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DE2015815B2 - PROTECTIVE CIRCUIT FOR AN INTEGRATED CIRCUIT - Google Patents

PROTECTIVE CIRCUIT FOR AN INTEGRATED CIRCUIT

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Publication number
DE2015815B2
DE2015815B2 DE19702015815 DE2015815A DE2015815B2 DE 2015815 B2 DE2015815 B2 DE 2015815B2 DE 19702015815 DE19702015815 DE 19702015815 DE 2015815 A DE2015815 A DE 2015815A DE 2015815 B2 DE2015815 B2 DE 2015815B2
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DE
Germany
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diode
circuit
voltage
protective
transistor
Prior art date
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Ceased
Application number
DE19702015815
Other languages
German (de)
Other versions
DE2015815A1 (en
Inventor
Borys Somerville N.J. Zuk (V.St.A.)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RCA Corp
Original Assignee
RCA Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by RCA Corp filed Critical RCA Corp
Publication of DE2015815A1 publication Critical patent/DE2015815A1/en
Publication of DE2015815B2 publication Critical patent/DE2015815B2/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/20Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for electronic equipment
    • H02H7/205Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for electronic equipment for controlled semi-conductors which are not included in a specific circuit arrangement
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D89/00Aspects of integrated devices not covered by groups H10D84/00 - H10D88/00
    • H10D89/60Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD]
    • H10D89/601Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD] for devices having insulated gate electrodes, e.g. for IGFETs or IGBTs
    • H10D89/611Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD] for devices having insulated gate electrodes, e.g. for IGFETs or IGBTs using diodes as protective elements

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

«reicht wurde. Ein weiterer Vorteil besteht darin, toS, infolge der zusätzlichen Schutzdiode in der zur«Was enough. Another advantage is toS, as a result of the additional protective diode in the for

deren Diode parallelliegenden Gate-Substrat-Kapa- *Γ§ί fceine so hohe statische Ladung gespeichert werfen kann wie bisher, sondern die Ladung bei entsprechender Polarität im wesentlichen von der Sperrschichtkapazität des PN-Übergangs zwischen den Substraten aufgenommen wird, die viel größer ist, so daß die auftretenden Spannungen entsprechend klein sind. Dadurch wird zuverlässig verhindert, daß die Spannung durch statische Aufladung gefährliche Werte annehmen kann.whose diode parallel gate-substrate capacitance * Γ§ί fceine throw such a high static charge stored can as before, but the charge with the appropriate polarity essentially depends on the junction capacitance of the PN junction between the substrates, which is much larger, so that the stresses occurring are correspondingly small are. This reliably prevents the voltage from becoming dangerous due to static charging Can assume values.

Die Erfindung wird nachstehend an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigtThe invention is hereinafter referred to as a preferred one Embodiment explained in detail with reference to the drawing. It shows

pig. 1 das Schaltschema einer komplementären lnverterstufe mit einer Schutzschaltung gemäß derpig. 1 the circuit diagram of a complementary Inverter stage with a protective circuit according to FIG

Erfindung, .Invention,.

pig. 2 eine Querschnittsdarstellung eines monolithischen Schaltungsbausteins mit der Schutzschal-pig. 2 a cross-sectional view of a monolithic circuit module with the protective

tune und
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der Schutzschaltung
tune and
3 shows an equivalent circuit diagram of the protective circuit

nach Fig. 1 und 2.according to FIGS. 1 and 2.

Die Schaltung nach Fig. 1 enthält eine Energieversorgungsquelle in Form einer Batterie 10 mit der Spannung V00. Die Batterie 10 ist mit ihrem positiven Pol an eine Klemme 12 und mit ihrem negativen Pol an eine Klemme 14 angeschlossen. Ein P-leitender IGFET 16 ist mit seiner Source-Elektrode 16s und mit seinem Substrat 30 an die Klemme 12 und mit seiner Drain-Elektrode 16 d an den Verbindungspunkt 18 angeschlossen. Ein N-leitenoer IGFET 20 ist mit seiner Drain-Elektrode 2Od an den Verbindungspunkt 18 und mit seinem Substrat 40 und seiner Source-Elektrode 20s an die Klemme 14 angeschlossen. Die Gate-Elektroden 16g und 20g der IGFET 16 und 20 sind gemeinsam an den Verbindungspunkt 22 angeschlossen. An den Verbindungspunkt 22 sind ferner eine Diode D1 mit ihrer Anode und eine Diode Dl mit ihrer Kathode angeschlossen. Die Kathode der Diode Dl ist an die Klemme 12 und die Anode der Diode D 2 ist an die Klemme 14 angeschlossen. Ein zur Strombegrenzung dienender Widerstand R, der entweder als integriertes (Halbleiter-) oder als diskretes Bauelement ausgebildet sein kann, ist zwischen den Verbindungspunkt 22 und den Signaleingang 24 geschaltet, um zu verhindern, daß die Dioden oder die Isolierschicht durch eine übermäßig hohe und plötzliche Eingangsspannung zerstört werden.The circuit according to FIG. 1 contains an energy supply source in the form of a battery 10 with the voltage V 00 . The battery 10 is connected with its positive pole to a terminal 12 and with its negative pole to a terminal 14. A P-conductive IGFET 16 is connected with its source electrode 16s and with its substrate 30 to the terminal 12 and with its drain electrode 16d to the connection point 18. An N-leitenoer IGFET 20 is connected to the junction 18 and with its substrate 40, and its source electrode 20 s connected by its drain electrode to terminal 2oD fourteenth The gate electrodes 16g and 20g of the IGFET 16 and 20 are connected in common to the connection point 22. A diode D 1 with its anode and a diode D1 with its cathode are also connected to the connection point 22. The cathode of the diode D 1 is connected to the terminal 12 and the anode of the diode D 2 is connected to the terminal 14. A resistor R serving to limit the current, which can be designed either as an integrated (semiconductor) or as a discrete component, is connected between the connection point 22 and the signal input 24 in order to prevent the diodes or the insulating layer from being excessively high and sudden Input voltage will be destroyed.

