CN107204611A - 过压保护结构 - Google Patents

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Abstract

一种过压保护结构，应用于集成电路中，包括过压保护管、RC耦合电路以及电压钳位电路。该过压保护管的漏极为输入端，源极接地；该RC耦合电路包括一电阻，该电阻一端接地，另一端连接至该过压保护管的栅极；以及该电压钳位电路连接于该过压保护管的栅极与漏极之间，包括至少一正偏串联的二极管，该过压保护结构具有静电放电及电过应力保护能力。

Description

过压保护结构
技术领域
本发明涉及一种过压保护结构，尤指一种集成电路中的过压保护结构。
背景技术
静电放电(ESD)和电过应力(EOS)是目前造成IC失效的两大主因。ESD是指积累的电荷能量以ns级的速度实现放电，可能形成瞬间的高压大电流冲击。而EOS是时间相对更长，主要是ms级的过压和电浪涌冲击。对于ESD和EOS防护方案基本都是将ESD或EOS产生的瞬态电压箝位在器件所能承受的范围内，通过过压保护管泄放掉ESD或EOS电流。
在现有技术中，一般都是采用外置的瞬态电压抑制二极管(TVS)等保护器件来保护集成电路芯片。然而，TVS管器件制造时，有对衬底、外延层浓度、甚至电子辐照工艺等的特殊要求，难以与高压IC制造工艺兼容，因此目前基本没有将TVS和电路IC集成到一起的可行性，故现有技术中采用外置TVS管器件的防护方案，无法因应移动终端产品不断的轻薄化、集成化的应用需求。
因此，如何提供一种具有静电放电及电过应力保护能力，同时能集成至电路IC中的过压保护结构，即为亟待解决的课题。
发明内容
鉴于习知技术的种种缺失，本发明的主要目的，即在于提供一种具有静电放电及电过应力保护能力，同时能集成至电路IC中的过压保护结构。
为了达到上述目的及其他目的，本发明遂提供一种过压保护结构，应用于集成电路中，其特征在于，包括过压保护管，包括漏极、源极与栅极，其中该漏极为输入端，该源极接地；RC耦合电路，包括一电阻，该电阻一端接地，另一端连接至该过压保护管的该栅极；以及电压钳位电路，连接于该过压保护管的栅极与漏极之间，该电压钳位电路包括至少一正偏串联的二极管，该过压保护结构具有静电放电及电过应力保护能力。
于一实施例中，该过压保护管为高压漏极延伸晶体管。
于一实施例中，该过压保护管的沟道宽度在1k微米(um)到50k微米之间。
于一实施例中，该RC耦合电路还包括至少一个串联的电容。
于一实施例中，该电容的数量在1到10个之间。
于一实施例中，该电阻的数值在100欧姆(Ω)到100k欧姆之间。
于一实施例中，该二极管数量在1到20个之间。
于一实施例中，该电压钳位电路还包括至少一反偏串联的第一齐纳二极管。
于一实施例中，由该电压钳位电路中的该二极管及该第一齐纳二极管所造成的钳位电压在4伏特(V)到150伏特之间。
于一实施例中，该第一齐纳二极管数量在1到10个之间。
于一实施例中，该过压保护结构还包括栅极保护电路，一端连接于该过压保护管的栅极且另一端接地，该栅极保护电路包括至少一串联的第二齐纳二极管。
于一实施例中，该第二齐纳二极管数量在1到4个之间。
相较于习知技术，由于本发明的过压保护结构在有ns级的高能量ESD的状况下，通过RC耦合电路抬高过压保护管栅极电压，将该过压保护管打开以泄放电流；而在ms级及以上的电浪涌到的EOS状况下，电流流过电压钳位电路进而抬高过压保护管的栅极电压，同样将该过压保护管打开以泄放电流，从而实现静电放电及电过应力保护，且该过压保护结构易于与高压IC集成，充分地解决了现有技术的缺失。此外，该电压钳位电路通过二极管和第一齐纳管的组合串联方式将输入的电压钳制在预设电压下，并具有较小的步进电压间距以调整钳位电压；该过压保护管具有足够的沟道宽度以承受ESD及EOS能量，保证受保护的内部电路不会承受过压冲击；以及该过压保护管的栅极也通过栅极保护电路中的第二齐纳二极管实现对地保护，整体而言具有非常好的保护效果和普适性。
附图说明
图1为本发明的过压保护结构实施例的电路架构示意图。
图2为本发明的过压保护结构另一实施例的电路架构示意图。
符号说明：
1 过压保护结构
10 过压保护管
11 RC耦合电路
110 电阻
111 电容
12 电压钳位电路
120 二极管
121 第一齐纳二极管
13 栅极保护电路
130 第二齐纳二极管
2 管脚
3 内部电路
具体实施方式
以下藉由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可藉由其他不同的具体实施例加以施行或应用。
请参阅图1，图1为本发明的过压保护结构实施例的电路架构示意图。如图所示，本发明的过压保护结构1，应用于集成电路中，设置于有过压保护需求的管脚2以及被保护的内部电路3之间，过压保护结构1包括过压保护管10、RC耦合电路11以及电压钳位电路12。
