アンチヒューズ

アンチヒューズは、ヒューズとは逆の機能を果たす電気装置です。ヒューズは低抵抗から始まり、導電経路を永久に切断または開くように設計されています（通常、経路を流れる電流が指定された制限を超えた場合）。一方、アンチヒューズは高抵抗（開回路）から始まり、プログラミングによって永久的な導電経路に変換されます（通常、アンチヒューズ全体の電圧が特定のレベルを超えた場合）。^[1]この技術には多くの用途があります。アンチヒューズは、ミニライト（またはミニチュア）スタイルの低電圧クリスマスツリーライトでの使用で最もよく知られています。

クリスマスツリーのライト

低電圧照明は、住宅用回路に典型的な全電圧を扱うことができず、並列配線され、主電源/住宅用電圧で直接動作するように定格されている、より大型の従来のC7およびC9スタイルの照明とは異なり、直列に配線されています。直列回路で電球が切れると回路全体が開くため、1つのランプが故障すると直列回路は動作不能になります。^[2]

このため、各電球には、通常は内部シャント線としてアンチヒューズが内蔵されています。^[3]電球が切れると、主電源電圧全体が切れた1つのランプに印加されます。これにより、アンチヒューズがすぐに切れた電球をショートさせ、直列回路の機能を再開できるようにしますが、主電源電圧の大部分が残りの各ランプに印加されます。アンチヒューズは、高抵抗コーティングされたワイヤを使用して作られ、このワイヤは電球内の2本の垂直フィラメントサポートワイヤに巻き付けられています。アンチヒューズワイヤの絶縁体は、機能しているランプにかかる通常の低電圧に耐えますが、主電源電圧が最大になるとすぐに破壊され、アンチヒューズが動作します。

電球列内の電球が切れるほど、残りの電球にかかる電圧はどんどん高くなります。多くの場合、電球が切れすぎる場合に深刻な過電流が発生する可能性を防ぐために、アンチヒューズがなく、定格がわずかに異なる (そのため、電圧が高くなりすぎると最初に切れる)「ヒューズ電球」と呼ばれる特殊な電球が、電球列に組み込まれます。

集積回路のアンチヒューズ

アンチヒューズは、集積回路を恒久的にプログラムするために広く使用されています。^[4]アンチヒューズは、プログラマブル読み取り専用メモリ ( PROM ) で使用される場合があります。各ビットにはヒューズとアンチヒューズの両方が含まれており、2つのうちの1つをトリガーすることでプログラムされます。製造後に実行されるこのプログラミングは、恒久的で不可逆であり、「ワンタイムプログラミング」(OTP) と呼ばれるものを実現する手段です。^[5]

構造化ASICなどの特定のプログラマブルロジックデバイス（PLD）は、ヒューズ技術を使用してロジック回路を構成し、標準のIC設計からカスタマイズされた設計を作成します。アンチヒューズPLDは、 SRAMベースでロジックのバグを修正したり新しい機能を追加したりするために再プログラムできる他のPLDとは対照的に、ワンタイムプログラマブルです。アンチヒューズPLDは、ASICと同様に、電源が投入されるたびに構成する必要がないという点で、SRAMベースのPLDよりも優れています。^{[6]回路の誤動作を引き起こす可能性のある}アルファ粒子の影響を受けにくい可能性があります。また、アンチヒューズの永久導電パスを介して構築された回路は、SRAM技術を使用してPLDに実装された同様の回路よりも高速である可能性があります。

誘電体アンチヒューズ

誘電体アンチヒューズは、一対の導体の間に非常に薄い酸化物バリアを使用します。導電性チャネルの形成は、高電圧パルスによる強制的な誘電体破壊によって行われます。誘電体アンチヒューズは、必要な酸化物層の厚さがバイポーラプロセスで利用可能な厚さよりも薄いため、通常、CMOS および BiCMOS プロセスで使用されます。

アモルファスシリコンアンチヒューズ

アンチヒューズ技術を使用する IC の 1 つのアプローチでは、 2 つの金属導体の間に非導電性のアモルファスシリコンの薄いバリアを使用します。アモルファスシリコンに十分な高電圧をかけると、抵抗の低い多結晶シリコン金属合金に変化し、導電性になります。

