DE3333896A1

DE3333896A1 - Ueberspannungsschutzschaltung und halbleiterstruktur zum schutz eines integrierten schaltkreises gegen ueberspannungen

Info

Publication number: DE3333896A1
Application number: DE19833333896
Authority: DE
Inventors: Leslie Ronald 08822 Flemington N.Y. Avery
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1982-09-22
Filing date: 1983-09-20
Publication date: 1984-03-22
Anticipated expiration: 2003-09-21
Also published as: GB8324445D0; US4484244A; IT8322946A1; IT8322946A0; GB2128829B; CA1195432A; JPH069018B2; GB2128829A; JPS5990120A; FR2533369A1; FR2533369B1; DE3333896C2; IT1171088B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzschaltung eines integrierten Schaltkreises mit einem eine auf einem getrennten bzw. isolierten Einzelbereich eines Halbleiterkörpers gebildete Anschlußstelle mit dem zu schützenden Schaltkreis verbindenden Leiter, bestehend aus je einer zwischen den Leiter und eine Referenzspannungsquelle eingeschalteten ersten Teilschaltung gegen negative Überspannungen und einer zweiten Teilschaltung gegen positive Überspannungen. Die Erfindung betrifft ferner eine Halbleiterstruktur zum Schutz eines integrierten Schaltkreises gegen negative und positive Überspannungen mit einem Leiter zum Verbinden einer angrenzend an eine Oberfläche eines den einen Leitungstyp aufweisenden und auf einem halbleitenden Substrat des anderen Leitungstyps liegenden Halbleiterbereichs gebildeten Anschlußklemme mit dem zu schützenden Schaltkreis; mit einem ersten Paar von zwischen den Leiter und eine Referenzspannungsquelle geschalteten Transistoren komplementär entgegengesetzten Leitungstyps als Teilschutzschaltung gegen negative Überspannungen; und mit einem zweiten Paar von zwischen den Leiter und die Referenzspannungsquelle geschalteten Transistoren komplementär entgegengesetzten Leitungstyps als Teilschutzschaltung gegen positive Überspannungen. Unter dem Begriff "Überspannung" werden im vorliegenden Zusammenhang vor allem Spannungssprünge, momentane Überspannungen, Ein- oder Ausschaltspannungen und sonstige Spannungsausgleichsvorgänge verstanden.

Integrierte Schaltkreise werden oft durch Überspannungen beschädigt, die einen oder mehrere individuelle Bereiche der Schaltung mit dem Ergebnis eines Schmelzens, Kurzschlusses oder anderer Zerstörung der Vorrichtung überlasten. Es werden daher verschiedene Vorrichtungen und

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Schaltungen zum Schutz der integrierten Schaltkreise gegen Beschädigung durch Überspannungen eingesetzt. Als Schutzvorrichtung dieser Art werden als interner Überspannungsschutz beispielsweise auf einem Halbleiterchip integrierte Dioden oder Transistoren verwendet. Solche Vorrichtungen bieten zwar einen gewissen Schutz für den integrierten Schaltkreis, in dem sie enthalten sind, sie erfordern jedoch einen erheblichen Raum, der zur Erhöhung der Packungsdichte besser für den Hauptteil der Schaltung zu verwenden wäre.

Ein Beispiel einer Überspannung ist eine Hochspannungs-Spitze bzw. -Impulszacke, die in einem z.B. zur Bild- und Tonverarbeitung dienende integrierte Niederspannungs-Schaltkreise enthaltenden Fernsehgerät auftreten kann. Die Anode einer Bildröhre wird typisch mit etwa 25.000 Volt vorgespannt, so daß bei schneller Entladung der Anode eine hohe Überspannung an der Stromversorgung auftreten kann. Ebenfalls unvorhersehbar kann sich ein Lichtbogen in der Bildröhre zwischen der Anode und einer oder mehreren Elektroden mit niedrigem Potential bilden. In jedem Fall gelangt die hohe Überspannung, die entweder ■ ' eine positiv gerichtete oder eine negativ gerichtete Spitze von mehr als 100 Volt haben kann, über den normalen Netzanschluß oder durch elektrostatische Beladung der Verbindungsleiter einer gedruckten Leiterplatte auf die Anschlußstelle der integrierten Schaltung.