Die Arbeitsweise der Schaltung nacr. F i g. 1 läßt sich einfacher erläutern, wenn man voraussetzt, daß beispielsweise + V00 gleich 10 Volt ist, die Klemme 14 Null- oder Massepotential führt und das dem Signaleingang 24 zugeführte Eingangssignal negative und positive Amplituden hat, die größer sein können als die 45 bis 65 Volt, die als Durchbruchsspannung der Isolierschicht anzusetzen sind.The operation of the circuit nacr. F i g. 1 can be explained more easily if one assumes, for example, that + V 00 is equal to 10 volts, terminal 14 has zero or ground potential and the input signal fed to signal input 24 has negative and positive amplitudes that can be greater than 45 to 65 Volts, which are to be used as the breakdown voltage of the insulating layer.

Die Arbeitsweise der Schaltung soll jetzt an Hand der drei Fälle untersucht werden, daß die zugeführte Spannung erstens zwischen 0 Volt und V00 schwankt, zweitens positiver wird als V00 und drittens negativer wird als 0 Volt.The mode of operation of the circuit is now to be examined on the basis of the three cases that the supplied voltage firstly fluctuates between 0 volts and V 00 , secondly becomes more positive than V 00 and thirdly becomes more negative than 0 volts.

Fall 1: Wenn die den Gate-Elektroden zugeführte Spannung (V0) am Verbindungspunkt 22 größer als 0 Volt und kleiner als V00 ist [0 Volt <V0< VDD], sind die Dioden D1 und D 2 in Sperrichtung vorgespannt, also hochohmig. Wenn somit die den Gate-Elektroden zugeführte Spannung innerhalb des Bereiches der Betriebsspannung liegt, arbeitet die Schaltung so, als wären die Dioden nicht vorhanden.Case 1: If the voltage (V 0 ) applied to the gate electrodes at junction 22 is greater than 0 volts and less than V 00 [0 volts <V 0 <V DD ], diodes D 1 and D 2 are reverse biased , so high resistance. Thus, when the voltage applied to the gate electrodes is within the operating voltage range, the circuit operates as if the diodes were absent.

Fall 2: Wenn V0 den Wert von +VDD übersteigt, wird die Diode D1 in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß ein Strom (im konventionellen Sinne) vom Verbindungspunkt 22 zur Klemme 12 fließt. Wenn die Diode D1 leitet, ist der Spannungsabfall an der Diode gleich dem Durchlaßspannungsabfall (V F) an dem durch das P+-Gebiet 37 und das Substrat 30 in Fig. 2 gebildeten PN-Übergang. Der Wert von VF steigt mit sich erhöhendem Stromnuß durch den Übergang zwar etwas an; jedoch kann unterstellt werden, daß dieser Wert bei dem hier betrachteten Strombereich im Bereich von 0,6 bis 1,0 Volt bleibt. Die Spannung am Verbindungspunkt 22 kann den Wert I V00 + Vf I nicht übersteigen, da ein etwaiger Spannungsanstieg, sei es Signaleingang 24 oder am Verbindungspunkt 22, bewirkt, daß die Diode D1 stärker leitet, so daß die Gatespannung an j V00 4- VF J angeklammert bleibt. Dies hat zur Folge, daß die Gate-Substrat-Spannung des IGFET 16 um einen Betrag in Sperrichtung vorgespannt wird, der gleich ist dem Durch'aßspannungsabfall V1, der Diode Dl, was offensichtlich ein sicherer Wert ist.Case 2: When V 0 exceeds + V DD , diode D1 is forward biased so that a current (in the conventional sense) flows from junction 22 to terminal 12. When diode D 1 conducts, the voltage drop across the diode is equal to the forward voltage drop (V F ) across the PN junction formed by P + region 37 and substrate 30 in FIG. The value of V F rises somewhat with increasing current consumption due to the transition; however, it can be assumed that this value remains in the range of 0.6 to 1.0 volts for the current range considered here. The voltage at connection point 22 can not exceed the value I V 00 + Vf I, since a possible voltage increase, be it signal input 24 or at connection point 22, causes diode D 1 to conduct more strongly, so that the gate voltage at j V 00 4 - V F J remains in brackets. As a result, the gate-to-substrate voltage of the IGFET 16 is reverse biased by an amount equal to the pass voltage drop V 1 , the diode D 1, which is obviously a safe value.

