DE1613860A1

DE1613860A1 - Schutzvorrichtung fuer mikroelektronische Komponenten

Info

Publication number: DE1613860A1
Application number: DE19671613860
Authority: DE
Inventors: Booher Robert K
Original assignee: North American Aviation Corp
Current assignee: North American Aviation Corp
Priority date: 1966-05-02
Filing date: 1967-03-07
Publication date: 1970-06-18
Also published as: FR1504131A; GB1190781A; DE1613860B2; JPS543339B1; NL6700227A; JPS5139065B1; US3407339A

Description

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München 27, PienzanauerSfr.l ■ /t-MSH¹

North American Aviation, Inc., 17OO East Imperial Highway,

El Segundo, California

Schutzvorrichtung für mikroelektronisohe Komponenten

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum achützen mikroelektronischer Komponenten gegen übermässige statische elektrische Ladungen und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Begrenzen der Spannung in einer Leitung auf einen Bereich von Werten, die einen Schutz von mikroelektronischen Komponenten, wie etwa Feldeffekttransistoren usw. gegen statische elektrische Ladungen sicherstellen.

Beim Verpacken und Transportieren Kiiteoalekfcronisoher Bestandteile können sieh statische elektrisohe Ladungen auf«

BAD OHiGlNAL

bauen und mit den Drähten der Bestandteile in Berührung kommen. Wenn diese ladungen gross genug sind, schlägt das Tordielektrikum durch und verursacht einen ständigen Defekt. Die ungünstigen Auswirkungen positiver statischer Ladungen im derzeitigen Stand der Technik werden ausgeschaltet durch Verbinden der Leitung mit einem Bereich, der in die Unterschicht diffundiert ist, so dass eine vorwärts vorgespannte Diode gebildet wird. Negative statische Ladungen wurden ausgeschaltet durch Verändern des elektrischen Feldes um eine in gleicher Art und Weise verbundene Diode, so dass sie bei einer verhaltnismässig niedrigen spannung durchschlägt. Spannungsniveaus von entweder negativer oder positiver Polarität, die über einen Betriebsbereich hinausgehen, der für mikroelektronische Bestandteile sicher ist, können auch während des Betriebes der Bestandteile zu anderen Zeiten auftreten als zu denen, wenn diese Komponenten verpackt und transportiert werden.

Die Vorrichtung des Anmelders schafft einen neuartigen und verbesserten Aufbau, der die Bestandteile in einem Stromkreis gegen Spannungsniveaus schützt, die über den Spannungsausschlag hinausgehen, der in dem Stromkreis zulässig ist, ohne dass die Notwendigkeit besteht, ein elektronisches Feld zu benutzen, um ein Durchschlagen der Diode zu veranlassen. Bei einer Ausführungsform umfasst der Aufbau eine erste Halbleitervorrichtung, wie etwa einen Feldeffekt-

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transistor, der so geschaltet ist, dass er die Spannung in einer ersten Leitung auf einen Betriebsbereich beschränkt, der für mit dieser Leitung verbundene mikroelektronische Komponenten sicher ist. Die -Halbleitervorrichtung umfasst eine Steuerelektrode und eine zweite Elektrode, die beide mit der Leitung verbunden sind. Die Vorrichtung weist auch eine dritte Elektrode auf, die mit einer zweiten Leitung verbunden ist. Die zweite Leitung ist mit Vorrichtungen versehen, die eine spannung zu der genannten dritten Elektrode führen, die eine Seite des Ausschlages der zulässigen Spannung in dem Stromkreis herstellt. Auch die zweite Elektrode hat eine Verbindungsstelle, die zu ihr gehört, um die spannung in der ersten Leitung auf ein Spannungsniveau an der anderen Seite„des Ausschlages der zulässigen Spannung zu begrenzen. Die Verbindungsstelle ist mit einem Element, üblicherweise der Unterschicht, in der sie hergestellt ist, verbunden, das sich auf dem gleichen Spannungspotential befindet, das für die andere Seite des Spannungsausschlages gewünscht wird. Es könnte auf elektrischer Erdspannung gehalten oder auf. irgendeinen anderen Wert vorgespannt werden} abhängig von der Polarität der in dem Stromkreis und den Vorrichtungen verwendeten spannungen können die erste und die zweite Elektrode entweder eine Abfluß- oder eine Quellenelektrode sein, die einen Teil eines Feldeffekttransistors umfasst. Die steueaöLektrode wäre in diesem Falle eine Torelektrode.

