Введение

Антифуз – это электрическое устройство, выполняющее функцию, обратную предохранителю. В то время как предохранитель имеет изначально низкое сопротивление и предназначен для необратимого разрыва электрически проводящего пути (обычно при превышении им определенного значения тока), антифуз имеет изначально высокое сопротивление и представляет собой разомкнутую цепь, а его программирование преобразует его в постоянный электрически проводящий путь (обычно при превышении напряжением на антифузе определенного уровня). Эта технология имеет множество применений. Антифузы наиболее известны своим использованием в миниатюрных гирляндах для рождественских елок.

Рождественские огни

Светильники низкого напряжения не рассчитаны на полное напряжение, типичное для жилой электросети, и подключаются последовательно, в отличие от более крупных традиционных ламп типов C7 и C9, которые подключаются параллельно и предназначены для работы непосредственно от сетевого/жилого напряжения. Поскольку перегоревшая лампочка в последовательной цепи разрывает всю цепь, последовательная гирлянда перестанет работать из-за выхода из строя всего одной лампы. Поэтому в каждой лампе установлен антифуз, как правило, в виде внутреннего шунтирующего провода. Когда лампочка перегорает, все сетевое напряжение подается на одну перегоревшую лампу. Это быстро приводит к тому, что антифуз закорачивает перегоревшую лампу, позволяя последовательной цепи продолжить работу, хотя и с большей долей сетевого напряжения, теперь приходящейся на каждую из оставшихся ламп. Антифуз изготавливается из проволоки с высокоомным покрытием, которая наматывается на две вертикальные проволоки, поддерживающие нить накаливания внутри лампы. Изоляция проволоки антифуза выдерживает обычное низкое напряжение, приложенное к работающей лампе, но быстро разрушается под воздействием полного сетевого напряжения, обеспечивая антифузионное действие. По мере выхода из строя все большего количества ламп в гирлянде, на оставшиеся лампы приходится все более высокое напряжение. Часто в гирлянду включается специальная лампочка без антифуза и, как правило, с немного иным номиналом (чтобы она перегорела первой при слишком высоком напряжении), известная как "предохранительная лампочка", для защиты от возможного сильного перегрузки по току, если выйдет из строя слишком много ламп.

Антифузы в интегральных схемах

Антифузы широко используются для постоянной записи информации в интегральные схемы. Антифузы могут применяться в программируемой постоянной памяти (ППЗУ). Каждый бит содержит как предохранитель, так и антифуз, и программируется путем активации одного из них. Это программирование, выполняемое после производства, является постоянным и необратимым, что позволяет реализовать так называемое "однократное программирование" (OTP). Некоторые программируемые логические устройства (ПЛУ), такие как структурированные ASIC, используют технологию предохранителей для конфигурирования логических схем и создания индивидуальной конструкции на основе стандартной схемы ИС. ПЛУ на антифузах программируются однократно, в отличие от других ПЛУ, основанных на SRAM, которые можно перепрограммировать для исправления логических ошибок или добавления новых функций. ПЛУ на антифузах имеют преимущества перед ПЛУ на основе SRAM, заключающиеся в том, что, подобно ASIC, их не требуется конфигурировать при каждом включении питания. Они также могут быть менее чувствительны к альфа-частицам, способным вызывать сбои в работе схем. Кроме того, схемы, реализованные посредством постоянных проводящих каналов антифузов, могут работать быстрее, чем аналогичные схемы, реализованные в ПЛУ с использованием технологии SRAM.

Диэлектрические противогазы

Диэлектрические антипредохранители используют очень тонкий оксидный барьер между парой проводников. Формирование проводящего канала происходит за счет диэлектрического пробоя, вызванного импульсом высокого напряжения. Диэлектрические антипредохранители обычно применяются в процессах CMOS и BiCMOS, так как требуемая толщина оксидного слоя меньше, чем доступная в биполярных процессах.

