DE2505574A1 - PROTECTIVE CIRCUIT FOR INTEGRATED CIRCUITS - Google Patents

PROTECTIVE CIRCUIT FOR INTEGRATED CIRCUITS

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DE2505574A1 DE19752505574 DE2505574A DE2505574A1 DE 2505574 A1 DE2505574 A1 DE 2505574A1 DE 19752505574 DE19752505574 DE 19752505574 DE 2505574 A DE2505574 A DE 2505574A DE 2505574 A1 DE2505574 A1 DE 2505574A1
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Description

7775-74/Sch/Ba7775-74 / Sch / Ba

RCA 68,014RCA 68,014

U.S. Ser. No. 441,070U.S. Ser. No. 441.070

Filed: 11. Februar 1974Filed: February 11, 1974

RCA Corporationr New York, N.Y. (V.St.A.)RCA Corporation New York, N.Y. (V.St.A.)

Schutzschaltung für integrierte SchaltungenProtection circuit for integrated circuits

Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente und -schaltungen und bezieht sich insbesondere auf eine Schutzschaltung zur Verhinderung des Ansteigens eines Potentials an bestimmten Schaltungspunkten von Isolierschicht-Halbleiterbauelementen über einen vorbestimmten Wert.The invention relates to semiconductor components and circuits and particularly relates to a protection circuit for prevention the rise of a potential at certain circuit points of insulating-layer semiconductor components a predetermined value.

Isolierschicht-Bauelemente, insbesondere Isolierschicht-Feldeffekttransistoren erleiden bleibende Schädigungen e wenn die am Isolator oder an der Isolierschicht, welche unter der Gateelektrode liegt, anliegende Spannung die Durchbruchsspannung des Isolators überschreitet. Wenn dies eintritt, wird der Transistors zerstört, und damit ist die zugehörige Schaltung ebenfalls unbrauchbar. -Insulating components, in particular insulated gate field effect transistors suffer permanent damage if the e on the insulator, or on the insulating layer, which underlies the gate electrode applied voltage exceeds the breakdown voltage of the insulator. If this happens, the transistor will be destroyed and the associated circuitry will also be unusable.

Weiterhin können aber auch ohne Ereichen der Isolatordurchbruchs spannung Potentiale, die einige Volt (beispielsweise 10V) an der Isolierschicht der Feldeffekttransistoren überschreiten, Änderungen von deren Charakteristika hervorrufen. Dies ist insbesondere in linearen Schaltungen, wie Differenz-Furthermore, even without reaching the insulator breakdown voltage, potentials that are a few volts (for example 10V) on the insulating layer of the field effect transistors cause changes in their characteristics. This is especially true in linear circuits, such as differential

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verstärkern, wo die diesen bildenden Transistoren gut übereinstimmen müssen., unerwünscht. Daher werden bei einigen Anwendungsfallen Schutzschaltungen benötigt, welche verhindern, daß hohe PQtentialunterschiede, beispielsweise im Bereich von 10V oder darüber., an den Isolator oder zwischen bestimmte Elektroden (beispielsweise Gate- und Sourceelektrode) der Isolierschicht-Feldeffekttransistoren gelangen.amplify where the transistors that make up these match well must., undesirable. Therefore, in some use cases Protection circuits are required, which prevent high potential differences, for example in the range of 10V or above., on the insulator or between certain electrodes (for example gate and source electrodes) of the insulating layer field effect transistors reach.

Die interessierenden Schutzschaltungen enthalten Dioden, welche bei einer Signalpolarität Strom in Durchlaßrichtung führen und bei der entgegengesetzten Signalpolarität einen Strom in Sperrrichtung führen, wenn ihre Sperrspannung, Zenerspannung oder Lawinendurchbruchsspannung (V„) erreicht ist.The protection circuits of interest contain diodes, which With one signal polarity, conduct current in the forward direction and with the opposite signal polarity, a current in the reverse direction lead when their reverse voltage, Zener voltage or avalanche breakdown voltage (V ") is reached.

Die Schutzdioden sollten einen niedrigen Leckstrom haben. Ein Hauptvorteil von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren ist ihrThe protection diodes should have a low leakage current. A major advantage of insulated gate field effect transistors is theirs

1 2 außerordentlich hoher Eingangswiderstand (beispielsweise 10 bis 10 Ohm). Wenn eine an die Gateelektrode eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors angeschlossene Schutzschaltung eine Leckdiode enthält, also eine deren effektiver Sperrwider-1 2 extremely high input resistance (e.g. 10 up to 10 ohms). If one to the gate electrode of an insulated gate field effect transistor connected protective circuit contains a leakage diode, i.e. one of its effective blocking resistance

1212th

stand kleiner als 10 0hm ist, dann wird die effektive Eingangsimpedanz des Isolierschicht-Feldeffekttransistors herabgesetzt und einer seiner wesentlichen Vorteile entfällt. Aus Gründen der besseren Erläuterung sei hier auf die Sperrimpedanz von Dioden verwiesen. Je größer der Leckstrom ist, welcher in Sperrrichtung durch eine Diode fließen kann, desto geringer ist ihre Sperrimpedanz. Schutzdioden sollten daher eine hohe Sperrimpedanz oder niedrige Leckströme aufweisen.was less than 10 ohms, then the effective input impedance of the insulating layer field effect transistor is reduced and one of its main advantages is omitted. For reasons For a better explanation, reference is made here to the blocking impedance of diodes. The greater the leakage current, which is in the reverse direction can flow through a diode, the lower its blocking impedance. Protection diodes should therefore have a high blocking impedance or have low leakage currents.

