DE3615690A1

DE3615690A1 - Integriertes, dynamisches schutzelement, insbesondere fuer eingaenge in mos-technologie von integrierten schaltungen

Info

Publication number: DE3615690A1
Application number: DE19863615690
Authority: DE
Inventors: Roberto Ancona Finaurini
Original assignee: SGS Microelettronica SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1985-05-13
Filing date: 1986-05-09
Publication date: 1986-11-13
Anticipated expiration: 2006-05-10
Also published as: JPH0746726B2; GB2175163A; FR2581808B1; IT8520670A0; GB2175163B; JPS61264749A; GB8611213D0; FR2581808A1; US4698720A; DE3615690C2; IT1214606B

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein integriertes, dynamisches Schutzelement, insbesondere für Eingänge in MOS-Technologie von integrierten Schaltungen.

Es ist bekannt, daß die Eingangsstufen einiger integrierter Schaltungen in MOS-Technologie einen verhältnismäßig empfindlichen Aufbau haben, der gegen elektrostatische Aufladungen geschützt werden muß. Hierzu werden Schutzmaßnahmen ergriffen, die zum Beispiel mit einer Diode aufgebaut sind, die dann in Aktion tritt, wenn die Eingangsspannung die Durchbruchsspannung der Diode erreicht, z.B. den Wert von 15V. Solche Dioden sind konstruktiv einigermaßen leistungsfähig aufgebaut und in der Lage, die Gateelektrode und auch die diffundierten Zonen des MOS-Transistors der Eingangsstufe der integrierten Schaltung zu schützen. Darüber hinaus ist am Eingang meistens ein Widerstand zum Schutz der Diode selbst eingefügt. Tatsächlich kann jedoch eine hohe Ladespannung mit einem sehr hohen Entladestrom bei einer gewissen Abklingzeit schon zu einem Schaden der Schaltung führen.

In Fig. 1 ist schematisch ein solcher Anwendungsfall mit einer integrierten Schaltung 3 gezeigt. Ein Eingang 2, dem z.B. Netzspannung zugeführt wird, wird durch einen äußeren Widerstand 1 geschützt, der zwischen einem der Eingänge 2 und dem Eingang der integrierten Schaltung 3 angeordnet ist. Fig. 1a zeigt den Eingang einer integrierten

Schaltung mit einer MOS-Eingangsstufe, bei der ein Schutz durch eine Diode 4 und den Widerstand 1 vorgenommen wird. Hier wird die Eingangsstufe schematisch durch einen MOS-Transistor 5 dargestellt, dessen Gateelektrode das Eingangssignal über einen Schutzwiderstand 1 zugeführt wird, wobei die Gateelektrode gleichzeitig durch eine Diode 4 geschützt wird.

Dieses bekannte Schutzsystem arbeitet einwandfrei, wenn es für den typischen Verwendungszweck eines erwarteten Eingangsspannungsbereiches benutzt wird; dieses System reicht jedoch nicht aus, wenn ein Schutz gegenüber einem größeren Spannungsbereich als vorgesehen erforderlich ist. Solche Schaltungsanordnungen werden z.B. durch hohe Spannungen angesteuert, um z.B. den Null-Durchgang festzustellen oder um das Vorhandensein einer Netzspannung zu erkennen, oder um andere dem Eingang zugeführte, elektrische Signale zu überwachen, um hiermit nachgeschaltete Steuereinheiten anzusteuern. In einem solchen Fall kann dem Eingang eine wesentlich höhere Spannung als der typische logische Eins-Pegel über einen Vorwiderstand zugeführt werden, in einigen Fällen bis zu einigen zehn oder hundert Volt. In solchen Fällen können jedoch unregelmäßige Zustände auftreten, die die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung teilweise verhindern oder zumindest stören.