Wenn V0 positiv ist, ist die Diode D 2 in Sperrichtung vorgespannt, so daß sie nicht leitet, außer wenn die zwischen ihrer Anode und Kathode liegende Sperrspannung den Wert ihrer Sperrdurchbruchspannung (V R) übersteigt. Da VR typischerweise 40 Volt und mehr beträgt und j V00 + VF \ erheblich kleiner als 40 Volt ist, kann die Diode D 2 nicht durchbrechen, so daß sie ihren hochohmigen Zustand beibehält. When V 0 is positive, diode D 2 is reverse biased so that it will not conduct unless the reverse voltage across its anode and cathode exceeds its reverse breakdown voltage (V R ). Since V R is typically 40 volts and more and j V 00 + V F \ is considerably less than 40 volts, the diode D 2 cannot break down, so that it maintains its high-resistance state.

Beim IGFET 20 liegt die maximale Spannung zwischen der Gate-Elektrode 20 g und dem Substrat 40, wenn V0 positiv ist, da das Substrat 40 auf Masseoder Nullpotential liegt. Da der maximale Wert von V0 gleich j V00 + VF | ist, und da das Substrat 40 des IGFET 20 auf 0 Volt liegt, ist die Gate-Elektrode 20 g des IGFET 20 um den Betrag '. V01, + VF , bezüglich des Substrates in Durchlaßrichtung vorgespannt. Da VF in der Größenordnung von 1 Volt beträgt und die Spannung V00 (10 Volt) stets so bemessen ist, daß sie weit unter der Durchbruchspannung der Isolierschicht liegt, ist auch der IGFET 20 gut geschützt.In the case of the IGFET 20, the maximum voltage between the gate electrode 20 g and the substrate 40 is when V 0 is positive, since the substrate 40 is at ground or zero potential. Since the maximum value of V 0 is equal to j V 00 + V F | and since the substrate 40 of the IGFET 20 is at 0 volts, the gate electrode 20 of the IGFET 20 is by the amount '. V 01 , + V F , forward biased with respect to the substrate. Since V F is of the order of magnitude of 1 volt and the voltage V 00 (10 volts) is always dimensioned so that it is well below the breakdown voltage of the insulating layer, the IGFET 20 is also well protected.

Fall 3: Wenn V0 negativ wird (V0 < 0 Volt), wird die Diode D 2 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und es fließt ein Strom (im konventionellen Sinne) von der Klemme 14 zum VerbindungFpunkt 22. Wenn die Diode Dl leitet, ist der Spannungsabfall an dieser Diode gleich dem Durchlaßspannungsabfall (VF) des durch das N+-Gebiet 47 und das P-leitende Substrat 40 in F i g. 2 gebildeten PN-Übergangs. Der Wert VF der Diode D 2 ist ungefähr gleich dem Wert VF der Diode Dl. In dem Maße, wie die am Signaleingang 24 oder am Verbindungspunkt 22 liegende Spannung in negativer Richtung ansteigt, leitet die Diode D entsprechend stärker, so daß die Gate-Elektroden 16 g, 20 g an eine Spannung von VF unter Nullpotential angeklammert werden (V0 = — VF). Unabhängig von der Amplitude des negativen Signals wird also die Gate-Elektrode des IGFET 20 um einen Betrag, der gleich VF ist, bezüglich des Substrates in Sperrrichtung vorgespannt, was ein sicherer Wert ist, da Vf in der Größenordnung von 1 Volt beträgt.Case 3: If V 0 goes negative (V 0 < 0 volts), the diode D 2 is forward-biased and a current flows (in the conventional sense) from the terminal 14 to the connection point 22. When the diode Dl conducts, is the voltage drop across this diode is equal to the forward voltage drop (V F ) of the through the N + region 47 and the P-type substrate 40 in FIG. 2 formed PN junction. The value V F of the diode D 2 is approximately equal to the value V F of the diode Dl. To the extent that the voltage at the signal input 24 or at the connection point 22 rises in the negative direction, the diode D conducts correspondingly more strongly, so that the gate -Electrodes 16 g, 20 g are clamped to a voltage of V F below zero potential (V 0 = - V F ). Thus, regardless of the amplitude of the negative signal, the gate electrode of IGFET 20 will be reverse biased with respect to the substrate by an amount equal to V F , which is a safe value since Vf is on the order of 1 volt.

Wenn V0 negativ ist, ist die Diode D1 gesperrt, so daß sie nicht leitet. Da die maximale negative Spannung an der Gate-Elektrode 16g des IGFET 16 undWhen V 0 is negative, diode D1 is blocked so that it does not conduct. Since the maximum negative voltage at the gate electrode 16g of the IGFET 16 and