Vorzugsweise sollten die Schutzdioden ferner eine niedrigere dynamische Impedanz in Durchlaßrichtung und auch beim Sperrdurchbruch haben. Niedrige dynamische Impedanz bedeutet, daß die Dioden eine geringe innere Impedanz haben, daß also dieThe protective diodes should also preferably have a lower dynamic impedance in the forward direction and also in the case of reverse breakdown to have. Low dynamic impedance means that the diodes have a low internal impedance, i.e. the

eis.™*ice. ™ *

Schaltung hohe Ströme führen kann, ohne daß durch große Spannungen abfallen.Circuit can carry high currents without being caused by large voltages fall off.

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Die Schutzschaltung soll auch so einfach wie möglich sein, und die Zahl ihrer elektrischen Kontakte und die Fläche der zugehörigen Metallisierung soll möglichst klein sein, damit eine möglichst große Packungsdichte erreicht wird.The protection circuit should also be as simple as possible, and the number of their electrical contacts and the area of the associated ones Metallization should be as small as possible so that the greatest possible packing density is achieved.

In einer integrierten Schaltung soll die Schutzschaltung vorzugsweise von den anderen Komponenten isoliert sein, damit sie zwischen oder über beliebige Elektroden oder Schaltungspunkte geschaltet werden kann. Jedoch ist die Herstellung einer Schutzschaltung mit den vorerwähnten Eigenschaften in integrierter Form außerordentlich schwierig.In an integrated circuit, the protective circuit should preferably be isolated from the other components so that they can be between or across any electrodes or circuit points can be switched. However, the manufacture of a protective circuit with the aforementioned properties in an integrated form extremely difficult.

Beispielsweise zeigt die ÜS-PS 3 712 995 in den Fig. 3 und S gegeneinander geschaltete Dioden, welche zwischen Gate- und Sourceelektrode des zu schützenden Transistors geschaltet sind. Jedoch hat eine der Dioden, welche einen der Transistoren schützen soll, als Anode einen p-leitenden Bereich, während als Kathode der Substrat dient. Der p-leitende Bereich und der Substrat liegen als schwach dotierte Zonen vor, und die durch ihren pn-übergang gebildete Diode hat eine hohe Leckimpedanz und eine niedrige dynamische Impedanz. Da ein Bereich der Diode durch den Substrat gebildet wird, ist sie nicht von dem zu schützenden Transistor isoliert und kann daher nicht unterschiedslos über beliebige Schaltungselemente geschaltet werden.For example, the US-PS 3 712 995 shows in FIGS against each other connected diodes, which between gate and Source electrode of the transistor to be protected are connected. However, one of the diodes has one of the transistors is intended to protect a p-conducting area as the anode, while the substrate serves as the cathode. The p-type region and the The substrate is in the form of weakly doped zones, and the diode formed by its pn junction has a high leakage impedance and a low dynamic impedance. Since one area of the diode is formed by the substrate, it is not from that to protective transistor isolated and can therefore not be switched indiscriminately via any circuit elements.

Gegeneinander geschaltete Dioden zum Schut2 eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors sind ebenfalls in der US-PS 3 470 390 beschrieben. Hierbei ist ein beiden Dioden gemeinsamer Bereich vorgesehen, der aber eine parasitäre Diode mit dem Substrat bildet (die Anode der Diode wird durch einen p-leitenden Bereich, ihre Kathode durch den η-leitenden Substrat gebildet). Die parasitäre Diode ist normalerweise in Sperrichtung gespannt (da das am meisten positive Schaltungspotential dem n-leitenden Substrat zugeführt wird). Die parasitäre Diode hat aber eine hohe Leckimpedanz wegen des niedrigen Dotierpegels des Substrats und der großen Fläche ihres pn-übergangs. Der Leckstrom durch die parasitäreDiodes connected in opposition to one another to protect an insulating layer field effect transistor are also described in U.S. Patent 3,470,390. An area common to both diodes is provided here, which, however, forms a parasitic diode with the substrate (the anode of the diode is formed by a p-conducting area, its Cathode formed by the η-conductive substrate). The parasitic Diode is normally reverse biased (as this is the most positive circuit potential is supplied to the n-conductive substrate). However, the parasitic diode has a high leakage impedance because of the low doping level of the substrate and the large area of its pn junction. The leakage current through the parasitic