Zum Beispiel bewirken hohe positive Potentiale, daß das Oxyd der MOS-Gateelektrode zerstört wird, so daß die gesamte Eingangsstufe unbrauchbar wird, oder solche hohen

postiven Potentiale führen zu einem Durchbruch der Schutzdiode, während negative Spannungen einen Vorstrom in Vorwärtsrichtung durch die Diode verursachen. Bei der Zuführung einer Wechselsspannung erreicht die positive Halbwelle einen Wert, bei dem die Schutzschaltung in Aktion tritt. Anschließend folgt ein scharfer Abfall der Spannung bis auf den niedrigeren Interventionswert und steigt anschließend mit einer Folge von Schwingungen um den niedrigeren Abschaltwert an. Dieser Wert liegt in der Nähe des hohen logischen Wertes und verursacht somit Störungen, wenn die integrierte MOS-Schaltung für logische Operationen benutzt wird. Im Falle der negativen Halbwelle ergibt sich ein noch gefährlicheres Verhalten. Sobald die Diode in Vorwärtsrichtung zu leiten beginnt, injiziert sie Elektronen in das Substrat und entlädt die schwebenden Verbindungspunkte (wenn z.B. vorgeladene Daten anliegen) innerhalb eines bestimmten Abstandes vom Eingang. Die Schaltungsanordnung arbeitet somit nicht mehr einwandfrei und die erzielten Resulte sind unzuverlässig. Dieser Effekt tritt noch deutlicher auf bei weniger hohen Frequenzen und sobald die Anzahl der mit der Eingangsstufe verbundenen MOS-Strukturen der integrierten Schaltung ansteigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dynamisches Schutzelement zur Kombination mit einer bekannten Diodenschutzschaltung gegen elektrostatische Aufladungen vorzuschlagen, das zuverlässig arbeitet und

die vorstehend angegebenen Störungen vermeidet. Es soll insbesondere ein integriertes, dynamisches Schutzelement vorgeschlagen werden, das sowohl für logische Eingänge als auch für analoge Eingänge geeignet ist und das im erlaubten Spannungsbereich als offene Schaltung arbeitet und dabei weder Strom zuführt noch verbraucht, d.h. also, daß das Schutzelement für die geschützte Schaltung völlig "transparent" ist. Bei diesem dynamischen Schutzelement sollen die Interventionswerte beim Schaltungsentwurf leicht wählbar und einstellbar sein. Dieses Schutzelement soll dabei nur einen geringen Platzbedarf aufweisen und mit bereits vorliegenden Herstelltechnologien herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster Abschnitt zum Schutz gegen Spannungen oberhalb eines ersten einstellbaren Schwellwertes und ein zweiter Abschnitt zum Schutz gegen Spannungen unterhalb eines zweiten einstellbaren Schwellwertes vorgesehen sind; daß der erste und der zweite Abschnitt in MOS-Technologie ausgeführt und zwischen der zu schützenden Eingangsstufe ' der Schaltung und einem Betriebsspannungsanschluß angeordnet sind, welche Abschnitte innerhalb des durch die Schwellwerte gegebenen Bereiches im wesentlichen als gesperrte Dioden wirken und wahlweise leitend werden, wenn die Eingangsspannung den ersten Schwellwert überschreitet oder den zweiten Schwellwert unterschreitet; daß der erste Abschnitt so ausgebildet, daß er den vom Eingang

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aufgenommenen Strom in Richtung auf den Betriebsspannungsanschluß leitet, wenn die Eingangsspannung den ersten Schwellwert überschreitet; und daß der zweite Abschnitt so ausgebildet ist, daß er den vom Betriebsspannungsanschluß aufgenommenen Strom in Richtung auf den Eingang leitet, wenn die Eingangsspannung den zweiten Schwellwert unterschreitet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

!\ Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 + 1a vereinfachte Schaltbilder von bekannten

Schutzschaltungen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verbindung

des erfindungsgemäßen Schutzelementes mit einer zu schützenden Schaltung; und

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild des erfindungsgemäßen Schutzelementes.

Kachfolgend sollen nur die Fig. 2 und 3 beschrieben werden, da die Figuren 1 und 1a bereits vorstehend erläutert wurden.

