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Die
Erfindung betrifft eine Schutzanordnung für eine Halbleiterschaltungsanordnung
mit einer Thyristorstruktur, die in einer ersten Wanne eines ersten
Leitfähigkeitstyps
und einer darin eingebetteten zweiten Wanne des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet
ist, wobei die erste Wanne einen hochdotierten Bereich des zweiten
Leitfähigkeitstyps
enthält, der
mit einem ersten Potential verbunden ist, und die zweite Wanne einen
hochdotierten, mit einem zweiten Potential verbundenen Bereich des
ersten Leitfähigkeitstyps
enthält.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben der Schutzanordnung.
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Halbleiterschaltungen,
insbesondere in integrierter Ausführungsform (ICs), können durch
transiente Pulse oder Überspannungen,
die über
Anschlüsse
(Pads) oder direkt in Leitungen eingekoppelt werden, so beschädigt werden,
dass sie funktionsunfähig
oder gar zerstört
werden. Derartige Pulse oder Überspannungen
können
beispielsweise bei sogenannten elektrostatischen Entladungen (englisch: ESD,
Electrostatic Discharge) auftreten. Auch in vielen Anwendungsgebieten,
z.B. der Automobiltechnik, kann ein derartiger Puls (Burst) auftreten.
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Aktive
Schaltungen zum Schutz von derartigen Schaltungen für verschiedenste
Anwendungen haben deshalb besondere Bedeutung. In der Automobiltechnik
beispielsweise besteht das Erfordernis, diese Schaltungen, die im
Hochvoltbereich bis 90 Volt oder darüber funktionieren müssen, auch
für deutlich
höhere Störpuls-Pegel
auszulegen. Aktive Schaltungen zum Schutz des ICs werden oft durch den
Anstieg des transienten Signals getriggert. Der Signalanstieg pro
Zeiteinheit wird dabei detektiert und über eine Ansteuerschaltung
ein Schutztransistor oder eine Schutzschaltung durchgeschaltet.
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Im
Fehlerfall, z.B. bei Vorliegen einer unzulässig hohen Spannung, wird diese Überspannung durch
die Schutzschaltung gegen Bezugspotential bzw. Masse abgeleitet
und so nachfolgende Baugruppen vor der hohen Spannung geschützt. Die Schutzschaltung
kann demnach als aktiv getriggerter Überspannungs- oder Überstromableiter
verstanden werden. Im Fehlerfall ist eine schnelle Durchsteuerung
der Schutzschaltung notwendig.
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Geringe
Einschaltzeiten und eine präzise Einschaltschwelle
der Schutzschaltung für
den integrierten Schaltkreis sowie deren Schutzwirkung bei unterschiedlichen
Formen von Störpulsen
sind bedeutende Aspekte der Produktspezifikation und stellen einen
Wettbewerbsvorteil dar.
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Aus
der
US 5,982,601 ist
ein Thyristor (SCR – Silicon
Controlled Rectifier) für
den ESD-Schutz bekannt, der direkt durch das transiente Signal getriggert
wird. Der Thyristor ist in der Halbleiteranordnung in an sich bekannter
Weise mittels einer in einer p-Wanne angeordneten n-Wanne und jeweils
einem hoch dotierten n- bzw. p-Gebiet in jeder der beiden Wannen
realisiert. Die p-Wanne enthält
einen hochdotierten n-Bereich und einen hochdotierten p-Bereich,
die miteinander und einem Bezugspotential GND verbunden sind. Die
n-Wanne enthält einen hochdotierten
n-Bereich und einen hochdotierten p-Bereich. Der letztere n-Bereich
wird von einem Transientendetektor angesteuert, der zwischen Versorgungspo tential
VDD und Bezugspotential GND liegt und den Fehlerfall erfasst. Der
p
+-Bereich der n-Wanne ist mit dem Versorgungspotential
VDD verbunden. Die transiente Spannung wird mit einem RC-Glied erfasst.