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-A--A-

Diode fließt in Durchlaßrichtung durch die gegeneinander geschalteten Schutzdioden der Schaltung. Im bekannten Falle verhindern die Schutzdioden zwar, daß den Feldeffekttransistoren, zwischen welchen sie geschaltet sind, übermäßige Potentiale zugeführt werden, sie bilden jedoch einen relativ starken Leckstrompfad, der eine nachteilige Wirkung auf das Verhalten der Schaltung und/oder die dieser zugeführten Signale ausübt.Diode flows in the forward direction through the oppositely connected Circuit protection diodes. In the known case, the protective diodes prevent the field effect transistors, between which they are connected, excessive potentials are supplied, but they form a relatively strong leakage current path which has an adverse effect on the behavior of the Circuit and / or the signals supplied thereto.

Die vorliegende Erfindung basiert teilweise auf der Erkenntnis, daß der Leckstrom infolge der parasitären Dioden entsteht, die zusammen mit der Schutzdiode gebildet werden und deren Sperrimpedanz um Größenordnungen niedriger als diejenige der Schutzdiode selbst sein kann. Die Erfindung beinhaltet Maßnahmen zur Isolierung der parasitären Leckdioden und zur Verringerung ihrer Auswirkungen auf die Schaltung und das Signal im Normalbetrieb.The present invention is based in part on the finding that the leakage current is due to the parasitic diodes which be formed together with the protective diode and its blocking impedance orders of magnitude lower than that of the protective diode can be yourself. The invention includes measures for isolating the parasitic leakage diodes and reducing them Effects on the circuit and the signal in normal operation.

Dies wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Entsprechend der Erfindung ausgebildete integrierte Schaltungen enthalten Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, welche durch eine Schutzschaltung geschützt sind, die gegeneinander geschaltete Dioden hoher Sperrimpedanz aufweist. Die gegeneinander geschalteten Dioden haben einen gemeinsamen Bereich, dem eine Leckstrecke zugeordnet ist. Diese Strecke umfaßt eine parasitäre Diode, deren Sperrimpedanz niedriger als die Sperrimpedanz jeder der beiden gegeneinander geschalteten Dioden ist. Die parasitäre Diode wird ebenso wie die gegeneinander geschalteten Dioden normalerweise mit Sperrvorspannung betrieben, so daß die Sperrimpedanz der parasitären Diode in Reihe mit der hohen Sperrimpedanz der einen oder anderen der beiden gegeneinander geschalteten Dioden liegt.This is achieved by the features of claim 1. Corresponding Integrated circuits formed of the invention contain insulated gate field effect transistors, which by a Protective circuit are protected, which has high blocking impedance diodes connected against one another. The switched against each other Diodes have a common area to which a leakage path is assigned. This route includes a parasitic one Diode whose blocking impedance is lower than the blocking impedance of each of the two diodes connected against one another. The parasitic Like the diodes connected against one another, the diode is normally operated with reverse bias, so that the Blocking impedance of the parasitic diode in series with the high blocking impedance of one or the other of the two against each other switched diodes.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on the representations of a Embodiment explained in more detail. Show it:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch eine integrierte Schaltung gemäß der Erfindung und1 shows a partial cross section through an integrated circuit according to the invention and

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-5-Pig. 2 das Schaltbild der in Fig. 1 dargestellten Anordnung.-5 Pig. 2 shows the circuit diagram of the arrangement shown in FIG.

In der in Fig. 1 dargestellten integrierten Schaltung wird ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor 14 durch eine Diodenschaltung geschützt. Die integrierte Schaltung enthält einen p-leitenden Substrat 10, auf dem eine η-leitende epitaktische Schicht 11 ausgebildet ist. In die epitaktische Schicht 11 sind stark dotierte p-leitende Bereiche 16 eindiffundiert, welche die Teile 11a und 11b der epitaktischen Schicht voneinander isolieren.In the integrated circuit shown in Fig. 1, an insulated gate field effect transistor 14 is formed by a diode circuit protected. The integrated circuit includes a p-type substrate 10 on which a η-type epitaxial Layer 11 is formed. In the epitaxial layer 11 heavily doped p-conductive regions 16 are diffused in, which separate parts 11a and 11b of the epitaxial layer from one another isolate.