In Fig. 2 ist die Verbindung des erfindungsgemäßen Schutzelementes mit einer zu schützenden, integrierten Schaltung 15 gezeigt. Das Schutzelement ist in Blockform unter dem Bezugszeichen 10 gezeigt und ist einem bekannten Schutzelement für elektrostatische Aufladungen parallel geschaltet, das aus einem Widerstand 1 und einer Diode 4 besteht, die den Eingangsanschlüssen 2 parallel geschaltet sind. Ein Eingangsanschluß 11 des Schutzelementes 10 ist mit dem Eingang 14 der integrierten Schaltung verbunden, und ein Betriebsspannungsanschluß 12 ist an einer Betriebsspannung V_nn angeschlossen. Eine weitere Leitung des Schutzelementes 10 ist mit einer Leitung 16 verbunden, die zu der zu schützenden Schaltung 15 führt. Diese Leitung 13 ist nur gestrichelt gezeichnet, da sie nur als Referenzleitung dient und keinen in den Einganj fließenden Strom absorbiert.

Nachfolgend soll die Schaltung des dynamischen Schutzelementes 10 anhand der Fig. 3 beschrieben werden. Das Schutzelement 10 besteht im wesentlichen aus zwei Abschnitten 19 und 20. Diese Abschnitte arbeiten als Schaltelemente und intervenieren bei verschiedenen Spannungen und verschiedenen Arbeitsbedingungen. Insbesondere interveniert der Abschnitt 19, wenn die Eingangsspannung die Betriebsspannung V_nn zuzüglich einer einstellbaren Spannung überschreitet; in diesem Fall absorbiert der Abschnitt über die Leitung 11 einen Strom von der Leitung 14. Der Abschnitt 20 interveniert, wenn die Eingangsspannung unterhalb

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eines bestimmten Schwellwertes fällt, wodurch ein Strom vom Betriebsspannungsanschluß 12 über die Leitung 11 zur Leitung 14 fließt. Auf diese Weise sind beide Abschnitte 19 und 20 wirksam; der erste absorbiert Strom vom Eingang der zu schützenden Schaltung, während der letztere Strom vom Betriebsspannungsanschluß absorbiert, um auf diese Weise zu verhindern, daß die Eingangsspannung der zu schützenden Schaltung über die gesetzten Grenzen ansteigt oder unterhalb diese abfällt, was die am Anfang beschriebenen, negativen Konsequenzen mit sich brächte.

Der Abschnitt 19 besteht im Detail aus einem MOS-Transistor 21 der Enhancement-Type, der als Diode geschaltet ist. Die Gateelektrode und die Drainelektrode des Transistors

21 sind miteinander verbunden und mit dem Eingang der Schaltung verbunden, der durch die Leitung 11 gebildet wird. Die Sourceelektrode ist über eine Leitung 12 mit der Betriebsspannung V_nn verbunden.

Der Abschnitt 20 besteht aus zwei MOS-Transistoren 22 und der Depletion-Type und bildet einen Inverter. Mit dem Ausgang dieses Inverters ist ein MOS-Transistor 24 der Enhancement-Type verbunden, dessen Sourceelektrode an den Invertereingang angeschlossen ist, um somit eine Source-Folgeschaltung zu bilden. Die Drainelektrode des Transistors

22 ist an den Betriebsspannungsanschluß V_rr, angeschlossen, während die Gateelektrode und die Sourceelektrode miteinander

verbunden und an die Drainelektrode des Transistors 23 sowie die Gateelektrode des Transistors 24 angeschlossen sind. Die Gateelektrode des Transistors 23 ist mit der Eingangsleitung 11 verbunden, während die Sourceelektrode über die Leitung 13 mit Masse verbunden ist. Der Enhancement-Transistor 24 ist mit seiner Drainelektrode an die Betriebsspannung V_rr, angeschlossen, während die Sourceelektrode mit der Eingangsstufe der zu schützenden Schaltung .üöer die Leitung 11 verbunden ist.

Nachfolgend soll die Funktion des erfindungsgemäßen Schutzelementes beschrieben werden.