an der Anode der Diode D1 gleich — V,.- Volt ist, und da das Substrat des IGFET 16 und die Kathode der Diode D1 an + V0n Volt angeschlossen sind, sind die Diode Dl und die Gate-Substrat-Strecke des IGFET 16 mit einer Spannung in Durchlaßrichtung vorgespannt, deren Amplitude gleich j V0., + V1 j ist. Da wie zuvor V1- in der Größenordnung von 1 Volt beträgt und V0n (10 Volt) erheblich unter dem Wert der Sperrdurchbruchsspannung der Diode D1 sowie der Gate-Substrat-Durchbruchsspannung des IGFET 16 liegt, ist der Transistor gut geschützt.at the anode of the diode D 1 is equal to - V, .- volts, and since the substrate of the IGFET 16 and the cathode of the diode D1 are connected to + V 0n volts, the diode Dl and the gate-substrate path of the IGFET are 16 biased with a voltage in the forward direction, the amplitude of which is equal to j V 0. , + V 1 j. Since, as before, V 1 - is on the order of 1 volt and V 0n (10 volts) is well below the reverse breakdown voltage of diode D 1 and the gate-substrate breakdown voltage of IGFET 16 , the transistor is well protected.

Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, kann durch Ausnützung der Durchlaßleitung zweier Dioden D1 und Dl die Spannung zwischen Gate-Elektrode und Substrat auf einen sicheren Wert begrenzt werden.As is apparent from the foregoing, the forward conduction of two diodes D 1 and Dl can be limited by utilizing the voltage between the gate electrode and the substrate to a safe value.

Die Einfachheit und Wirksamkeit der vorliegenden Schaltung wird ersichtlich, wenn man F i g. 2 betrachtet, die im Querschnitt eine integrierte Schaltung gemäß der Erfindung wiedergibt. Der Schaltungsbaustein ist in monolithischer Form nach üblichen Verfahren hergestellt und enthält ein Substrat 30 aus einem Halbleitermaterial wie Silicium, das in diesem Fall N-leitend ist. Auf ,der Oberfläche 34 des Substrats 30 können mit Hilfe üblicher Diffusionsverfahren die Elemente des Schaltungsbausteins gebildet werden.The simplicity and effectiveness of the present circuit can be seen by referring to FIG. 2 considered, which shows in cross section an integrated circuit according to the invention. The circuit component is made in monolithic form by conventional methods and includes a substrate 30 from a semiconductor material such as silicon, which in this case is N-conductive. On, the surface 34 of the substrate 30, the elements of the circuit module can be formed with the aid of conventional diffusion processes will.

An der Oberfläche 34 befindet sich ein eindiffundiertes P-leitendes Gebiet, das das aktive Substrat 40 für den N-leitendenIGFET 20 der Schaltung bildet. Innerhalb dieses eindiffundierten Gebietes an der Oberfläche 34 befinden sich im Abstand voneinander die Source-Zone 45 und die Drain-Zone 46 des IGFET 20. Außerdem ist ein eindiffundiertes Gebiet 47 vorgesehen, das mit dem übrigen Teil des Substrates 40 einen die Diode D 2 bildenden PN-Übergang bildet.A diffused-in is located on the surface 34 P-type region which forms the active substrate 40 for the N-type IGFET 20 of the circuit. Within this diffused area on the surface 34 are located at a distance from one another the source zone 45 and the drain zone 46 of the IGFET 20. There is also an indiffused region 47 is provided, which with the remaining part of the substrate 40 forms a diode D 2 PN junction forms.

Der P-leitende IGFET 16, der im Substrat 30 außerhalb des Substrates 40 gebildet ist, hat im Abstand voneinander eine Source-Zone 35 und eine Drain-Zone 36. Ein P-leitendes Gebiet 37, das an der Oberfläche 34 an von dem IGFET 16 beabstandeter Stelle vorgesehen ist, bildet mit dem Substrat 30 einen die Diode D1 bildenden PN-Übergang.The P-type IGFET 16 formed in the substrate 30 outside the substrate 40 is spaced from each other a source region 35 and a drain region 36. A P-conductive region 37, which at the Surface 34 is provided at a point spaced apart from IGFET 16, forms one with substrate 30 the PN junction forming the diode D1.

Das N+-leitende Gebiet 47 der Diode D 2, die Gate-Elektrode des N-leitenden IGFET 20, die Gate-Elektrode des P-leitenden IGFET 16 und das P-Gebiet der Diode D1 sind sämtlich durch einen gemeinsamen Leiter 21, der seinerseits an den Verbindungspunkt 22 angeschlossen ist, untereinander verbunden. Ein Kontakt SO verbindet das als P-Wanne ausgebildete Substrat 40 des N-leitenden IGFET 20 mit der Klemme 14, die, wie oben erwähnt, mit Masse verbunden sein kann. Ein an das N-leitende Substrat 30 angeschlossener Kontakt 52 ist mit der Klemme 12 verbunden, die an + V0n angeschlossen werden kann, wie ebenfalls bereits erwähnt. The N + -conductive region 47 of the diode D 2, the gate electrode of the N-conductive IGFET 20, the gate electrode of the P-conductive IGFET 16 and the P-region of the diode D1 are all through a common conductor 21, which in turn is connected to the connection point 22 , interconnected. A contact SO connects the substrate 40 of the N-conductive IGFET 20, designed as a P-well, to the terminal 14, which, as mentioned above, can be connected to ground. A contact 52 connected to the N-conductive substrate 30 is connected to the terminal 12, which can be connected to + V 0n , as also already mentioned.

