DE19740949A1 - Schutzschaltung gegen elektrostatische Entladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung gegen elektro­ statische Entladung. Eine derartige Schaltung wird im fol­ genden kurzgefaßt als Entladungs-Schutzschaltung bezeich­ net.

Im allgemeinen schützt eine Entladungs-Schutzschaltung eine interne Schaltung vor elektrostatischer Entladung, einer Durchschlagsspannung oder einem Spannungsstoß.

Nachfolgend wird eine herkömmliche Entladungs-Schutzschal­ tung unter Bezugnahme auf die beigefügte Fig. 1 beschrieben.

Gemäß dieser Fig. 1 umfaßt die herkömmliche Entladungs- Schutzschaltung eine interne Schaltung 11, eine erste und eine zweite Diode 12 bzw. 13 mit pn-Übergang, die in der Eingangsstufe der internen Schaltung 11 angeordnet sind, so­ wie eine dritte und eine vierte Diode 14 bzw. 15 mit pn-Übergang, die in der Ausgangsstufe der internen Schaltung 11 angeordnet sind.

Die Anode der ersten Diode 12 ist mit Masse verbunden, und ihre Kathode ist mit der Eingangsstufe der internen Schal­ tung 11 verbunden. Die Anode der zweiten Diode 13 ist mit der Eingangsstufe der internen Schaltung 11 verbunden, und ihre Kathode ist mit einer Spannungsquelle verbunden. Die Anode der dritten Diode 14 ist mit Masse verbunden, und ihre Kathode ist mit der Ausgangsstufe der internen Schaltung 11 verbunden. Die Anode der vierten Dioden 15 ist mit der Aus­ gangsstufe der internen Schaltung 11 verbunden, und ihre Kathode ist mit der Spannungsquelle verbunden.

Hierbei sind die erste und die zweite Diode 12 und 13 Schutzdioden, die die interne Schaltung 11 vor elektrosta­ tischer Entladung schützen, wie sie in der Eingangsstufe der internen Schaltung 11 wirken kann. Die dritte und die vierte Diode 14 und 15 sind Schutzdioden, die die interne Schaltung 11 vor elektrostatischer Entladung schützen, wie sie in der Ausgangsstufe der internen Schaltung 11 wirken kann.

Nachfolgend wird die Funktion dieser herkömmlichen, wie vor­ stehend beschrieben aufgebauten Entladungs-Schutzschaltung beschrieben.

Wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist, wird die erste Diode 12 durchgeschaltet, wenn eine negative (-) elektrostatische Entladung an der Eingangsstufe der internen Schaltung 11 wirkt. Im Ergebnis wird diese negative elektrostatische Ent­ ladung über diese erste Diode 12 nach Masse entladen. Wenn dagegen eine positive (+) elektrostatische Entladung auf die Eingangsstufe der internen Schaltung 11 wirkt, wird die zweite Diode 13 durchgeschaltet. Im Ergebnis wird diese po­ sitive elektrostatische Ladung über diese zweite Diode 13 zur Spannungsquelle umgeleitet.

Indessen wird, wenn eine negative (-) elektrostatische Ent­ ladung auf die Ausgangsstufe der internen Schaltung 11 wirkt, die dritte Diode 14 durchgeschaltet. Im Ergebnis wird diese negative elektrostatische Entladung über diese dritte Diode 14 nach Masse umgeleitet. Wenn dagegen eine positive (+) elektrostatische Entladung auf die Ausgangsstufe der internen Schaltung 11 wirkt, wird die vierte Diode 15 einge­ schaltet. Im Ergebnis wird diese positive elektrostatische Entladung über diese vierte Diode 15 zur Spannungsquelle hin entladen.

Wie oben genannt, verfügt die herkömmliche Entladungs­ schutzschaltung der Eingangs- und Ausgangsstufe der zu schützenden internen Schaltung 11 über jeweils zwei Dioden mit pn-Übergang, um die interne Schaltung 11 gegen negative oder positive elektrostatische Entladung zu schützen.