Liegt die Eingangsspannung zwischen den Leitungen 14 und 16 (siehe Fig. 2) innerhalb des Spannungsbereiches, der durch die Schwellwerte bzw. Einschaltwerte der Abschnitte 19 und 20 definiert ist, so wird das Schutzelement durch die zu schützende Schaltung nicht wahrgenommen. Da die Spannung ν_,_ο des Transistors 21 negativ ist bzw. unter dem Schwellwert liegt, ist der Transistor 21 gesperrt und absorbiert keinen Strom. Das gleiche gilt für den Abschnitt 20, weil der Transistor 24 eine Spannung V _ hat, die negativ ist oder unterhalb dem Einschaltwert liegt, so daß dieser Transistor gesperrt ist und die Gateelektrode des Transistors 23 keinen Strom, absorbiert. Steigt die Eingangsspannung jedoch über den oberen Schwellwert an, der durch die Betriebsspannung V^_n zuzüglich der Einschaltspannung des Tn nsistors 21 definiert wird, so erhält der Transistor 21 eine postive Spannung V„_c und wird somit leitend, so daß ein Strom von der Leitung 11 zum

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Betriebsspannungsanschluß 12 der Betriebsspannung V_nn fließt. Währenddessen bleibt der Transistor 24 jedoch im gesperrten Zustand.

Fällt die Spannung am Eingang zwischen den Leitungen 14 und 16 jedoch unter den unteren Schwellwert, so schaltet der durch die Transistoren 22 und 23 gebildete Inverter um, so daß die Gatespannung des Transistors 24 ansteigt. Somit wird der Transistor 24 leitend und verursacht einen Strom von der Betriebsspannung V"_cc über die Eingangsleitung 11 zur Leitung 14. Dies bedeutet also, daß dann, wenn die Eingangsspannung unter den unteren Schwellwert fällt, die Eingangsschwankung im Inverter 22, 23 invertiert wird, so daß die Gatespannung des Transistors 24 ansteigtf ,was wiederum ein Ansteigen des Stroms durch den Transistor um das Quadrat der Variation der Spannung ν~_ς zur Folge hat. Dies läuft einem Spannungsanstieg am Eingang entgegen. Der Strom steigt um den quadratischen Wert der Spannung Vg an, weil der Inverter ■ 22, 23 die Eingangsvariation entsprechend dem Produkt der Verstärkungsfaktoren verstärkt.

Es wird außerdem bemerkt, daß die Einschaltspannungen des Schutzelementes während des Entwurfs z.B. dadurch variiert werden können, daß die Schwellwertspannungen des Transistors 21 und auch die untere Schwellspannung (definiert durch die Umschaltspannung des Inverters 22, 23) von der Technologie bei der Herstellung der Transistoren abhängt. Insbesondere können diese Werte durch entsprechende Auswahl der Implanta-

tionsdosis der Transistoren 21, 22 und 23 eingestellt werden, um das Schutzelement dem gewünschten Anwendungszweck anzupassen.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, erfüllt die vorliegende Erfindung die gestellte Aufgabe. Es wird ein integriertes Schutzelement geschaffen, das beim Entwurf so bemessen werden kann, daß es innerhalb des normalen Betriebsspannungsbereiches der Schaltung geschützt v/erden kann, wobei das Schutzelement keine Belastung darstellt, da es weder Strom von der Eingangsstufe der zu schützenden Schaltung noch von außen (Anschluß 2) absorbiert. Sobald die Eingangsspannung jedoch den oberen Schwellwert überschreitet, so schaltet der Abschnitt 19 ein und zieht über die Leitung 11 einen Strom in Richtung des Betriebsspannungsanschlusses 12, wodurch eine Intervention des bekannten Schutzes gegen elektrostatische Entladungen während des normalen Betriebszustandes verhindert wird, welche elektrostatischen Entladungen sonst die integrierte Schaltung negativ beeinflussen würden. Fällt die Eingangsspannung dagegen unterhalb des unteren Schwellwertes ab, so schaltet der Abschnitt 20 ein und zieht Strom vom Betriebsspannungsanschluß in Richtung der Eingangsleitung 11 und der Leitung 14, wodxirch eine weitere Reduktion der Eingangsspannung und eine Intervention der Diode 4 mit einer Injektion von störenden Elektronen verhindert wird, wie es mit der 3<onve.ntionellen Schutzschaltung ohne das erfindungsgemäBe Schutzelement ni.cht möglich war.

