DE10342305A1

DE10342305A1 - ESD-Schutzvorrichtung

Info

Publication number: DE10342305A1
Application number: DE10342305A
Authority: DE
Inventors: Helmut Fischer; Jürgen Lindolf; Michael B. Sommer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2005-04-14
Also published as: CN1595753A; US20050099745A1

Abstract

Eine ESD-Schutzvorrichtung (100) zum Begrenzen einer, einer elektrischen Nutzspannung überlagerten Spannung auf eine zulässige Spannung, die eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Dioden (106) aufweist. Die Dioden (106) sind dabei bezogen auf die Nutzspannung in Flußrichtung gepolt. Jede einzelne in Flußrichtung gepolte Diode weist eine Einsatzspannung auf. Die Summe der Einsatzspannungen der in Reihe geschalteten Dioden entspricht der zulässigen Spannung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ESD-Schutzvorrichtung und insbesondere auf eine ESD-Schutzvorrichtung, die eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Dioden aufweist.

Elektronische Schaltungen reagieren empfindlich auf Überspannungen und müssen deshalb vor solchen geschützt werden. Eine häufige Ursache von Überspannungen sind elektrostatische Entladungen. Um eine an einem externen Kontakt angeschlossene elektronische Schaltung vor ESD-Schäden (ESD; ESD = Electrostatic discharge) zu schützen, werden ESD-Schutzvorrichtung eingesetzt, die beim Auftreten von elektrostatischen Spannungsspitzen schalten und die, für die Überspannung verantwortlichen, elektrostatischen Ladungen von dem Kontakt abführen.

Insbesondere bei elektronischen Schaltungen mit niedrigen Betriebsspannungen ist es wichtig, daß eine ESD-Schutzvorrichtung im Normalbetrieb eine sehr geringe Verlustleistung aufweist. Dies ist zum einen erforderlich, um die Nutzspannung, wie beispielsweise eine Signalspannung, nicht zu verfälschen und zum anderen um die Verlustleistung der gesamten elektronischen Schaltung nicht unnötigerweise zu erhöhen.

Herkömmlicherweise werden ESD-Dioden als Schutzvorrichtung eingesetzt. Eine solche ESD-Diode weist in Sperrrichtung eine Sperrspannung und in Flußrichtung eine Einsatzspannung auf. Die Einsatzspannung ist dabei deutlich niedriger als die Sperrspannung. Für den Normalbetrieb der Schaltung sind die Dioden in Sperrrichtung gepolt. Im ESD-Fall, bei hohen Spannungen in Sperrichtung, wird ein Lawinen-Durchbruch in der Diode ausgelöst und die für die Überspannung verantwortlichen Ladungen werden abgeleitet.

Der Lawinen-Durchbruch tritt dabei ab Spannungen von ca. 7 V auf. Elektronische Schaltungen weisen heutzutage Betriebsspannungen auf, die deutlich niedriger als die Lawinen-Durchbruchsspannung einer ESD-Diode sind. Die zum Lawinen-Durchbruch notwendigen hohen Spannungen reichen daher häufig bereits aus, um nennenswerte Schäden an der elektronischen Schaltung zu bewirken. Dies ist insbesondere bei MOS-Schaltungen mit dünnen Gateoxiden der Fall.

Gemäß dem Stand der Technik werden auch Transistoren oder eine Kombination aus einem Transistor und einer Diode als ESD-Schutzvorrichtung verwendet. Die DE 100 02 241 A1 beschreibt eine solche Kombination, in der eine Diode, bezogen auf eine Nutzspannung, in Sperrichtung eingesetzt wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexible und zuverlässige ESD-Schutzvorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine ESD-Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine ESD-Schutzvorrichtung zum Begrenzen einer, einer elektrischen Nutzspannung überlagerten Spannung, auf eine zulässige Spannung, mit folgenden Merkmalen: Einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten, bezogen auf eine Nutzspannung in Flußrichtung gepolten Dioden, wobei jede in Flußrichtung gepolte Diode eine Einsatzspannung aufweist, und wobei die Summe der Einsatzspannungen der Dioden der zulässigen Spannung entspricht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Serienschaltung von in Flussrichtung gepolten Dioden vorteilhaft als ESD-Schutzvorrichtung eingesetzt werden kann.

Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine im ESD-Fall in Durchlassrichtung gepolte Diode eine erheblich niedrigere Einsatzspannung aufweist, als eine in Sperrrichtung gepolte Diode.

Der Vorteil einer ESD-Schutzvorrichtung, bestehend aus einer Kadkade von Dioden, die im ESD-Fall in Durchlassrichtung geschaltet besteht somit darin, daß elektronische Schaltungen zuverlässig auch vor Überspannungen geschützt werden können, die nur geringfügig über der Nutzspannung liegen. Außerdem weist der erfindungsgemäße Ansatz eine hohe Flexibilität auf, da ESD-Schutzschaltungen mit anwendungsspezifischen Schaltschwellen und Verlustleistungen geschaffen werden können.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Schaltbild einer ESD-Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

2 eine Darstellung einer Kennlinie der ESD-Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt ein Schaltbild einer ESD-Schutzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die ESD-Schutzvorrichtung 100 ist zwischen einem ersten Kontakt 102 und einem zweiten Kontakt 104 angeordnet.

In diesem Ausführungsbeispiel weist die ESD-Schutzvorrichtung 100 eine Reihenschaltung bestehend aus fünf Dioden 106 auf und begrenzt eine Überspannung, die eine gleiche Polarität wie eine Nutzspannung einer elektrischen Schaltung (nicht gezeigt) aufweist, auf eine zulässige Spannung.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kontakt 102 mit der zu schützenden elektronischen Schaltung verbunden. Um die elektronische Schaltung vor, durch eine Überspannungen hervorgerufene Schäden zu schützen, ist der Kontakt 102 über die ESD-Schutzvorrichtung 100 mit dem zweiten Kontakt 104 verbunden. Der zweite Kontakt 104 liegt auf einem elektrischen Potential, das eine Ableitung von Ladungen, die auf den ersten Kontakt 102 eine Überspannung hervorrufen, über die ESD-Schutzvorrichtung 100 ermöglicht.

Während des Betriebes der elektronischen Schaltung liegt an dem ersten Kontakt 102 eine Nutzspannung an. Die ESD-Schutzvorrichtung 100 ist so angeordnet, daß die Dioden 106 bezüglich der Nutzspannung in Flußrichtung gepolt sind. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Dioden 106 ist dabei so gewählt, daß die Summe der Einsatzspannungen der in Reihe geschalteten Dioden 106 größer als die Nutzspannung und geringer oder gleich der zulässigen Spannung der elektronischen Schaltung ist. Die Summe der Einsatzspannungen, der in Reihe geschalteten Dioden 106, entspricht damit einer zulässigen Spannung auf die eine an dem ersten Kontakt 102 anliegende Überspannung begrenzt wird.

Bevorzugterweise sind die Dioden 106 als pn-Übergänge ausgeführt, die bereits innerhalb des technologischen Prozesses vorhanden sind. Dadurch sind für die ESD-Schutzvorrichtung 100 keine zusätzlichen Prozeßschritte erforderlich. Als pn-Übergänge kommen Source/Drain-Implantationen in der zu einem Transistortyp gehörigen Wannenimplantation, Source/Drain-Diffusionen in der zu einem Transistortyp gehörigen Wannendiffusion oder eine Wannenimplantation beziehungsweise eine n/p-Wannendiffusion in einem p/n-Substrat in Frage.

2 zeigt simulierte Kennlinien 200, 202 der in 1 gezeigten ESD-Schutzvorrichtung. Die Kennlinien 200, 202 zeigen einen Stromverbrauch 204 der ESD-Schutzvorrichtung in Abhängigkeit einer anliegenden Spannung 206. Die Kennlinie 200 zeigt den Stromverbrauch 204 in einem Spannungsbereich zwischen 0,1 V und 10 V und die Kennlinie 202 den Stromverbrauch 204 in einem Spannungsbereich 206 von 10 V bis 1 kV.