Hohe Überspannungen können in einem Fernsehempfänger auch durch elektrostatische Entladung verursacht werden. Eine elektrostatische Ladung wird im allgemeinen über die Steuerknöpfe od.dgl. des Fernsehgerätes vom Benutzer entladen. Auch hierbei entstehen Überspannungen, die im Fernsehgerät enthaltene integrierte Schaltungen beschädigen können.

Es gibt zwar viele Schutzvorrichtungen gegen hohe Überspannungen, der Konstrukteur wird in diesem Zusammenhang jedoch regelmäßig mit dem Problem konfrontiert, daß er zum Herstellen der recht voluminösen Schutzschaltungen wertvollen Raum auf dem jeweiligen Halbleiterchip benötigt. Bei Vorrichtungen mit einer großen Zahl von Kontaktstiften hat sich ergeben, daß die Schutzschaltungen einen beträchtlichen Raum einnehmen, derart, daß der Chip übermäßig groß wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung zu schaffen, deren Raumbedarf auf dem Halbleiterchip gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vermindert ist. Die erfindungsgemäße Lösung besteht für die zwei Teilschaltungen enthaltende Überspannungsschutzschaltung eines integrierten Schaltkreises mit einem eine Anschlußstelle aufweisenden isolierten Einzelbereich eines Halbleiterkörpers darin, daß sich die erste und zweite Teilschaltung innerhalb des isolierten Einzelbereichs befindet. Für die entsprechende Halbleiterstruktur zum Schutz eines integrierten Schaltkreises gegen Überspannungen mit in jeder Teilschaltung enthaltenem Paar entgegengesetzt leitender Transistoren und mit an einer Oberfläche eines den einen Leitungstyp aufweisenden, halbleitenden Einzelbereichs gebildeter Anschlußstelle des zu schützenden Schaltkreises besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß das erste Paar und das zweite Paar von Transistoren in dem halbleitenden Einzelbereich des ersten Leitungstyps gebildet sind.

Durch das Anordnen sowohl der Schutzmittel gegen negative Überspannungen als auch der Schutzmittel gegen positive Überspannungen in einem einzigen isolierten Bereich

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zusammen mit einer Anschlußstelle bzw. einem Anschlußfeld wird erheblicher Raum auf der Fläche des den zu schützenden integrierten Schaltkreis aufnehmenden Halbleiterchips eingespart. Vorzugsweise besteht die Erfindung darin, eine integrierte Schutzschaltung mit einem ersten und einem zweiten Paar von komplementär leitenden Transistoren in einer gemeinsamen (N~)-Wanne zu bilden. In einer weiteren Ausgestaltung wird ein Widerstandselement in die Halbleiterstruktur integriert, um ein Fühlglied zu schaffen. Grundsätzlich wird jedes Paar von Transistoren komplementären Leitungstyps sowie des gemeinsamen Fühloder Peilwiderstandes in einem gemeinsamen, der Umgebung gegenüber isolierten Bereich angeordnet, und jedes Transistorpaar wird so geschaltet, daß ein Dipol entsteht, der einen hohen Strom führen kann, wenn die Spannung (entweder in negativer oder in positiver Richtung) einen vorbestimmten Wert übersteigt.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Dipol-Überspannungs-Schutzschaltung;

Fig. 2 ein Schaltbild eines v/eiteren Ausführungsbeispiels einer Dipol-Überspannungs-Schutzschaltung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Struktur der Dipol-Überspannungs-Schutzschaltung nach Fig. 2;

Fig. 3A einen Schnitt längs der Linie A-A der Struktur nach Fig. 3;

Flg. 3Β einen Schnitt längs der Linie B-B der Struktur nach Fig. 3;

Fig. 3C einen Schnitt längs der Linie C-C der Struktur nach Fig. 3; und

Fig. 3D einen Schnitt längs der Linie D-D der Struktur nach Fig. 3. ,

In Fig. 1 wird dargestellt, wie ein Schaltkreis gegenüber negativen Überspannungen durch die Teilschaltung 10 und gegenüber positiven Überspannungen durch die Teilschaltung 12 geschützt werden kann. Erfindungsgemäß werden die Teilschaltungen 10 und 12 gegen negative bzw. positive Überspannungen in einem gemeinsamen, isolierten Bereich bzw. in einer gemeinsamen, isolierten Wanne gebildet.