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Die Spannung in der zweiten Leitung wird bei einer Ausführungsform auf dem genannten Niveau mit Hilfe einer Vielzahl von in Serie verbundenen Halbleiter-Vorrichtungen gehalten, wie etwa Feldeffekttransistoren, die kombinierte Schwellenspannungen haben, die gleich dem Spannungsniveau sind. Das höchste Niveau kann verändert werden durch Verändern der Anzahl der in Serie verbundenen Vorrichtungen.

Die Polarität der Halbleiter-Vorrichtungen, wie etwa einer

n- oder p-Art wird gewählt, nachdem bestimmt wurde, welche Spannungspolarität für den Stromkreis verwendet werden soll, mit anderen Worten, ob die zu verwendende Spannung negativ oder positiv ist oder nicht.

Daher 1st es eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, einen Aufbau zu schaffen, um mikroelektronische Komponenten vor Übermässigen statischen elektrischen Ladungen zu schützen.

Bine weitere Zielsetzung der Erfindung 1st, Feldeffekttransistoren, integrierte Stromkreise und andere mikroelektronisohe Bestandteile gegen übermässige statische elektrische Ladungen zu schützen.

Ferner strebt die Erfindung an, Halbleiter-Vorrichtungen zu schaffen, die mit einer Leitung verbunden sind, um die Spannung auf der Leitung auf einen Betriebsbereioh zu be-

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grenzen, der für die mit der Leitung verbundenen mikroelektronischen Komponenten sicher ist.

Eine weitere Zielsetzung der Erfindung ist, eine Serie von Transistoren zu schaffen, die so verbunden sind, um eine Leitung auf einer Spannung, die ungefähr gleich den kombinierten- Schwellenspannungen der Transistoren ist, zu halten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer in der beigefügten schematischen Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele.

Fig. 1 ist eine Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ist eine Darstellung einer Ausführungsform von in Serie verbundenen Transistoren, die eine Spannung auf einen negativen Wert beschränken, und

Flg. 5 ist eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, um die Spannung auf einem gewünschten Spannungsausschlag zuhalten.

lÄiter Hinweis auf Fig. 1, worin eine Ausführungsform der Schutzvorrichtung gezeigt ist, die einen Feldeffekttransistor 1 hat, der mit der Leitung 2 verbunden ist, ist gezeigt, dass der Traneistor 1 eine Torelektrode. 5 und eine Abfluseelektrode 4 hat, die mit der .Leitung 2 verbunden ist.

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. Die Quellenelektrode 5 ist mit einer -V-Quelle verbunden. Die Abflußelektrode ist mit einer Verbindungsstelle verbunden, die einen diffundierten Bereich in dem Substrat umfasst, Der diffundierte Bereich bildet eine p-n-Verbindungsstelle mit dem Substratmaterial, und wenn eine positive spannung in der Leitung für die gezeigte Ausführungsform auftritt, leitet die Verbindungsstelle und beschränkt die spannung auf einen maximalen positiven Wert, der gleich der Spannung in der Verbindungsstelle ist, wenn diese leitet. Die Verbindungsstelle ist als mit der Unterschicht 7 verbunden gezeigt.

