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JP2011040520A - Protective circuit - Google Patents

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JP2011040520A
JP2011040520A JP2009185544A JP2009185544A JP2011040520A JP 2011040520 A JP2011040520 A JP 2011040520A JP 2009185544 A JP2009185544 A JP 2009185544A JP 2009185544 A JP2009185544 A JP 2009185544A JP 2011040520 A JP2011040520 A JP 2011040520A
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JP
Japan
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mos transistor
circuit
protection circuit
esd
transistor
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Application number
JP2009185544A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Tomioka
幸治 富岡
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Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Original Assignee
Asahi Kasei Electronics Co Ltd
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Publication date
Application filed by Asahi Kasei Electronics Co Ltd filed Critical Asahi Kasei Electronics Co Ltd
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a protective circuit capable of surely protecting an internal circuit against ESD, and inputting a signal to be input to the internal circuit without any loss. <P>SOLUTION: The protective circuit which is supplied with electric power from VDD and GND to protect the internal circuit 101 includes: a MOS transistor 104 connected between an external terminal 103 connected to the internal circuit 101, and GND; a MOS transistor 105 connected to a gate terminal g1 of the MOS transistor 104; and a delay circuit 106 which controls the MOS transistor 104 so as to supply a current input from the external terminal 103 connected to the internal circuit 101 to GND when the electric power is not supplied from VDD, and controls the MOS transistor 105 to turn off the MOS transistor 104 when the electric power is supplied from VDD. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、保護回路にかかり、特に、静電気放電(ESD(Electrostatic Discharge))から回路を保護するための保護回路に関する。   The present invention relates to a protection circuit, and more particularly to a protection circuit for protecting a circuit from electrostatic discharge (ESD).

半導体デバイスには、半導体チップの内部回路を静電気放電から保護する保護素子を含む、保護回路が組み込まれている。保護回路は、半導体デバイスの外部端子から入力されるESDサージを引き込み、グランド配線に流すよう動作する。その結果、ESDサージは内部回路には流れ込むことがなく、内部回路に高電圧が加わることを防ぐことができる。このような保護回路を、本明細書では、以降ESD(Electrostatic Discharge)回路とも記す。   The semiconductor device incorporates a protection circuit including a protection element that protects the internal circuit of the semiconductor chip from electrostatic discharge. The protection circuit operates to draw an ESD surge input from an external terminal of the semiconductor device and flow it to the ground wiring. As a result, the ESD surge does not flow into the internal circuit, and a high voltage can be prevented from being applied to the internal circuit. In the present specification, such a protection circuit is also referred to as an ESD (Electrostatic Discharge) circuit.

図5は、従来のESD保護回路を例示した図である。図示したESD保護回路は、2つのダイオード54、55を備えたことにより、外部端子53からESDが入力された場合、そのESDが保護素子56に流される。なお、図中に示したr1は、VSSを基準としてマイナスのパルスのESDが流れる経路である。また、r2は、VSSを基準としてプラスのパルスのESDが流れる経路である。図5に示した従来技術は、例えば、特許文献1に記載されている。   FIG. 5 is a diagram illustrating a conventional ESD protection circuit. The illustrated ESD protection circuit includes two diodes 54 and 55, so that when an ESD is input from the external terminal 53, the ESD flows to the protection element 56. Note that r1 shown in the figure is a path through which a negative pulse ESD flows with respect to VSS. R2 is a path through which positive pulse ESD flows with respect to VSS. The prior art shown in FIG. 5 is described in Patent Document 1, for example.

図6は、従来の他のESD保護回路を示した図である。図6に示したESD保護回路は、図5に示したダイオード54がなく、代わりに容量素子C、抵抗素子R、MOSトランジスタ61を使ってESDサージを流している。
高いパルスのESDが入力されると、MOSトランジスタ61がスナップバック現象を起こしてサージ電流を流すことにより、内部回路を保護することができる。このとき、容量素子C、抵抗素子Rは、ESDが入力されたときにMOSトランジスタ61のゲートに電圧を印加してスナップバックを起こりやすくしている。
FIG. 6 is a diagram showing another conventional ESD protection circuit. The ESD protection circuit shown in FIG. 6 does not have the diode 54 shown in FIG. 5, and instead uses the capacitive element C, the resistive element R, and the MOS transistor 61 to flow an ESD surge.
When a high-pulse ESD is input, the MOS transistor 61 causes a snapback phenomenon to flow a surge current, thereby protecting the internal circuit. At this time, the capacitive element C and the resistance element R apply a voltage to the gate of the MOS transistor 61 when ESD is input, so that snapback easily occurs.

図6に示したESD回路は、図5に示したESD回路において、電源電圧以上の電圧が印加される、電源間の保護回路までの距離が長く、配線抵抗が大きい等の理由によってダイオード54を設けることができない、効果が期待できない場合に適用することができる。   The ESD circuit shown in FIG. 6 is different from the ESD circuit shown in FIG. 5 in that the diode 54 is provided for reasons such as a voltage higher than the power supply voltage is applied, the distance between the power supplies to the protection circuit is long, and the wiring resistance is high. It can be applied when the effect cannot be expected.