Jedoch bestehen bei der herkömmlichen Entladungs-Schutz­ schaltung u. a. die folgenden Probleme.

Erstens muß, da ein Entladungspfad, der die interne Schal­ tung schützt, von der Übergangsfläche der Diode und der zu­ gehörigen Dichte abhängt, diese Übergangsfläche dann größer sein, wenn eine starke elektrostatische Entladung wirkt.

Außerdem ist es schwierig, wenn in der Diode aufgrund einer starken elektrostatischen Entladung ein Durchschlag im pn-Übergang auftritt, den Entladungspfad zu realisieren. Im Er­ gebnis ist es nicht möglich, die interne Schaltung zu schüt­ zen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entladungs- Schutzschaltung zu schaffen, die dazu geeignet ist, eine in­ terne Schaltung sicher dadurch gegen elektrostatische Entla­ dung zu schützen, daß verhindert ist, daß in einer Diode aufgrund einer starken elektrostatischen Entladung ein Durchschlag am pn-Übergang auftritt.

Diese Aufgabe ist durch die Entladungs-Schutzschaltung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.

Zusätzliche Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt und gehen teilweise aus dieser hervor, ergeben sich aber andererseits auch beim Aus­ üben der Erfindung. Die Aufgaben und andere Vorteile der Er­ findung werden durch die Konstruktion erzielt, wie sie spe­ ziell in der Beschreibung, den Ansprüchen und den beigefüg­ ten Zeichnungen dargelegt ist.

Es ist zu beachten, daß sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die beanspruchte Erfindung sind.

Die beigefügten Zeichnungen, die beigefügt sind, um das Ver­ ständnis der Erfindung zu fördern, veranschaulichen Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Be­ schreibung dazu, deren Prinzipien zu erläutern.

Fig. 1 ist ein Schaltbild einer herkömmlichen Entladungs-Schutzschaltung und

Fig. 2 ist ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Entla­ dungs-Schutzschaltung.

Es wird nun detailliert auf die bevorzugten Ausführungsbei­ spiele der Erfindung Bezug genommen, die teilweise in der beigefügten Fig. 2 veranschaulicht sind.

Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt die erfindungsge­ mäße Entladungs-Schutzschaltung eine interne Schaltung 21, einen ersten Umgehungsabschnitt 2, der zwischen einer Ein­ gangsstufe und einer Spannungsquelle ausgebildet ist, einen zweiten Umgehungsabschnitt 23, der zwischen einer Ausgangs­ stufe und der Spannungsquelle ausgebildet ist, einen dritten Umgehungsabschnitt 24, der zwischen der Eingangsstufe und Masse ausgebildet ist, einen vierten Umgehungsabschnitt 25, der zwischen der Ausgangsstufe und Masse ausgebildet ist, einen ersten und einen zweiten Schutzabschnitt 26 und 27, die parallel zum ersten bzw. zweiten Umgehungsabschnitt 22 bzw. 23 geschaltet sind, und einen dritten und einen vierten Schutzabschnitt 28 und 29, die parallel zum dritten bzw. vierten Umgehungsabschnitt 24 bzw. 25 geschaltet sind.

Der erste Umgehungsabschnitt 22 umfaßt ein erstes Metall­ teil 22a und eine erste Diode 22b. Das erste Metallteil 22a ist zwischen der Eingangsstufe und der Spannungsquelle ange­ ordnet. Die Anode der ersten Diode 22b ist mit dem ersten Metallteil 22a verbunden, und ihre Kathode ist mit der Span­ nungsquelle verbunden.

Der zweite Umgehungsabschnitt 23 umfaßt ein zweites Metall­ teil 23a und eine zweite Diode 23b. Das zweite Metallteil 23a ist zwischen der Ausgangsstufe und der Spannungsquelle angeordnet. Die Anode der zweiten Diode 23b ist mit dem zweiten Metallteil 23a verbunden, und ihre Kathode ist mit der Spannungsquelle verbunden.