Die Teilschaltung 10 besteht aus einem NPN-Transistor Q₄, dessen Emitter mit einem ein Signal zwischen einer Anschlußstelle 14 und dem (nicht gezeichneten) zu schützenden Schaltkreis führenden Leiter verbunden wird. Der Kollektor des Transistors Q₄ wird mit der Basis eines PNP-Transistors Q_Q verbunden, während die Basis des Transistors Q. auf den Kollektor des Transistors Q₃ geschaltet wird. Der Emitter des Transistors Q^ wird mit einer Referenzspannungsquelle 16, z.B. Masse oder Erde, verbunden. Der Schutz gegen negative Überspannungen wird daher durch ein Transistorpaar erzielt, das wie ein gesteuerter Silizium-Dipolgleichrichter geschaltet wird und funktionieren soll.

Die Teilschaltung 12 zum Schutz gegen positive Überspannungen besteht aus einem PNP-Transistor Q₁, dessen Emitter mit dem das Signal zwischen der Anschlußstelle 14 und dem zu schützenden Kreis führenden Leiter verbunden wird. Der Kollektor des Transistors Q₁ wird mit der Basis eines NPN-Transistors Q_? verbunden, während die Basis des Transistors Q₁ sowohl auf den Kollektor des Transistors Qp als auch auf die Basis des Transistors Q₃ geschaltet wird. Die Basis des Transistors Q_ wird über einen niedrigen Widerstand 18 mit der Referenzspannungsquelle bzw. Masse 16 verbunden. Ebenso wird der Emitter des Transistors Q₂ mit Masse gekoppelt.

Der Betrieb der Teil-Schutzschaltung 10 ist bei Auftreten eines negativen Überspannungsimpulses an der Anschlußstelle 14 in etwa ähnlich demjenigen eines gesteuerten Silizium-Gleichrichters, mit Ausnahme der Tatsache, daß die Teilschaltung 10 als Dipol konstruiert wird. Hierdurch unterscheidet sich die erfindungsgemäße Schaltung von einem herkömmlichen gesteuerten Silizium-Gleichrichter, der ein Dreipol-Bauelement ist und so ausgelegt wird, daß ein Triggern durch die Spannung zwischen Anode und Kathode oder durch die Geschwindigkeit der Spannungsänderung zwischen Anode und Kathode vermieden wird. Demgegenüber wird die erfindungsgemäße Schutzschaltung gegen negative Überspannungen entweder durch eine hohe Überspannung zwischen den Anschlüssen 14 und 16 oder durch eine große Änderung der Spannung (dv/dt) zwischen den Anschlüssen 14 und 16 getriggert. In der Praxis ist der Anschluß 16 eine Referenzspannungsquelle, z.B. das Substrat oder Erde, während die Anschlußstelle 14 mit dem zu schützenden Schaltkreis l&itend verbunden wird.

Bei in der Schaltung nach Fig. 1 an der Anschlußstelle 14 mit hoher Geschwindigkeit ins Negative relativ zur Masse abfallender Spannung wird die Teilschaltung 10 leitend, so daß die Anschlüsse 14 und 16 elektrisch verbunden werden und Überstrom zur Erde abfließen kann. Im Unterschied zur erfindungsgemäßen Schaltung würde ein herkömmlicher, gesteuerter Silizium-Gleichrichter einen niedrigen Widerstand zwischen Basis und Emitter des Transistors Q₄ und/oder Basis und Emitter des Transistors Q₃ besitzen, so daß ein Zünden des gesteuerten Gleichrichters verhindert würde. Wenn dagegen an dem Anschluß 14 eine geringe Spannungsänderung auftritt, fließt nur ein kleiner Strom- in der Größenordnung von Pikoampere durch den Transistor Q₄, ohne daß die Schaltung sich verriegelt, weil die Gesamt-Schleifenverstarkung auf einen Wert von weniger als 1 ausgewählt werden soll. Bei ausreichend negativer Spannung an der Anschlußstelle 14

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wird jedoch der Transistor Q₄ stark leitend und liefert daher einen ausreichenden Beitrag zur Schleifenverstärkung, so daß die gesamte Schleifenverstärkung größer als 1 wird. Unter dieser Bedingung wird die Teilschaltung 10 wiederum leitend, und Überstrom kann zur Erde abfließen.