特開2006−13446号公報JP 2006-13446 A

ただし、内部回路には、高速の信号を入力すべき場合もある。このため、上記した図6のESD保護回路には、入力すべき信号のパルスに対してはMOSトランジスタ61のゲート電圧を高めることがなく、ESDのパルスが入力された場合にだけゲート電圧を印加してサージ電流を流すことが要求される。このような動作は、容量素子C、抵抗素子Rの容量や抵抗値によって決まる時定数を、信号のパルスについては小さく、ESDについては大きくすることによって可能になる。   However, a high-speed signal may be input to the internal circuit. Therefore, the ESD protection circuit of FIG. 6 does not increase the gate voltage of the MOS transistor 61 with respect to the pulse of the signal to be input, and applies the gate voltage only when the ESD pulse is input. Therefore, it is required to flow a surge current. Such an operation is made possible by increasing the time constant determined by the capacitance and resistance value of the capacitive element C and the resistive element R for signal pulses and large for ESD.

しかしながら、近年、半導体デバイスには、ESDに対するより高い信頼性が要求されるようになっている。また、内部回路には、高速の信号を損失なく入力すべきであることから、ESDサージだけが保護回路に流されるように容量素子C、抵抗素子Rを設計することは困難になっている。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、ESDから内部回路を確実に保護できて、しかも入力すべき信号は損失なく内部回路に入力することができる保護回路を提供することを目的とする。
However, in recent years, semiconductor devices have been required to have higher reliability against ESD. In addition, since a high-speed signal should be input to the internal circuit without loss, it is difficult to design the capacitive element C and the resistive element R so that only the ESD surge flows through the protection circuit.
The present invention has been made in view of these points, and provides a protection circuit that can reliably protect an internal circuit from ESD and that can input a signal to be input to the internal circuit without loss. With the goal.

以上の課題を解決するため、本発明の請求項1の保護回路は、少なくとも第1電源(例えばVDD)及び第2電源(例えばVSS)から電力の供給を受けて、内部回路(例えば図1に示した内部回路101)を保護する保護回路であって、前記内部回路に接続されている外部端子(例えば図1に示した外部端子103)と前記第2電源との間に接続された第1MOSトランジスタ(例えば図1に示したMOSトランジスタ104)と、前記第1MOSトランジスタのゲート端子に接続された第2MOSトランジスタ(例えば図1に示したMOSトランジスタ105)と、前記第1電源により電力が供給されていない場合、前記外部端子から入力された電流を前記第2電源に流すように前記第1MOSトランジスタを制御すると共に、前記第1電源により電力が供給されている場合、前記第1MOSトランジスタがオフとなるように前記第2MOSトランジスタを制御するトランジスタ制御回路(例えば図1に示した遅延回路)と、を備えることを特徴とする。
本発明の請求項2の保護回路は、請求項1に記載の発明において、前記トランジスタ制御回路が、前記第1MOSトランジスタがスナップバック動作を開始するタイミングに遅れて前記第2MOSトランジタをオンさせる遅延回路を含むことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the protection circuit according to claim 1 of the present invention receives power from at least a first power source (for example, VDD) and a second power source (for example, VSS) to provide an internal circuit (for example, in FIG. 1). A first MOS connected between the external power source (for example, external terminal 103 shown in FIG. 1) connected to the internal circuit and the second power source. Power is supplied by a transistor (for example, the MOS transistor 104 shown in FIG. 1), a second MOS transistor (for example, the MOS transistor 105 shown in FIG. 1) connected to the gate terminal of the first MOS transistor, and the first power source. If not, the first MOS transistor is controlled so that the current input from the external terminal flows to the second power source, and power is supplied by the first power source. If it is fed, characterized in that it comprises a a (delay circuit shown in for example FIG. 1) transistor control circuit, wherein the first 1MOS transistor controls said first 2MOS transistor so as to turn off.
The protection circuit according to a second aspect of the present invention is the delay circuit according to the first aspect, wherein the transistor control circuit turns on the second MOS transistor after the timing at which the first MOS transistor starts a snapback operation. It is characterized by including.

本発明の請求項3の保護回路は、請求項1または2に記載の発明において、前記トランジスタ制御回路が、前記第1MOSトランジスタのゲート端子に接続される第1容量素子(例えば図1に示した容量素子109)及び第1抵抗素子(例えば図1に示した抵抗素子110)と、前記第2MOSトランジスタのゲート端子に接続される第2容量素子(例えば図1に示した容量素子108)及び第2抵抗素子(例えば図1に示した抵抗素子107)と、を含み、前記第1容量素子は、前記外部端子と前記第1MOSトランジスタのゲート端子との間に接続され、前記第1抵抗素子は、前記第1MOSトランジスタのゲート端子と前記第2電源との間に接続され、前記第1MOSトランジスタのゲート端子に前記第2MOSトランジスタのドレインが接続され、前記第2抵抗素子が前記第2MOSトランジスタのゲート端子と前記第1電源との間に接続され、前記第2MOSトランジスタのゲート端子と前記第2電源との間に前記第2容量素子が接続されてなることを特徴とする。   A protection circuit according to a third aspect of the present invention is the protection circuit according to the first or second aspect, wherein the transistor control circuit is connected to a gate terminal of the first MOS transistor (for example, shown in FIG. 1). A capacitor element 109) and a first resistor element (for example, the resistor element 110 shown in FIG. 1), and a second capacitor element (for example, the capacitor element 108 shown in FIG. 1) connected to the gate terminal of the second MOS transistor. 2 resistance elements (for example, the resistance element 107 shown in FIG. 1), the first capacitance element is connected between the external terminal and the gate terminal of the first MOS transistor, and the first resistance element is The first MOS transistor is connected between the gate terminal of the first MOS transistor and the second power supply, and the drain of the second MOS transistor is connected to the gate terminal of the first MOS transistor. The second resistive element is connected between the gate terminal of the second MOS transistor and the first power supply, and the second capacitive element is connected between the gate terminal of the second MOS transistor and the second power supply. It is characterized by.

