣接するｎ＋およびｐ＋領域の配置を可能にすることができる。種々の実施形態において、電気的浮遊金属層は、高い電流および高速を提供し、一方でまた、誘電体絶縁領域に類似する電気絶縁効果も提供する。したがって、例示される実施形態において、電気的浮遊金属層６３２ａ〜６３２ｆは、誘電体絶縁領域と横方向に重なり合わない。
【０１１３】
図１３Ｂは、シミュレーションに基づく、動作中の、双方向保護デバイス１３００の異なる電流経路を例示する。図１３Ａは、双方向保護デバイス１２００（図１２Ａ／１２Ｂ）に類似する様態で、保護デバイス１３００において第３のｎ＋領域６２０ｃが取り除かれ、その位置において、中央ｐ＋領域１２２０が第１のＮＷ６１８に形成されることを除いて、図１１Ａに関して上で説明した双方向保護デバイス１１００と同様に構成される半導体基板６０２の種々の領域を有する、双方向保護デバイス１３００の断面図を例示する。その結果、保護デバイス１３００に形成される異なる電流経路は、図１１Ａに関して上で説明したダイオード経路１１０４およびＳＣＲ経路１１１２に類似する、ダイオード経路１３０４およびＳＣＲ経路１３１２を含む。しかしながら、図１１Ａに関して上で説明したＮＰＮ経路１１０８とは異なり、デバイス１３００は、中央ｐ＋領域１２２０、第１のＮＷ６１８、ＤＮＷ６０４、第１のＰＷ６０８、および第１のｎ＋領域６２０ａを通る第２のＳＣＲ経路１３０８を含む。図１２Ａおよび１２Ｂに関して上で説明したように、中央ｐ＋領域１２２０の存在は、第２のＰＮＰ  ＢＪＴ（Ｑ４）１２０８および第３のＰＮＰ  ＢＪＴ（Ｑ５）１２０４を形成する。その結果、Ｑ２  ６１４およびＱ１  ６１６を備える第１のＮＰＮＰ  ＳＣＲは、Ｑ１  ６１６およびＱ５  １２０４を備える第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲと電気的に並列であり、また、Ｑ２  ６１４およびＱ３  ６１２を備える第３のＮＰＮＰ  ＳＣＲは、Ｑ３  ６１２およびＱ４  １２０８を備える第４のＮＰＮＰ  ＳＣＲと電気的に並列である。Ｑ５  １２０４の存在、ならびに交差結合されたＱ１  ６１６およびＤｐ８０４と電気的に並列であるＱ５  １２０４によって形成された結果として生じる第２のＮＰＮＰ  ＳＣＲの存在により、保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）と比較して、比較的少ない量の電流が保護デバイス１２００のＤｐ８０４を通って流れる。同様に、Ｑ４  １２０８の存在、ならびに交差結合されたＱ３  ６１２およびＤｎ８０８と電気的に並列であるＱ４  １２０８によって形成された結果として生じる第４のＮＰＮＰ  ＳＣＲの存在により、保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）と比較して、比較的少ない量の電流が保護デバイス１２００のＤｎ８０８を通って流れる。Ｄｐ８０４およびＤｎ８０８を通って流れる比較的少ない量の電流の効果は、図１３Ｂに例示される。過渡的な電気的事象に応答して、時間の関数としての、異なる電流経路１３０４、１３０８、および１３１２を通る電流のシミュレーションされた相対的割合は、図１３Ｂに例示される。例示されるように、最初の１０ｎｓにおいて、ダイオード経路１３０４を通る電流のパーセンテージは、図１１Ａに関して保護デバイス１１００について上で説明したダイオード経路１１０４と比較して、比較的低い。発明者らは、保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）および１１００（図１１Ａ）と比較して、図１０Ａおよび１０Ｂに関して上で説明したように（Ｖ−ｔ曲線１０１６）、ダイオードＤｐ８０４、Ｄｎ８０８を通したこの比較的低い割合の電流が、第２のＳＣＲ経路１３０８を通した比較的高い割合の電流につながり、これが次に、比較的低���保持電圧につながることを見出した。ダイオード経路１１０４を通した電流の量と保持電圧との観察された相関に基づいて、発明者らは、図１２Ａおよび１２Ｂに関して例示されるように、中央ｐ＋領域１２２０および結果として生じる第２のＳＣＲを形成することによりダイオード経路１１０４を通る電流の相対的な量を下げることによって、保持電圧を下げることができることを見出した。
【０１１４】