过压保护管10的漏极连接至管脚2，为输入端，过压保护管10的源极接地；RC耦合电路11上端连接至管脚2，且RC耦合电路11包括一电阻110，电阻110一端接地，另一端连接至过压保护管10的栅极；以及电压钳位电路12连接于过压保护管10的栅极与漏极之间，包括至少一正偏串联的二极管120。
在整体IC电路正常工作时，过压保护管10栅极关闭，不影响内部电路3正常操作。此外在IC电路运作中，管脚2可能会承受ns级的高能量ESD冲击，以及ms及以上的过压和电浪涌冲击。其中，在有ns级的高能量ESD的状况下，过压保护结构1通过RC耦合电路11抬高过压保护管10栅极电压，将过压保护管10打开以泄放电流；而在ms级及以上的电浪涌到的EOS状况下，则是由电流流过电压钳位电路12进而抬高过压保护管10的栅极电压，同样将过压保护管10打开以泄放电流。因此不论是ESD或是EOS所产生的能量都能由过压保护管10以电流方式泄放，而不会通过内部电路3，从而实现了对内部电路3的静电放电及电过应力保护。
于一实施例中，过压保护管10可为高压漏极延伸晶体管LDMOS，并可为N管或是P管。此外，过压保护管10的沟道宽度可在1k微米到50k微米之间，由于过压保护管10具有足够的沟道宽度，在过压保护管10打开栅极实现了经由过压保护管10的低阻通路时，可以承受很高的ESD以及EOS能量，因此能保护内部电路3。
请参阅图2，图2为本发明的过压保护结构实施例的电路架构示意图。于一实施例中，RC耦合电路11还可包括至少一个串联的电容111。电容111的上端连接管脚2，下端与电阻110以及过压保护管10的栅极连接，在当ns级的高能量ESD冲击到时，通过RC耦合电路11中的电阻110以及电容111把过压保护管10的栅极电压抬高，将过压保护管10打开以泄放电流。
于一较佳实施例中，电容111的数量可在1到10个之间。电阻110的数值可在100欧姆到100k欧姆之间。
于一实施例中，电压钳位电路12还可包括至少一反偏串联的第一齐纳二极管121。电压钳位电路12中的二极管120及第一齐纳二极管121造成了的钳位电压，能在ms级及以上的电浪涌到的状况下，将将由管脚2输入的电压钳制在该钳位电压下，并抬高过压保护管10的栅极电压。其中，该钳位电压能通过改变二极管120及第一齐纳二极管121的数量来调整，举例来说，以最常见的齐纳管反偏击穿电压BV 5.8伏特和正偏二极管电压0.6伏特来计算，电压钳位电路12如果有m个第一齐纳二极管121，和n个正偏二极管120的话(n、m为正整数)，那么该钳位电压就是5.8*m+0.6*n伏特，这样可以较小的步进电压间距，来调整出接近想要得的预设该钳位电压值。
于一较佳实施例中，二极管120数量可在1到20个之间。第一齐纳二极管121数量可在1到10个之间。由电压钳位电路12中的二极管120及第一齐纳二极管121所造成的钳位电压可在4伏特到150伏特之间。
于一实施例中，过压保护结构1还可包括栅极保护电路13，一端连接于过压保护管10的栅极且另一端接地，栅极保护电路13包括至少一串联的第二齐纳二极管130。栅极保护电路13一方面可与电压钳位电路12造成的钳位电压，另一方面可在过压保护管10栅极电压被RC耦合电路11或电压钳位电路12抬高时，利用栅极保护电路13的第二齐纳二极管130将该栅极电压限定在安全范围，避免电压过度的冲高，使得过压保护结构1自身最薄弱的过压保护管10栅极不容易因为电压过冲而击穿。
于一较佳实施例中，第二齐纳二极管130数量可在1到4个之间。
相较于习知技术，由于本发明的过压保护结构在有ns级的高能量ESD的状况下，通过RC耦合电路抬高过压保护管栅极电压，将该过压保护管打开以泄放电流；而在ms级及以上的电浪涌到的EOS状况下，电流流过电压钳位电路进而抬高过压保护管的栅极电压，同样将该过压保护管打开以泄放电流，从而实现静电放电及电过应力保护，且该过压保护结构易于与高压IC集成，充分地解决了现有技术的缺失。此外，该电压钳位电路通过二极管和第一齐纳管的组合串联方式将输入的电压钳制在预设电压下，并具有较小的步进电压间距以调整钳位电压；该过压保护管具有足够的沟道宽度以承受ESD及EOS能量，保证受保护的内部电路不会承受过压冲击；以及该过压保护管的栅极也通过栅极保护电路中的第二齐纳二极管实现对地保护，整体而言具有非常好的保护效果和普适性。
藉由以上较佳具体实施例的描述，本领域具有通常知识者当可更加清楚本发明的特征与精神，惟上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，任何对上述实施例进行的修改及变化仍不脱离本发明的精神，且本发明的权利范围应如权利要求所列。

