DE2414348A1 - Schaltungsanordnung zum schutz von auf einem halbleiter-chip integrierten mosschaltkreisen - Google Patents

Schaltungsanordnung zum schutz von auf einem halbleiter-chip integrierten mosschaltkreisen

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DE2414348A1
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DE2414348A
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Paul-Werner V Dipl Ing Basse
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H7/20Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for electronic equipment
    • H02H7/205Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for electronic equipment for controlled semi-conductors which are not included in a specific circuit arrangement
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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Description

  • Schaltungsanordnung zum Schutz von auf einem Halbleiter-Chip integrierten MOS-Schaktkreisen Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz von auf einem Halbleiter-Ohip integrierten MOS-Schaltkreisen vor Zerstörung wegen fehlerhafter den MOS-Schaltkreisen zugeführter Signale.
  • Integrierte MOS-Schaltkreise können auf mehrere Arten gegen Zerstörung durch fehlerhafte Signale geschützt werden. Unter Signalen werden dabei die von den MOS-Schaltkreisen zu verarbeitenden Nutzsignale und die den MOS-Schaltkreisen zugeführten Takt signale verstanden.
  • Zum Beispiel können die gefährdeten Schaltungsteile des MOS-Schaltkreises, die von mehreren Takt signalen gespeist werden, durch zusätzliche Schaltungen geschützt werden, die niederohmige Strompfade bei Gefahr auftrennen. Jedoch werden dann solche zusätzliche Schutzschaltungen an vielen Stellen gebraucht und vergrößern damit die für den Schaltkreis erforderliche Ohip-Fläche.
  • In gefährdete Schaltung steile können auch den Strom begrenzende Widerstände (MOS-Dioden) eingeschaltet werden, die die Zerstörung von Schaltungsteilen verhindern. Strombegrenzende Widerstände begrenzen aber auch die Auf- und Entladeströme für die Kapazitäten des MOS-Schaltkreises und vermindern dadurch die Schaltgeschwndigkeiten.
  • Alle Takte bis auf den Start- oder Auslösetakt können im Schaltkreis selbst erzeugt werden. Durch geeignete Dimensionierung lassen sich fehlerhaft auftretende Takte vermeiden. Eine Erzeugung aller Takte im Schaltkreis bedeutet aber eine erhebliche Verzögerungszeit in der Verarbeitung der Nutzsignale und große Anforderungen an die Toleranzen.
  • Außerdem ist die Struktur solcher Taktsteuerllugen im allgemeinen sehr mpliziert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Schutz von auf einem Halbleiter-Chip integrierten NOS-Schaltkreisen anzugeben, die einfach aufgebaut ist und eine geringe Fläche auf dem Chip benötigt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß m»zischen der dem Halbleiter-Ohip zugefi#iirten Versorgungsspannung und den Versorgungsspannungsanschlüssen der auf dem Halbleiter-Chip integrierten NOS-Schaltkreise ein normalerweise leitender MOS-Transistor (Schutztransistor) mit seiner gesteuerten Strecke angeordnet ist, daß die Transistorkonstante W/L dieses Schutztransistors so gewählt ist, daß er im leitenden Zustand einen kleinen Widerstandswert hat und daß auf dem Halbleiter-Cbip eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die bei einer ungewünschten Kombination der Signale an den Steuereingang des Schutztransistors eine Spannung anlegt, die diesen in den Sperrzustand überfuhrt, Vorteilhafterweise wird der Schutztransistor auf dem Chip derart angeordnet, daß er weitgehend parallel zum Chiprand verläuft. Dadurch wird ein großer NOS-Transistor erzeugt, der im leitenden Zustand einen kleinen Widerstandswert hat.
  • Als Steuerschaltung kann ein Verstärker vorgesehen werden, der die von dem Schutztransistor an die NOS-Schaltkreise weitergegebene Versorgungsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht und bei Erreichen der Referenz spannung den Schutztransistor sperrt.
  • Eine andere Möglichkeit einer Steuerschaltung besteht in einem logischen SchaltkrelsS dem die zu überprüfenden Signale zugeführt werden und der bei einer bestimmten durch den Schaltkreis festgelegten kombination der Signale eine den Schutztransistor sperrende Spannung erzeugt.
  • Anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind, wird die Erfindung weiter erläutert.
  • Es zeigen Fig. 1 einen Schutztransistor gesteuert von einem logischen Schaltkreis, Fig. 2 einen Schutztransistor gesteuert von einem Verstärker, Fig. 3 eine Steuerschaltung, die aus einem logischen Schaltkreis besteht, Fig. 4 eine Steuerschaltung, die aus einem Verstärker besteht, Fig. 5 eine schematische Darstellung der anordnung des Schutz transistors auf einem Ralbleiter-Chip.
  • Anstelle vieler Schutzschaltungen für verschiedene Schaltungsteile der MOS-Schaltkreise besteht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aus einer einzigen Schaltungsanordnung. Sie ist aus einem Schutztransistor und einer Steuerschaltung aufgebaut.
  • Die gesteuerte Strecke des Schutztransistors, der ein großer NOS-Transistor ist, ist in der Versorgungsspannungszuleitung angeordnet. Bei Gefahr wird dann der Schutztransistor durch die Steuerschaltung gesperrt. Da alle Ströme eines MOS-Schaltkreises über diese Leitung laufend ist mit dieser i4aßnahme der gesamte Schaltkreis geschützt.
  • In Pige 1 ist der Schutztransistor mit BE bezeichnet. Die gesteuerte Strecke des Schutztransistors MS liegt zwischen der Versorgungsspannungsquelle VSS und der Versorgungsspannung VSSX, die an einen MOS-Schaltkreis SCK weitergegeben wird, der an der Versorgungsspannung VDD liegt. Über der gesteuerten Strecke des Schutztransistors I# liegt die Spannung UDS, es fließt der Strom ID. An den Steuereingang A des Schutztransistors MS wird eine Steuerschaltung angeschaltet, die in Fig. 1 aus einem logischen Schaltkreis LS besteht.