Die Teilschaltung 12 gegen positive Überspannungen unterscheidet sich von einem üblichen gesteuerten Silizium-Gleichrichter darin, daß die Verbindungen der Transistoren Q₁ und Q₂ so ausgebildet werden, daß der gesteuerte Dreipolr-Gleichrichter zu einem Zweipol-Gleichrichter wird, der also leitend wird, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen 14 und 16 eine vorbestimmte positive Schwelle überschreitet. Für die Beschreibung der Betriebsweise wird angenommen, daß die Transistoren Q₁ und Q_? zu Anfang nicht leiten. Der Widerstand 18 verhindert sowohl

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ein elektrisches als auch ein thermisches Rauschen für den Fall, daß die Transistoren Q₁ und Q_? unbeabsichtigt leitend werden. Im Grundsatz wird die Teilschutzschaltung 12 während des Auftretens einer einen Spannungsabfall am Widerstand 18 verursachenden, positiv gerichteten Überspannung durch den Kollektor-Basis-Durchbruch des Transistors Q₂ getriggert. Wenn der entsprechende Spannungsabfall ein V₇,- (etwa 0,7 Volt) übersteigt, wird der Transi-

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stor Q₂ eingeschaltet. Hierdurch wird ausreichender Basisstrom zum Leitendwerden des Transistors Q₁ geliefert mit der Folge eines positiven RUckkopplungseffekts, durch den beide Transistoren Q₁ und Q₂ gesättigt werden, um die Anschlußstelle 14 wirksam mit Masse zu koppeln. (Die Größe "ein V_n-," bezeichnet den Spannungsabfall am Basis/-Emitter-Übergang eines Transistors im Zustand der Leitung; ein V__ ist auch das Minimum der zum Aufrechterhalte

ten eines Stroms vom Emitter zum Kollektor erforderlichen Basis/Emitter-Spannung; bei einem Siliziumtransistor beträgt ein V_ßE etwa 0,7 Volt).

In Fig. 2 werden gegenüber negativ gerichteten und positiv gerichteten Überspannungen wirksam schützende Teilschaltungen 10 und 12 dargestellt. Ähnliche Elemente werden in Fig. 2 ebenso wie in Fig. 1 bezeichnet. Die Teilschaltung 10 gegen negativ gerichtete Überspannungen wird ebenso wie die die Transistoren Q₁ und Q₂ aufweisende Teilschaltung 12 gegen positive Überspannungen ähnlich wie im Ausführungsb ei spiel nach Fig. 1 geschaltet. Im Ausführungsbeispiel nach Fig.. 2 wird jedoch ein Fühlbzw. Peilwiderstand 20 in Serie zwischen die Anschlußstelle 14 und den zu schützenden Schaltkreis gesetzt, wobei der Emitter des NPN-Transistors Q. der Teilschaltung 10 und der Emitter des PNP-Transistors Q₁ der Teilschaltung 12 mit dem mit der Anschlußstelle 14 verbundenen Pol des Peilwiderstandes 20 verbunden werden, während

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die Basen der Transistoren Q₁ und Q₂ zusammen mit den Kollektoren der Transistoren Q₂ und Q₄ auf den mit dem zu schützenden Schaltkreis verbundenen Pol des Peilwiderstandes 20 geschaltet werden. Außerdem wird in Fig. 2 eine zwischen dem zu schützenden Schaltkreis und Masse 16 eingeschaltete Diode 22 dargestellt. Die Diode 22 ist Bestandteil der Konstruktion.