Der Transistor 14 wird durch Diffusion zweier p-leitender Be-The transistor 14 is made by diffusion of two p-conducting substances

reiche 14s und 14d mit gegenseitigem Abstand in den Teil Ha der η-leitenden Schicht gebildet, über dem Zwischenraum zwischen den Bereichen 14s und 14d liegt eine Oxidschicht 17, auf der eine Gateelektrode 14g ausgebildet ist, die beispielsweise aus Metall oder Polysilikon sein kann. Der Substrat 11a des Transistors 14 ist mit dem Sourcebereich über einen η-leitenden Bereich 14n verbunden, der benachbart dem Bereich 14s diffundiert ist. Ein den Bereichen 14n und 14s gemeinsamer elektrischer Kontakt 18 vervollständigt die Verbindung des Substrats 11 a mit dem Sourcebereich 14s.rich 14s and 14d are formed with mutual spacing in the part Ha of the η-conductive layer, above the space between the areas 14s and 14d is an oxide layer 17 on which a gate electrode 14g is formed, which can be made of metal or polysilicon, for example. The substrate 11a of the transistor 14 is connected to the source region via an η-conductive region 14n, which is diffused adjacent to the region 14s. An electrical contact common to areas 14n and 14s 18 completes the connection of the substrate 11 a with the source area 14s.

Zwischen Gate- und Source-Substrat-Bereich des Transistors 14 ist eine Diodenschutzschaltung eingefügt. Sie weist einen pleitenden Bereich 12 auf, der im Teil 11b der η-leitenden epitaktischen Schicht ausgebildet ist. Die Teile 11b und 12 sind elektrisch potentialfrei. Zu ihnen bestehen keine metallischen Verbindungen und es werden ihnen keine Potentiale direkt zugeführt. Sie sind als potentialfreie Bereiche #1 bzw. #-2 bezeichnet. Der p-leitende Bereich 12 kann gleichzeitig mit den p-leitenden Bereichen 14s und 14d ausgebildet sind und sich bis in die gleiche Tiefe erstrecken. Zwei η-leitende stark dotierte Bereiche 22 und 24 sind in den Bereich 12 eindiffundiert und bilden mit ihm die Dioden D1 und D2. Der Bereich 12 dientBetween the gate and source-substrate regions of the transistor 14 a diode protection circuit is inserted. It has a bankrupt area 12, which is in part 11b of the η-conductive epitaxial Layer is formed. Parts 11b and 12 are electrically potential-free. There are no metallic ones with them Connections and no potentials are fed directly to them. They are designated as potential-free areas # 1 and # -2. The p-conductive region 12 can be formed simultaneously with the p-conductive regions 14s and 14d and can extend up to extend to the same depth. Two η-conducting heavily doped Areas 22 and 24 are diffused into the area 12 and form with it the diodes D1 and D2. The area 12 is used

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als Anode der beiden Dioden, der Bereich 24 dient als Kathode der Diode D1 und der Bereich 22 als Kathode der Diode D2. Zwischen dem Bereich 24 und dem Sourcebereich 14s und zwischen dem Bereich 22 und dem Gate 14g des Transistors 14 sind Metallverbindungen ausgebildet.as the anode of the two diodes, the area 24 serves as the cathode the diode D1 and the region 22 as the cathode of the diode D2. Between the region 24 and the source region 14s and between the area 22 and the gate 14g of the transistor 14 are metal connections educated.

Wie bereits erwähnt, bilden sich zusammen mit den Schutzdioden parasitäre Dioden aus. Die Bereiche 12 und 11b bilden eine pn-Diode Dp2/ wobei der Bereich 12 die Anode und der Bereich 11b die Kathode der Diode darstellt. Die Bereiche 11b und 10 bilden eine pn-Diode Dp-, wobei der Bereich 11b die Kathode und der Bereich 10 die Anode der Diode darstellt.As already mentioned, parasitic diodes form together with the protective diodes. Areas 12 and 11b form a pn diode Dp 2 / where area 12 represents the anode and area 11b represents the cathode of the diode. The regions 11b and 10 form a pn diode D p -, the region 11b representing the cathode and the region 10 the anode of the diode.

Die parasitären Dioden D1 und D _ entstehen immer, wenn eine einzige Schutzdiode D1 oder D2 ausgebildet wird. Wenn nur eine einzige Schutzdiode, beispielsweise D1, in der Schaltung vorhanden wäre, dann wäre ihre Kathode, z.B. 24, mit dem Sourcebereich 14s des Transistors 14 verbunden und ihre Anode (Bereich 12) wäre mit der Gateelektrode des Transistors 14 verbunden. Die zwischen dem Bereich 12 und dem Substrat 10 gebildeten parasitären Dioden D .. und Dp2 würden dann direkt mit dem Gate des Transistors 14 verbunden aäLn. Das hat einen relativ starken Leckstrom am Gate zur Folge. Daher sind gegeneinander geschaltete Dioden D1 und D2 zur Isolierung der parasitären Dioden von den Elektroden oder Bereichen des gegenüber Spannungen zu schützenden Transistors erforderlich.The parasitic diodes D 1 and D _ always arise when a single protective diode D1 or D2 is formed. If only a single protective diode, for example D1, were present in the circuit, then its cathode, for example 24, would be connected to the source region 14s of the transistor 14 and its anode (region 12) would be connected to the gate electrode of the transistor 14. The parasitic diodes D .. and D p2 formed between the region 12 and the substrate 10 would then be connected directly to the gate of the transistor 14. This results in a relatively strong leakage current at the gate. Diodes D1 and D2 connected against one another are therefore required to isolate the parasitic diodes from the electrodes or areas of the transistor to be protected against voltages.