Die Verwendung eines P+-Gebietes 37 in Verbindung mit dem Substrat 30 für die Bildung einer Schutzdiode und die Verwendung eines N-Ieitenden Gebietes 47 in Verbindung mit dem Substrat 40 für die Bildung einer zweiten Schutzdiode ergeben eine einfache Lösung des schwierigen Problems des Schutzes der Isolierschicht.The use of a P + region 37 in connection with the substrate 30 for the formation of a protection diode and the use of an N-conducting region 47 in connection with the substrate 40 for the formation of a second protection diode provide a simple solution to the difficult problem of the protection of the Insulating layer.

Die Dioden D1 und D 2 bilden einen Leitungsweg wischen dem durch das Substrat 40 und das Substrat JO gebildeten PN-Übergang und den Gate-Elektro-Jen. Der Nutzen dieses Leitungsweges, obwohl nicht ±ne weiteres ersichtlich, ergibt sich zum Teil daraus, daß der PN-Übergang eine Sperrschichtkapazi tat aufweist, die wegen der verhältnismäßig großei Ausdehnung des Übergangs um ein bis zwei Größen Ordnungen größer als die Gate-Substrat-Kapazitä eines typischen IGFET sein kann. The diodes D1 and D 2 form a conduction path between the PN junction formed by the substrate 40 and the substrate JO and the gate electrical Jen. The benefit of this conduction path, although not further apparent, results in part from the fact that the PN junction has a barrier layer capacitance which, because of the relatively large extension of the junction, is one to two orders of magnitude larger than the gate-substrate Capacitance of a typical IGFET can be.

Es besteht daher, wie in F i g. 3 (Diode D1) gezeigt ein in Sperrichtung vorgespannter PN-Übergang, dei mit seiner Kathode (Substrat 30) an die Klemme Il und mit seiner Anode (Substrat 40) an die Klemme 14There is therefore, as shown in FIG. 3 (diode D 1 ) shows a reverse biased PN junction, dei with its cathode (substrate 30) on terminal II and with its anode (substrate 40) on terminal 14

ίο angeschlossen ist, und zu dem eine Sperrschichtkapazität (C;) parallel liegt.ίο is connected, and to which a junction capacitance (C;) is parallel.

Es sei jetzt der Fall betrachtet, daß eine statische Ladung gespeichert wird, während der Schaltungsbaustein elektrisch »schwimmt«, d. h. ohne Masse- anschluß ist (z. B. beim Tragen oder Handhaben), und daß anschließend nur eine der Klemmen 12 und 14 als erstes entweder direkt oder über die niedrige Quellenimpedanz der Batterie 10 an Masse angeschlossen wird, beispielsweise beim Einbau des Schaltungsbausteins in eine Schaltungsanordnung.Let us now consider the case that a static charge is stored while the circuit component is electrically "floating"; H. without mass connection is (z. B. when carrying or handling), and that then only one of the terminals 12 and 14 first connected to ground either directly or through the low source impedance of battery 10 is, for example, when installing the circuit module in a circuit arrangement.

Um zu verstellen, wie die Dioden in Verbindung mit verschiedenen Kapazitäten mithelfen, einen Spannungsaufbau infolge von statischen Ladungen zu verhindern, betrachte man Fig. 3, die ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Schaltungen nach Fig. 1 und 2 zeigt. Im Ersatzschaltbild liegt die durch die Diode D 2 ncbcngeschlosscne Gate-Substrat-Kapazität (C1) des IGFET 20 in Reihe mit der durch die Diode Dl nebengeschlossenen Gate-Substrat-Kapazität (C1) desIn order to adjust how the diodes, in conjunction with various capacitances, help to prevent a build-up of voltage due to static charges, consider FIG. 3, which shows a simplified equivalent circuit diagram of the circuits according to FIGS. In the equivalent circuit diagram, the gate-substrate capacitance (C 1 ) of the IGFET 20 closed by the diode D 2 is in series with the gate-substrate capacitance (C 1) of the closed by the diode D 1

