DE2227339A1 - Elektrische Schutzschaltung - Google Patents

Description

THE NATIONAL CASH REGISTER COMPANY Dayton, Ohio (V.St.A.)

Patentanmeldung: Unser Az.: 1392/Germany ELEKTRISCHE SCHUTZSCHALTUNG

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzschaltung für einen Feldeffekttransistor mit isolierter Gateelektrode aus einem Feldeffekthalbleiterelement.

Wie allgemein bekannt ist, treten Überspannungen z.B. durch statische Aufladungen beim Hantieren an den hochohraigen Eingahgsschaltungen von Feldeffekttransistoren auf. Durch statische Aufladungen können die Transistoren zerstört werden. Aus der US-Patentschrift 3 395 290 ist bereits eine elektrische Schutzschaltung bekannt, in der einem zu schützenden Transistor die Source-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors vorgeschaltet ist, über die dem zu schützenden Transistor die Steuerspannung zugeführt wird. Diese Schutzschaltung ist nur funktionsfähig, wenn an dem vorgeschalteten Transistor eine entsprechende Steuerspannung vorhanden ist. Außerdem ist aus dieser Patentschrift auch eine Schutzschaltung mit einem als Diode geschalteten Transistor bekannt, der mit der Steuerelektrode des zu schützenden Transistors verbunden ist. Bei dieser Schaltung ist es möglich, daß der zu schützende Transistor zerstört wird, bevor der als Diode geschaltete Transistor wirksam Wird, um eine auftretende überspannung nach Masse abzuleiten.

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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Schutzschaltung aufzuzeigen, die einen besseren Schutz vor Zerstörung infolge von auftretenden Oberspannungen bietet, als die bekannten vorgenannten elektrischen Schutzschaltungen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Feldeffekthalbleiterelement aus einem Halbleiterträger mit einer ersten Leitfähigkeit besteht, in dem ein Sourceelektrodenbereich und ein Drainelektrodenbereich mit einer zweiten Leitfähigkeit vorgesehen sind, wobei ein Elektrodenbereich einen Pfad bildet, dessen Anfang über eine Drainanschlußklemme mit einer Eingangsklemme und dessen Ende über eine Drainverbindungsstelle mit der Gateelektcode des zu schützenden Transistors verbunden sind, wobei der andere Elektroderibereich mit einem Bezugspotential verbunden ist, und daß die zwischen der Gateelektrode, die mit der Drainanschlußklemme verbunden ist, und dem Halbleiterträger liegende Isolierschicht dicker als eine zwischen der Gateelektrode und dem Source-Drainelektrodenbereich liegende Isolierschicht des Transistors ist.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung eine Spannung auftritt, die einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird über einen großen Bereich die am Eingang der Schaltung auftretende überspannung von dem Drain-Elektrodenbereich an den Source-Elektrodenbereich überführt. Durch die Anordnung eines Drainelektrodenbereiches zwischen der Eingangsklemme und der Gateelektrode des zu schützenden Transistors gemäß der Erfindung wird ein wirksamer Schutz erzielt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In diesen zeigt:

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Fig. 1 eine Draufsicht auf eine elektrische Schutzschaltung gemäß Erfindung,

Fig. Z eine Schnittdarstellung entlang der Linien 2-2 in: Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schutzschaltung nach Fig. 1 und

Fig. 4 ein mit der in Fig. 1 dargestellten Schutzschaltung äquivalentes Schaltungsdiagraram.

In Fig. 1 ist ein Feldeffekthalbleiterelement zum Schutz eines Feldeffekttransistors 24 zwischen einer negativen Spannungsquelle 50 und der Gateelektrode des Transistors 24 vorgesehen. Der Transistor 24 ist ein Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp. Das Feldeffekthalbleiterelement 16 enthält einen großen Source-Elektrodenbereich und einen großen Drain-Elektrodenbereich 18. Diese Bereiche 14 und 18 sind als p-Bereiche in einem Siliziumträger 17 gebildet. Der Siliziumträger 17 ist η-dotiert. Das Feldeffekthalbleiterelement 16 besitzt außerdem eine Gateelektrode 10, die durch eine 12000 Angstrom dicke Isolationsschicht von einem zwischen den Bereichen 14 und 18 liegenden ndotierten Kanal 13 getrennt ist. Ein U-förmig ausgebildeter Bereich 20 des Drain-Elketrodenbereichs 18 besitzt eine Länge von über 400 ,um. Die Bereiche 14 und 18 können entweder gerade oder z.B. in der in Fig. 1 gezeigten Form ausgebildet sein. Das Feldeffekthalbleiterelement 16 ist ebenfalls vom Anreicherungstyp und besitzt eine Schwellwertspannung von ungefähr 40 Volt. Ein Spannungsimpuls V_g von 5000 Volt mit einer Dauer von einigen Nanosekunden kann Über einen Widerstand 52 an die Gateelektrode 10 angeregt werden, ohne daß das dicke Oxydfeldeffekthalbleiterelement 16 zerstört wird. Die Gateelektrode 10 ist mit einer am