Wie vorher hierin angedeutet, kann das Substrat auf eine abweichende Spannung vorgespannt werden, so dass die Verbindungsstelle bei einer negativen Spannung zwischen -V und 0 leitet. Das Substrat könnte auch .so vorgespannt werden, dass es bei einer übermässigen spannung der beschriebenen leicht positiven Spannung leitet. Wenn beispielsweise das Substrat mit einem p-Transistor auf eine Spannung von

- 10 vorgespannt wird, dann würde die Verbindungsstelle bei - 9 Volt leiten und eine Seite des Spannungsausschlages bei diesem Wert festlegen. Im Verhältnis zu dem Substrat wäre die Leitung 1 leicht positiv, obwohl relativ zur elektrischen Erde oder 0 der Ausschlag nooh negativ wäre. Die andere Festlegung oder der Ausschlag würde bei

- V sein, was ebenso im Hinblick auf das substrat anstatt

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auf 0 elektrische Erde bezogen werden könnte.

Die Leitung 2 ist mit der Torelektrode des Feldeffekttransistors 6 verbunden, der vom Transistor 1 geschützt wird. Integrierte Stromkreise, Transistoren, Dioden und andere Mikrominiaturvorrichtungen können ebenfalls durch die Kombination geschützt werden, obwohl für die vorliegende Beschreibung ein Feldeffekttransistor dargestellt ist.

Es wird angenommen, dass eine {Spannung, die etwas, über - V liegt, den zu schützenden Bestandteil beschädigen würde. Üblicherweise wird die - V -Spannung in der Mitte zwischen der normalen Betriebsspannung für den Stromkreisbestandteil und der Höchstspannung gewählt, die der Bestandteil ohne Beschädigung aushalten kann.

Insofern, als verschiedene mikroelektronische Bestandteile verschiedene maximale Spannungsniveaus haben, kann es notwendig sein, die -V-Spannung zu verändern, abhängig von dem besonderen'Bestandteil in dem Stromkreis. Die Schwellenspannung des ersten Transistors muss ebenfalls in Betracht gezogen werden, da sie wirksam der -V-Spannung hinzugefügt ■wird, die an der Quellenelektrode auftritt. Beispielsweise kann ein standard MOa-FET-Bestandteil eine Durchschlagspannung von -^O Volt haben; daher würde - V auf - 20 gehalten, so dass die Leitung 2 für die Ausführungsform nach Fig. 1 nie über -20 Volt hinausgeht, plus der Schwellenspannung des ersten Transistors»

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Wenn im Betrieb eine Spannung über -V auf der Leitung 2 in Folge eines statischen Aufbaus auftritt, wird der Transistor leitend gemacht, und -V plus der Schwellenspannung des Transistors 1 erscheint auf der Leitung 2, und anderen Komponenten, die mit der Leitung verbunden sind, wird kein !Schaden zugefügt.

Unter gewissen Umständen ist es möglich, -V auf einem konstanten Wert festzulegen. Wenn die Quellenspannung über einen beträchtlichen Bereich sehwanken kann, es sei denn, dass sie konstant gehalten würde, wäre es möglich, dass sichere Spannungsniveau eines Bestandteiles zu überschreiten. Ebenso müssen einige Mittel vorgesehen werden, um einen festgelegten Bezugswert auf -V festzulegen, um Komponenten gegen den Aufbau statischer Spannungen zu schützen.

Eine Ausführungsform des Stromkreises zum genauen Aufrechterhalten des -V-Niveaus ist in Pig. 2 gezeigt.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die Feldeffekttransistoren 20, 21 und 22 in Serie von der -V-Leitung zum Substrat 2J verbunden, das auf einer elektrischen Erdspannung sein kann, je nachdem, wie di* Vorspannung erfolgt..

Die Torelektroden 25, 26 und 27 eines jeden Transistors sind mit den entsprechenden Abflußelektroden j50, 21 und J52

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eines jeden Transistors verbunden. Die entsprechenden Quellenelektroden 35 und 36 eines jeden vorangegangenen Transistors sind mit der Abflußelektrode eines darauffolgenden Transistors verbunden, um die Serienanordnung zu vollenden. Die letzte Quellenelektrode der Serie, 37, ist mit dem Substrat verbunden, das normalerweise auf Erdspannung ist.