Einige typische Dotierpegel für diese Bereiche der integrierten Schaltung sind nachfolgend angeführt. Der p-leitende SubstratSome typical doping levels for these areas of the integrated circuit are given below. The p-type substrate

14 314 3

10 kann 8 χ 10 Akzeptoren pro cm , die epitaktische Schicht10 can be 8 χ 10 acceptors per cm, the epitaxial layer

15 315 3

11a, 11b 10 Donatoren pro cm , die diffundierten p-leitenden11a, 11b 10 donors per cm, the diffused p-type

1 8 Bereiche 14s, 14d und 12 an den äußersten Oberflächen 5 χ 10 Akzeptoren pro cm und die Bereiche 22 und 24 an der äußersten1 8 areas 14s, 14d and 12 on the outermost surfaces 5 χ 10 Acceptors per cm and areas 22 and 24 at the outermost

21 321 3

Oberflächen 10 ' Donatoren pro cm aufweisen. Die Bereiche 10, 11a und 11b sind also leicht dotiert, während die Bereiche 12, 14s, 14d, 22 und 24 stark dotiert sind.Surfaces have 10 'donors per cm. The areas 10, 11a and 11b are therefore lightly doped, while the regions 12, 14s, 14d, 22 and 24 are heavily doped.

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Der Leckstrom eines pn-übergangs ist umgekehrt proportional dem Dotierpegel der den übergang bildenden Bereiche. Demzufolge ist der Leckstrom pro Flächeneinheit zwischen den Bereichen 10 und 11b wesentlich größer als zwischen den Bereichen 22 oder 24 und 12 oder zwischen den Bereichen 12 und 11b. Zusätzlich ist die Übergangsfläche zwischen den Bereichen 10 und 11b wesentlich größer als die Fläche jedes anderen Übergangs. Demzufolge hat . die Diode Dp1 einen Leckstrom, der wesentlich (mindestens 10 mal) größer als derjenige durch die Dioden D1 und D2 ist. Wegen der niedrigeren Dotierpegel und der größeren Fläche führt die Diode Dp2F wenn sie in Sperrichtung gespannt ist, einen größeren Leckstrom als die Dioden D1 oder D2.The leakage current of a pn junction is inversely proportional to the doping level of the areas forming the junction. Accordingly, the leakage current per unit area between the areas 10 and 11b is significantly greater than between the areas 22 or 24 and 12 or between the areas 12 and 11b. In addition, the transition area between regions 10 and 11b is significantly larger than the area of any other transition. As a result, has. the diode D p1 has a leakage current which is substantially (at least 10 times) greater than that through the diodes D1 and D2. Because of the lower doping level and the larger area, the diode Dp 2 F carries a larger leakage current than the diodes D1 or D2 when it is biased in the reverse direction.

Die Bereiche 22 und 24 sind stark dotiert, damit sie mit dem ebenfalls relativ stark dotierten Bereich 12 pn-übergänge sehr niedrigen Leckstroms bilden. Auch verringern die hohen Dotierpegel die Durchbruchsspannung am übergang auf einen Bereich von 6 bis 10V.The areas 22 and 24 are heavily doped so that they have very pn junctions with the area 12, which is also relatively heavily doped form low leakage current. Also reduce the high doping level the breakdown voltage at the transition to a range of 6 to 10V.

Der Kathodenbereich 24 der Diode D1 ist mit dem Source-Substrat-Bereich des Transistors 14 verbunden, und der Kathodenbereich 22 der Diode D2 ist mit dem Gate 14g des Transistors 14 verbunden. Die parasitären pn-übergänge der Dioden D_- und Dp2 sind daher vom Transistor 14 und dem Signalwert durch die Sperrimpedanz der Dioden D1 und D2 isoliert.The cathode region 24 of the diode D1 is connected to the source-substrate region of the transistor 14, and the cathode region 22 of the diode D2 is connected to the gate 14g of the transistor 14. The parasitic pn junctions of the diodes D_ and Dp 2 are therefore isolated from the transistor 14 and the signal value by the blocking impedance of the diodes D1 and D2.