Claims (12)

1.一种过压保护结构，应用于集成电路中，其特征在于，包括：
过压保护管，包括漏极、源极与栅极，其中该漏极为输入端，该源极接地；
RC耦合电路，包括一电阻，该电阻一端接地，另一端连接至该过压保护管的该栅极；以及
电压钳位电路，连接于该过压保护管的栅极与漏极之间，该电压钳位电路包括至少一正偏串联的二极管。
2.如权利要求1所述的过压保护结构，其特征在于，该过压保护管为高压漏极延伸晶体管。
3.如权利要求1所述的过压保护结构，其特征在于，该过压保护管的沟道宽度在1k微米到50k微米之间。
4.如权利要求1所述的过压保护结构，其特征在于，该RC耦合电路还包括至少一个串联的电容。
5.如权利要求4所述的过压保护结构，其特征在于，该电容的数量在1到10个之间。
6.如权利要求1所述的过压保护结构，其特征在于，该电阻的数值在100欧姆到100k欧姆之间。
7.如权利要求1所述的过压保护结构，其特征在于，该二极管数量在1到20个之间。
8.如权利要求1所述的过压保护结构，其特征在于，该电压钳位电路还包括至少一反偏串联的第一齐纳二极管。
9.如权利要求8所述的过压保护结构，其特征在于，由该电压钳位电路中的该二极管及该第一齐纳二极管所造成的钳位电压在4伏特到150伏特之间。
10.如权利要求8所述的过压保护结构，其特征在于，该第一齐纳二极管数量在1到10个之间。
11.如权利要求1所述的过压保护结构，其特征在于，还包括栅极保护电路，一端连接于该过压保护管的栅极且另一端接地，该栅极保护电路包括至少一串联的第二齐纳二极管。
12.如权利要求11所述的过压保护结构，其特征在于，该第二齐纳二极管数量在1到4个之间。
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