DE1805843A1

DE1805843A1 - Elektrische Schutzschaltung

Info

Publication number: DE1805843A1
Application number: DE19681805843
Authority: DE
Inventors: Renz Robert Paul
Original assignee: NCR Corp
Current assignee: NCR Voyix Corp
Priority date: 1967-11-02
Filing date: 1968-10-29
Publication date: 1969-10-23
Also published as: CH487508A; BE722730A; BR6803425D0; DE1805843B2; FR1593099A; GB1179388A

Description

ELEKTRISCHE SCHUTZSCHALTUNG Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzschaltung, die Metalloxyd-Halbleitertransistoren gegen an die Transistoren angelegte überhöhte Spannungen schützt.
Ein derartiger MOS-Transistor ist ein Halbleiterelement mit einem Halbleiterträgerkörper einer ersten Leitfähigkeit, in dem Bereiche einer zweiten Leitfähigkeit vorgesehen sind, die als Quellen- und Senkenbereiche bezeichnet werden, an die Elektroden mit der gleichen Bezeichnung, nämlich Quelle und Senke, angeschlossen sind. Durch eine Isolierschicht von oer Oberflache des Malbleiterkörpers getrennt ist im Bereich zwischen Quelle und Senke eine Elektrode vorgesehen, die Gatter genannt wird. Die Isolierschicht besteht zweckmäBigerweise aus einem geeigneten OxyX beispielsweise Siliziumdioxyd.
Wird ad das Gatter ein geeignetes Potential angelegt, so ergibt sich ein leitender Kanal in dem Haibleiterkörper zwischen dem Quellen und Senkenbereicnß der Stromfluß zwischen Quelle und Senke hängt von der an das Gatter angelegten Spannung ab. f4OS-Transistoren besitzen eine erhöhte AnpassungsSähigkeit, sie sind billig und klein und benötigen weniger Betriebsleistung als übliche Transistoren. MOS-Transistoren haben jedoch den Nachteil, daß die Oxydschicht zerstört wird, und der Transistor ausfällt, wenn eine überhöhte Spannung zwischen Quelle und Gatter anliegt, beispielsweise eine Spannung über 100 V.
Es wurde bereits eine Schutzschaltung für einen MOS-Transistor vorgeschlagen, die aus einer zwischen Gatter und Quelle des Transistors geschalteten Halbleiterdiode mit Durchbruchsspannungscharakteristik besteht.
Diese Anordnung ist jedoch dann nachteilig, wenn - wie üblich - ein MOS-Transistor einen Teil einer integrierten Schaltung bildet, denn es müssen dann Verbindungen für eine diskrete äußere Diode vorgesehen werden. Selbst wenn die Diode als pn-Strecke in der dntegrierten Schaltung vorgesehen wird, sind zusätzliche Schritte erforderlich, um diese Strecke geeignet für die Verwendung in einer Schutzschaltung zu machen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue und verbesserte elektrische Schutzschaltung für einen Metalloxyd-Halbleitertransistor zu schaffen, bei der die oben genannten Nachteile behoben sind.
Gemäß der Erfindung gelingt dies dadurch, daß zwischen Gatter und Quelle des ersten Transistors ein als Diode geschalteter zweiter derartiger Transistor gelegt ist, dessen Isolierschicht eine Dicke besitzt, die größer als diejenige der Isolierschicht des ersten Transistors ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind Gatter und Senke des zweiten Transistors gemeinsam mit dem Gatter des ersten Transistors verbunden und die Quellen beider Transisktoren zusammengeschaltet, Die erfindungsgemäße Schutzschaltung hat den Vorteil daß die Hohe der Spannung, bei der die Schutzwirkung eintreten soll, sehr einfach durch die Dicke der Oxydschicht des zweiten Transistors bestimmt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der F.rfindang wird nun anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Kennlinienschar eines typischen MOS-Transistors, Fig. 2 einen Schnitt durch einen MOS-TransiStor, Fig. 5 Stromspannungskennlini-en von erfindungsgemäßen Schutztransistoren, Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 6, Fig. 5 ein Schaltdiagramm der Schutzschaltung gemäß der Erfindung, und Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf eine integrierte Schaltung mit einem zu schfltzenden und einem schützenden Transistor.