本発明の請求項4の保護回路は、請求項1に記載の発明において、前記トランジスタ制御回路(例えば図3に示した制御回路301)は、前記第2MOSトランジタにデジタル信号を出力し、前記第1MOSトランジスタがスナップバック動作を開始するタイミングに遅れて前記第2MOSトランジスタをオンさせることを特徴とする。   A protection circuit according to a fourth aspect of the present invention is the protection circuit according to the first aspect, wherein the transistor control circuit (for example, the control circuit 301 shown in FIG. 3) outputs a digital signal to the second MOS transistor. The second MOS transistor is turned on after the timing at which the 1MOS transistor starts the snapback operation.

請求項1の発明によれば、電力が供給されていない場合、内部回路に接続されている外部端子から入力された電流を第2電源に流すことができる。このため、外部端子から静電気放電が入力された場合、この静電気放電を電源に流して内部回路を保護することができる。また、電力が供給されている場合、外部端子から入力された電流が第2電源へ流れることを防ぐことができるので、内部回路に入力すべき信号を効率的に内部回路に入力させることができる。
請求項2の発明によれば、トランジスタ制御回路の遅延回路が、第1MOSトランジスタがスナップバック動作を開始するタイミングに遅れて第2MOSトランジタをオンさせることができるので、1つのアナログ電源を使い、入力された静電気放電を電源に流して内部回路を保護することができる。
According to invention of Claim 1, when electric power is not supplied, the electric current input from the external terminal connected to the internal circuit can be sent to a 2nd power supply. For this reason, when electrostatic discharge is input from the external terminal, this electrostatic discharge can be passed to the power supply to protect the internal circuit. In addition, when power is supplied, it is possible to prevent a current input from the external terminal from flowing to the second power source, and thus a signal to be input to the internal circuit can be efficiently input to the internal circuit. .
According to the second aspect of the present invention, the delay circuit of the transistor control circuit can turn on the second MOS transistor after the timing at which the first MOS transistor starts the snapback operation. It is possible to protect the internal circuit by supplying the discharged electrostatic discharge to the power source.

請求項3の発明によれば、第1容量素子を外部端子と第1MOSトランジスタのゲート端子との間に接続し、第1抵抗素子を第1容量素子とゲート端子との接続ノードと第2電源との間に接続し、接続ノードに第2MOSトランジスタのドレインを接続し、第2抵抗素子を第2MOSトランジスタのゲート端子と第1電源との間に接続し、この接続の接続ノードと第2電源との間に第2容量素子を接続してトランジスタ制御回路を構成することができる。このため、比較的簡易な構成によって請求項1の保護回路を実現することができる。
請求項4の発明によれば、トランジスタ制御回路が、第2MOSトランジタにデジタル信号を出力して第1MOSトランジスタがスナップバック動作を開始するタイミングに遅れて第2MOSトランジスタをオンさせるので、構成及びその制御をより簡易化することができる。
According to the invention of claim 3, the first capacitor element is connected between the external terminal and the gate terminal of the first MOS transistor, the first resistor element is connected to the connection node between the first capacitor element and the gate terminal, and the second power source. Between the gate terminal of the second MOS transistor and the first power supply. The connection node of the connection and the second power supply are connected to the connection node. A transistor control circuit can be configured by connecting a second capacitor between the first and second capacitors. Therefore, the protection circuit of claim 1 can be realized with a relatively simple configuration.
According to the invention of claim 4, the transistor control circuit outputs a digital signal to the second MOS transistor and turns on the second MOS transistor after the timing at which the first MOS transistor starts the snapback operation. Can be further simplified.

本発明の一実施形態の保護回路を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating the protection circuit of one Embodiment of this invention. 図1に示した保護回路の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the protection circuit shown in FIG. 本発明の実施形態の変形例を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating the modification of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の他の変形例を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating the other modification of embodiment of this invention. 従来のESD保護回路を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating the conventional ESD protection circuit. 従来の他のESD保護回路を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating the other conventional ESD protection circuit.

以下、図を参照して本発明に係る保護回路の一実施形態を説明する。
(構成)
図1は、本発明の一実施形態の保護回路を説明するための回路図である。図1には、保護対象となっている内部回路101と、内部回路101を保護するための保護素子102、保護素子102と共に内部回路101を保護する、本実施形態の保護回路100が示されている。
保護回路100は、VDDとVSS(本実施形態ではGND)とから電力の供給を受け、内部回路101を保護するESD保護回路である。保護回路100は、内部回路101に接続されている外部端子103とGNDとの間に接続されたMOSトランジスタ104と、MOSトランジスタ104のゲート端子g1に接続されたMOSトランジスタ105と、MOSトランジスタ104、105を制御するトランジスタ制御回路を含んでいる。
Hereinafter, an embodiment of a protection circuit according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(Constitution)
FIG. 1 is a circuit diagram for explaining a protection circuit according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows an internal circuit 101 to be protected, a protection element 102 for protecting the internal circuit 101, and a protection circuit 100 of the present embodiment that protects the internal circuit 101 together with the protection element 102. Yes.
The protection circuit 100 is an ESD protection circuit that receives power from VDD and VSS (GND in this embodiment) and protects the internal circuit 101. The protection circuit 100 includes a MOS transistor 104 connected between the external terminal 103 connected to the internal circuit 101 and GND, a MOS transistor 105 connected to the gate terminal g1 of the MOS transistor 104, a MOS transistor 104, A transistor control circuit for controlling 105 is included.