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linken Teil des Drain-Elektrodenbereichs 18 angeordneten Klemme 21 verbunden (Fig.2). Der Source-Elektrodenbereich 14 ist mit Masse verbunden,

Eine negative Spannung V_g kann über die Klemme 21 an die Gateelektrode 10 und über die Klemme 19 an den Drain-Elektrodenbereich 18 des Feldeffekthalbleiterelements 16 angelegt werden. Wenn die Spannung V nicht negativer als der Schwellwertpegel von etwa -40 Volt ist, können Elektronen vom Drain-Elektrodenbereich 18 zur Gateelektrode 30 des Transistors 24 gelangen, so daß dieser gesteuert wird. Durch die Spannung V_g wird somit der Transistor 24 im Normalbetrieb angesteuert.

Wenn ein negatives Potential von einigen 1000 Volt, das z.B. infolge der durch eine Person hervorgerufenen statischen Aufladungen erzeugt wurde, an die Klemme 21 des Feldeffekthalbleiterelements 16 angelegt wird, wird das Feldeffekthalbleiterelement 16 leitend, dJi. die Elektronen fließen nun von dem Drain-Elektrodenbereich 18 zu dem Source-Elektrodenbereich 17 und somit nach Masse. Der Elektronenfluß findet über den gesamten Bereich des Kanals 13 zwischen dem Drain-Elektrodenbereich 18 und dem Source-Elektrodenbereich 14 statt.

Die Gateelektrode 30 des Transistors 24 ist mit dem rechten Ende an der Drain-Elektrodenverbindungsstelle 22 mit der Drain-Elektrode 18 des Feldeffekthalbleiterelements verbunden. Der Transistor 24 ist ein Metalloxydhalbleitertransistor vom Anreicherungstyp und besitzt einen p- Kanal. Der Transistor 24 besitzt einen p- dotierten Source-Elektrodenbereich 32 und einen gleichartigen Drain-Elektrodenbereich 34. Diese Bereiche sind in dem n- dotierten Siliziumträger 17 angeordnet. Der Drain-Elektrodenbereich 34 ist mit einer negativen Spannungsquelle 64 verbunden. Der Source-

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Elektrodenbereich 32 liegt an Masse, über den Source- und Drain-Elektrodenbereich 33 und 34 ist eine Qxydisolationsschicht 38 vorgesehen. Die Isolationsschicht 38 des Transistors 24 ist 1200 Ängström dick. Der Schwellwertpegel dieses Transistors liegt bei nur -4 Volt. Die Spannung, bei der dieser Transistor zerstört wird, liegt bei etwa 100 Volt. Der rechte Teil des Drain-Elektrodenbereiches 18 an der Drainverbindungsstelle 22 besitzt einen Widerstand von etwa 2000 0hm und dient zusätzlich als Schutzwiderstand zwischen der Klemme 21 und der Gateelektrode 30 des Transistors 24. Der U-förmig ausgebildete Teil 20 des DrainrElektrodenbereiches 18 besitzt einen Widerstand von etwa 6000 0hm. Der Widerstand 52 dient als Strombegrenzungswiderstand und ist etwa 20000 0hm groß.

Da die Isolationsschicht 38 des Transistors 24 nur 1200 Ängström dick ist, würde beim Auftreten einer Spannung von über -100 Volt zwischen der Gateelektrode 30 und dem Drain-Elektrodenbereich32 für die Zeit von einigen Nanosekunden bereits eine Zerstörung des Transistors erfolgen. Die Isolationsschicht 38 muß deshalb vor einer Spannung V von über -100 Volt geschützt werden. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung bietet diesen Schutz.