Fig. 1 zeigt Arbeitskennlinien eines typischen MOS-Transistors, wobei IDS der Senke/Quelle-Strom, VDS die Senke/Quelle-Spannung und VGs die Gatter/Quelle-Spannung bedeutet. In Fig. 2, die einen Schnitt durch den Senkenbereich eines MOS-Transistors zeigt, stellt der p-Bereich 12 den Quellenbereich dar und der Halbleiterkörper 18 besteht aus einem n-Halbleitermaterial. Die Senke 11 ist aus elektrisch 10 leitendem Material, das auf dem Senkenbereich/abgelagert ist.
In ähnlicher Weise besteht die Quelle 13 aus elektrisch leitendem Material, das Uber dem Quellenbereich 12 abgelagert ist.
Der Bereich zwischen dem Senkenbereich 10 und dem Ouellenbereich 12 ist der Gatterbereich oder der leitende Kanalbereich 7.
Eine dUnne amorphe Quarzschicht 16 (Siliziumdioxyd) ist über dem leitenden Kanalbereich 7 auf dem Halbleiterkörper 18 vorgesehen. Das Gatter 14 ist ebenfalls aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Aluminium, welches auf der dünnen Quarzschicht 16 abgelagert ist. Eine an das Gatter 14 angelegte Spannung steuert den Stromfluß durch den leitenden Kanalbereich 7.
Fig. 3 zeigt Kennlinien 38, 42 und 43 und zwar -VGS/-IDS-Kennlinien bzw. VDS/-IDS-Kennlinien (da -VGS = VDS) dreier MOS-Transistoren mit unterschiedlich dicken Gatter-Oxydschichten.
Die Kennlinie 38 gahört zu dem Transistor mit der dünnsten Oxydschicht und die Kurve 43 zu demjenigen mit der dicksten Oxydschicht. Aus Fig. 5 wird deutlich, daß eine Begrenzungsspannung (-V#S=VDS) eingehalten wird, auch wenn der Senke/ Quelle-Strom über den Begrenzungswert hinaus erhöht wird; je dicker die Gatter-Oxydschicht u--so großer ist der lert dieser Begrenzungsspannung. Durch geeignete Wahl der Dicke der Gatter-Oxydschicht ergeben sich Sehutztransistoren für beliebige Spannungswerte im Bereich von 3 bis 35 V. Ein derartiger Schutztransistor bietet such Sc@utz gegenüber Spannungsspitzen oder Impulsen entgegengesetzter Polaritättund zwar auf Grund des niederohmigen Teiles 45 der Arbeitskennlinien der Fig. 3.
Fig. 4 zeigt konstruktive Einzelheiten einer integrierten Schaltung, die eine Kombination aus einem zu schützenden und einem schützenden Transistor besitzt. Ein Abschnitt 19 für den zu schützenden Transistor besteht aus einem üblichen MOS-Transistor,wie er anhand von Fig. 2 beschrieben wurde.
Ein Abschnitt 21 für einen ## schützenden Transistor verwendet den p-Quellenbereich 12 gemeinsam mit dem zu schützenden Transistor als Quellenbereich. Der Schutztransistor besitzt einen unabhängigen p-Quellenbéreich 23. Die Gatter-Oxydschicht 17 des Schutztransistors ist dicker als die Gatter-Oxydæchlcht 16 des zu schützenden Transistors, damit de rwretUnSchte Grenzspannungswert für die Schutzschaltung erziel.Be Bei einem ausgeführten Element war die Gatter-Oxydschicht 16 annähernd 1050 R und die Gatter-Oxydschicht 17 annähernd 2500 2 dick.
Die elektrisch leitende Schicht 15 des Schutztransistors ist eine kontinuierliche Schicht, da sle über die Gatter-Oxydschicht 17 zu dem Senkenbereich 23 verläuft, wodurch der leitende Kanalbereich und der Senkenbereich des Schutztransistors 21 verbunden sind. Der leitende Kanalbereich 9 des Schutztransistors verbindet den gemeinsamen Quellenbereich 12 mit dem Senkenbereich 23.
Fig. 6 ist eine schematische Draufsicht auf die integrierte Schaltung der Fig. 4. Der Senkenbereich, der leitende Kanalbereich 7 und der Quellenbereich 12 des zu schützenden Transiston besitzen alle eine senkrechte Abmessung (in Fig. 6)> die ein Vielfaches größer als die waagrechte Abmessung (Fig. 4 und 6) ist. Der Grund hierfür wird noch erläutert. Ein elektrischer Anschluß 50 ist mit der Quelle 13, ein Anschluß 52 mit der Senke 11 des zu schützenden Transistors verbunden. Ein Anschluß 54 ist mit dem Gatter 14 des zu schützenden Transistors und auch mit der elektrisch leitenden Schicht 15 verbunden, wodurch sich die notwendigen elektrischen Verbindungen ergeben.
Der entsprechende leitende Kanalbereich 9 und der Senkenbereich 23 des Schutztransistors besitzen eine Form, die derjenigen der entsprechenden Elektrode entspricht. Es zeigt sich somit, daß der leitende Kanalbereich 9 und der Senkenbereich 23 des Schutztransistors wesentlich kürzer als der leitende Kanalbereich 7 und der Senkenbereich des zu schützenden Transistors sind, obgleich die Breite dieser Bereicheannähernd gleich ist. Der Grund für diese kürzere Ausführung besteht darin, daß hierdurch die äußere Kapazität reduziert wird, die an das Gatter 14 des zu schützenden Transistors angeschlossen ist, wodurch die Schaltgeschwindigkeit dieses Transistors bei beliebigen Schaltspannungen vergrössert wird.