Mit nachgeschalteten Invertern wird der an der Kapazität detektierte
Spannungspegel in ein Steuersignal umgeformt, das die Basis des pnp-Transistors
der Thyristorstruktur ansteuert. Sobald der Ausgangsstrom des nun
aktiven pnp-Transistors an einem Widerstand einen ausreichend großen Spannungsabfall
erzeugt, schaltet der npn-Transistor der Thyristorstruktur durch,
so dass der transiente Puls durch die niederohmige Thyristorstrecke vom
Padpotential des I/O-Pins gegen Bezugspotential abgeleitet wird.
Der Thyristor bleibt danach selbsttätig durchgeschaltet, bis sein
Strom den Haltestrom unterschreitet und die Löschbedingung erfüllt ist.
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Schutzanordnungen
mit einer Thyristorstruktur neigen zum sogenannten latch-up-Effekt,
bei dem der Thyristor im Normalbetrieb durchschaltet und die eigentlich
zu schützende
Halbleiterschaltung funktionsuntüchtig
oder zerstört
wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzanordnung für eine integrierte
Halbleiteranordnung mit einer Thyristorstruktur, die ein verbessertes
Verhalten bezüglich
latch-up zeigt, sowie ein zugehöriges
Betriebsverfahren anzugeben.
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Diese
Aufgabe löst
die Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. der Patentansprüche 11 und
12.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen
Patentansprüche.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den Figuren näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine schematisch dargestellte Schaltungsanordnung
mit Schutzschaltung und Triggerschaltung als Prinzipschaltbild a)
und in einer detailierteren Ausführungsform
b),
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2 eine
schematisch dargestellte Schaltungsanordnung mit Schutzschaltung
und Steuerschaltung in einer weiteren Ausführungsform,
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3 eine
schematisch dargestellte Strukturanordnung der Realisierung des
Thyristors in der Halbleiteranordnung mit hochdotierten Steuerbereichen,
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4 eine
weitere schematisch dargestellte Strukturanordnung der Realisierung
des Thyristors in der Halbleiteranordnung mit hochdotierten Steuerbereichen
und
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5 schematisch dargestellte Drauf sichten
auf die Anschlusskontaktierung auf der Halbleiteroberfläche einer
Ausführungsform
nach 3 (5a) sowie weiterer Ausführungsalternativen (5b, 5c).
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Gleiche
oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist die Funktionsweise der Erfindung im
Grundsatz mit zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Gemäß 1a ist
ein Anschluss PV mit einer Leitung LV verbunden, die auf einem Potential
V liegt. Das Potential VV kann z.B. das positive Versorgungspotential
VDD oder das Potential eines Eingangs-/Ausgangs-Anschlusses (I/O
Pad) sein. Der Anschluss PV bzw. die Leitung LV sind gegen transiente
Pulse bzw. gegen Überspannung
zu schützen. Diese Überspannung
muss gegen ein Bezugspotential VB abgeleitet werden, das beispielsweise
das Massepotential sein kann. Die das Bezugspotential VB führende Leitung
LB ist mit dem Anschluss PB verbunden.
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Die
eigentliche Aufgabe der Ableitung von Störpulsen bzw. Überspannungen
erfüllt
die Schutzschaltung PC. Gesteuert bzw. getriggert wird die Schutzschaltung
PC von einer Steuerschaltung TC, die eingangsseitig mit den Anschlüssen PV
und PB verbunden ist. TC ist in der Lage, transiente Pulse, die
an dem Anschluss PV bzw. der Leitung auftreten, zu erkennen und
Steuersignale für
die Schutzschaltung PC zu erzeugen.