Der dritte Umgehungsabschnitt 24 umfaßt ein drittes Metall­ teil 24a und eine dritte Diode 24b. Das dritte Metallteil 24a ist zwischen der Eingangsstufe und Masse angeordnet. Die Kathode der dritten Diode 24b ist mit dem dritten Metallteil 24a verbunden, und ihre Anode ist mit Masse verbunden.

Der vierte Umgehungsabschnitt 25 umfaßt ein viertes Metall­ teil 25a und eine vierte Diode 25b. Das vierte Metallteil 25a ist zwischen der Ausgangsstufe und Masse angeordnet. Die Anode der vierten Diode 25b ist mit Masse verbunden, und ihre Kathode ist mit dem vierten Metallteil 25a verbunden.

Der erste Schutzabschnitt 26, der parallel zum ersten Umge­ hungsabschnitt 22 geschaltet ist, umfaßt eine fünfte Diode 26a und eine sechste Diode 26b. Die Anode der fünften Diode 26a ist mit der Eingangsstufe verbunden, und ihre Kathode ist mit der Kathode der sechsten Diode 26b verbunden. Die Anode der sechsten Diode 26b ist mit der Spannungsquelle verbunden.

Der zweite Schutzabschnitt 27, der parallel zum zweiten Um­ gehungsabschnitt 23 geschaltet ist, umfaßt eine siebte Dio­ de 27a und eine achte Diode 27b. Die Anode der siebten Diode 27a ist mit der Ausgangsstufe verbunden, und ihre Kathode ist mit der Kathode der achten Diode 27b verbunden. Die Ano­ de der achten Diode 27b ist mit der Spannungsquelle verbun­ den.

Der dritte Schutzabschnitt 28, der parallel zum dritten Um­ gehungsabschnitt 24 geschaltet ist, umfaßt eine neunte Dio­ de, deren Kathode mit der Eingangsstufe verbunden ist und deren Anode mit Masse verbunden ist.

Der vierte Schutzabschnitt 29, der parallel zum vierten Um­ gehungsabschnitt 25 geschaltet ist, umfaßt eine zehnte Dio­ de, deren Kathode mit der Ausgangsstufe verbunden ist und deren Anode mit Masse verbunden ist.

Hierbei sind die sechste Diode 26b und die achte Diode 27b Beispiele von Dioden mit pn-Übergang. Die anderen Dioden sind Beispiele von Schottkydioden.

Nun wird die Funktion der erfindungsgemäßen Entladungs-Schutzschaltung erläutert.

Zunächst wirke eine negative (-) elektrostatische Entladung auf die Eingangs- und Ausgangsstufe, in welchem Fall die Schottkydioden, d. h. die dritte, vierte, neunte und zehnte Diode 24b, 25b, 28 und 29 durchschalten. Dabei gelangen auch das dritte Metallteil 24a und das vierte Metallteil 25a in den durchgeschalteten Zustand. Im Ergebnis wird die elektro­ statische Entladung über die dritte, vierte, neunte und zehnte Diode 24b, 25b, 28 und 29 nach Masse umgeleitet.

Wenn dabei eine starke negative elektrostatische Ladung ein­ wirkt, öffnen das dritte und vierte Metallteil 24a und 25a, wodurch in den Schottkydioden, d. h. der dritten, vierten, neunten und zehnten Diode 24b, 25b, 28 und 29, kein Durch­ schlag durch den Übergang erfolgt.

Anders gesagt, ist es möglich, einen Durchschlag durch den Übergang der Schottkydioden dadurch zu verhindern, daß das dritte und vierte Metallteil 24a und 25a öffnen, wenn eine starke elektrostatische Entladung einwirkt.

