DE3615690C2 - Integriertes Schutzelement, insbesondere für Eingänge in MOS-Technologie von integrierten Schaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein integriertes Schutzelement, insbesondere für Eingänge in MOS-Technologie von integrierten Schaltungen, mit einem ersten Abschnitt zum Schutz gegen Spannungen oberhalb eines ersten Schwellenwertes und einem zweiten Abschnitt zum Schutz gegen Spannungen unterhalb eines zweiten Schwellenwertes.

Es ist bekannt, daß die Eingangsstufen integrierter Schaltungen in MOS-Technologie einen verhältnismäßig empfindlichen Aufbau haben, der gegen elektrostatische Aufladungen geschützt werden muß. Hierzu werden Schutzmaßnahmen ergriffen, die zum Beispiel eine Diode umfassen, die dann leitet, wenn die Eingangsspannung die Durchbruchsspannung der Diode erreicht, z. B. den Wert von 15 V. Solche Schutzdioden sind konstruktiv robust 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 noch ein Widerstand zum Schutz der Diode vorgesehen. Trotzdem kann eine hohe Störspannung mit einem sehr hohen Entladestrom bei einer gewissen Abklingzeit schon zu einem Schaden der Schaltung führen.

In Fig. 1 ist schematisch eine solche herkömmliche Schutzmaßnahme 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 den 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 entsprechend eines erwarteten begrenzten Eingangsspannungsbereiches benutzt wird; dieses System reicht jedoch nicht aus, wenn ein Schutz gegenüber einem größeren Spannungsbereich erforderlich ist. Solche Schaltungsanordnungen werden z. B. durch hohe Spannungen angesteuert, um z. B. den Null-Durchgang der Netzspannung festzustellen oder um das Vorhandensein der Netzspannung zu erkennen, oder um andere dem Eingang zugeführte, größere elektrische Signale zu überwachen, um hiermit nachgeschaltete Steuereinheiten anzusteuern. In einem solchen Fall kann also 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 dann unzulässige Zustände auftreten, die die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung teilweise beeinträchtigen bzw. stören.

Zum Beispiel bewirken hohe positive Potentiale, daß das Oxid der MOS-Gateelektronik zerstört wird, so daß die gesamte Eingangsstufe unbrauchbar wird, oder solche hohen positiven Potentiale führen zu einem Durchbruch der Schutzdiode, während negative Spannungen einen unerwünschten Strom in Vorwärtsrichtung durch die Diode verursachen. Bei der Zuführung einer Wechselspannung erreicht die positive Halbwelle einen Wert, bei dem die Schutzschaltung in Aktion tritt. Anschließend folgt ein Abfall der Spannung bis auf den niedrigeren Ansprechswert und die Spannung steigt anschließend mit einer Folge von Schwingungen um den niedrigeren Abschaltwert an. Dieser Wert liegt in der Nähe des logischen "Ein"-Wertes und verursacht somit Störungen, wenn die integrierte MOS-Schaltung für logische Operationen benutzt wird. Im Falle der negativen Halbwelle ergibt sich ein noch unerwünschterer Zustand. Sobald die Diode in Vorwärtsrichtung zu leiten beginnt, injiziert sie Elektronen in das Substrat der integrierten Schaltung und entlädt die aufgeladenen Verbindungspunkte (wenn z. B. vorgeladene Daten anliegen) innerhalb eines bestimmten Abstandes vom Eingang. Die Schaltungsanordnung arbeitet somit nicht mehr einwandfrei und die erzielten Resultate 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.

Aus der DE-AS 21 06 312 ist es außerdem bekannt, zwischen dem Eingangsanschluß der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors und Masse eine Schutzschaltung vorzusehen, die für die eine Polarität von Überspannungen aus einer Schutzdiode und für die andere Polarität aus zwei Längswiderständen und zwei Ableittransistoren besteht. Die Überspannung wird hierdurch in der einen oder anderen Richtung vom Eingangsanschluß nach Masse abgeleitet, ohne die Gate- Elektrode der zu schützenden Schaltung zu erreichen. Diese bekannte Schaltung ist mit Feldeffekttransistoren des Verarmungstypes ausgerüstet, die entsprechend ihrer Kennlinie einen leitenden Pfad zwischen Eingang und Masse darstellen, wenn die Gate-Elektroden spannungslos sind. Nur in diesem Zustand wird die zu schützende Schaltung geschützt. Soll jedoch die zu schützende Schaltung in Arbeitsstellung betrieben werden, so wird ihre Betriebsspannung über einen Betriebsspannungsanschluß zugeführt. Diese Betriebsspannung gelangt gleichzeitig an die Gate- Elektroden der Schutz-Transistoren, die hierdurch gesperrt werden, so daß der Kurzschluß im Eingangszweig aufgehoben und das Eingangssignal vom Eingangsanschluß an die Gate-Elektrode der zu schützenden Schaltung gelangt. Das bedeutet also, daß es sich bei dieser bekannten Schutzschaltung nicht um eine sog. dynamische Schutzschaltung handelt, sondern nur um eine solche, die im abgeschalteten Zustand der zu schützenden Schaltung in Aktion tritt und ein Aufladen des Eingangsanschlusses in der einen oder anderen Richtung auf zu hohe Spannungen verhindert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dynamisches Schutzelement zur Kombination mit einer bekannten Diodenschutzschaltung gegen elektrostatische Aufladungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorzuschlagen, das sowohl für logische Eingänge als auch für analoge Eingänge geeignet ist und im erlaubten Spannungsbereich als offene Schaltung arbeitet und dabei weder Strom zuführt noch verbraucht.