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Es
ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung TC mehrere Steuersignale
erzeugt, die jeweils ein aktives Element der Schutzschaltung PC
ansteuern. Die aktiven Elemente der Schutzschaltung PC sind so verschaltet,
dass sie bei einer Ansteuerung durch die Steuersignale der Trigger-
bzw. Steuerschaltung TC eine niederohmige Verbindung zwischen der
Leitung LV bzw. dem Anschluss PV und dem Bezugspotential VB herstellen.
Die Schutzschaltung PC kann dabei auch höhere Ströme gegen Bezugspotential VB
ableiten.
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Im
typischen Anwendungsfall enthält
die Schutzschaltung PC eine Thyristorstruktur. Ein Thyristor ist
ein Vierschichtbauelement, das im Ersatzschaltbild als zwei miteinander
verschaltete Bipolar-Transistoren dargestellt wird. Gemäß der Erfindung
bedeutet dies, dass die Steuerschaltung TC im Feh lerfall die beiden
Transistoren der Thyristorstruktur der Schutzschaltung mit zwei
Steuersignalen aktiv ansteuert. Dazu werden direkt in die beiden
Basis-Emitter-Übergänge Ströme injiziert.
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Gemäß der Erfindung
wird dabei erreicht, dass das Durchschalten bzw. Abschalten der
Schutzschaltung PC mit Steuersignalen CTH bzw. CTL für die aktiven
Elemente der Schutzschaltung, die in ihrer Zusammenschaltung die
niederohmige Verbindung zwischen der Leitung LV und der Leitung
LB herstellen bzw. unterbrechen müssen, gezielt eingeleitet wird.
Dadurch ist es möglich,
die Schutzschaltung PC präzise
und schnell in den durchgeschalteten bzw. gesperrten Zustand zu
führen.
Dies führt
zu einem verbesserten Ansprechverhalten der Schutzschaltung und
damit zu einem besseren Schutz der integrierten Halbleiterschaltung,
die in der Figur symbolisch anhand der Anschlüsse PB und PV und den damit
verbundenen Leitungen dargestellt ist.
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Gemäß 1b ist
ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Schutzschaltung ist als Thyristor
SCR mit den beiden Transistoren T1 und T2 ausgeführt. T1 ist ein pnp-Transistor,
der mit seinem Emitter an der Spannung führenden Leitung LV angeschlossen
ist, während
T2 ein npn-Transistor ist, der emitterseitig an dem Bezugspotential
VB angeschlossen ist. Die Kollektoren der beiden Transistoren sind
kreuzweise mit der Basis des jeweils anderen Transistors verschaltet.
Bei einer integrierten Schaltung kann eine derartige Transistorstruktur
in an sich bekannter Weise durch eine n- bzw. p-Wanne mit entsprechend
darin angeordneten hoch dotierten Bereichen realisiert werden, siehe 3.
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Die
Steuerschaltung ist in der 1b durch eine
Detektorschaltung mit nachgeschalteten Invertern realisiert. Die
Detektorschaltung ist als RC-Glied aus der Serienschaltung einer
Kapazität
C1 und eines Widerstands R1 ausgeführt, die mit den Leitungen
LV bzw. LB und den entsprechenden Anschlüssen PV und PB verbunden ist.
Dem Verbindungsknoten der Kapazität C1 und des Widerstandes R1
sind Inverter nachgeschaltet, die ausgangsseitig jeweils die Basen
der Transistoren T1 und T2 ansteuern. Dabei ist der Inverter I1
mit der Basis des Transistors T1 verbunden und zwei in Serie geschaltete
Inverter I2 und I3 mit der Basis des Transistors T2. Die Inverter sind
notwendig, um das am Verbindungspunkt der Kapazität C1 und
des Widerstands R1 anliegende Potential in definierte Steuersignale
umzuwandeln, die die Transistorelemente des Thyristors SCR ansteuern.