Bei Betrieb hat eine hohe negativ gerichtete, an der Anschlußstelle 14 erscheinende Überspannung einen Stromfluß durch den Peilwiderstand 20 und die Diode 22 zur Folge. Der Strom ist dabei so gerichtet, daß die Diode 22 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Diese Vorspannung wird über die gemeinsame Verbindung der Basis des Transistors Q₁ und der Basis des Transistors Q₂ auf den Emitter/Basis-Übergang des Transistors Q₃ gekoppelt. Durch die Kombination der Diode 22 und des Transistors Q₃ wird also ein Stromspiegel gebildet. Ein Basisstrom im Transistor Qq bewirkt in dem Transistor einen Kollektorstrom, der in die Basis des Transistors Q₄ fließt. Das hat einen Kollektorstrom im Transistor Q₄ zur Folge, der wiederum den Basisstrom des Transistors Q₃ vergrößert. Das Ergebnis ist ein positiver Rückkopplungskreis, der die Transistoren Q₃ und Q₄ sättigt und die Anschlußstelle 14 durch die Arbeitsweise der Transistoren Q₃ und ' Q₄ nach Art eines gesteuerten Silizium-Gleichrichters wirksam erdet. Wenn die Überspannung wieder abgefallen oder unter einen vorbestimmten Wert gefallen ist, nimmt das Potential der Anschlußstelle 14 wieder seinen normalen Wert ein, der Stromfluß sowohl durch die Diode 22 als auch durch die Teilschaltung 10 hört auf, und die Teilschaltung 10 kehrt in den geöffneten Zustand zurück.

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Eine hohe positiv gerichtete Überspannung hat einen Strom durch den Peilwiderstand 20 zur Folge. Dieser fließt je nach der Kollektor/Basis-Durchbruchspannung des Transistors Qp entweder in den zu schützenden Schaltkreis oder zur Erde. Wenn der durch den Peilwiderstand 20 fließende Strom an dem Peilwiderstand 20 einen Spannungsabfall von ein V₁..-, (etwa 0,7 Volt) zwischen dessen Polen erzeugt,

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wird der Transistor Q. leitend, da diese Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q₁ liegt. Der Kollektorstrom des Transistors Q₁ fließt durch den Widerstand 18 und entwickelt an diesem einen Spannungsabfall, durch den - wenn die Spannung ein V_nr, (etwa 0,7

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Volt) überschreitet - der Transistor Q₂ leitend gemacht wird. Der Kollektorstrom in den Transistor Q₂ vergrößert nun den anfänglichen Basisstrom des Transistors Q₁ und verursacht eine positive Rückkopplung, durch die die beiden Transistoren Q₁ und Q₂ gesättigt werden und die Anschlußstelle 14 wegen ihrer Arbeitsweise nach Art eines herkömmlichen gesteuerten Silizium-Gleichrichters wirksam erden. Wenn die positiv gerichtete Überspannung abgefallen ist und/oder unter ein vorbestimmtes Niveau fällt, wird die Teilschaltung 12 wieder nichtleitend, da durch den Peilwiderstand 20 ein zum Aufrechterhalten von ein V₀₁-, für den Transistor Q₁ nur noch unzulänglicher Strom fließt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Teilschaltung 12 blockiert, wenn Strom von der Anschlußstelle 14 zu dem zu schützenden Kreis fließt, daß aber nicht blockiert wird, wenn Strom von dem zu schützenden Kreis zu der Anschlußstelle 14 fließt, weil die Polarität der am Peilwiderstand 20 abfallenden Spannung im letztgenannten Fall den Emitter/Basis-Übergang des Transistors Q₁ und damit den entsprechenden Stromweg sperrt.

Diese Schaltungsweise ist besonders vorteilhaft im Verhältnis zu herkömmlichen Schutzschaltkreisen nach Art gesteuerter Silizium-Gleichrichter, da ein NPN-Emitterfolger-Ausgangskreis, der durch die erfindungsgemäße Schaltung geschützt werden soll, bei solchen Überspannungen geerdet wird, welche ein Auslösen bzw. Entriegeln des erfindungsgemäßen Schutzschaltkreises verursachen und dadurch verhindern, daß übermäßiger Strom durch den geschützten Emitterfolger hindurchfließt und diesen beschädigt.