アモルファスシリコンは、通常、バイポーラプロセスでも CMOS プロセスでも使用されない材料であり、追加の製造手順が必要です。

アンチヒューズは通常、約 5 mAの電流を使用してトリガーされます。ポリ拡散アンチヒューズでは、高電流密度によって熱が発生し、ポリシリコンと拡散電極間の薄い絶縁層が溶けて、永久的な抵抗シリコンリンクが形成されます。

ツェナーアンチヒューズ

ツェナーダイオードはアンチヒューズとして使用できます。このようなダイオードとして機能するpn 接合は、電流スパイクで過負荷になり、過熱します。温度が 100 °C を超え、電流密度が 10 ⁵ A/cm ²を超えると、金属化がエレクトロマイグレーションを起こし、接合部を貫通するスパイクを形成して接合部をショートさせます。このプロセスは業界ではツェナーザップと呼ばれています。スパイクはシリコン表面上および表面よりわずかに下、パッシベーション層のすぐ下に形成されますが、パッシベーション層は損傷しません。そのため、導電性シャントによって半導体デバイスの完全性と信頼性が損なわれることはありません。通常、一般的なバイポーラデバイスでは、最適化されていないアンチヒューズ構造の場合、100 ～ 200 mA で数ミリ秒のパルスで十分です。特殊な構造では、電力要件が低くなります。接合部の抵抗は 10 オームの範囲になります。

ツェナーザップは、アナログ部品の値をトリミングするために、ミックスドシグナル回路でよく使用されます。たとえば、高精度の抵抗器は、ツェナーを並列に並べた直列抵抗器をいくつか形成し（デバイスの通常動作中に非伝導になるように方向付け）、選択したツェナーを短絡して不要な抵抗器をシャントすることで製造できます。この方法では、結果として得られる抵抗器の値を下げることしかできません。したがって、通常作成される最小値が目的の値以上になるように、製造公差をシフトする必要があります。並列抵抗器の値は、ザッピング電流を流してしまうため、あまり低くすることはできません。そのような場合には、抵抗器とアンチヒューズの直並列の組み合わせが使用されます。^[7]

街路灯（旧式）

クリスマスツリーのライトと同様に、高輝度放電ランプの出現以前は、白熱電球を使用した街灯回路は高電圧直列回路として動作することが多かった。各街灯にはフィルムカットアウトが装備されていた。これは、ランプにつながる 2 本の電線に接続された 2 つの接点を分離する小さな円盤状の絶縁膜である。上記のクリスマスライトと同様に、ランプが故障すると、街灯回路の全電圧 (数千ボルト) がカットアウトの絶縁膜にかかり、絶縁膜が破裂する。このようにして、故障したランプはバイパスされ、街路の残りの部分の照明が回復する。

クリスマスライトと異なり、回路には通常、定電流トランスなどの回路に流れる電流を調整する自動装置が含まれています。直列に接続された各ランプが切れてショートすると、AC 電流レギュレータが電圧を下げ、残りの各電球が通常の電圧、電流、明るさ、寿命で動作し続けます。故障したランプが最終的に交換されたとき、新しいフィルムも取り付けられ、カットアウト内の電気接点が再び分離されました。このスタイルの街路照明は、ランプと反射鏡をライトの取り付けアームから分離する大きな磁器製の絶縁体で識別できます。ランプのベースにある 2 つの接点が、地面/アースより数千ボルト高い電位で日常的に動作していた可能性があるため、絶縁体が必要でした。

同じ機構（フィルムディスクの切り抜き）は、飛行場の滑走路灯や誘導路灯など、直列照明が必要な用途で広く使用されています。^[8]^{[ 9]}^[10]