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Die
Detektorschaltung aus Kapazität
C1 und Widerstand R1 bildet als RC-Glied einen komplexen Spannungsteiler,
an dessen Mittelabgriff der Spannungsanstieg des Störpulses
erfasst wird. Im Fehlerfall eines transienten Pulses wird die Kapazität C1 niederohmig,
sodass sich am Ausgangspunkt der Detektorschaltung ein hohes Potential
einstellt. Sobald die Spannung die Schaltschwelle des Inverters I1
erreicht, schaltet dessen Ausgang auf niedriges Potential, sodass
der pn-Übergang
zwischen Emitter und Basis von T1 die Schaltschwelle überschreitet und
T1 durchschaltet.
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Andererseits
liegen parallel zu I1 die hintereinander geschalteten Inverter I2
und I3, die das am Abgriffsknoten der Detektorschaltung detektierte Spannungssignal
in ein definiertes Steuersignal zur Ansteuerung des npn-Transistors
T2 umsetzen. Somit schaltet T2 nahezu zeitgleich mit T1 in den leitenden
Zustand über.
Damit wird der Thyristor SCR leitend und der auf der Leitung LV
bzw. dem Anschluss PV anliegende transiente Puls kann gegen Bezugspotential
abgeleitet werden.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist es möglich,
dass die Detektorschaltung aus dem kapazitiven und dem resistiven
Bauelement in umgedrehter Richtung mit den Anschlüssen PV
und PB verbunden ist. Dabei liegt der Widerstand am Anschluss PV und
die Kapazität
am Anschluss PB. Somit drehen sich die Spannungsverhältnisse
am Ausgang der Detektorschaltung um, sodass auch die Ansteuerung der
Transistoren T1 und T2 anders, d.h. mit vertauschten Inverterzweigen,
erfolgen muss.
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Die
Detektorschaltung ist in dem Ausführungsbeispiel der 1 als RC-Glied ausgeführt, jedoch können auch
andere Ausführungsformen
der Detektorschaltung zweckmäßig sein,
so lange die wesentliche Funktion, nämlich das Erkennen eines transienten
abzuleitenden Pulses auf der Spannung führenden Leitung LV und das
Erzeugen von Steuersignalen für
die Durchsteuerung der aktiven Elemente bzw. Halbleiterübergänge der
Schutzschaltung, im Ausführungsbeispiel
der Transistoren des Thyristors SCR, funktional erfüllt werden.
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Maßgebend
ist, dass das transiente Signal einerseits erkannt wird und andererseits
im Normalbetrieb der Thyristor SCR nicht gezündet wird. Die Zeitkonstante
des RC-Gliedes aus R1 und C1 bestimmt einerseits das Erkennen eines
transienten Pulses als auch andererseits die Zeit, während der die
Detektorschaltung aktiv ist. Ein Puls wird erkannt und detektiert,
so lange die Anstiegszeit der transienten Störung kleiner ist als die Zeitkonstante
des RC-Gliedes. Andererseits bestimmt die Zeitkonstante nach Abklingen
des Pulses die Zeit, nach der die Detektorschaltung inaktiv wird
und abschaltet bzw. wieder in den Normalbetrieb zurückkehrt,
der die Erkennung eines transienten Pulses ermöglicht.
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Dazu
wird in dem Ausführungsbeispiel
der 1 das RC-Glied mit seiner Zeitkonstante
so eingestellt, dass diese Bedingungen erfüllt werden.
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Bei
jeweils einer kleinen Kapazität
des RC-Gliedes, beispielsweise realisiert als Gateoxidkapazität, wird
diese Kapazität
bei transienten Vorgängen
niederohmig, sodass im Ausführungsbeispiel
der 1b) der Ausgang des RC-Gliedes sehr schnell auf
hohes Potential gebracht wird. Bei langsamen Spannungsänderungen
und bei Gleichspannung wirken die Kapazitäten des RC-Gliedes in beiden
Ausführungsbeispielen
als hochohmige Bauelemente, so dass in der 1b) der
Ausgang der Detektorschaltung auf niedrigem Potential gehalten wird.