IGFET 16 in Reihe mit der durch den PN-Übergang Diode (Dy) der Substrate nebengeschlossenen Sperrschichtkapazität (C;) der Substrate. Um die Erläuterung zu vereinfachen, sei angenommen, daß die statische Ladung der Gate-Elektroden am Verbindungspunkt 22 positiv ist und nur die Klemme 14 an Masse liegt. Wäre die Diode D1 nicht vorhanden, so würde die Gesamtkapazität sehr klein sein, da C2 effektiv parallel zur Reihenschaltung von C, und C1 liegen würde. Als Folge davon könnte die Spannung an C2 (V= -£), die an der Gate-Substrat-Strccke des IGFET 20 liegt, so groß sein, daß die Oxidschicht durchbrochen oder durchgriffen wird. Da jedoch die Diode Dl die Gate-Elektroden 16g, 20g mit dem Substrat 30 koppelt, wird dadurch C2 effektiv parallel mit C; geschaltet. Da der Betrag der Ladung (Q) konstant ist, wird durch die Erhöhung der Kapazität um eine Größenordnung die Spannung um eine Größenordnung erniedrigt. Selbst wenn also die Klemme 12 nicht an einem niederohmigen Punkt liegt, wird dadurch, daß die Diode D1 leitet, sobald die Spannung an der Gate-Elektrode die Spannung am Substrat 30 übersteigt, der Aufbau einer hohen Spannung unterbunden. Es sei jetzt angenommen, daß die gespei- IGFET 16 in series with the junction capacitance (C; ) of the substrates shunted by the PN junction diode (Dy) of the substrates. To simplify the explanation, assume that the static charge on the gate electrodes at junction 22 is positive and only terminal 14 is grounded. If the diode D1 were not present, the total capacitance would be very small, since C 2 would effectively lie in parallel with the series connection of C 1 and C 1. As a consequence of this, the voltage at C 2 (V = - £), which is applied to the gate-substrate stretch of the IGFET 20, could be so great that the oxide layer is broken through or penetrated. However, since the diode Dl couples the gate electrodes 16g, 20g to the substrate 30, this effectively makes C 2 in parallel with C ; switched. Since the amount of charge (Q) is constant, increasing the capacitance by one order of magnitude lowers the voltage by one order of magnitude. Even if the terminal 12 is not at a low-resistance point, the fact that the diode D 1 conducts as soon as the voltage at the gate electrode exceeds the voltage at the substrate 30 prevents the build-up of a high voltage. It is now assumed that the stored

cherte Ladung negativ und nur die Klemme 12 an den Pluspol der Batterie 10 angeschlossen ist. Die Diode D 2 legt jetzt C, parallel zu C1. Die Spannung zwischen Gate-Elektrode und Substrat des IGFET16 wird daher beträchtlich heruntergedrückt, da die LaGuaranteed charge negative and only the terminal 12 is connected to the positive pole of the battery 10. The diode D 2 now puts C, parallel to C 1 . The voltage between the gate electrode and the substrate of the IGFET16 is therefore suppressed considerably, since the La dung wie zuvor konstant ist und die Diode D 2 jetzt dazu verwendet wird, die Ladung auf eine viel größere Kapazität zu verteilen und diese aufzuladen.tion is constant as before and the diode D 2 is now used to distribute the charge to a much larger capacitance and to charge it.

Die Dioden D1 und D 2 schalten somit eine größere Kapazität parallel zu den verschiedenen Gate- Substrat-Kapazitäten und schützen die Isolierschichten dadurch, daß sie den Aufbau einer hohen Spannung infolge von statischer Aufladung verhindern.
Wenn die gespeicherte Ladung positiv und die
The diodes D 1 and D 2 thus connect a larger capacitance in parallel with the various gate- substrate capacitances and protect the insulating layers in that they prevent the build-up of a high voltage as a result of static charging.
If the stored charge is positive and the

Klemme 12 an den positiven Pol der Batterie 10 angeschlossen ist, oder wenn die gespeicherte Ladung negativ und die Klemme 14 an Masse angeschlossen ist, besteht keine Gefahr, daß hohe Spannungen aufgebaut werden, da die Dioden dann K0 an (Vn,, ! V1) oder an (— V1) anklammern, wie im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben.Terminal 12 is connected to the positive pole of battery 10, or if the stored charge is negative and terminal 14 is connected to ground, there is no risk of high voltages being built up, since the diodes are then connected to K 0 ( V n ,, ! V 1 ) or cling to (- V 1 ) , as in connection with FIG. 1 described.

Zu beachten ist ferner, daß verschiedene liehe PN-Ubergänge vorhanden sind (vgl. I die ebenfalls dazu beitragen können, daß ei störung der Isolierschicht verhindert wird. E dend sind jedoch die Dioden Dl und Dl, zwei kritische Leitungswege zwischen den Su und den Gate-Elektroden bilden.Note that different Liehe PN junctions are present is also, (see. That can help I also that ei failure of the insulating layer is prevented. However, I have DEND the diode Dl and Dl, two critical supply lines between Su and the gate -Form electrodes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (3)