トランジスタ制御回路は、VDDにより電力が供給されていない場合、内部回路101に接続されている外部端子103から入力された電流をGNDに流すようにMOSトランジスタ104を制御すると共に、VDDにより電力が供給されている場合、外部端子103から入力された電流がMOSトランジスタ104によってGNDへ流れることを防ぐようにMOSトランジスタ105を制御する。
また、本実施形態のトランジスタ制御回路は、このような制御を実現するため、MOSトランジスタ104がスナップバック動作を開始するタイミングに遅れてMOSトランジタ105をオンさせる遅延回路106を含んでいる。本実施形態の遅延回路106は、抵抗素子107、容量素子108によって構成され、時定数の大きいローパスフィルタとして機能する。
The transistor control circuit controls the MOS transistor 104 so that the current input from the external terminal 103 connected to the internal circuit 101 flows to GND when the power is not supplied by VDD, and the power is supplied by VDD. If so, the MOS transistor 105 is controlled so that the current input from the external terminal 103 is prevented from flowing to the GND by the MOS transistor 104.
Further, the transistor control circuit of the present embodiment includes a delay circuit 106 that turns on the MOS transistor 105 after the timing at which the MOS transistor 104 starts the snapback operation in order to realize such control. The delay circuit 106 according to the present embodiment includes a resistance element 107 and a capacitance element 108, and functions as a low-pass filter having a large time constant.

より具体的には、本実施形態の遅延回路106は、MOSトランジスタ104のゲート端子g1に接続される容量素子109、抵抗素子110、MOSトランジスタ105のゲート端子g2に接続される遅延回路106によって構成されている。そして、容量素子109は、外部端子103とMOSトランジスタ104のゲート端子g1との間に接続され、抵抗素子110はMOSトランジスタ104のゲート端子とGNDとの間に接続されている。抵抗素子110とMOSトランジスタ104のゲート端子との接続点を、以降、接続点p1と記す。   More specifically, the delay circuit 106 of the present embodiment is configured by a capacitive element 109 connected to the gate terminal g1 of the MOS transistor 104, a resistance element 110, and a delay circuit 106 connected to the gate terminal g2 of the MOS transistor 105. Has been. The capacitive element 109 is connected between the external terminal 103 and the gate terminal g1 of the MOS transistor 104, and the resistance element 110 is connected between the gate terminal of the MOS transistor 104 and GND. A connection point between the resistance element 110 and the gate terminal of the MOS transistor 104 is hereinafter referred to as a connection point p1.

また、MOSトランジスタ104のゲート端子には、MOSトランジスタ105のドレインd2が接続され、抵抗素子107はMOSトランジスタ105のゲート端子g2とVDDとの間に接続されている。さらに、MOSトランジスタ105のゲート端子g2とGNDとの間には容量素子108が接続されている。この接続の接続ノード上の点p2を、以降、接続点p2と記す。
さらに、図1に示した保護回路には、保護素子102と、保護素子102にESD電流を流すためのダイオード111、112が設けられている。
The gate terminal of the MOS transistor 104 is connected to the drain d2 of the MOS transistor 105, and the resistance element 107 is connected between the gate terminal g2 of the MOS transistor 105 and VDD. Further, a capacitive element 108 is connected between the gate terminal g2 of the MOS transistor 105 and GND. The point p2 on the connection node of this connection is hereinafter referred to as a connection point p2.
Furthermore, the protection circuit shown in FIG. 1 is provided with a protection element 102 and diodes 111 and 112 for flowing an ESD current through the protection element 102.

ここで、本実施形態が想定するESDについて説明する。
本実施形態の保護回路100は、半導体デバイスがプリント回路基板に実装される工程や、半導体デバイスをテストする工程で発生するESDサージから内部回路を保護するものである。実装やテストの工程では、半導体デバイスのパッケージや装置の冶具等が摩擦静電気によって帯電する。静電気が帯電することによって半導体デバイスの電位が高まって、他の半導体デバイスに静電気が放電される。半導体デバイスが単体の状態では、放電された静電気を他に流すことができないため、半導体デバイスの内部回路が破壊される可能性が高くなる。
Here, ESD assumed in the present embodiment will be described.
The protection circuit 100 according to the present embodiment protects an internal circuit from an ESD surge generated in a process of mounting a semiconductor device on a printed circuit board or a process of testing the semiconductor device. In the mounting and testing processes, semiconductor device packages and apparatus jigs are charged by frictional static electricity. When the static electricity is charged, the potential of the semiconductor device is increased, and the static electricity is discharged to other semiconductor devices. When the semiconductor device is in a single state, the discharged static electricity cannot be flowed elsewhere, so that there is a high possibility that the internal circuit of the semiconductor device is destroyed.

一方、半導体デバイスが実装されて機器に組み込まれ、電力が供給されている場合、電源のインピーダンスが低い状態となる。このため、ESDは、電源(VDD,VSS)どちらの経路でも同じように外部に流れることが出来る。
本実施形態は、電力が供給されていない状態の半導体デバイスに流れ込むESDから内部回路を保護し、高速の信号は内部回路に効率的に入力されるように、保護回路を制御するものである。
On the other hand, when a semiconductor device is mounted and incorporated in a device and power is supplied, the impedance of the power source is low. For this reason, ESD can flow to the outside in the same way on both the power supply (VDD and VSS) paths.
In the present embodiment, an internal circuit is protected from ESD flowing into a semiconductor device to which power is not supplied, and the protection circuit is controlled so that a high-speed signal is efficiently input to the internal circuit.