Keine metallische Verbindung braucht zu den Bereichen 12 oder 11b hergestellt zu werden. Die Diodenschutzschaltung, welche die Bereiche 12, 22 und 24 umfaßt, benötigt nur sehr wenig Fläche und kann daher sehr klein sein. ,No metallic connection needs to be made to the areas 12 or 11b. The diode protection circuit, which comprises areas 12, 22 and 24, requires very little area and can therefore be very small. ,

Vor der Metallisierung werden die Kathoden der Dioden D1 und D2 anschlußfrei gemacht, so daß sie isoliert und unabhängig von jedem anderen Schaltungspunkt sind. Die Kathoden können daher an irgendeinem beliebigen Schaltungspunkt angeschlossen werden. Diese Verhältnisse lassen sich ebenso wie andere VorteileBefore the metallization, the cathodes of the diodes D1 and D2 disconnected so that it is isolated and independent from any other node. The cathodes can therefore be connected to any desired circuit point. These ratios can be used as well as other benefits

50983 3/07 28 ,50983 3/07 28,

der hier beschriebenen Schaltung am besten im Zusammenhang mit Fig. 2 verstehen, welche das äquivalente Schaltbild des Aufbaus gemäß Fig. 1 wiedergibt.The circuit described here is best understood in conjunction with Fig. 2, which is the equivalent circuit diagram of the structure according to FIG. 1 reproduces.

In Fig. 2 ist die Sourceelektrode 14s des Transistors T4 über einen Widerstand R1 an ein positives Potential +V angeschlossen und seine Drainelektrode ist über einen Widerstand R2 an das negativste Potential -V angeschlossen. Die Gateelektrode 14g ist mit einem Eingangspunkt 31 verbunden, dem ein Eingangssignal zugeführt wird.In Figure 2, the source electrode 14s of transistor T4 is over a resistor R1 connected to a positive potential + V and its drain electrode is connected through a resistor R2 the most negative potential -V connected. The gate electrode 14g is connected to an input point 31 to which an input signal is fed.

Die gegeneinander geschalteten Dioden D1 und D2 liegen zwischen Source und Gate des Transistors 14. Die parasitären Dioden Dp1 und Dp2 liegen gegeneinander geschaltet zwischen dem Substratbereich 10 und dem Bereich 12. Das negativste Schaltungspotential -V wird dem Substrat 10 zugeführt, der die Anode der Diode Dp1 darstellt, die dadurch normalerweise in Sperrichtung gespannt ist, während die Diode D2 normalerweise in Durchlaßrichtung gespannt ist.The diodes D1 and D2 connected against each other are between the source and gate of the transistor 14. The parasitic diodes D p1 and Dp 2 are connected against each other between the substrate region 10 and the region 12. The most negative circuit potential -V is fed to the substrate 10, which is the anode represents the diode Dp 1 , which is thereby normally biased in the reverse direction, while the diode D 2 is normally biased in the forward direction.

Das dem Schaltungspunkt 31 zugeführte Eingangssignal und der am Sourcebereich 14s herrschende Signalpegel sind normalerweise positiver als -V Volt. Daher werden die Dioden DI und D2 normalerweise in Sperrichtung betrieben, wobei ihre Kathodenbereiche auf einem positiveren Potential als ihre Anodenbereiche liegen. Unter normalen Betriebsbedingungen muß der in Durchlaßrichtung durch die Diode Dp2 und in Sperrichtung durch die Diode Dp- fließende Leckstrom ebenfalls in Sperrichtung durch entweder die Diode D1 oder die Diode D2 fließen. Da die Dioden DI und D2 außerordentlich geringe Leckeigenschaften haben, ist der durch die Dioden Dp1 und Dp2 fließende Leckstrom begrenzt auf den durch die Dioden Dl und D2 möglichen Leckstrom.The input signal applied to the node 31 and the signal level prevailing at the source region 14s are normally more positive than -V volts. Therefore, diodes DI and D2 are normally reverse biased with their cathode regions at a more positive potential than their anode regions. Under normal operating conditions, the leakage current flowing in the forward direction through the diode D p2 and in the reverse direction through the diode Dp- must also flow in the reverse direction through either the diode D1 or the diode D2. Since the diodes DI and D2 have extremely low leakage properties, the leakage current flowing through the diodes D p1 and D p2 is limited to the leakage current possible through the diodes D1 and D2.

Eine Leckdiode kann betrachtet werden als eine Diode, welche eine niedrigere Sperrimpedanz als eine Diode mit geringerenA leakage diode can be viewed as a diode that has a lower blocking impedance than a diode with lower

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Leckeigenschaften hat. Infolgedessen liegt die wesentlich höhere Sperrimpedanz der Dioden Di oder D2 in Reihe mit der außerordentlich niedrigen Durchlaßimpedanz der Diode Dp2 und der niedrigeren Sperrimpedanz der Diode Dp-. Verständlicherweise bestimmt und begrenzt die hohe Sperrimpedanz der Dioden D1 und D2 den Leckstrom durch die parasitären Dioden Dp1 und Dp2*Has licking properties. As a result, the significantly higher blocking impedance of the diodes Di or D2 is in series with the extremely low forward impedance of the diode D p2 and the lower blocking impedance of the diode D p -. Understandably, the high blocking impedance of the diodes D1 and D2 determines and limits the leakage current through the parasitic diodes D p1 and Dp 2 *