In Fig. 3 wird die Draufsicht auf ein AusfUhrungsbeispiel einer Festkörperschaltung mit den Merkmalen gemäß Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Teilschaltung 10 gegen negative Überspannungen befindet sich zugleich mit der Teilschaltung 12 gegen positive Überspannungen in einer gemeinsamen N~"-leitenden, gegenüber der Umgebung isolierten Wanne bzw. Zone 26, zu der auch das Anschlußfeld bzw. die Anschlußstelle 14 gehört. Die gestrichelten Linien bezeichnen den Umfang einer Metallschicht 44, die die Oberfläche der Anschlußstelle 14 ebenso wie die Verbindungen zwischen den Emittern der Transistoren Q₁ und Q. zur Anschlußstelle 14 und zu einem Ende des Peilwiderstandes 20 bildet. Die äußere durchgezogene Linie 26 bezeichnet die Grenze einer gemeinsamen N -leitenden isolierten Zone 26, während die innere durchgezogene Linie 24 die Grenzen einer N⁺-leitenden vergrabenen Tasche 24 andeutet. Mit 28 wird eine P -Isolierung bezeichnet, die die isolierte Zone 26 umgibt, während die punktierten Linien verschiedene P-leitende Zonen, wie die Zonen 30, 34, 36 und .20, repräsentieren. Die durchgezogenen Linien innerhalb der punktierten Linien bezeichnen N⁺-leitende Diffusionszonen, die innerhalb der P-leitenden Diffusionszonen gebildet werden und im vorliegenden Fall beispielsweise als N⁺-Zone 32 innerhalb der P-Zone 30 und N⁺-Zone 38 inner-

halb eines Teils der P-Zone 36 dargestellt werden. Die diagonal durchkreuzten Bereiche stellen Kontaktöffnungen in der Isolierschicht 42 dar. In der Zeichnung werden die Kontaktöffnungen 40, 47, 48, 56 und 58 dargestellt.

In den Fig. 3 sowie 3A bis 3D werden verschiedene Elemente dargestellt, die in oder auf einem isolierten Einzelbereich bzw. einer Wanne so gebildet sind, daß sie die Funktion einer Schutzschaltung sowohl gegen negative als auch gegen positive Überspannungen erfüllen können. Die Teilschaltung 10 gegen positive Überspannungen nach Fig.

1 und 2 besteht beispielsweise aus dem PNP-Transistor Q„ und NPN-Transistor Q₄ gemäß Fig. 3, 3A und 3C, wobei die N⁺-Zone 32 den Emitter, die P-Zone 30 die Basis und die N~-Zone 26 den Kollektor des Transistors Q₄ bilden. In ähnlicher Weise wird der Transistor Q₃ in Fig. 3 und 3C dargestellt mit der P-Zone 36 als Emitter, der N~-Zone 26 als Basis und der P-Zone 30 als Kollektor. Da die N~- Zone 26 sowohl die Basis des Transistors Q₃ als auch den Kollektor des Transistors Q. bildet, sind die entsprechenden Transistorbereiche elektrisch miteinander verbunden. In ähnlicher Weise ist die P-Zone 30 gemeinsamer Bestandteil des Kollektors des Transistors Q₃ und der Basis des Transistors GK. Auch diese Transistorbereiche sind daher elektrisch miteinander verbunden. Da der Emitter des Transistors Q₄ (N⁺-Zone 32) über die Kontaktöffnung 48 der Isolierschicht 42 mit der Anschlußstelle 14 verbunden wird und da der Emitter des Transistors Q₃ (P-Zone 36) über die Metallisierung 46 geerdet wird, enthält Fig. 3 den exakten Aufbau einer zum Schutz gegen negative Überspannungen vorgesehenen Teilschaltung 10 nach Fig. 1 und

2 als Festkörperschaltung.