Ein Durchschlag durch den Übergang der Schottkydioden würde einen Kurzschluß derselben bedeuten. Wenn ein Durchschlag durch den Übergang auftritt, werden Eingangs- und Ausgangs­ signale durch die Schottkydioden nach Masse abgeleitet. Je­ doch ist es bei der Erfindung möglich, da ein Durchschlag durch den Übergang der Schottkydioden verhindert ist, das Ableiten von Eingangs- und Ausgangssignalen nach Masse zu vermeiden.

Ferner werden, wenn das dritte und vierte Metallteil 24a und 25a öffnen, die dritte und vierte Diode auf sperrend ge­ schaltet, so daß kein Pfad ausgebildet wird. Wenn unter diesen Umständen eine negative elektrostatische Entladung wirkt, wird diese durch die neunte Dioden und zehnte Diode nach Masse abgeleitet.

Wenn dagegen eine positive (+) elektrostatische Entladung auf die Eingangs- und Ausgangsstufe wirkt, werden die erste, zweite, fünfte und siebte Schottkydiode 22b, 23b, 26a und 27a durchgeschaltet, und die Dioden mit pn-Übergang, d. h. die sechste und die achte Diode 26b und 27b, haben die Cha­ rakteristik eines Sperrschichtkondensators. Im Ergebnis wird die elektrostatische Entladung entweder über die erste und zweite Diode 22b und 23b oder über die fünfte, sechste, siebte und achte Diode 26a, 26b, 27a und 27b zur Spannungs­ quelle abgeleitet.

Wenn dabei eine starke positive elektrostatische Entladung wirkt, öffnen das erste und zweite Metallteil 22a und 23a, um keinen Durchschlag durch den Übergang der ersten, zwei­ ten, fünften, sechsten, siebten und achten Diode 22b, 23b, 26a, 26b, 27a und 27b zu erzeugen. So ist es möglich, einen Durchschlag durch den Übergang sowohl der ersten und zweiten Diode 22b und 23b als auch der fünften, sechsten, siebten und achten Diode 26a, 26b, 27a und 27b zu vermeiden.

Wenn die erste und die zweite Diode 22b und 23b als auch die fünfte, sechste, siebte und achte Diode 26a, 26b, 27a und 27b aufgrund eines Durchschlags durch den Übergang kurzge­ schlossen würden, würden Eingangs- und Ausgangssignale durch die kurzgeschlossenen Dioden zur Spannungsquelle umgeleitet werden. Die Erfindung ermöglicht es, daß die Schaltung da­ durch normal arbeitet, daß ein Durchschlag durch den Über­ gang dieser Dioden verhindert ist.

Wenn das erste und das zweite Metallteil 22a und 23a öffnen, werden die erste und die zweite Diode 22a und 23a auf sper­ rend geschaltet, so daß kein Pfad ausgebildet wird. Im Er­ gebnis kann normaler Schaltungsbetrieb erzielt werden, da die Eingangs- und Ausgangssignale nicht umgeleitet werden.

Wenn dabei eine positive elektrostatische Entladung wirkt, öffnen das erste und zweite Metallteil 22a und 23a, so daß die elektrostatische Entladung über einen Pfad zur Span­ nungsquelle hin erfolgt, der sowohl mit der fünften und sechsten Diode 26a, 26b als auch der siebten und achten Diode 27a und 27b verbunden ist.

Hierbei öffnen die jeweiligen Metallteile automatisch dann, wenn eine Spannung angelegt wird, die der Aktivierungsspan­ nung einer Sicherung entspricht oder größer ist. So kann ein Durchschlag durch den Übergang der Dioden aufgrund eines La­ winendurchschlags verhindert werden.

Wie oben angegeben, weist die erfindungsgemäße Entladungs-Schutzschaltung die folgenden Vorteile auf.

Wenn eine starke elektrostatische Entladung wirkt, öffnet mindestens ein Metallteil, um einen Durchschlag durch einen Übergang einer jeweiligen Diode zu verhindern. Dies ermög­ licht es, daß ein Halbleiterbauteil selbst dann normal ar­ beitet, wenn eine starke elektrostatische Entladung auf­ tritt.