Wenn das Eingangssignal V_N positiv wird und die Durchbruchsspannung V„ der Diode D2 erreicht wird, erfolgt bei dieser Diode der Durchbruch. Die Diode D1 kann dann in Durchlaßrichtung leiten, wenn das am Bereich 12 liegende Potential (also V1n-V-) positiver als (+V+VBE) Volt ist. Wenn die Diode D2 durchbricht, dann wird der Leckstrom durch die parasitären Dioden nicht länger durch die niedrige Sperrimpedanz der Diode D1 oder D2 begrenzt. Es besteht jedoch keine Notwendigkeit zur Begrenzung des Leckstromes für diesen Signalzustand. Stattdessen fließt aber durch die zusätzliche Leckstrecke ein Strom, der andernfalls durch die Diode DV fließen müßte.When the input signal V_ N is positive and the breakdown voltage V "of the diode D2 is reached, the breakdown occurs at this diode. The diode D1 can then conduct in the forward direction when the potential at the area 12 (ie V 1n -V-) is more positive than ( + V + V BE ) volts. When diode D2 breaks down, the leakage current through the parasitic diodes is no longer limited by the low reverse impedance of diode D1 or D2. However, there is no need to limit the leakage current for this signal state. Instead, however, a current flows through the additional leakage path that would otherwise have to flow through the diode DV.

Wenn das Eingangssignal negativ wird und die Durchbruchsspan- . nung Vß der Diode D1'erreicht wird, dann erfolgt hier der Durchbruch und die Diode leitet in Sperrichtung, während die Diode D2 in Durchlaßrichtung leitet. Wiederum wird der Leckstrom durch die parasitären Dioden nicht begrenzt, aber dies trägt zur Begrenzung eines übermäßigen Potentialanstiegs am Transistor 14 bei.When the input signal goes negative and the breakdown voltage. voltage V ß of the diode D1 'is reached, then the breakdown takes place here and the diode conducts in the reverse direction, while the diode D2 conducts in the forward direction. Again, the leakage current through the parasitic diodes is not limited, but this helps limit an excessive rise in potential across transistor 14.

Die Dioden D1 und D2 isolieren also das Signal von der Leckstrecke der parasitären Dioden im ausnutzbaren Eingangssignalbereich, der zwischen demjenigen positiven Wert von V_N liegt, bei welchem die Diode D2 durchbricht, und demjenigen negativen Wert von V1n, bei welchem die Diode D1 durchbricht. Wenn das Eingangssignal den ausnutzbaren Bereich überschreitet, dann erfolgt ein Durchbruch der Dioden D1 oder D2, und der Leckstrom der parasitären Dioden trägt zur Unterdrückung übermäßiger Signalströme bei.The diodes D1 and D2 thus isolate the signal from the leakage path of the parasitic diode in the exploitable input signal range, the positive between that value of V_ N is located, wherein the diode D2 breaks down, and that the negative value of V 1n, in which the diode D1 breaks . When the input signal exceeds the usable range, the diodes D1 or D2 breakdown and the leakage current of the parasitic diodes helps to suppress excessive signal currents.

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Die Verwendung von gegeneinander geschalteten Schutzdioden führt zu einer symmetrischen Signalkleinmwirkung in positiver und negativer Richtung, und dieser Effekt tritt zusätzlich zur Hauptfunktion bei der Verwendung gegeneinander geschalteter Dioden auf, nämlich parasitäre Leckdioden, die zu einem Halbleiterbereich der Schutzdioden gehören, zu isolieren.The use of protective diodes connected against each other leads to a symmetrical signal impact in positive and negative direction, and this effect occurs in addition to the main function when using mutually switched Diodes, namely to isolate parasitic leakage diodes that belong to a semiconductor region of the protection diodes.

Da die Schutzschaltung symmetrisch ist und von anderen Elementen in oder auf dem integrierten Schaltungsplättchen getrennt ist, eignet sie sich zum Schutz von Bauelementen mit einem nleitenden Kanal ebenso wie von solchen mit einem p-leitenden Kanal.Because the protection circuit is symmetrical and different from other elements is separated in or on the integrated circuit chip, it is suitable for protecting components with a conductive Channel as well as those with a p-type channel.

Die in Fig. 1 dargestellte Struktur kann auch mit umgekehrten Leitfähigkeitsverhältnissen realisiert werden, indem die Bereiche 10, 12, 14s und 14d η-leitend und die Bereiche 11a, 11b, 22 und 24 p-leitend ausgebildet werden. Hierbei wird dann das am meisten positive Potential dem Substrat zugeführt. Der den Schutzdioden gemeinsame Bereich würde ihre Kathoden bilden, und ihre Anoden würden dann an zwei beliebige zu schützende Schaltungspunkte angeschlossen.The structure shown in FIG. 1 can also be realized with reversed conductivity ratios by adding the areas 10, 12, 14s and 14d η-conductive and the areas 11a, 11b, 22 and 24 are made p-conductive. In this case, the most positive potential is then applied to the substrate. The den Protection diodes common area would form their cathodes, and their anodes would then be connected to any two to be protected Connection points connected.