In Fig. 2 ist ein Teil der in Fig. 1 dargestellten Anordnung entlang der Linie 2-2 im Schnitt dargestellt. Der Source-Elektrodenbereich 14 und der Drain-Elektrodenbereich 18 sind innerhalb des Siliziumträgers 17 angeordnet, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Die Drainanschlußklemme 19 und die Drainverbindungsstelle 22 an den beiden Enden des Drainbereiches 18 sind in Fig. 2 ebenfalls dargestellte Die Bezugszahlen der in Fig. 2 dargestellten Teile sind identisch mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugszahlen. Die Oxydisolationsschicht 23 bedeckt den größten Teil der Source-Drain-Bereiche 14 und 18 und besitzt, wie bereits gesagt, eine Stärke von 12000 Ängström. Die Gateelektrode 10 ist auf der Oxydisolationsschicht 23 aufgedampft und ist mit der Drainanschlußklemme 19 des Drain-Elektrodenbereiches 18 verbunden. Die Drainverbindungsstelle 22 des Drain-Elek-

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trodenbereiches 18 ist mit der Gateelektrode 30 des Transistors 24 verbunden, wie aus dem rechten Teil der Fig. 2 zu entnehmen ist. Der Transistor 24 ist in den n- dotierten Siliziumträger 17 integriert. Es könnte doch ebenso ein Transistor verwendet werden, der nicht mit dem Siliziumträger 17 verbunden ist.

Die maximale Spannung, die an die Gateelektrode 30 gelangen kann, ist -60 Volt, wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, da ein großer Teil der am Eingang anliegenden Spannung V_$ über die Gesamtlänge des Kanals 13 des Feldeffekthalbleiterelements 16 neben_geschlossen wird. Dadurch wird der Transistor 24 wirksam geschützt.

Anhand der Fig. 4 wird im folgenden die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten elektrischen Schutzschaltung beschrieben. Ein Widerstand 20* und ein Transistor 16' stellen einen ersten Teil des in Fig. 1 dargestellten Feldeffekthalbleiterelements dar. Ein Widerstand 20" und ein Transistor 16" stellen einen 2. Abschnitt des Feldeffekthalbleiterelements 16 dar. Widerstände 20ⁿ und Transistoren 16ⁿ stellen den restlichen Teil des Feldeffekthalbleiterelements dar, wobei η eine große Anzahl von gleichgroßen Abschnitten ist, in die das Feldeffekthalbleiterelement 16 aufgeteilt werden kann. Die Summe der Widerstände 20* bis 20ⁿ stellt den Gesamtwiderstand des u-förmigen Teils 20 in dem Elektrodenbereich 18 dar. Der Widerstand 22¹ stellt den Widerstand der Drainverbindungsstelle 22 in Fig. 1 dar.

Wie aus Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 1 ersichtlich, wird durch die Parallelschaltung eine am Eingang anliegende Spannung V_s in dem Feldeffekthalbleiterelement 16 über die Widerstände 20* bis 20ⁿ und die Transistoren 16* bis 16ⁿ aufgeteilt. Dadurch wird der Transistor 24 wirksam vor einer zu hohen am Eingang auftretenden Spannung

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geschützt. Der Widerstand 52 dient als Strombegrenzungswiderstand. Mit Hilfe eines Voltmeters 62 kann die an der Gateelektrode 30 des Transistors 24 auftretende Spannung in Bezug auf Masse gemessen werden. In Fig. 4 sind Dioden 13* bis 13ⁿ dargestellt. Diese Dioden werden innerhalb des Feldeffekthalbleiterelements 16 gebildet. Sie werden leitend, wenn zwischen dem Drain-Elektrodenbereich 18 und dem Source-Elektrodenbereich 14, und somit nach Masse, eine gute Verbindung besteht. Dies ist der Fall, wenn entlang des Kanals 13 eine Spannung von -80 Volt zwischen dem Drain-Elektrodenbereich 18 und dem Source-Elektrodenbereich 14 auftritt und der Abstand 400 ,um groß ist.

In Fig. 3 ist die Spannung V auf einer vertikalen Achse und die Spannung V auf einer horizontalen Achse aufgetragen. Wenn die am Eingang auftretende Spannung V_c etwa -40 Volt groß wird, wird das Feldeffekthalbleiterelement 16 wirksam und erzeugt einen Nebenschlußpfad nach Masse. Wenn die Eingangsspannung V -150 Volt groß wird, liegen an der Gateelektrode 30 des Transistors 24 maximal -60 Volt. Die restlichen -90 Volt werden über die in Fig.4 dargestellten Widerstände 20* bis 20ⁿ und die Transistoren 16' bis 16ⁿ nach Masse abgeleitet.