(動作)
以下、本実施形態の保護回路100の動作を説明する。ここでは、保護回路100にVDDが供給されている場合とされていない場合とに分けて、その動作を説明するものとする。
・VDDが保護回路に供給されていない場合
図2は、本実施形態の保護回路100の動作を説明するため、図1に示した回路の複数のノードについて、ESDによる高速の信号(以降、ESDパルスとも記す)が入力された場合の電位の変化を示す図である。図2(a)は、図1に示した外部端子103の電位を示している。また、図2(b)は図1に示したVDDのノードの電位を、図2(c)は接続点p2の電位を、図2(d)は接続点p1の電位を、図2(e)はMOSトランジスタ104に流れる電流をそれぞれ示している。
(Operation)
Hereinafter, the operation of the protection circuit 100 of the present embodiment will be described. Here, the operation will be described separately for the case where VDD is supplied to the protection circuit 100 and the case where VDD is not supplied.
FIG. 2 illustrates the operation of the protection circuit 100 according to the present embodiment. FIG. 2 illustrates high-speed signals (hereinafter referred to as ESD) for a plurality of nodes of the circuit illustrated in FIG. It is a figure which shows the change of an electric potential when (it is also described with a pulse) is input. FIG. 2A shows the potential of the external terminal 103 shown in FIG. 2 (b) shows the potential of the node of VDD shown in FIG. 1, FIG. 2 (c) shows the potential at the connection point p2, FIG. 2 (d) shows the potential at the connection point p1, and FIG. ) Indicates the current flowing through the MOS transistor 104, respectively.

なお、図2(a)〜(e)は、いずれもVDDが保護回路100に供給されていない場合の状態を示している。VDDが保護回路100に供給されていない場合、MOSトランジスタ105はオフ状態であるものとする。
ESDパルスが外部端子103に入力されると、外部端子の電位は、本来図2(a)の破線で示した直線のように時間に比例して上昇する。しかし、図1に示した回路では、外部端子103に入ったESDパルスがMOSトランジスタ104のドレインに加わる。このことにより、ドレインに電流が流れてドレインと図示しない基板間でブレークダウンが生じる。
2A to 2E show a state where VDD is not supplied to the protection circuit 100. When VDD is not supplied to the protection circuit 100, the MOS transistor 105 is assumed to be off.
When the ESD pulse is input to the external terminal 103, the potential of the external terminal rises in proportion to the time as shown by the straight line indicated by the broken line in FIG. However, in the circuit shown in FIG. 1, the ESD pulse that enters the external terminal 103 is applied to the drain of the MOS transistor 104. As a result, a current flows through the drain and breakdown occurs between the drain and the substrate (not shown).

ブレークダウンによる電流が大きくなると、ソースに電流が注入されてドレインに達し、MOSトランジスタ104がバイポーラ動作する。MOSトランジスタ104がバイポーラ動作に移行することを、本明細書ではスナップバック動作を開始するという。なお、スナップバック現象を利用してデバイスをESDから保護する技術は、公知のものであるから、これ以上の説明を省く。   When the current due to breakdown increases, current is injected into the source and reaches the drain, and the MOS transistor 104 performs a bipolar operation. The transition of the MOS transistor 104 to the bipolar operation is referred to as a snapback operation in this specification. In addition, since the technique which protects a device from ESD using a snapback phenomenon is a well-known thing, further description is abbreviate | omitted.

MOSトランジスタ104のスナップバックにより、外部端子の電位は、図2(a)に実線で示したように一定の値以上になることがない。このため、本実施形態では、ESDパルスが内部回路101に流れることを防ぐことができる。なお、MOSトランジスタ105は、MOSトランジスタ104のスナップバックを起こりやすくするように動作する。動作の具体的な内容については、図2(e)において後に説明する。   Due to the snapback of the MOS transistor 104, the potential of the external terminal does not exceed a certain value as shown by the solid line in FIG. For this reason, in this embodiment, the ESD pulse can be prevented from flowing into the internal circuit 101. Note that the MOS transistor 105 operates so as to easily cause snapback of the MOS transistor 104. The specific contents of the operation will be described later with reference to FIG.

また、ESDパルスは、ダイオード111によって保護素子102に流される。このため、図2(b)に示したように、VDDのノードの電位も一定の値以上になることがない。
また、ESDパルスは、保護素子102より下流のノードに流れる。このとき、接続点p2の電位は、遅延回路106によって遅れて上昇する。図2(c)に、接続点p2の電位が、外部端子103やVDDのノードの電位が上昇を開始するタイミングt1よりも遅いタイミングt2で上昇することを示す。
Further, the ESD pulse is caused to flow to the protection element 102 by the diode 111. Therefore, as shown in FIG. 2B, the potential of the VDD node does not exceed a certain value.
Further, the ESD pulse flows to a node downstream from the protection element 102. At this time, the potential at the connection point p <b> 2 rises with a delay by the delay circuit 106. FIG. 2C shows that the potential at the connection point p2 rises at a timing t2 later than the timing t1 at which the potential at the node of the external terminal 103 or VDD starts to rise.