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Claims (5)

-11-Patentansprüche -11 claims ( 1)) Halbleiterschutzschaltung mit einem Halbleitermaterialkörper, der eine erste und eine zweite Schicht aus p-leitendem bzw. η-leitendem Material aufweist, zwischen denen ein pn-übergang gebildet ist, mit einem in der zweiten Schicht ausgebildeten ersten Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps,. der einen zweiten pn-übergang mit dieser bildet, mit einem zweiten und einem dritten, in gegenseitigem Abstand in dem ersten Bereich ausgebildeten n-leitenden Bereich, die mit dem ersten Bereich einen dritten und einen vierten pn-übergang bilden, und mit Schaltungsverbindungen für den zweiten und dritten Bereich zur . Schaltung des dritten und vierten Übergangs als in Reihe gegeneinander geschaltete Dioden zwischen Schaltungspunkte, die gegen eine zu große Spannungsdifferenz geschützt werden sollen, dadurch gekennzeichnet, daß die Botierpegel des ersten, zweiten und dritten Bereichs (12,22,24} höher als die Dotierpegel der ersten und zweiten Schicht (11,12) sind, derart, daß die durch den ersten pn-übergang gebildete Diode (Dp1) einen höheren Leckstrom und eine niedrigere Sperrimpedanz als die durch den dritten und vierten pn-übergang gebildeten Dioden (D1 und D2) aufweisen, wenn an die Schutzschaltung eine Spannung angelegt wird, deren Polarität den ersten, zweiten und dritten pn-übergang (Dioden D_-, D1 und D2) in Sperrichtung und den zweiten pn-übergang (Diode Dp2) in Durchlaßrichtung vorspannt. (1 )) Semiconductor protection circuit with a semiconductor material body which has a first and a second layer of p-conducting or η-conducting material, between which a pn junction is formed, with a first region of the first conductivity type formed in the second layer, . which forms a second pn junction with this, with a second and a third n-conductive area formed at a mutual distance in the first area, which form a third and a fourth pn junction with the first area, and with circuit connections for the second and third area for. Circuit of the third and fourth junction as diodes connected in series against one another between circuit points which are to be protected against an excessive voltage difference, characterized in that the level of the first, second and third areas (12, 22, 24) is higher than the level of the The first and second layers (11, 12) are such that the diode (Dp 1 ) formed by the first pn junction has a higher leakage current and a lower blocking impedance than the diodes formed by the third and fourth pn junction (D1 and D2 ) when a voltage is applied to the protective circuit, the polarity of which biases the first, second and third pn junction (diodes D_-, D1 and D2) in the reverse direction and the second pn junction (diode D p 2) in the forward direction. 2) Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 mit einem Feldeffekttransistor, welcher in gegenseitigem Abstand einen vierten und einen fünften Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb der zweiten Schicht und an deren Oberfläche sowie eine über der Oberfläche zwischen dem vierten und fünften Bereich liegende Gateelektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsverbindungen die Gateelektrode (14g) mit einem (22) der als zweiter und dritter Bereich bezeichne-2) semiconductor circuit according to claim 1 with a field effect transistor, which is a fourth and spaced apart a fifth region of the first conductivity type within and on the surface of the second layer and one above it of the surface between the fourth and fifth areas Having gate electrode, characterized in that that the circuit connections are the gate electrode (14g) with a (22) that designates the second and third area. 609833/0728609833/0728 ten Bereiche (22,24) und einen (14s) der als vierter und fünfter Bereich bezeichneten Bereiche (14s,14d) mit dem anderen (24) der als zweiter oder dritter Bereich bezeichneten Bereiche verbinden. th areas (22,24) and one (14s) the fourth and fifth Area designated areas (14s, 14d) with the other (24) of the areas designated as the second or third area connect. 3) Halbleiterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Bereich (12) in der zweiten Schicht (11) vom vierten und fünften Bereich (14s,14d) isoliert ist.3) semiconductor circuit according to claim 2, characterized that the first area (12) in the second layer (11) from the fourth and fifth area (14s, 14d) is isolated. 4) Halbleiterschaltung nach Anspruch 3, dadurch g e kennzeichnet, daß der erste Bereich (12) vom vierten und fünften Bereich (1"4s,14d) durch einen diffundierten Bereich (16) vom ersten Leitfähigkeitstyp isoliert ist, welcher4) semiconductor circuit according to claim 3, characterized in that g e that the first area (12) from the fourth and fifth area (1 "4s, 14d) through a diffused area (16) is insulated from the first conductivity type, which in der zweiten Schicht (11) ausgebildet ist und sich praktisch durch diese erstreckt.is formed in the second layer (11) and practically extends through it. 5) Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und dritte Bereich (22,24) stärker dotiert ist als der erste Bereich (12).5) Semiconductor circuit according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the second and third region (22,24) is more heavily doped than the first region (12). 509833/0728509833/0728
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