Die Fig. 3, 3A und 3D zeigen die gegen positive Überspannungen schützende Teilschaltung 12 gemäß Fig. 1 und 2 mit dem PNP-Transistor Q₁ und den NPN-Transistor Q₀ als Festkörperschaltung. In den Fig. 3A und 3D bilden die P-Zone 34 den Emitter, die N~-Zone 26 die Basis und die P-Zone 36 den Kollektor des PNP-Transistors Q-. In ähnlicher Weise wird der NPN-Transistor Q₂ in den Fig. 3A und 3B mit der N⁺-Zone 38 als Emitter, der P-Zone 36 als Basis und der N~-Zone 26 als Kollektor dargestellt. Da die N~-Zone 26 sowohl die Basis des Transistors Q₁ als auch den Kollektor des Transistors Q₂ bildet, sind die entsprechenden Transistorbereiche elektrisch miteinander verbunden. Ähnliches gilt für die elektrische Kopplung zwischen dem Kollektor des Transistors Q₁ und der Basis des Transistors Q₂, die beide in der P-Zone 36 liegen. Zur Vervollständigung der Teilschaltung 12 gegen positive Überspannungen wird der Emitter des Transistors Q₁ durch die Kontaktöffnung 40 mit der Anschlußstelle 14 verbunden, während der Emitter des Transistors Q₂ über die Kontaktöffnung 47 und die Metallisierung 46 geerdet wird.

Die N⁺-leitende, vergrabene Tasche 24 bildet eine Verbindung mit niedrigem .Widerstand als gemeinsame Leitung zwischen den Basen der Transistoren Q₁ und Q₃ und den Kollektoren der Transistoren Q₂ und Q₄. Die N⁺-Tasche 24 hat im übrigen elektrischen Kontakt mit der N~-leitenden, vorzugsweise epitaktisch erzeugten Zone 26. Mit diesen Verbindungen wird die Schutzschaltung nach Fig. 1 vervollständigt.

Für die praktische Ausführung der Schaltung nach Fig. 2 wird eine zusätzliche P-Diffusion 20 zwischen der Anschlußstelle 14 und einer den Ausgangskontakt bildenden

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Metallisierung 54 vorgesehen. Gemäß Fig. 3, 3B und 3D werden in diesem Fall der Emitter des Transistors Q₁ und der Emitter des Transistors Q₄ mit dem Anschlußfeld bzw. der Anschlußstelle 14 und diese über eine KontaktÖffnung 58 mit einer Seite der P-Zone 20 verbunden. Diese P-Zone stellt den Peilwiderstand 20 nach Fig. 2 dar. Die !^-leitende Tasche 24 und die gemeinsame Verbindung zwischen der Basis des Transistors Q₁, dem Kollektor des Transistors Q₀, der Basis des Transistors Q_Q und dem Kollektor des Transistors Q₄ wird über eine N -Diffusionszone 52 und eine Metallisierung 54 mit der P-Zone 20 (dem anderen Ende des Peilwiderstandes 20) verbunden. Die elektrische Verbindung zu dem zu schützenden Schaltkreis führt über eine KontaktÖffnung 56 zur Metallisierung 54.

-Bie Festkörperstruktur entsprechend der Schutzschaltung nach Fig. 2 wird durch die zwischen der N⁺-Diffusionszone 52 und der P⁺-leitenden Trenn- bzw. Isolierzone 28 (Fig. 3B) gebildete Diode 22 und den Widerstand 18 vervollständigt, der in der P-Zone 36 zwischen der geerdeten Metallisierung 46 und dem Bereich der P-Zone 36 zwischen der N⁺-Zone 38 und der N~-leitenden epitaktischen Zone 26 hergestellt wird.

In der beschriebenen Halbleiterstruktur befinden sich die Teilschaltungen zum Schutz gegen negative und positive Überspannungen zusammen mit einem Anschlußfeld bzw. einer Anschlußstelle in einer einzigen, isolierten Zone, so daß Platz auf dem Halbleiterchip eingespart wird. Auch ein Peilwiderstand zum Differenzieren der Wirkung der Schaltung je nach Ursprungsort der Überspannung kann in die Festkörperschaltung integriert werden.