Eine Einsatzspannung einer Diode ist durch einen Spannungswert definiert, bei dem die Diode einen gewünschten Innenwiderstand aufweist. Der gewünschte Innenwiderstand kann für unterschiedlichen Anwendungen einen unterschiedlichen Wert aufweisen und damit unterschiedliche Einsatzspannungen der Diode definieren. Dementsprechend wird die erfindungsgemäße ESD-Schutzvorrichtung so spezifiziert, dass sie bei einer zulässigen Spannung einen gewünschten Innenwiderstand aufweist, der es ermöglicht, eine Überspannung abzubauen, bevor ein Schaden an der elektronischen Schaltung entsteht. Andererseits soll die ESD-Schutzvorrichtung bei einer Betriebsspannung einen entsprechend hohen Widerstand aufweisen, um die Verlustleistung der ESD-Schutzvorrichtung im Normalbetrieb möglichst gering zu halten.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist eine einzelne Diode eine Einsatzspannung von 0,7 V auf. Die Betriebsspannung der elektrischen Schaltung, die von der ESD-Schutzvorrichtung gegen Überspannungen geschützt wird, liegt bei 2,7 V und der erlaubte Stromverbrauch im Normalbetrieb bei 1 μA. Aus einer bekannten Kennlinie einer einzelnen Diode läßt sich die in 2 gezeigte simulierte Kennlinie 200, 202 einer ESD-Schutzvorrichtung berechnen, die die geforderten Merkmale aufweist. Aus der Kennlinie 200 ist zu entnehmen, daß die ESD-Schutzvorrichtung, bestehend aus fünf in Serie geschalteten Dioden bei einer Betriebsspannung von 2,7 V den spezifizierten Stromverbrauch von 1 μA aufweist. Bei einer zulässigen Spannung von 3,5 V leitet die ESD-Schutzvorrichtung einen Strom von 1 mA ab. Die zulässige Spannung ist ein Vielfaches der einfachen Einsatzspannung von 0,7 V einer einzelnen Diode, liegt jedoch unterhalb der Sperrspannung einer einzelnen Diode.

Obwohl oben ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert wurde, ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere ist die Anzahl der Dioden sowie die Art der Dioden nicht auf das vorliegende Ausbührungsbeispiel beschränkt, sondern wird durch die Anforderungen an die ESD-Schutzvorrichtung definiert. Ferner bieten die ESD-Schutzvorrichtungen sowohl Schutz gegen elektrostatische Entladungen als auch Schutz gegen jede andere Form von Überspannung, die einer Nutzspannung einer elektrischen Schaltung überlagert ist, und deren Polarität aufweist. Dabei kann die Nutzspannung eine festgelegte Spannung, wie eine Betriebsspannung sein, oder eine sich ändernde Spannung in Form eines elektrischen Signals.

100: ESD-Schutzvorrichtung
102: Erster Kontakt
104: Zweiter Kontakt
106: Dioden
200, 202: Kennlinien
204: Stromverbrauch
206: Anliegende Spannung

Claims

ESD-Schutzvorrichtung (100) zum Begrenzen einer, einer elektrischen Nutzspannung überlagerten Spannung auf eine zulässige Spannung, mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten, bezogen auf die Nutzspannung in Flußrichtung gepolten Dioden (106), wobei jede in Flußrichtung gepolte Diode eine Einsatzspannung aufweist, und wobei die Summe der Einsatzspannungen der Dioden, der zulässigen Spannung entspricht.
ESD-Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die zulässige Spannung die gleiche Polarität wie die Nutzspannung aufweist.
ESD-Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Anzahl der in Reihe geschalteten Dioden (106) so gewählt ist, daß die zulässige Spannung geringer als eine Sperrspannung einer einzelnen Diode ist.