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Wenn
der Fehlerfall abgeklungen ist, wird die Kapazität C1 wieder hochohmig und die
Eingänge der
Inverter I1 und I2 werden über
R1 an Bezugpotential gelegt. Damit werden die Transistoren T1 bzw. T2
mit hohem bzw. niedrigem Potential angesteuert, so dass kein Strom
mehr in die jeweilige Basis fließen kann und der Thyristor
sperrt.
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Die
Schaltungsanordnung der 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Thyristoransteuerung. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist in der Schaltungsanordnung der 2 ein zusätzlicher
Schaltkreis vorgesehen, der bestimmt, wie lange die Steuerschaltung
aktiv bleibt. Damit kann gewährleistet
werden, dass die Steuersignale der Steuerschaltung den Thyristor SCR
zumindest so lange durchsteuern, bis der transiente Puls auf der
Leitung LV oder dem Anschluss PV mit Sicherheit abgeklungen ist.
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Im
Vergleich des Ausführungsbeispiels
nach 2 mit dem Ausführungsbeispiel
der 1b besteht der Unterschied darin, dass zwischen
dem ersten RC-Glied aus den Elementen C10 und R10, das den transienten
Puls auf der Spannung führenden Leitung
LV oder dem Anschluss PV detektiert und die Steuerschaltung aktiviert,
und den Invertern für
die Ansteuerung des Thyristors SCR eine Zusatzschaltung angeordnet
ist. Dabei entsprechen zunächst
die Inverter I1, I2 und I3 nach dem Ausführungsbeispiel der 1b)
in dieser Reihenfolge in der 2 den Invertern
I5, I6 und I7. Die Funktion dieser Inverter in der 2 ist
identisch wie bei den Invertern des ersten Ausführungsbeispiels, jedoch kann
die Dimensionierung und die Realisierung der Inverter auf verschiedene
Weise ausgeführt
sein. I5, I6 und I7 sind als CMOS-Inverter dargestellt.
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Die
Ansteuerung des Thyristors zu dessen Zündung kann mit schnell schaltenden
Invertern, z.B. I1 und I3 bzw. I5 und I7 erfolgen. Andere Ansteuermöglichkeiten,
z.B. mit Einzeltransistoren, die die Zündpotentiale bereitstellen,
sind möglich.
Zum Löschen
bzw. Ausschalten des Thyristors sind Abschalttransistoren notwendig,
die in 2 mit TQP für
den PMOS-Transistor
und TQN für
den NMOS-Transistor bezeichnet sind. Im Ausführungsbeispiel wirken TQP und
TQN mit den jeweils komplementären
Invertertransistoren zusammen, um zum Abschalten des Thyristors
die Basis von T1 auf hohes Potential und die Basis von T2 auf niedriges Potential
zu legen und somit T1 und T2 zu sperren.
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Dem
Ausgang des ersten RC-Gliedes aus R10 und C10 ist als Element der
Zusatzschaltung ein Inverter I8 nachgeschaltet, der einen PMOS-Transistor
P10 ansteuert. Ausgangsseitig ist dieser Transistor einerseits mit
der Spannung führenden
Leitung LV und andererseits mit den Eingängen der Inverter I5 und I6
verbunden. An dem letzteren Verbindungspunkt ist weiterhin die Parallelschaltung
eines zweiten RC-Gliedes aus der Kapazität C20 und dem Widerstand R20
angeschlossen, die mit ihrem anderen Anschluss jeweils an dem Bezugspotential
VB bzw. der Leitung LB angeschlossen sind.
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Bei
einer transienten Störung
auf der Leitung LV oder dem Anschluss PV wird diese durch das erste
RC-Glied erkannt. Der Ausgang dieses ersten RC-Gliedes, das den
Inverter I8 ansteuert, nimmt bei einem schnellen Pulsanstieg durch
die dann niederohmige Kapazität
C10 hohes Potential an, sodass der Inverter I8 ausgangsseitig auf
niedriges Potential gebracht wird. Wie in den Ausführungsbeispielen
der 1 muss die Anstiegszeit der transienten
Störung auf
der Leitung LV dabei kürzer
sein als die Zeitkonstante des ersten RC-Gliedes.