接続点p2の電位の上昇により、MOSトランジスタ105のゲート端子g2に電圧が印加されてMOSトランジスタ105がオンされる。ただし、本実施形態では、前述したように、接続点p2の電位がVDDのノードの電位上昇よりも遅れて上昇する。このため、図2(d)に示したように、接続点p2の電位が上昇してMOSトランジスタ105がオンされる以前に容量素子109に電荷が蓄積され、接続点p1の電位が上昇する。接続点p1の電位上昇により、MOSトランジスタ104のスナップバック現象が起こる。   As the potential at the connection point p2 rises, a voltage is applied to the gate terminal g2 of the MOS transistor 105, and the MOS transistor 105 is turned on. However, in this embodiment, as described above, the potential at the connection point p2 rises later than the potential rise at the VDD node. Therefore, as shown in FIG. 2D, before the potential at the connection point p2 rises and the MOS transistor 105 is turned on, charges are accumulated in the capacitor 109, and the potential at the connection point p1 rises. The snapback phenomenon of the MOS transistor 104 occurs due to the potential rise at the connection point p1.

MOSトランジスタ104はスナップバック動作に入り、図2(e)に示したように、ESDパルスによって生じた電流がMOSトランジスタ104を介してGNDへ流れる。この結果、ESDパルスが内部回路101に入って内部回路101にダメージを与えることが回避することができる。
以上の動作により、本実施形態の遅延回路106は、MOSトランジスタ104がスナップバックを開始するタイミングに遅れてMOSトランジタ105をオンさせるものといえる。
The MOS transistor 104 enters a snapback operation, and the current generated by the ESD pulse flows to the GND via the MOS transistor 104 as shown in FIG. As a result, it is possible to avoid the ESD pulse from entering the internal circuit 101 and damaging the internal circuit 101.
With the above operation, it can be said that the delay circuit 106 of this embodiment turns on the MOS transistor 105 after the timing at which the MOS transistor 104 starts snapback.

・VDDが保護回路に供給されている場合
VDDが保護回路100に供給されている場合、MOSトランジスタ105はオン状態になっている。このため、接続点p1の電位が上昇せず、MOSトランジスタ104のスナップバックが起こらない。したがって、内部回路101が入力すべき高速の信号(以降、高速パルスとも記す)の入力時には高速パルスがMOSトランジスタ104によって損失することがなく、効率的に高い振幅の信号を内部回路101に入力させることができる。
When VDD is supplied to the protection circuit When VDD is supplied to the protection circuit 100, the MOS transistor 105 is on. For this reason, the potential of the connection point p1 does not increase, and the snap back of the MOS transistor 104 does not occur. Therefore, when a high-speed signal to be input by the internal circuit 101 (hereinafter also referred to as a high-speed pulse) is input, the high-speed pulse is not lost by the MOS transistor 104, and a signal having a high amplitude is efficiently input to the internal circuit 101. be able to.

また、VDDが保護回路100に供給されている状態でESDパルスが入力されることがある。このとき、ESDパルスは、保護ダイオード111を通じてVDDへ流れ、主に外部のインピーダンスの低い電源を通じて流れる。
なお、本実施形態は、以上説明した構成に限定されるものではない。例えば、上述した本実施形態では、保護素子102を設けているが、本実施形態の保護回路100に保護素子102は必須の構成ではない。
In addition, an ESD pulse may be input while VDD is supplied to the protection circuit 100. At this time, the ESD pulse flows to VDD through the protection diode 111 and mainly flows through an external power source having a low impedance.
Note that the present embodiment is not limited to the configuration described above. For example, in the present embodiment described above, the protection element 102 is provided, but the protection element 102 is not an essential component of the protection circuit 100 of the present embodiment.

ただし、通常の電源端子も外部端子となっているため、その保護として備えている事が多い。この場合でも、保護素子102までの距離が遠く、配線抵抗が大きい場合かりに抵抗値5オームとして説明すると、ESDパルスの電流値は一般的に1〜2Aであり5V〜10Vが保護素子102の保護電圧に加算された電圧がPAD103すなわち内部回路の入力端子に発生する事になるが、保護回路100の場合は前記VDDが供給されていない場合の説明で分かるようにPAD103の電圧はMOSトランジスタ104により制限されるため、内部回路101がダメージを受けることを確実に防ぐことができる。   However, since ordinary power supply terminals are also external terminals, they are often provided as protection. Even in this case, if the resistance value is 5 ohms when the distance to the protection element 102 is long and the wiring resistance is large, the current value of the ESD pulse is generally 1 to 2 A, and 5 V to 10 V is the protection value of the protection element 102. The voltage added to the voltage is generated at the PAD 103, that is, the input terminal of the internal circuit. In the case of the protection circuit 100, the voltage of the PAD 103 is generated by the MOS transistor 104 as can be seen from the explanation when VDD is not supplied. Therefore, the internal circuit 101 can be reliably prevented from being damaged.

(変形例)
・変形例1
(構成)
図3は、上記した実施形態の変形例を説明するための図である。なお、図3において、図1に示した構成と同様の構成については同様の符号を付して示し、構成の説明を一部略すものとする。
変形例1の保護回路は、図示したように、VDDの電源系統がVDD1、VDD2の2系統ある点で図1に示した実施形態1と相違する。図3に示した例では、VDD1がアナログ電源、VDD2がデジタル電源であるものとする。また、図3に示した回路には、GNDを基準にESDパルスが印加される。
(Modification)
・ Modification 1
(Constitution)
FIG. 3 is a diagram for explaining a modification of the above-described embodiment. In FIG. 3, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description of the components will be partially omitted.
As shown in the figure, the protection circuit of the first modification is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that there are two VDD power supply systems, VDD1 and VDD2. In the example shown in FIG. 3, it is assumed that VDD1 is an analog power supply and VDD2 is a digital power supply. In addition, an ESD pulse is applied to the circuit shown in FIG. 3 with respect to GND.