Substrat eines (diskreten) Feldeffekttransistors ist Patentansprüche: auch aus der BE-PS 6 96 173 bekannt. Man war bis her der Meinung, diese Schutzmaßnahme sei aus-The substrate of a (discrete) field effect transistor is patent claims: also known from BE-PS 6 96 173. Up until now it was believed that this protective measure was 1. Schutzschaltung für einen integrierten Schalt- reichend, da eine einzige Diode die Isolierschichtkreis, der zwei Isolierschicht-Feldeffekttransisto- 5 spannung theoretisch je nach der Polarität der zu ren (IGFET) entgegengesetzten LeitKhigkeitstyps großen Eingangsspannung entweder auf ihre Durchenthält, die auf zwei miteinander einen gleichrich- laßspannung oder auf annähernd ihre Sperrdurchtenden Übergang bildenden Halbleitersubstraten bruchsspannung (z. B. 25 V) begrenzt, also normalervon zueinander entgegengesetztem Leitfähigkeits- weise auf ungefährliche Werte. In der Praxis kann es typ angeordnet sind, mit einer zwischen die zu- io sich jedoch ergeben, daß der Sperrdurchbruch einer sammengeschalteten Gate-Elektroden der beiden solchen Diode erst bei unnormal hohem Wert erfolgt IGFET und das erste, N-leiiende Substrat ge- oder die Diode nicht genügend schnell durchbricht, schalteten ersten Halbleiterdiode, welche mit In solchen Fällen kann die Isolierschicht des zu ihrer Anode an die beiden Gate-Elektroden an- schützenden Transistors durchbrechen, also zerstört geschlossen ist, dadurch gekpnnzeich- 15 werden, bevor die Diode wirksam werden kann,
net, daß die Schutzschaltung eine zweite Halb- Um diese Nachteile zu vermeiden, kann man einen leiterdiode (D 2) enthält, die mit ihrer Kathode an in Durchlaßrichtung vorgespannten PN-Übergang die beiden Gate-Elektroden (16 g, 20 g) und mit zum Anklammern von Signalen der einen Polarität ihrer Anode an das zweite, P-leitende Substrat mit einem ersten Transistor kombinieren, der als Ein-(40) geschaltet ist. 20 gangsimpedanzelement zwischen dem Eingangspunkt
1. Protection circuit for an integrated circuit, since a single diode contains the insulating layer circuit, the two insulating layer field effect transistor voltage theoretically, depending on the polarity of the conductivity type opposite to that of the (IGFET) large input voltage either on its length, which on two with each other Rectifying voltage or breaking voltage (e.g. 25 V) is limited on semiconductor substrates which almost pass through their blocking junction, that is to say normally from mutually opposite conductivities to harmless values. In practice it can be arranged, with one between the two, however, the reverse breakdown of an interconnected gate electrode of the two such diodes only occurs at an abnormally high value IGFET and the first, N-conducting substrate is or If the diode does not break down sufficiently quickly, the first semiconductor diode switched, which in such cases can break through the insulating layer of the transistor protecting its anode on the two gate electrodes, i.e. is destroyed, before the diode becomes effective can be,
net that the protective circuit has a second half To avoid these disadvantages, one can contain a conductor diode (D 2), the two gate electrodes (16 g, 20 g) and with its cathode at the forward biased PN junction combine to cling signals of one polarity of their anode to the second, P-type substrate with a first transistor, which is connected as an on (40). 20 input impedance element between the input point
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch der Schaltung und einem zweiten Transistor liegt, gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung einen welcher als Diode über den Eingang eines dritten zwischen die zusammengeschalteten Gate-Elek- Transistors geschaltet ist, dessen Isolierschicht getroden (16g, 20g) und einen Signaleingang (24) schützt werden soll. Der Kanal des zweiten Transigeschalteten, den Eingangsstrom begrenzenden 25 stors (Diode), dessen Gate- und Drain-Elektroden Widerstand (R) enthält. zusammpngeschaltet sind, ist zwischen die Gate- und2. Protective circuit according to claim 1, characterized in that the circuit and a second transistor is located, characterized in that the protective circuit is connected as a diode via the input of a third between the interconnected gate-electrode transistor, the insulating layer of which is troden (16g, 20g) and a signal input (24) is to be protected. The channel of the second transi-connected, the input current limiting 25 stors (diode), whose gate and drain electrodes contain resistance (R). are interconnected is between the gate and 3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, Source-Elektroden des zu schützenden Transistors dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halb- geschaltet. Dadurch wird zwar der dritte Transistor leiterdioden (Dl, D 2) jeweils aus einem Halb- geschützt, doch ist jetzt die gesamte Belastung dem leitergebiet (37, 47) gebildet sind, das sich im er- 3° ersten und dem zweiten Transistor aufgebürdet. Absten bzw. im zweiten Substrat (30, 40) befindet gesehen davon, daß die Schaltung sehr aufwendig ist, und aus Material von zum betreffenden Substrat wird also das Problem lediglich von einem Schalentgegengesetztem Leitfähigkeitstyp besteht. tungsteil auf einen anderen verlagert. Speziell im 3. Protection circuit according to claim 1 or 2, source electrodes of the transistor to be protected characterized in that the two half-switched. This becomes the third transistor Conductor diodes (Dl, D 2) each from a semi-protected, but now the entire load is the Conductor area (37, 47) are formed, which is buried in the first 3 ° and the second transistor. Absten or in the second substrate (30, 40) is seen from the fact that the circuit is very complex, and from material from the substrate in question, the problem will thus only consist of a conductivity type opposite to the shell. part of the management relocated to another. Especially in the Falle einer integrierten Schaltung ist natürlich beiCase of an integrated circuit is of course with 35 Versagen eines Elements, gleichgültig, ob es der erste,35 Failure of an element, regardless of whether it is the first der zweite oder der dritte Transistor ist, die gesamte Schaltung