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Mit
dem dann niederohmigen Ausgang des Inverters I8 wird der PMOS-Transistor
P10 durchgesteuert, dessen Ausgang die Invertereingänge der
Inverter I5 und I6 auf hohes Potential legt. Wie schon anhand des
Ausführungsbeispiels
der 1b) erläutert,
werden nachfolgend die Transistoren T1 und T2 durchgesteuert, so
dass der Thyristor SCR leitend wird und den Puls auf der Leitung
LV gegen Bezugspotential abführen
kann.
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Die
Zeitkonstante des zweiten RC-Gliedes aus den Elementen C20 und R20
kann unabhängig von
der Zeitkonstante des ersten RC-Gliedes eingestellt werden und bestimmt
in dieser Situation, wie lange die Steuerschaltung aktiv bleibt
und Steuersignale an die Transistoren T1 und T2 anlegt.
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Sobald
P10 abschaltet, z.B. weil sich der transiente Puls verflacht und
die Zeitkonstante des ersten RC-Gliedes kürzer als die Spannungsänderungen
auf der Leitung LV werden, wird der Verbindungsknoten der Eingänge der
Inverter I5 und I6 mit dem zweiten RC-Glied über dieses RC-Glied und dessen
Zeitkonstante gegen Bezugspotential entladen. Typischerweise wird
die Zeitkonstante des zweiten RC-Gliedes so eingestellt, dass die
Steuerschaltung die Steuersignale an den Thyristor so lange abgibt,
wie die transiente Störung
andauert. Das bedeutet, dass die Zeitkonstante des zweiten RC-Gliedes größer ist
als die Zeitkonstante des ersten RC-Gliedes. Auf diese Weise können mittels
des ersten und des zweiten RC-Gliedes unterschiedliche transiente Pulsformen
erfasst und abgeleitet werden. Weiterhin können die Zeitkonstanten der
beiden RC-Glieder unabhängig voneinander
im Hinblick auf ihre Funktion optimiert werden.
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Die
Struktur der Schutzanordnung im Halbleiterbauelement gibt das Ausführungsbeispiel
gemäß 3 an.
In dem nicht näher
dargestellten Halbleiter ist eine p-dotierte Wanne 10 angeordnet.
Die Wanne 10 kann auch das Substrat des Halbleiters sein.
In der Wanne 10 sind hochdotierte Bereiche mit p- bzw.
n-Leitfähigkeit
angeordnet, die in üblicher Weise
beispielsweise durch Implantation oder Diffusion erzeugt werden
können.
Der hochdotierte n-Bereich 11 sowie der p-Bereich 12 können separat
an ein Potential gelegt werden, jedoch müssen sie im Betrieb das gleiche
Potential aufweisen. Dazu sind sie jeweils mit der Bezugsleitung
LB verbunden. Der hochdotierte p-Bereich 13 ist mit dem
Ausgang CTL der Steuerschaltung verbunden.
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Ebenfalls
in der p-Wanne 10 ist eine n-dotierte Wanne 20 angeordnet.
In dieser Wanne 20 sind zwei hochdotierte n- Bereiche 21 und 23 sowie
ein p-Bereich 22 angeordnet. Diese können in ähnlicher Weise wie die hochdotierten
Bereiche der p-Wanne durch Implantation oder Diffusion in herkömmlicher Weise
hergestellt sein. Die Bereiche 21 und 22 können separat
an ein Potential gelegt werden, jedoch müssen sie im Betrieb das gleiche
Potential aufweisen. Dazu sind sie jeweils mit der Versorgungsleitung LV
verbunden. Der Bereich 23 ist mit dem Ausgang CTH der Steuerschaltung
TC verbunden.