  • Dem logischen Schaltkreis LS werden an den Eingängen Ei bis EN Signale zugeführt, die auch dem MOS-Schaltkreis -angeboten werden.
  • Der logische Schaltkreis LS ist derart aufgebaut, daß er an seinem Ausgang eine Spannung UGS, die den Transistor 145 sperrt, abgibt, wenn eine Kombination der Signale Ei bis EN vorliegt, die den MOS-Schaltkreis gefährdet. In einem solchen Falle wird also der Schutztransistor Iff in den gesperrten Zustand überführt und damit der MOS-Schaltkreis von der Versorgungsspannungsquelle VSS getrennt. Normalerweise liefert der logische Schaltkreis LS eine Spannung an den Steuereingang des Schutztransistors MS, die diesen im leitenden Zustand hält.
  • In Fig. 2 ist wiederum ein Schutztransistor MS vorgesehen, der in derselben Weise zwischen der Versorgungsspannungsquelle VSS und der dem NOS-Schaltkreis angebotenen Spannung VSSX geschaltet ist. Am Steuereingang des Schutztransistors MS liegt jedoch ein Verstärker V. Diesem Verstärker V wird an einem Eingang eine Referenzspannung VR zugeleitet, an einem anderen Eingang die Spannung VSSX. Der Verstärker V vergleicht diese Spannungen. Sobald der Strom ID durch den Schutztransistor FIS einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, übersteigt die Spannung VSSX die Referenzspannung VR. Dadurch reduziert der Verstärker V die Spannung UGS, so daß der Schutztransistor MS gesperrt wird. Damit ist wiederum der MOS-Schaltkreis geschützt.
  • Eine mögliche Realisierung des logischen Schaltkreises der Fig. 1 ergibt sich aus Fig. 3. Er ist in bekannter Weise aufgebaut, so daß auf seine Funktion nicht weiter eingegangen werden muß. Mit dem logischen Schaltkreis wird folgende logische Funktion realisiert: = (E1#. E2 . E3) + (E3 . E4) +(E4 ~ B5) Wenn die angegebene logische Funktion erfüllt ist, erscheint am Ausgang A des logischen Schaltkreises eine Spannung UGS, die den Schutztransistor 115 sperrt. M1 bis 147 sind MOS-Transistoren, VDD ist eine weitere Versorgungsspannung.
  • Eine mögliche Realisierung der Steuerschaltung der Fig. 2 ist in Fig. 4 gezeigt. Mit 118 bis M11 sind wiederum MOS-Transistoren bezeichnet, VSU ist eine Versorgungsspannung.
  • Im normalen Zustand, wenn der Schutztransistor 115 leitend gesteuert ist, ist der Transistor M10 im leitenden Zustand und es fließt ein Strom IST über den Transistor 118. Wenn nun in der bei Fig. 2 beschriebenen Weise die Spannung VSSX angehoben wird, fängt der transistor 119 an zu leiten und die Spannung am Punkt A wird heraufgesetzt. Dadurch wird der Schutztransistor MS gesperrt.
  • Die in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Steuerschaltungen sind mögliche Ausführungsformen. Je nachdem, welche Signalkombinationen als schädlich angesehen werden, wird die Schaltung der Fig. 3 anders aussehen, ebenso ist eine andere Ausführung der Schaltungsanordnung der Fig. 4 durchaus möglich. Somit kann durch geeignete Bemessungen der Steuerschaltung erreicht werden, daß der Schutztransistor anspricht, wenn ein Grenzwert entweder durch einen kurzzeitigen Spitzenstrom oder durch einen zeitlichen I4ittelwert des Stromes überschritten wird.
  • Ebenso kann durch entsprechende Bemessung eine noch ungefährliche zeitliche Überlappung kritischer Takt signale zugelassen werden.
  • Um einen möglichst kleinen Spannungsabfall UDS am Schutztransistor MS im Normalbetrieb zu erhalten, muß der Schutztransistor im leitenden Zustand einen möglichst kleinen Widerstandswert haben0 Das bedeutet, daß die Transistorkonstante W/L einen großen Wert haben muß. W ist dabei die Breite des Kanals, L die Länge des Kanals des MOS-Transistors.
  • W kann z. B. 10 OOO/u, L z. B. 8 /u sein. Der MOS-Schutztransistor wird also sehr groß sein und damit sein Drain-Source-Widerstand sehr klein, z. B. 45L . Für einen so großen Transistor ist es günstig, wenn er am Chiprand untergebracht wird. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Das Halbleiter-Chip wird mit GH bezeichnet. Es ist in Fig. 5 nur gezeigt, wie der Schutztransistor auf dem Halbleiter-Chip CH untergebracht werden kann. Der Schutztransistor MS nimmt einen Bereich 3, der am Rand des Chips OH liegt, ein. Dieser Bereich ist mit einer durchgezogenen Linie umfahren. Er liegt parallel zum Chiprand. Der Bereich 3 ist in drei, für den Aufbau eines MOS-Transistors notwendige Teilbereiche unterteilt. Im ersten Teilbereich (gestrichelt) befindet sich die Source S des IIOS-Transistors; sie ist mit dem Anschluß VSS für die Versorgungsspannungsquelle verbunden. Im zweiten Teilbereich (gestrichelt) ist die Drain D des MOS-Transistors angeordnet, an der die Spannung VSSX abgegeben wird. Zwischen diesen beiden Teilbereichen verläuft dann der Kanal des MOS-Transistors, über dem der Steuereingang G angeordnet ist. Die auszgezogenen Teilbereiche sind Kontaktflächen, die z. B. für Testzwecke verwendet werden können. Auf eine genauere Erläuterung des Aufbaus eines NOS-Transistors braucht nicht eingegangen zu werden, da dieser aus dem Stand der Technik entnommen werden kann. Aus Fig. 5 ergibt sich aber klar, daß die Breite des Kanals sehr groß ist im Verhältnis zur Länge des Kanals.
  • Innerhalb des von dem Schutztransistor 115 eingenommenen Bereichs des Chips CH ist dann der NOS-Schaltkreis angeordnet.
  • Da der Anschluß für die Spannung VSSX nach innen liegt, besteht eine günstige Verbindungsmöglichkeit mit dem MOS-Schaltkreis.
  • 4 Patentansprüche 5 Figuren