verloren. Eine weitere Möglichkeit bestehtthe second or the third transistor is lost, the entire circuit. There is another possibility Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschal- darin, für die schützenden Transistoren einerseits tung für einen integrierten Schaltkreis, der zwei Iso- und die zu schützenden Transistoren andererseits lierschicht - Feldeffekttransistoren entgegengesetzten 40 unterschiedliche Isolierschichtdicken (Oxiddicken) zu Leitfähigkeitstyps (komplementäre IGFET) enthält. verwenden, derart, daß die schützenden Kreise leiten, nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1. wenn die Eingangsspannung einen bestimmten kri-The invention relates to a protective scarf therein for the protective transistors on the one hand device for an integrated circuit, the two iso- and the transistors to be protected on the other hand lierschicht - field effect transistors opposite 40 different insulation layer thicknesses (oxide thicknesses) to Conductivity type (complementary IGFET). use in such a way that the protective circles guide, according to the generic term of claim 1. if the input voltage has a certain critical IGFET haben aufgrund der über dem Kanal zwi- tischen Wert erreicht (US-PS 33 95 290). Diese Meschen Gateelektrode und Substrat angeordneten Iso- thode hat den offensichtlichen Nachteil, daß sie eine lierschicht einen extrem hohen Eingangswiderstand. 45 besondere Sorgfalt bei der Herstellung der unter-Damit der Transistor mit praktikablen Spannungs- schiedlich dicken Oxidschichten erfordert, da diese werten betrieben werden kann, muß die Isolierschicht genau kontrolliert werden müssen, so daß die Herverhältnismäßig dünn sein. Wenn jedoch an diese stellung entsprechend kostspielig wird,
dünne Isolierschicht eine große Spannung angelegt Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zuwird, kann sie zerstört werden, so daß der Transistor 50 gründe, eine möglichst einfache Schutzschaltung andurchbricht. Eine hohe Spannung an der Gateelek- zugeben, bei welcher die Schutzwirkung nicht von der trode kann entweder durch Anlegen eines Eingangs- Durchbruchspannung einer in Sperrichtung betriebesignals großer Amplitude oder durch Speicherung von nen Schutzdiode abhängig ist.
IGFET have reached an intermediate value due to the over the channel (US-PS 33 95 290). This iso-method, which is arranged between the gate electrode and the substrate, has the obvious disadvantage that it forms a layer with an extremely high input resistance. 45 Special care in the manufacture of the under-So that the transistor requires oxide layers of different thicknesses with practicable voltage, since these values can be operated, the insulating layer must be precisely controlled so that the thicknesses are relatively thin. However, if this position becomes correspondingly expensive,
A large voltage is applied to the thin insulating layer. Accordingly, the object of the invention is to be destroyed, so that the transistor 50 breaks down a protective circuit which is as simple as possible. Add a high voltage to the gate electrode, at which the protective effect cannot depend on the electrode, either by applying an input breakdown voltage of a high amplitude operating signal in the reverse direction or by storing a protective diode.
statischer Ladung entstehen. Wegen der hohen Ein- Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die imstatic charge. Because of the high input The invention solves this problem by the im gangsimpedanz des Transistors (typischerweise be- 55 Patentanspruch 1 gekennzeichnet Schutzschaltung,
tragen der Eingangswiderstand mehr als 1014 Ohm Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Schutz-
input impedance of the transistor (typically a protective circuit,
carry the input resistance more than 10 14 ohms The invention has the advantage that the protective
und die Eingangskapazität in der Größenordnung von schaltung nicht mehr von dem Spannungsdurchbruch 10~12 Farad) wird selbst eine kleine statische Ladung (Zener-Effekt) einer Schutzdiode abhängig ist und sie an der Gate-Elektrode in eine hohe Spannung über- die relative Gate-Spannung der Transistoren des insetzt. 60 tegrierten Schaltkreises deshalb wesentlich zuverläs-and the input capacitance in the order of magnitude of the circuit no longer depends on the voltage breakdown 10 ~ 12 Farad) even a small static charge (Zener effect) is dependent on a protective diode and it is converted into a high voltage at the gate electrode - the relative gate Voltage of the transistors of the insetzt. 60 integrated circuit is therefore essentially reliable Es sind bereits verschiedene Schutzschaltungen für siger als bisher auf niedrige Werte (in der Größen-IGFET bekannt, eine Schutzschaltung der eingangs Ordnung von 1 Volt, bezogen auf die Versorgungsgenannten Art (für ein NOR-Glied vom CMOS-Typ spannungen des Schaltkreises) begrenzt. Es wurde mit drei Eingängen) z. B. aus »Electronics Review«, nämlich festgestellt, daß bisher insbesondere bei einer Vol. 40, Nr. 8, Seiten 48—49. Die Einschaltung einer 65 schnellen Folge von Störimpulsen am Schaltungseinje nach der Polarität der unerwünschten Signale in gang die Sperrdurchbruchsspannung der einzigen Durchlaßrichtung oder im Durchbruchbetrieb arbei- Diode zunehmend größer werden konnte, so daß tenden Schutzdiode zwischen Gate-Elektrode und schließlich ein für die Transistoren gefährlicher WertThere are already different protection circuits for siger than before on low values (in the size IGFET known, a protective circuit of the initial order of 1 volt, based on the supply mentioned Type (for a NOR element of the CMOS type voltages of the circuit) limited. It was with three inputs) e.g. B. from "Electronics Review", namely found that so far in particular with one Vol. 40, No. 8, pages 48-49. The activation of a rapid sequence of glitches at the circuit unit according to the polarity of the unwanted signals in gear the reverse breakdown voltage of the only one Forward direction or in breakdown operation diode could become increasingly larger, so that protective diode between gate electrode and finally a dangerous value for the transistors
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