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Die
parasitäre
Thyristorstruktur ist in die n- bzw. p-Wanne eingezeichnet. Danach
ergibt sich der pnp-Transistor zwischen dem Bereich 21 mit
nachgeschaltetem Widerstand RN der n-Wanne als Basis, dem Bereich 22 als
Emitter und dem Bereich 12, dem ein Substrat- oder p-Wannen-Widerstand
RP vorgeschaltet ist, als Kollektor. Die Basis dieses Transistors
T1 ist mit dem Bereich 23 als Steueranschluss verbunden,
an den das Steuersignal CTH zum Ein- und Ausschalten des Transistors
angelegt werden kann.
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Der
npn-Transistor T2 ergibt sich zwischen dem Bereich 21 und
dem Bahnwiderstand der n-Wanne RN als Kollektor, dem Kollektor des
Transistors T1 bzw. dem Bereich 12 mit Bahnwiderstand RP
der p-Wanne 10 als Basis und dem Bereich 11 als Emitter.
Die Basis des Transistors T2 ist mit dem Bereich 13 verbunden,
an den das Steuersignal zum Ein- bzw. Ausschalten des Transistors über das
Signal CTL angelegt werden kann.
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Die
Steuerleitungen bzw. Steuersignale CTH und CTL werden zunächst auf
niedriges Potential (Bereich 23) bzw. hohes Potential (Bereich 13)
gelegt, um die Transistoren T1 und T2 einzuschalten und in den Latch-up-Modus
zu bringen. Dabei wird jeweils ein Basisstrom für den pnp- bzw. npn-Transistor bereitgestellt.
Die Basisströme
schalten den jeweiligen Tran sistor ein und zünden somit den Thyristor. Damit
ist die Schutzfunktion zwischen den Leitungen LV und LB in Betrieb.
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Zum
Ausschalten des Thyristors wird der Bereich 23 über den
Anschluss CTH an hohes Potential gelegt und der Bereich 13 über den
Anschluss CTL an niedriges Potential. Damit sperren die Transistoren
T1 und T2 und veranlassen den Thyristor, den Latch-up-Modus zu verlassen.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem der Thyristor nur seine eigentlichen Kontaktbereiche aus
dem hochdotierten n-Gebiet 31 mit Bezugspotential VB und
dem hochdotierten p-Gebiet 42 mit
Versorgungspotential LB aufweist. Die n-Wanne 20 bildet
dabei die parasitäre
Basis des pnp-Transistors und den parasitären Kollektor des npn-Transistors.
Entsprechend bildet die p-Wanne 10 die parasitäre Basis
des npn-Transistors
und den parasitären Kollektor
des pnp-Transistors.
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Gegenüber 3 sind
die den Kontaktbereichen 12 und 21 entsprechenden
Bereiche nicht ausgeführt.
Alternativ können
jedoch zumindest einer der beiden Kontaktbereiche vorgesehen sein,
d.h. der n+-Kontaktbereich in der n-Wanne
oder der p+-Kontaktbereich in der p-Wanne. Die Alternativen stellen
lediglich andere Ausführungsformen
des Thyristors dar.
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In
der Praxis können
die eigentlichen Thyristorkontaktbereiche 11 und 22 gemäß 3 bzw. 31 und 42 gemäß 4 aus
mehreren, theoretisch sogar beliebig vielen Kontaktreihen oder Kontaktteilbereichen
bestehen. Eine Begrenzung bildet allerdings der verfügbare Platz
bzw. Raum. Diese eigentlichen Thyristorbereiche oder -kontaktreihen
können
jeweils für
sich unabhängig
voneinander vollständig
von einem Trigger- Diffusionsgebiet 31 bzw. 42 umgeben sein,
siehe auch 5b oder 5c.