Das erfindungsgemäße Schutzelement ist sehr zuverlässig und die Intervention-Schwellwerte sind einstellbar. Die Herstellkosten und die für das erfindungsgeinäße Schutzelement notwendige Fläche sind niedrig. Das erfindungsgemäße Schutzelement weist verhältnismäßig schnelle Ansprechzeiten auf, die völlig ausreichen, um irgendwelche Fehlfunktionen zu vermeiden.

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Claims

Strada Primosole 50, Catania, Italien Integriertes, dynamisches Schutzelement, insbesondere für Eingänge in MOS-Technologie von integrierten Schaltungen PATENTANSPRÜCHE

1."Integriertes, dynamisches Schutzelement, insbesondere für Eingänge in MOS-Technologie von integrierten Schaltungen,

dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Abschnitt (19) zum Schutz gegen Spannungen oberhalb eines ersten Schwellwertes und ein zweiter Abschnitt (20) z\im Schutz gegen Spannungen unterhalb eines zweiten Schwe]!wertes vorgesehen sind;

daß der erste und der zweite Abschnitt parallel zueinander zwischen einem zu schützenden Eingang (14) der Schaltung (15) und einem Betriebsspannungsanschluß (12) angeordnet und elektrisch mit einem Referenzspannungsanschluß (16)

JB/iml

Martinistraße 24 Telefon Telecopierer Telex Datex-P

D-2800 Bremen 1 0421-328037 0421-326834 244020fepatd 44421040311

verbunden sind;

daß der erste und zweite Abschnitt Schaltmittel mit MOS-Transistoren (21 - 24) aufweisen und so ausgebildet sind, daß sie wahlweise aufgrund der Eingangsspannung zwischen dem Eingang und dem Referenzspannungsanschluß einschalten, wenn diese den ersten Schwellwert überschreitet oder den zweiten Schwellwert unterschreitet;

daß der erste Abschnitt (19) so ausgebildet ist, daß er den vom Eingang (11) aufgenommenen Strom in Richtung auf den Betriebsspannungsanschluß (12) leitet, wenn die Eingangsspannung den ersten Schwellwert überschreitet; und daß der zweite Abschnitt (20) so ausgebildet ist, daß er den vom Betriebsspannungsanschluß (12) aufgenommenen Strom in Richtung auf den Eingang (11) leitet, wenn die Eingangsspannung den zweiten Schwellwert unterschreitet.

2. Schutzelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (19) einen als Diode geschalteten MOS-Transistor (21) und der zweite Abschnitt (20) einen MOS-Inverter (22, 23) mit einem MOS-Transistor (24) zur Bildung einer Spannungsfolgestufe enthält.

3. Schutzelement nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Inverter (22, 23) aus zwei MOS-Transistoren der Depletion-Type besteht, deren Implantationspegel entsprechend dem gewünschten

Wert der unteren Schwellenspannung eingestellt ist.

4. Schutzelement nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch

einen ersten MOS-Transistor (21), dessen Gateelektrode und Drainelektrode miteinander verbunden und an den Eingang (11) angeschlossen sind, und dessen Souceelektrode mit dem Betriebsspannungsanschluß verbunden ist;

einen zweiten MOS-Transistor (22), dessen Drainelektrode mit dem Betriebsspannungsabschluß (12) verbunden ist, und dessen Gateelektrode und Sourceelektrode miteinander verbunden sind;

einen dritten MOS-Transistor (23), dessen Drainelektrode mit der Gateelektrode und der Sourceelektrode des zweiten MOS-Transistors (22) verbunden ist, dessen Gateelektrode mit dem Eingang (11) und dessen Sourceelektrode mit dem Referenzspannungsanschluß (16) verbunden ist; und einen vierten MOS-Transistor (24) als Speichertransistor, dessen Drainelektrode mit dem Betriebsspannungsanschluß (12), dessen Sourceelektrode mit dem Eingang (11) und dessen Gateelektrode mit dem Verbindungspunkt zwischen den Gate- und Sourceelektroden des zweiten MOS-Transistors und der Drainelektrode des dritten MOS-Transistors verbunden ist.

5. Schutzelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der vierte MOS-Transistor (21, 24) Enhancement-Typen und der zweite und der dritte MOS-Transistor (22, 23) Depletion-Typen sind.