(動作)
図3に示した保護回路では、デジタル電源であるVDD2が、保護回路に電力が供給されていない場合にMOSトランジスタ105をオフ、保護回路に電力が供給されていない場合にMOSトランジスタ105をオンさせる制御回路301を備えている。
このようにすれば、保護回路に電力が供給されていない場合には接続点p1の電位が上昇し、MOSトランジスタ104がスナップバック動作を促してESDパルスをGNDに流させる。また、保護回路に電力が供給されている場合には、接続点p1の電位を一定の値のまま維持することができる。すなわち、図3に例示した保護回路では、制御回路301が、VDDにより電力が供給されていない場合、外部端子103から入力された電流をGNDに流すようにMOSトランジスタ105を制御すると共に、VDDにより電力が供給されている場合、外部端子103から入力された電流がMOSトランジスタ105によってGNDへ流れることを防ぐようにMOSトランジスタ104を制御するトランジスタ制御回路として機能する。
(Operation)
In the protection circuit shown in FIG. 3, the digital power supply VDD2 turns off the MOS transistor 105 when power is not supplied to the protection circuit, and turns on the MOS transistor 105 when power is not supplied to the protection circuit. A control circuit 301 is provided.
In this way, when power is not supplied to the protection circuit, the potential at the connection point p1 rises, and the MOS transistor 104 prompts the snapback operation to cause the ESD pulse to flow to GND. Further, when power is supplied to the protection circuit, the potential at the connection point p1 can be maintained at a constant value. That is, in the protection circuit illustrated in FIG. 3, when the power is not supplied by VDD, the control circuit 301 controls the MOS transistor 105 so that the current input from the external terminal 103 flows to the GND, and also by VDD. When power is supplied, the transistor functions as a transistor control circuit that controls the MOS transistor 104 so that the current input from the external terminal 103 is prevented from flowing to the GND by the MOS transistor 105.

・変形例2
(構成)
図4は、実施形態1の変形例2の保護回路を説明するための図である。図4に示した保護回路は、外部端子103a、103bから各々信号が差動入力され、内部回路101に差動出力する回路である。外部端子103a、103bの間には容量素子402a、402bが直列に接続されていて、容量素子402aと402bとの接続ノード上の点p3(以降、接続点p3と記す)にはMOSトランジスタ401a、401bのゲート端子g3、g4が接続されている。
接続点p3には、さらに、抵抗素子403とMOSトランジスタ404とが並列に接続されている。MOSトランジスタ404のゲート端子g5は電源VDDに接続されていて、VDDから電力が供給されていない場合にMOSトランジスタ404はオフし、電力が供給されている場合にMOSトランジスタ404はオンされる。
・ Modification 2
(Constitution)
FIG. 4 is a diagram for explaining the protection circuit according to the second modification of the first embodiment. The protection circuit shown in FIG. 4 is a circuit in which signals are differentially input from the external terminals 103 a and 103 b and differentially output to the internal circuit 101. Capacitance elements 402a and 402b are connected in series between the external terminals 103a and 103b, and a MOS transistor 401a, a point p3 (hereinafter referred to as a connection point p3) on a connection node between the capacitance elements 402a and 402b. The gate terminals g3 and g4 of 401b are connected.
A resistance element 403 and a MOS transistor 404 are further connected in parallel to the connection point p3. The gate terminal g5 of the MOS transistor 404 is connected to the power supply VDD, and the MOS transistor 404 is turned off when power is not supplied from VDD, and the MOS transistor 404 is turned on when power is supplied.

(動作)
図4に示した構成では、外部端子103a、103bから互いに位相が180度異なる高速パルスが入力された場合、容量素子402aによって生じる接続点p3の電位の変化と容量素子402bによって生じる接続点p3の電位の変化とが打ち消しあう。このため、接続点p3の電位が殆ど上昇することなく、MOSトランジスタ401a、401bのゲート電位も上昇することがない。
一方、ESDパルスについては、外部端子103a、103bから同時に180度位相がずれた状態で入力されることは考えにくい。このため、ESDパルスの入力時には、接続点p3の電位が上昇し、MOSトランジスタ401a、401bのスナップバックが起こりやすくなる。
(Operation)
In the configuration shown in FIG. 4, when high-speed pulses having phases different from each other by 180 degrees are input from the external terminals 103a and 103b, the potential change of the connection point p3 caused by the capacitive element 402a and the connection point p3 caused by the capacitive element 402b. The change in potential cancels out. Therefore, the potential at the connection point p3 hardly increases and the gate potentials of the MOS transistors 401a and 401b do not increase.
On the other hand, it is unlikely that the ESD pulse is input from the external terminals 103a and 103b with the phase being 180 degrees out of phase simultaneously. For this reason, when an ESD pulse is input, the potential of the connection point p3 rises, and snapback of the MOS transistors 401a and 401b easily occurs.