図１４Ａおよび１４Ｂは、伝送線路パルス（ＴＬＰ）試験条件の下での、重ね合わせた実験的な電流−電圧（ＩＶ）曲線を例示するグラフ１４００Ａ（均等目盛）および１４００Ｂ（対数目盛）を示す。グラフ１４００Aは、デバイス８００（図７Ａ／７Ｂ）のＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲに類似するＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲのＩＶ曲線１４０４、デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）に類似するＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲと一対のダイオードとの組み合わせのＩＶ曲線１４０８、および下で説明されるデバイス１３００（図１３Ａ／１３Ｂ）に類似するＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲと一対のダイオードとの修正された組み合わせのＩＶ曲線１４１２をそれぞれ示す。保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）に関して上で説明したように、トリガーダイオードＤｐ８０４、Ｄｐ８０８のカソードが、第３のｎ＋領域６３６ｅに電気的に接続されたときに、ＩＶ曲線１４０８は、そのカソードが第３のｎ＋領域６３６ｅに電気的に接続されるトリガーダイオードＤｐ８０４、Ｄｐ８０８を有しない保護デバイス７００（図７Ａ／７Ｂ）に対応するＩＶ曲線１４０４によって示される保持に対して、より高い保持電圧（例えば、２×１０−１１Ａ未満の電流での電圧）を示す。一方で、保護デバイス１３００（図１３Ａ／１３Ｂ）に関して上で説明したように、トリガーダイオードＤｐ８０４、Ｄｐ８０８のカソードが、中央ｐ＋領域１２２０に電気的に接続されたときに、ＩＶ曲線１４１２は、保護デバイス７００（図７Ａ／７Ｂ）に対応するＩＶ曲線１４０４によって示される保持電圧と同等である保持電圧、および保護デバイス１３００（図１３Ａ．１３Ｂ）に対応するＩＶ曲線１４０８によって示される保持電圧よりも低い保持電圧を示す。保持電圧とは対照的に、保護デバイス７００（図７Ａ／７Ｂ）、保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）、および保護デバイス１３００（図１３Ａ／１３Ｂ）は、ＩＶ曲線１４０４、１４０８、および１４１２によって示されるように、（約２１Ｖの）類似するトリガー電圧を示す。この観察は、いかなる理論にも束縛されるものではないが、トリガー電圧が、トリガーダイオードＤｐ８０４、Ｄｐ８０８、ならびに／または交差結合したＱ２  ６１４およびＱ５  １２０４および交差結合したＱ２  ６１４およびＱ４  １２０８を備える第２および第４のＮＰＮＰ  ＳＣＲではなく、双方向ＮＰＮＰＮ  ＳＣＲによって支配され得ることを示唆する。
【０１１５】
図１５Ａは、超高速伝送線路パルス（ＶＦＴＬＰ）試験条件下で測定された、実験的な電流−電圧（ＩＶ）曲線を例示するグラフ１５００Ａである。グラフ１５００Ａは、均等目盛で、デバイス８００（図７Ａ／７Ｂ）のＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲに類似するＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲのＩＶ曲線１５０４、デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）に類似するＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲと一対のダイオードとの組み合わせのＩＶ曲線１５０８、および下で説明されるデバイス１３００（図１３Ａ／１３Ｂ）に類似するＮＰＮＰＮ双方向ＳＣＲと一対のダイオードとの修正された組み合わせのＩＶ曲線１５１２をそれぞれ示す。ＩＶ曲線１５１２をＩＶ曲線１５０４と比較すると、ＶＦＴＬＰ試験の結果は、トリガーダイオードＤｐ８０４、Ｄｐ８０８のカソードが中央ｐ＋領域１２２０に電気的に接続されたときに結果として生じる、オーバーシュート電圧の相当な減少を示す。更に、より低いクランプ電圧およびより低い保持電圧のため、保護デバイス１３００（図１３Ａ／１３Ｂ）に対応する提案されたＩＶ曲線１５１２は、保護デバイス８００（図８Ａ／８Ｂ）に対応するＩＶ曲線１５０８と比較して、ＶＦＴＬＰ試験の下でより高いロバスト性を示す。
【０１１６】
図１５Ｂは、超高速伝送線路パルス（ＶＦＴＬＰ）試験条件下で測定された、実験的な電圧−時間（Ｖ−ｔ）曲線を例示するグラフ１５００Ｂである。保護デバイス１３００（図１３Ａ／１３Ａ）に対応するＶ−ｔ曲線１５２０と、保護デバイス７００（図７Ａ／７Ｂ）に対応するＶ−ｔ曲線１５１６とを比較すると、ＶＦＴＬＰの試験結果は、オーバーシュート電圧およびより速いターンオン速度の大幅な減少を示すが、これは、トリガーダイオードＤｐ８０４、Ｄｐ８０８のカソードが、中央のｐ＋領域１２２０に電気的に接続されたときにもたらされる。
【０１１７】
上で説明した実施形態において、損耗監視装置のための装置、システム、および方法は、特定の実施形態に関連して説明される。しかしながら、実施形態の原理および利点は、過渡的な電気的事象からの保護に対する必要性を伴う任意の他のシステム、装置、または方法に使用されることができることが理解されるであろう。上記において、実施形態の任意の１つの任意の特徴は、実施形態の任意の他の１つの任意の他の特徴と組み合わせるおよび／または置き換えることができることが認識されるであろう。