Jeder Transistor hat eine Schwellenspannung, die überwunden werden muss, bevor er leiten kann. In einer besonderen Ausführungsform ist die Anzahl der Vorrichtungen mal der Sohwellenspannung für jede Vorrichtung gleioh der spannung, die in der Leitung auftritt. In der Tat wird die Leitung auf diesen maximalen negativen Wert festgelegt oder begrenzt.

Für die gezeigte besondere Ausführungsform sei angenommen, dass jede Vorrichtung eine -5-Volt Sohwellenspannung hat, und dass es erwünscht 1st, die Leitung auf -20 Volt festzulegen. Drei Vorrichtungen sind in Serie verbunden, so dass die Schwellenspannungen der drei Transistoren plus der Sohwellenapannung des ersten Transistors eich addieren, um der gewünschten konstanten Spannung gleioh zu sein.

Wenn eine Ubermäasige negativ· spannung sofort auf der Leitung 2 auftritt, leitet der Tranalstor 1 geaauao wie

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die Transistoren 20, 21 und 22. Die kombinierten Schwellenspannungen der vier Transistoren addieren sich auf beispiels weise - 20 V und begrenzen die Leitung 2 auf diesen Wert. Die gleiche Einstellwirkung ergibt sich, wenn eine übermässige negative Spannung in der -V-Leitung auftritt.

Unter Hinweis auf Fig. 2, worin gezeigt ist, dass der Transistor 24 gegen einen Spannungsausschlag geschützt wird, der über + V ist, und gegen einen anderen spannungsaussohlag, der über der Spannung liegt, die durch die Verbindungsstelle 40 zwischen der Quellenelektrode 41 und dem Substrat 28 aufgebaut ist, kann das Substrat auf 0 Volt sein oder kann auf irgendeinem anderen Wert vorgespannt sein, wie etwa + V₁. Im letzteren Falle würde der Spannungsaussohlag zwischen + V und + V, liegen.

Falls das Substrat auf ungefähr 0 liegt, wäre ein Spannungssussohlag von einer leicht negativen Spannung, die durch den Verbindungsstellenabfall hergestellt wird.

Wenn eine Leitung, die auf der Leitung 29 auftritt, + V überschreitet, leitet der Transistor >? und legt die Leitung auf die*+ V-Spannung fest, die auf der Leitung 42 auftritt, plus dtn sohwellenspannungen des Traneistors 2?. Die Leitung 42 ist auf die +V-Spannung beeohränkt duroh die Serienkombination der Transistoren 34, }8 und 29, die in Anwesenheit

BAD

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einer Spannung Über +V leiten, um die Leitung 42 auf dem Substratwert plus den kombinierten Schwellenspannungen festzulegen. '

Aus der Beschreibung sollte läse hervorgehen, dass der Spannungsausschlag von einer Spannungspolarität verschiedener Spannungsniveaus sein kann, wie etwa positiver oder negativer Niveaus, oder sie kann zwischen zwei Polaritäten schwingen, wie etwa zwischen einem positiven und einem negativen Wert oder umgekehrt»

Wie in der Erfindung im einzelnen beschrieben und dargestellt wurde, ist klar, dass diese Beschreibung nur als Illustration und Beispiel dienen soll und in keiner Weise als Beschränkung· Geist und Umfang der Erfindung sind lediglich durch die beigefügten Ansprüche begrenzt.

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Claims

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Patentansprüche

1. - Stromkreisspannungsschutzvorrichtung mit einer ersten Halbleitervorrichtung zum Beschränken der Spannung in einer ersten Leitung auf einen Betriebsbereich, der .für mikroelektronische Bestandteile, die mit dieser Leitung verbunden sind, sicher ist, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Halbleitereinrichtung eine steuerelektrode und eine zweite, mit dieser Leitung verbundene Elektrode aufweist, sowie eine dritte Elektrode, die mit einer zweiten Leitung verbunden ist, die ein erstes ttpannungsniveau innerhalb des genannten Betriebsbereiches hat, wobei die genannte zweite Elektrode eine Verbindungsstelle hat, die damit verbunden ist, um die spannung in der genannten ersten Leitung mit einem zweiten öpannungsniveau zu begrenzen, wobei der genannte Betriebsbereich innerhalb des genannten ersten und zweiten spannungen!veaus liegt.

2. - atromkreisspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte erste Halbleitereinriohtung einen FeldeffekttraraLstor hat und die genannte zweite Leitung eine apannung von begrenztem Bereich zu einem der Quellen od&r dem Abfluß des Transistors leitet, während die andere Quelle oder der andere Abfluß mit einem zu schützenden Stromkreis auf der ersten Leitung verbunden 1st und das Steuerelement des genannten Transistors auch mit

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dem zu schützenden Stromkreis verbunden ist, wodurch eine Seite des Ausschlages zulässiger Spannung in dem zu schützenden Stromkreis von der genannten zweiten Leitung erstellt wird, wobei der Stromkreis ein Element umfasst, das die gewünschte spannung der anderen Seite des Ausschlages zulässiger Spannung hat, und die vorwärts vorgespannte Leitfähigkeit von der anderen Quelle oder dem Abfluß zu dem Element die andere Seite des Ausschlages zulässiger Spannung in dem genannten Stromkreis herstellt.

J). - Stromkreisspannungsschutzvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung auf der zweiten Leitung auf dem ersten Niveau mit Hilfe einer Vielzahl von in Serie verbundenes Halbleitermitteln gehalten wird, die kombinierte Schwellenspannungen haben, die gleich dem Spannungsniveau sind,

4. - Stromkreisspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Halbleitereinrichtung einen ersten Feldeffekttransistor mit einer Tor- und einer ersten Elektrode hat, die mit der genannten zweiten Leitung verbunden ist, und eine zweite Elektrode, die mit einem zweiten Feldeffekttransistor verbunden 1st, wobei der genaimt® zweite Transistor mn. Jude? darauffolgende Transistor der geaasiiten Vielzahl ihr® To^- uqS ersten Elektroden m±% «3®r zweiten Blöktet© ο la® a vorangegangenen

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Transistors verbunden haben, um die genannte in öerie verbundene Halbleitereinrichtung zu bilden, wobei der Endtransistor der genannten eerie mit Halbleitereinrichtungen verbunden ist, deren zweite Elektrode mit einem apannungsbezug verbunden ist, wobei die genannte Bezugsspannung plus der kombinierten achwellenspannung gleich dem ersten Niveau ist.

5. - atromkreisspannungssohutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte in aerie verbundene Halbleitereinrichtung eine Vielzahl von in aerie verbundenen Feldwirkungstransistoren umfasst, die kombinierte achwellenspannungen haben, die gleich der genannten einen üeite des Ausschlags der zulässigen Spannung sind.

6. - atromkreisspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten in aerie verbundenen Transistoren ein jeder eine Tor- und eine Quellenoder Abflusselektrode haben, die mit der Quelle oder dem Abfluß des erstgenannten Feldeffekttransistors verbunden ist und die andere der genannten Quellen- oder Abflußelektroden mit der Quelle oder dem Abfluß des anderen Feldeffekttransistors verbunden ist, wobei jeder Transistor der genannten Vielzahl mit ihrer Torelektrode und einer der Quellen- oder Abflußelektroden mit der genannten Quellenoder Abflußelektrode des vorangegangenen Transistors verbunden ist, um die genannten in aerie verbundenen Feldeffekttransistoren zu bilden, wobei der Endtransietor

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genannten Serie rait seiner Quellen- oder Abflußelektrode mit einem Spannungsbezug verbunden ist und die genannte Bezugsspannung, wenn sie mit den kombinierten Schwellenspannungen addiert wird, gleich einer Seite des Ausschlages der zulässigen Spannung in diesem Stromkreis ist.

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