Антифьюзы из аморфного кремния

Один из подходов к интегральным схемам, использующим технологию антипредохранителя, предполагает использование тонкого барьера из непроводящего аморфного кремния между двумя металлическими проводниками. При приложении достаточно высокого напряжения к аморфному кремнию он превращается в поликристаллический кремниевый металлический сплав с низким сопротивлением, который становится проводящим. Аморфный кремний – это материал, который обычно не используется ни в биполярных, ни в КМОП-процессах и требует дополнительного этапа производства. Антипредохранитель обычно активируется током около 5 мА. В случае полидиффузионного антипредохранителя высокая плотность тока создает тепло, которое расплавляет тонкий изолирующий слой между поликремниевыми и диффузионными электродами, формируя постоянное резистивное кремниевое соединение.

Антифьюзы Zener

Диоды Зенера могут использоваться в качестве антипредохранителей. p-n переход, выполняющий функцию такого диода, перегружается импульсом тока и перегревается. При температурах выше 100 °C и плотности тока выше 10⁵ А/см² металлизация подвергается электромиграции и формирует проводящие каналы через переход, вызывая короткое замыкание; этот процесс известен в индустрии как Zener zap. Канал формируется на и немного под поверхностью кремния, непосредственно под пассивирующим слоем, не повреждая его. Таким образом, образующийся проводящий шунт не влияет на целостность и надежность полупроводникового устройства. Обычно достаточно импульса длительностью несколько миллисекунд при токе 100–200 мА для стандартных биполярных устройств и неоптимизированной структуры антипредохранителя; специализированные структуры потребуют меньшей мощности. Результирующее сопротивление перехода находится в диапазоне 10 Ом. Zener zap часто применяется в схемах смешанного сигнала для подстройки номиналов аналоговых компонентов. Например, прецизионный резистор можно изготовить, формируя несколько последовательно соединенных резисторов с параллельно подключенными диодами Зенера (ориентированными в непроводящем состоянии при нормальной работе устройства), а затем замыкая выбранные диоды Зенера для шунтирования нежелательных резисторов. При таком подходе возможно только уменьшение значения результирующего резистора. Поэтому необходимо смещать производственные допуски таким образом, чтобы минимальное обычно получаемое значение было равно или больше желаемого. Параллельные резисторы не должны иметь слишком низкое сопротивление, так как это может привести к чрезмерному потреблению тока при срабатывании; в таких случаях используется комбинация последовательно и параллельно соединенных резисторов и антипредохранителей.

Уличное освещение (устарелое)

Подобно тому, как это делалось с гирляндами на ёлках, до появления ламп высокого давления, уличные осветительные сети с лампами накаливания часто работали как последовательные высоковольтные цепи. Каждый уличный фонарь был оснащён пленочным выключателем – небольшим диском из изолирующей плёнки, разделявшим два контакта, соединённых с двумя проводами, ведущими к лампе. Как и в случае с описанными выше гирляндами, если лампа перегорала, всё напряжение уличной сети (тысячи вольт) прикладывалось к изолирующей плёнке в выключателе, вызывая её пробой. Таким образом, перегоревшая лампа выключалась, и освещение восстанавливалось на остальной части улицы. В отличие от гирлянд, в цепи обычно предусматривалось автоматическое устройство для регулирования электрического тока, например, стабилизатор тока. По мере перегорания каждой последовательной лампы и её замыкания, регулятор переменного тока снижал напряжение, поддерживая нормальное напряжение, ток, яркость и срок службы каждой оставшейся лампы. Когда перегоревшую лампу заменяли, устанавливался новый диск плёнки, снова разделяющий электрические контакты в выключателе. Этот тип уличного освещения легко узнавался по большому фарфоровому изолятору, отделявшему лампу и отражатель от кронштейна крепления; изолятор был необходим, поскольку два контакта в цоколе лампы могли регулярно работать под потенциалом в несколько тысяч вольт относительно земли. Тот же механизм (пленочный выключатель) широко используется в приложениях, где требуется последовательное освещение, например, в огнях взлётно-посадочных полос и рулёжных дорожек аэродромов.