【０１１８】
本開示の態様は、種々の電子デバイスに実装されることができる。電子デバイスの例としては、限定されないが、スマートフォンなどの携帯電話、スマートウォッチまたはイヤーピースなどのウェアラブルコンピューティングデバイス、電話、テレビ、コンピュータモニタ、コンピュータ、モデム、ハンドヘルドコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、電子レンジ、冷蔵庫、自動車用電子システムなどの車両用電子システム、ステレオシステム、ＤＶＤプレーヤー、ＣＤプレーヤー、ＭＰ３プレーヤーなどのデジタル音楽プレーヤー、ラジオ、カムコーダー、デジタルカメラなどのカメラ、ポータブルメモリチップ、洗濯機、乾燥機、洗濯／乾燥機、周辺デバイス、時計、その他が挙げられる。更に、電子デバイスは、未完成の製品を含むことができる。
【０１１９】
文脈上明らかに他の解釈が必要とされない限り、説明および特許請求の範囲の全体を通して、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、および同類の単語は、排他的な意味または網羅的な意味とは対照的に、包括的な意味、すなわち「〜を含むが、それに限定されない」という意味に解釈されるべきである。「ｃｏｕｐｌｅｄ（結合された）」という単語は、本明細書で概して使用される場合、直接接続することができる、または１つまたは２つ以上の中間要素を経由して接続することができる、２つ以上の要素を指す。同様に、「接続した（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」という単語は、本明細書で概して使用される場合、直接接続することができる、または１つまたは２つ以上の中間要素を経由して接続することができる、２つ以上の要素を指す。追加的に、単語「本明細書で（ｈｅｒｅｉｎ）」、「上記（ａｂｏｖｅ）」、「下記（ｂｅｌｏｗ」、「下で（ｉｎｆｒａ）」、「上で（ｓｕｐｒａ）」、および類似する意味の単語は、本明細書で使用される場合、本出願を全体として指すものであり、本出願の任意の特定の部分を指すものではない。文脈が許す場合、単数または複数を使用する上の発明を実施するための形態における単語はまた、それぞれ、単数または複数も含み得る。２つ以上の項目のリストに関する「または（ｏｒ）」は、以下の単語の解釈の全てを包含する：リスト中の項目のうちのいずれか、リスト中の項目の全て、およびリスト中の項目の任意の組み合わせ。
【０１２０】
更に、数ある中でも、「できる（ｃａｎ）」、「かもしれない（ｃｏｕｌｄ）」、「してもよい（ｍｉｇｈｔ）」、「得る（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．，）」、「など（ｓｕｃｈ  ａｓ）」、および同類のものなどの、本明細書で使用される条件付き言語は、別途具体的に提示されない限り、または別様に使用されるときに文脈内で理解される限り、概して、特定の実施形態が特定の特徴、要素、および／またはステップを含み、一方で、他の実施形態がそれらを含まないことを伝えることを意図する。したがって、そのような条件付き言語は、概して、特徴、要素、および／もしくは状態が、いかなる形であれ、１つまたは２つ以上の実施形態に必要とされること、またはこれらの特徴、要素、および／もしくは状態が、任意の特定の実施形態に含まれるのか、そこで行われるのかを示唆することを意図しない。
【０１２１】
特定の例示的な実施形態を説明してきたが、これらの実施形態は、単なる例として提示されたものであり、本開示の範囲を限定することを意図しない。実際に、本明細書で説明される新しい方法およびシステムは、種々の他の形態で具現化することができ、更に、本開示の主旨から逸脱することなく、本明細書で説明される方法およびシステムの形態において、種々の省略、置換、および変更を行うことができる。例えば、ブロックは、所与の配設で提示されているが、代替の実施形態は、異なる構成要素および／または回路トポロジを有する同程度の機能性を行うことができ、いくつかのブロックを削除、移動、追加、細分化、組み合わせる、および／または修正することができる。これらのブロックの各々は、様々な異なる方式で実施することができる。上で説明した種々の実施形態の要素および行為の任意の適切な組み合わせは、組み合わせて更なる実施形態を提供することができる。上で説明した種々の特徴およびプロセスは、互いに独立に実施することができ、または種々の方法で組み合わせることができる。本開示の特徴の全ての適切な組み合わせおよび副次的な組み合わせは、本開示の範囲に含まれることを意図する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【外国語明細書】
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