参照

参考文献

^ Bobda, Christophe (2007 年 9 月 30 日)。再構成可能コンピューティング入門: アーキテクチャ、アルゴリズム、アプリケーション。Guildford Boulder : Springer London NetLibrary, Inc. [販売元]。p. 29。ISBN 978-1-4020-6100-4。
^ ウッド、ダニエル（2015年12月16日）。「ホリデーライトはどのように機能するのか？」エネルギー省。
^ ブレイン・マーシャル（2014年3月26日）「クリスマスライトの仕組み」HowStuffWorks。2014年3月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年9月23日閲覧。
^ Ebrard, Elodie; Allard, Bruno; Candelier, Philippe ; Waltz, Patrice (2009 年 12 月)。「高度な標準 CMOS テクノロジ向けのヒューズおよびアンチヒューズソリューションのレビュー」。Microelectronics Journal。40 (12): 1755–1765。doi :10.1016/ j.mejo.2009.09.007。
^ Jinbong, Kim ; Lee, Kwyro (2003 年 9 月)。「標準 CMOS ゲート酸化膜アンチヒューズを使用した 3 トランジスタワンタイムプログラマブル (OTP) ROM セルアレイ」。IEEE Electron Device Letters。24 ( 9): 589–591。doi : 10.1109 /LED.2003.815429。ISSN 0741-3106 。
^ バテッツァティ、ニッコロ;バテッツァティ、ニッコロ。スターポーネ、ルカ。ヴィオランテ、マッシモ (2011)。ミッションクリティカルなアプリケーション向けの再構成可能なフィールドプログラマブルゲートアレイ。ニューヨーク：スプリンガー。 p. 118.ISBN 978-1-4419-7595-9。
^ Comer, Donald T. (1996-01-01). 「VLSI回路におけるZener Zap Anti-Fuse Trim」. VLSI Design . 5 (1): 89–100. doi : 10.1155/1996/23706 . ISSN 1065-514X.
^ 「Film Disc Cutouts - Meridian Electric」。www.meridianelectric.net 。 2023年9月24日閲覧。
^ Philips, Cecil B. (1975)。滑走路出口および誘導路交差点の誘導路中心線照明の評価。ウィリアム J. ヒューズ技術センター。p. 3。
^ 「Advisory Circular 150/5345-46B」連邦航空局、1998年9月。

外部リンク

クリスマスライトでのアンチヒューズの使用に関する情報 (おそらく、非技術的な読者を対象としているため、アンチヒューズという用語の使用を避けています。)
クリスマスライトの種類に関する詳細情報
街灯の直列動作に関する歴史ページ

[1] Bobda, Christophe (2007 年 9 月 30 日)。再構成可能コンピューティング入門: アーキテクチャ、アルゴリズム、アプリケーション。Guildford Boulder : Springer London NetLibrary, Inc. [販売元]。p. 29。ISBN 978-1-4020-6100-4。

[2] ウッド、ダニエル（2015年12月16日）。「ホリデーライトはどのように機能するのか？」エネルギー省。

[3] ブレイン・マーシャル（2014年3月26日）「クリスマスライトの仕組み」HowStuffWorks。2014年3月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年9月23日閲覧。

[4] ^ Ebrard, Elodie; Allard, Bruno; Candelier, Philippe ; Waltz, Patrice (2009 年 12 月)。「高度な標準 CMOS テクノロジ向けのヒューズおよびアンチヒューズソリューションのレビュー」。Microelectronics Journal。40 (12): 1755–1765。doi :10.1016/ j.mejo.2009.09.007。

[5] ^ Jinbong, Kim ; Lee, Kwyro (2003 年 9 月)。「標準 CMOS ゲート酸化膜アンチヒューズを使用した 3 トランジスタワンタイムプログラマブル (OTP) ROM セルアレイ」。IEEE Electron Device Letters。24 ( 9): 589–591。doi : 10.1109 /LED.2003.815429。ISSN 0741-3106 。

[6] バテッツァティ、ニッコロ;バテッツァティ、ニッコロ。スターポーネ、ルカ。ヴィオランテ、マッシモ (2011)。ミッションクリティカルなアプリケーション向けの再構成可能なフィールドプログラマブルゲートアレイ。ニューヨーク：スプリンガー。 p. 118.ISBN 978-1-4419-7595-9。

[7] Comer, Donald T. (1996-01-01). 「VLSI回路におけるZener Zap Anti-Fuse Trim」. VLSI Design . 5 (1): 89–100. doi : 10.1155/1996/23706 . ISSN 1065-514X.

[8] 「Film Disc Cutouts - Meridian Electric」。www.meridianelectric.net 。 2023年9月24日閲覧。

[9] Philips, Cecil B. (1975)。滑走路出口および誘導路交差点の誘導路中心線照明の評価。ウィリアム J. ヒューズ技術センター。p. 3。

[10] 「Advisory Circular 150/5345-46B」連邦航空局、1998年9月。