さらに、図4に示した回路では、前記したように、接続点p3にMOSトランジスタ404が接続されていて、MOSトランジスタ404がオン状態のとき接続点p3とGNDとが同電位になる。MOSトランジスタ404のゲート端子g5はVDDと接続されている。このため、保護回路に電力が供給されている場合、MOSトランジスタ404はオン状態になり、接続点p3の電位の上昇を確実に防ぐことができる。
また、図4に示した回路では、保護回路に電力が供給されていない場合、MOSトランジスタ404はオフ状態になる。このため、ESDパルスの入力時には接続点p3の電位が上昇し、MOSトランジスタ401a、401bをスナップバックさせて内部回路101を保護することができる。
Further, in the circuit shown in FIG. 4, as described above, the MOS transistor 404 is connected to the connection point p3, and when the MOS transistor 404 is in the ON state, the connection point p3 and GND have the same potential. The gate terminal g5 of the MOS transistor 404 is connected to VDD. For this reason, when power is supplied to the protection circuit, the MOS transistor 404 is turned on, and the potential at the connection point p3 can be reliably prevented from rising.
In the circuit shown in FIG. 4, the MOS transistor 404 is turned off when power is not supplied to the protection circuit. Therefore, when the ESD pulse is input, the potential at the connection point p3 rises, and the MOS transistors 401a and 401b can be snapped back to protect the internal circuit 101.

以上述べた本発明の保護回路は、アナログの交流信号を入力して処理する内部回路を保護する保護回路であれば、どのような構成に対しても適用することができる。特に、試験工程等において静電気放電が入力され得る半導体デバイスに好適である。   The protection circuit of the present invention described above can be applied to any configuration as long as it is a protection circuit that protects an internal circuit that receives and processes an analog AC signal. Particularly, it is suitable for a semiconductor device to which electrostatic discharge can be input in a test process or the like.

100 保護回路
101 内部回路
102 保護素子
103、103a、103b 外部端子
104、105、401a、401b、404 MOSトランジスタ
106 遅延回路
107 抵抗素子
108、109 容量素子
110 抵抗素子
111 ダイオード
301 制御回路
402a 容量素子
402b 容量素子
403 抵抗素子
100 Protection circuit 101 Internal circuit 102 Protection element 103, 103a, 103b External terminals 104, 105, 401a, 401b, 404 MOS transistor 106 Delay circuit 107 Resistance element 108, 109 Capacitance element 110 Resistance element 111 Diode 301 Control circuit 402a Capacitance element 402b Capacitance element 403 Resistance element

Claims (4)

少なくとも第1電源及び第2電源から電力の供給を受けて、内部回路を保護する保護回路であって、
前記内部回路に接続されている外部端子と前記第2電源との間に接続された第1MOSトランジスタと、
前記第1MOSトランジスタのゲート端子の電圧を制御可能に接続された第2MOSトランジスタと、
前記第1電源により電力が供給されていない場合、前記外部端子から入力された電流を前記第2電源に流すように前記第1MOSトランジスタを制御すると共に、前記第1電源により電力が供給されている場合、前記第1MOSトランジスタがオフとなるように前記第2MOSトランジスタを制御するトランジスタ制御回路と、を備えることを特徴とする保護回路。
A protection circuit that receives power from at least a first power supply and a second power supply to protect an internal circuit;
A first MOS transistor connected between an external terminal connected to the internal circuit and the second power supply;
A second MOS transistor connected to control the voltage of the gate terminal of the first MOS transistor;
When power is not supplied from the first power source, the first MOS transistor is controlled so that a current input from the external terminal flows to the second power source, and power is supplied from the first power source. And a transistor control circuit for controlling the second MOS transistor so that the first MOS transistor is turned off.
前記トランジスタ制御回路は、
前記第1MOSトランジスタがスナップバック動作を開始するタイミングに遅れて前記第2MOSトランジタをオンさせる遅延回路を含むことを特徴とする請求項1に記載の保護回路。
The transistor control circuit is
2. The protection circuit according to claim 1, further comprising a delay circuit that turns on the second MOS transistor after a timing at which the first MOS transistor starts a snapback operation.
前記トランジスタ制御回路は、
前記第1MOSトランジスタのゲート端子に接続される第1容量素子及び第1抵抗素子と、
前記第2MOSトランジスタのゲート端子に接続される第2容量素子及び第2抵抗素子と、
を含み、
前記第1容量素子は、前記外部端子と前記第1MOSトランジスタのゲート端子との間に接続され、前記第1抵抗素子は、前記第1MOSトランジスタのゲート端子と前記第2電源との間に接続され、前記第1MOSトランジスタのゲート端子に前記第2MOSトランジスタのドレインが接続され、前記第2抵抗素子が前記第2MOSトランジスタのゲート端子と前記第1電源との間に接続され、前記第2MOSトランジスタのゲート端子と前記第2電源との間に前記第2容量素子が接続されてなることを特徴とする請求項1または2に記載の保護回路。
The transistor control circuit is
A first capacitance element and a first resistance element connected to a gate terminal of the first MOS transistor;
A second capacitance element and a second resistance element connected to the gate terminal of the second MOS transistor;
Including
The first capacitive element is connected between the external terminal and a gate terminal of the first MOS transistor, and the first resistance element is connected between a gate terminal of the first MOS transistor and the second power supply. The drain of the second MOS transistor is connected to the gate terminal of the first MOS transistor, the second resistance element is connected between the gate terminal of the second MOS transistor and the first power source, and the gate of the second MOS transistor. The protection circuit according to claim 1, wherein the second capacitive element is connected between a terminal and the second power source.
前記トランジスタ制御回路は、
前記第2MOSトランジスタにデジタル信号を出力し、前記第1MOSトランジスタがスナップバック動作を開始するタイミングに遅れて前記第2MOSトランジスタをオンさせることを特徴とする請求項1に記載の保護回路。
The transistor control circuit is
2. The protection circuit according to claim 1, wherein a digital signal is output to the second MOS transistor, and the second MOS transistor is turned on after a timing at which the first MOS transistor starts a snapback operation.
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