Claims

Qp.-lng. Reimar Könfcg: J ·· i^Oiplr-in^Klaus Bergen

Wilhelm-Tell-Str. 14 4OOO Düsseldorf 1 Telefon 39 7O2B Patentanwälte

19.Sept. 1983
35 154 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,
New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Uberspannungsschutzschaltung und Halbleiterstuktur

zum Schutz eines integrierten Schaltkreises

gegen Überspannungen"

Patentansprüche:

Uberspannungsschutzschaltung eines integrierten Schaltkreises mit einem eine auf einem getrennten bzw. isolierten Einzelbereich (26) eines Halbleiterkörpers gebildeten Anschlußstelle (14) mit dem zu schützenden Schaltkreis verbindenden Leiter, bestehend aus je einer zwischen den Leiter und eine Referenzspannungsquelle (16) eingeschalteten ersten Teilschaltung (10) gegen negative Überspannungen und einer zweiten Teilschaltung (12) gegen positive Überspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste und die zweite Teilschaltung (10, 12) innerhalb des isolierten Einzelbereichs (26) befinden. ' .'
2. Halbleiterstruktur zum Schutz eines integrierten Schaltkreises gegen negative und positive Überspannungen mit einem Leiter zum Verbinden einer angrenzend an eine Oberfläche eines den einen Leitungstyp aufweisenden und auf einem halbleitenden Substrat des anderen Leitungstyps liegenden, halbleitenden Einzelbereichs (26)

gebildeten Anschlußstelle (14) mit dem zu schützenden Schaltkreis; mit einem ersten Paar von zwischen den Leiter und eine Referenzspannungsquelle (16) geschalteten Transistoren (Q₃ und Q₄) komplementär entgegengesetzten Leitungstyps als Teilschaltung (10) gegen negative Überspannungen; und mit einem zweiten Paar von zwischen den Leiter und die Referenzspännungsquelle (16) geschalteten Transistoren (Q₁ und Q₂) komplementär entgegengesetzten Leitungstyps als Teilschaltung (12) gegen positive Überspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Paar (Qq, Q_a) und das zweite Paar (Q₁, Qp) von Transistoren in dem halbleitenden Einzelbereich (26) des ersten Leitungstyps gebildet sind.
3. Schutzschaltung bzw. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilschaltung (10) bzw. das erste Paar von Transistoren (Q₃, Q₄) folgende Merkmale aufweisen:

einen ersten NPN-Transistor (Q₄) und einen ersten PNP-Transistor (Q₃) jeweils mit einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor;

eine Verbindung zwischen der Basis des ersten NPN-Transistors (Q₄) und dem Kollektor des ersten PNP-Transistors (Q₃);

eine Verbindung zwischen der Basis des ersten PNP-Transistors (Q₃) und dem Kollektor des ersten NPN-Transistors (Q₄);

eine Verbindung zwischen dem Emitter des ersten NPN-Transistors (Q₄) und dem Leiter; und

eine Verbindung zwischen dem Emitter des ersten PNP-Transistors (Q„) und der Referenzspannungsquelle (16).
4. Schutzschaltung bzw. Halbleiterstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Teilschaltung (12) bzw. das zweite Paar von Transistoren (Q-, Q₂) folgende Merkmale aufweist:

einen zweiten NPN-Transistor (Q₂) und einen zweiten PNP-Transistor (Q₁ ) jeweils mit einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor;

eine Verbindung zwischen der Basis des zweiten NPN-Transistors (Q₂), dem Kollektor des zweiten PNP-Transistors (Q₁) und der Referenzspannungsquelle (16);

eine Verbindung zwischen dem Kollektor des zweiten NPN-Transistors (Q₂), der Basis des ersten PNP-Transistors (Q^) und der Basis des zweiten PNP-Transistors (Q₁);
eine Verbindung zwischen dem Emitter des zweiten PNP-Transistors (Q₁) und dem Leiter; und

eine Verbindung zwischen dem Emitter des zweiten NPN-Transistors (Q₂) und der Referenzspannungsquelle (16).
5. Schutzschaltung bzw. Halbleiterstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Anschlußstelle (14) und den zu schützenden Schaltkreis ein Peilwiderstand (20) in Reihe mit dem Leiter geschaltet ist, daß der Emitter des ersten NPN-Transistors (Q₄) und der Emitter des zweiten PNP-Transistors (Q₁) mit dem mit der Anschlußstelle (14) verbundenen Pol des Peilwiderstandes (20) verbunden sind und daß die Basen der ersten sowie zweiten PNP-Transistoren (Q₃J Qi) ^und die Kollektoren der ersten sowie zweiten NPN-Transistoren (Q₄, Q₂) mit dem anderen PolMes Peilwiderstandes (20) verbunden sind.