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Die
räumliche
Anordnung der Steuerkontaktbereiche 13 und 23 gemäß 3 bzw. 33 und 43 gemäß 4 zwischen
den Thyristorkontakten oder um diese herum ermöglicht in effizienter Weise
das Löschen
des Thyristors nach dem Abklingen der transienten Störung. Dabei
werden die Steuerkontaktbereiche, wie beschrieben, von den Abschalttransistoren
TQP und TQN bzw. den Invertern I1 und I3 bzw. I5 und I7 angesteuert. Über diese
Abschalt- bzw. Löschelemente,
z.B. TQP und TQN, werden die Basisströme der Transistoren T1 und
T2 über
die Bereiche 13 und 23 bzw. 33 und 43 abgesaugt.
Dadurch sperren T1 und T2 und der Thyristor wird gelöscht.
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Um
eine noch höhere
Störungsimmunität zu erreichen,
können
mehrere oder viele Thyristorstrukturen parallel geschaltet werden.
Dabei wird der Transienten-Erkennungsteil TC nur einfach benötigt, jedoch
muss jede Thyristorstruktur separate Einschalt- bzw. Ausschalttransistoren
aufweisen.
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Nur
mit der gezielten Ansteuerung der Basen der Transistoren T1 und
T2 mit jeweils einem separaten Signal ist es möglich, den Thyristor nicht
nur in bekannter Weise einzuschalten, sondern gemäß der Erfindung
auch gezielt abzuschalten. Entscheidend für den Löschvorgang ist das effiziente
Absaugen der Ladungsträger
aus der Basiszone gemäß der Erfindung.
Auf diese Weise ist es möglich,
dass der Thyristor als Schutzanordnung zwischen zwei Versorgungsspannungsleitungen
angeordnet sein kann und dort funktionsgemäß betrieben werden kann, ohne dass
ein Risiko besteht, dass der Thyristor in einen Latch-up-Modus während des
normalen Betriebszustandes kommt oder dort verbleibt. Auf diese
Weise ist ein äußerst effektiver
Schutz der Halbleiternutzschaltung möglich.
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5 zeigt in der Draufsicht verschiedene Ausführungsformen
der Thyristor-Steueranordnungen auf der Halbleiteroberfläche. Dabei
sind Streifen- oder Ringanordnungen vorgesehen, insbesondere auch
für die
Ansteuerung der Transistoren T1 und T2 des Thyristors. 5a zeigt
eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 3. Gemäß 5b ist
ein Kontaktanschluss des Thyristors vollständig umschlossen von einem
hochdotierten Bereich, an den der Anschluss CTL angelegt wird. Auf
diese Weise lässt
sich ein besseres und effektiveres Abschalten des Thyristors erreichen.
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In
einer speziellen Ausführungsform,
die für Hochvoltanordnungen
geeignet ist, ist es möglich, eine „invertierte" Thyristor-Anordnung
vorzusehen, bei der die p-Wanne 10 vollständig in
eine weitere n-Wanne eingebettet ist und vom Substrat durch die weitere
n-dotierte Wanne isoliert ist.
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Die
Wirksamkeit der Schutzanordnung kann weiter verbessert werden, indem
mehrfache Kontaktbereiche für
die Emitter sowohl des pnp- als auch des npn-Transistors vorgesehen
sind. Diese Bereiche sind, wie bereits erwähnt, die Zonen 11 bzw. 22 gemäß 3 bzw. 31 und 42 gemäß 4,
die demzufolge als Mehrkontaktbereiche ausgelegt werden müssen.
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Weitere
Ausführungsformen
der Steuerschaltung und der Schutzschaltung sind möglich und gehören, obwohl
nicht dargestellt, zum Schutzumfang der Erfindung. So kann jede
Anordnung von verschiedenen dotierten Bereichen, die eine thyristorartige
Struktur erzeugen und die Bereitstellung von Einschalt- bzw.
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Löschkontakten
erlauben, auf die erfindungsgemäße Weise
hergestellt und betrieben werden.