Bei einer Spannung V_g von etwa -150 Volt wird die Diodendurchbruchsspannung erreicht. Der Diodendurchbruch tritt infolge der umgekehrten Vorspannung des p-n Übergangs der Dioden 13' zwischen der Drainanschlußklemme. 19 des pdotierten Drain-Elektrodenbereich 18 in Fig. 2 und des ndotierten Siliziumträgers 17 auf. Der p-n übergang der Diode 19* besitzt die Wirkungsweise einer Avalanchediode. Durch den Diodendurchbruch folgt eine verbesserte Leitung für negative Ladungen über den Siliziumträger 17 nach Masse. Wenn dieser Diodendurchbruch auftritt, wird die Spannung V an der Elektrode 30 auf den Wert von minus 40 Volt begrenzt, obwohl die Eingangspannung V_s an der Klemme 21 mehrere tausend Volt betragen kann.

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Die in Fig. 1 dargestellte Schutzschaltung

bietet auch einen Schutz gegen Überhöhte positive Spannungen, da der p- dotierte Drain-Elektrodenbereich 18 in diesem Fall in Bezug auf den n- dotierten Siliziumträger 17 in Vorwärtsrichtung vorgespannt würde.

. Das Feldeffekthalbieiterelement 16 in Fig. 1 und der Transistor 24kann abwechselnd auch mit einem n-Kanal aufgebaut werden. Wenn die Schaltung nach Fig. 1 mit einem η-Kanal aufgebaut wird» kann ein Feldeffekttransistor mit einem η-Kanal vor hohen positiven Überspannungen geschützt werden. Die von der Spannungsquelle 64 erzeugte Spannung ist dann eher positiv. Die an der Klemme 21 auftretende Steuerspannung muß positiv sein, um den η-Kanal eines Transistors 24 vom Anreicherungstyp ansteuern zu können.

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   Elektrische Schutzschaltung für einen Feldeffekttransistor mit isolierter Gateelektrode aus einem Feldeffekthalbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Feldeffekthalbleiterelement (16) aus einem Halbleiterträger (17) mit einer ersten Leitfähigkeit besteht, in dem ein Sourceelektrodenbereich (14) und ein Drainelektrodenbereich (18) mit einer zweiten Leitfähigkeit vorgesehen sind, wobei ein Elektrodenbereich (z. B. 18) einen Pfad (20) bildet, dessen Anfang über eine Drainanschlußklemme (19) mit einer Eingangsklemme (21) und dessen Ende über eine Drainverbindungsstelle (22) mit der Gateelektrode (30) des zu schützenden Transistors (24) verbunden sind, wobei der andere Elektrodenbereich (z. B. 14) mit einem Bezugspotential (z. B. Masse) verbunden ist, und daß die zwischen der Gateelektrode, die mit der Drainanschlußklemme (19) verbunden ist, und dem Halbleiterträger (17) liegende Isolierschicht (23) dicker als eine zwischen der Gateelektrdde (30) und dem Source-Drainelektrodenbereich liegenden Isolierschicht (38) des Transistors (24) ist.

   2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Source-Elektrodenbereich (14) und der Drainelektrodenbereich (18) fingerförmig ausgebildet sind und kammartig ineinandergreifen.

   3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolierschicht (23) des Halbleiterelementes (16), die mindestens den Kanal (13) überdeckt, mehreremal größer als die Dicke der Isolierschicht (38) des Transistors (24) ist.

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   4. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Obergang zwischen dem Drain-Elektrodenbereich (18) und dem Halbleiterträger (17) so ausgebildet ist, daß ein Avalanche-Durchbruchseffekt in der Nähe der Drain-Anschlußklemme (19) entstehen kann.

   5. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Source· Elektrodenbereich (14) und dem Drain-Elektrodenbereich (18) so groß ist, daß ein vergrößerter Kontaktbereich entsteht, wenn an die Klemme (21) eine im Vergleich zum Schwellwertpegel des Transistors (24) hohe Spannung angelegt wird.

   6. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Feldeffekthalbleiterelement (16) und der Transistor (24) auf einem Halbleiterträger (17) als integrierte Schaltung enthalten sind.

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