Claims (4)

  1. Patentansprüche n Schaltungsanordnung zum Schutz von auf einem Ualbleiter-Ohip integrierten MOS-Schaltkreisen vor Zerstörung wegen fehlerhafter den MOS-Schaltkreisen zugeführter Signale, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen der dem Halbleiterchip (CH) zugeführten Versorgungsspannung (VSS) und den Versorgungsspannungsanschlüssen der auf dem Ralbleiter-Chip liegenden IVIOS-Schaltkrtse (SCK) ein normalerweise leitender MOS-Transistor (Schutztransistor 115) mit seiner gesteuerten Strecke angeordnet ist, daß die Transistors konstante W/L dieses Schutztransistors (115) so gewählt ist, daß er im leitenden Zustand einen kleinen Widerstandswert hat und daß auf dem Halbleiter-Chip (CH) eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die bei einer ungewünschten Kombination der Signale an den Steuereingang des Schutztransistors (MS) eine Spannung anlegt, die diesen in den Sperrzustand überführt.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Schutztransistor (tE) auf dem Halbleiter-Chip (CH) derart angeordnet ist, daß er weitgehend parallel zum Chiprand verläuft.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder ?, g e k e n n -z e i c h n e t- d u r c h eine Steuerschaltung aus einem Verstärker (V), der die von dem Schutztransistor (115) an die MOS-Schaltkreise weitergegebene Versorgungsspannung (VSSX) mit einer Referenzspannung (VR) vergleicht und bei Erreichen der Referenzspannung eine den Schutztransistor (ins) sperrende Spannung abgibt.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n -z e i c h n e t ddu r c h eine Steuerschaltung aus einem logischen Schaltkreis (LS), dem den M0S-Schaltkreisen angebotene Signale zugeführt werden, und der bei einer bestimmten, festgelegten Kombination dieser Signale ein dem Schutztransistor (los) sperrende Spannung erzeugt.
    L e e r s e i t e
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3018604A1 (de) * 1979-05-17 1980-11-20 Rca Corp Integrierte klemmschaltung
EP0620597A1 (de) * 1993-04-13 1994-10-19 Motorola, Inc. Schutzanordnung gegen Überspannungen

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3018604A1 (de) * 1979-05-17 1980-11-20 Rca Corp Integrierte klemmschaltung
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