Fig. 5 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Schutzschaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel. Bei einem MQS-Transistor 26 ist das Gatter 28 und die Senke 30 gemeinsam mit dem Gatter 24 eines zu schützenden MOS-Transistors 22 verbunden. Die Quelle 32 des Schutztransistors 26 ist mit der Quelle 34 des zu schützenden Transistors 22 verbunden) wobei die Quellen 52, 54 gemeinsam an einer Klemme 61 angeschlossen sind, an die beispielsweise Taktimpulse angelegt werden können, wenn die Schaltung in dynamischen V.erknüpfungsanordnungen verwendet wird. Der zu schützende Transistor 22 kann der Eingangstransistor einer integrierten VerknupRungasohaltung 60 sein, die mit seiner Senke 55 verbunden ist. Ein Strombegrenzungswiderstand 40 kann, abhängig von der Größe der Eingangsspannung, zwischen einer Eingangsklemme 56 und dem Gatter 24 des zu schützenden Transistors 22 erforderlich sein.
Sich ansammelnde elektrostatische Ladungen können an der Eingangsleitung 39 zwischen dem Gatter 24 des Transistors 22 und der Eingangsklemme 76 eine Spannung aufbauen, die den Transistor 22 zerstört. Obwohl die Gatter/Quelle-Spannung eines üblichen MOS-Transistors mit Sicherheit bis zu 100 V betragen kann,ist für eine zuverlässige Betriebsweise im allgemeinen ein Sicherheitsbereich erforderlich, so daß die begrenzende Schutzspannung bei 50 bis 60 V liegen sollte. Der Kondensator 44 der Fig. 5 ist keine diskrete Kapazität, sondern er stellt die gesamte äquivalente Kapazität bestehend aus der Gatterzu-TrCgerelement-Kapazität deszu schützenden Transistors 22 und Streu- und anderer äußerer Kapazitäten dar, die an das Gatter 24 des Transistors 22 gekoppelt sind. Diese äquivalente Kapazität wird verringert,-wenn die GesamtflRche des Gatterbereiches oder des leitenden Kanalbereiches 9 und der Senkenbereich 27 des Schutztransistors durch die oben beschriebene Verringerung der Breite des Schutztransistors reduziert wird.
Die Schutzschaltung soll insbesondere in dynamischen MOS Transistor-Verknüpfungsschaltungen eingesetzt werden.
Es ist jedoch auch eine Verwendung in Gleichstrorn-MOS-Transistor-' Verknüpfungsschaltungen und überhaupt in anderen MOS-Transistorschaltungen möglich. Durch die Schutzschaltung kann auch der Eingangstransistor einer integrierte MOS-Transistor-VerknUpfungsschaltungen tragenden Scheibe geschützt werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Elektrische Schutzschaltung, durch die ein erster Metalloxyd-Halbleitertransistor gegen an ihn angelegte UberhUhte Spannungen geschützt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gatter (24) und Quelle (34) des ersten Transistors (22) ein als Dioda geschalteter zweiter derartiger Transistor (26) gelegt ißt, dessen Isolierschicht (17) eine Dicke besitzt, die großer als diejenige der Isolierschicht des ersten Transistors (22) ist.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gatter (28) und Senke (30) des zweiten Transistors (26) 8em.tnsam mit dem Gatter (24) des ersten Transistors (22) verbunden und die Quellen (32> 34) beider Transistoren (22, 26) zusammengeschaltet sind.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtoberfläche des leitenden Kanalbereichs (9) und des Senkenbereichs (23) des zweiten Transistors (26) merklich geringer als die Gesamtoberfläche des leitenden Xanalbereiches (7) und des Senkenbereiches (10) des ersten Transistors (22) ist.
4. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung als integrierte Schaltung ausgeführt ist und die beiden Transistoren sich einen gemeinsamen Quellenbereich (12, Fig. 4) teilen.
5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennezeichnet, daß der erste Transistor (22) der Eingangstransistor einer integrierten Verknüpfungsschaltung (60) ist.

L e e r s e i t e