Claims (11)

1. Schutzschaltung gegen elektrostatische Entladung, ge­ kennzeichnet durch:

• - ein erstes Metallteil (22a) zwischen einer Eingangsstufe und einer Spannungsquelle, das dann automatisch über die Eingangsstufe geöffnet wird, wenn eine starke positive elek­ trostatische Entladung wirkt;
• - ein zweites Metallteil (23a) zwischen einer Ausgangsstufe und einer Spannungsquelle, das dann automatisch über die Ausgangsstufe geöffnet wird, wenn eine starke positive elek­ trostatische Entladung wirkt;
• - eine erste und eine zweite Diode (22b, 23b), deren Anode jeweils mit dem ersten bzw. zweiten Metallteil verbunden ist und deren Kathode jeweils mit der Spannungsquelle verbunden ist;
• - eine erste und eine zweite Schutzdiode (26, 27), die par­ allel zur ersten bzw. zweiten Diode geschaltet sind;
• - ein drittes Metallteil (24a) zwischen einer Eingangsstufe und Masse, das dann automatisch über die Eingangsstufe ge­ öffnet wird, wenn eine starke negative elektrostatische Ent­ ladung wirkt;
• - ein viertes Metallteil (25a) zwischen einer Ausgangsstufe und Masse, das dann automatisch über die Ausgangsstufe ge­ öffnet wird, wenn eine starke negative elektrostatische Ent­ ladung wirkt;
• - eine dritte und eine vierte Diode (24b, 25b), deren Anode jeweils mit dem dritten bzw. vierten Metallteil verbunden ist und deren Kathode jeweils mit Masse verbunden ist; und
• - eine dritte und eine vierte Schutzdiode (28, 29) , die par­ allel zur dritten bzw. vierten Diode geschaltet sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, zweite, dritte und vierte Metallteil (22a, 23a, 24a, 25a) dann automatische öffnen, wenn eine starke elek­ trostatische Entladung wirkt.

3. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste Schutzdiode (26) eine fünfte Diode (26a), deren Anode mit der Eingangsstufe ver­ bunden ist, und eine sechste Diode (26b) umfaßt, deren Ano­ de mit der Spannungsquelle verbunden ist und deren Kathode mit der Kathode der fünften Diode verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Diode (26a) eine Schottkydiode ist und die sechs­ te Diode (26b) eine Diode mit pn-Übergang ist.

5. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Schutzdiode (27) eine siebte Diode (27a), deren Anode mit der Eingangsstufe ver­ bunden ist, und eine achte Diode (27b) umfaßt, deren Anode mit der Spannungsquelle verbunden ist und deren Kathode mit der Kathode der fünften Diode verbunden ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Diode (26a) eine Schottkydiode ist und die sechs­ te Diode (26b) eine Diode mit pn-Übergang ist.

7. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die dritte und die vierte Schutz­ diode (28, 29) jeweils eine Schottkydiode ist, deren Kathode mit der Eingangsstufe verbunden ist und deren Anode mit Mas­ se verbunden ist.

8. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste, zweite, dritte und vierte Diode (22b, 23b, 24b, 25b) Schottkydioden sind.

9. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste, zweite, dritte und vierte Metallteil (22a, 23a, 24a, 25a) auf Weise einer Si­ cherung öffnen.

10. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine auf die Eingangs- und Aus­ gangsstufe wirkende elektrostatische Entladung über die ers­ te und zweite Schutzdiode (26, 27) an die Spannungsquelle abgeleitet wird, wenn das erste und zweite Metallteil (22a, 23a) öffnen.

11. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine auf die Eingangs- und Aus­ gangsstufe wirkende elektrostatische Entladung über die dritte und vierte Schutzdiode (28, 29) an die Spannungsquel­ le abgeleitet wird, wenn das dritte und vierte Metallteil (24a, 25a) öffnen.