Das Schutzelement ist für die geschützte Schaltung völlig "transparent". Bei diesem dynamischen Schutzelement sind die Ansprechwerte beim Schaltungsentwurf leicht wählbar und einstellbar. Das Schutzelement kann dabei auch nur einen geringen Platzbedarf aufweisen und ist mit bereits vorliegenden Herstelltechnologien herstellbar.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der erste und der zweite Abschnitt parallel zueinander als Eingang des Schutzelementes zwischen einem zu schützenden Eingang der Schaltung und einem Betriebsspannungsanschluß angeordnet und elektrisch mit einem Referenzspannungsanschluß verbunden sind, daß der erste und der zweite Abschnitt Schaltmittel mit MOS-Transistoren aufweisen und so ausgebildet sind, daß sie wahlweise aufgrund der Eingangsspannung zwischen dem Eingang und dem Referenzspannungsanschluß einschalten, wenn diese den ersten Schwellenwert überschreitet oder den zweiten Schwellenwert unterschreitet, wobei der erste Schwellenwert im wesentlichen der Betriebsspannung am Betriebsspannungsanschluß entspricht, daß der erste Abschnitt so ausgebildet ist, daß er den vom Eingang aufgenommenen Strom in Richtung auf den Betriebsspannungsanschluß leitet, wenn die Eingangsspannung den ersten Schwellenwert 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 Schwellenwert unterschreitet, wobei der zweite Abschnitt einen Inverter mit einer Spannungsfolgestufe enthält.

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 eines erfindungsgemäßen Schutzelementes mit einer zu schützenden Schaltung; und

Fig. 3 ein dazugehöriges Schaltbild des erfindungsgemäßen Schutzelementes.

In Fig. 2 ist die Verbindung des vorgeschlagenen Schutzelementes mit einer zu schützenden, integrierten Schaltung 15 gezeigt. Das Schutzelement ist in Blockform mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet 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 Eingang 11 des Schutzelementes 10 ist mit dem Eingang 14 der integrierten Schaltung verbunden, und ein Betriebsspannungsanschluß 12 ist an einer Betriebsspannung V_CC angeschlossen. Ein weiterer Anschluß 13 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 Strom vom Eingang erhält.

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 sprechen bei verschiedenen Spannungen und verschiedenen Betriebsbedingungen an. Insbesondere interveniert der Abschnitt 19, wenn die Eingangsspannung die Betriebsspannung V_CC zuzüglich einer einstellbaren Spannung überschreitet; in diesem Fall absorbiert der Abschnitt 19 über den Eingang 11 einen Strom von der Leitung 14. Der Abschnitt 20 spricht an, wenn die Eingangsspannung unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes fällt, wodurch ein Strom vom Betriebsspannungsanschluß 12 über den Eingang 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 eingangs beschriebenen, negativen Konsequenzen mit sich brächte.

Der Abschnitt 19 besteht genauer aus einem MOS-Transistor 21 vom Anreicherungs-Typ, der als Diode geschaltet ist. Die Gateelektrode und die Drainelektrode des Transistors 21 sind miteinander 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_CC verbunden.

Der Abschnitt 20 besteht aus zwei MOS-Transistoren 22 und 23 vom Verarmungs-Typ und bildet einen Inverter. Mit dem Ausgang dieses Inverters ist ein MOS-Transistor 24 vom Anreicherungs-Typ verbunden, dessen Sourceelektrode an den Invertereingang angeschlossen ist, um somit eine Source- Folgeschaltung bzw. Spannungsfolgestufe zu bilden. Die Drainelektrode des Transistors 22 ist an den Betriebsspannungsanschluß V_CC 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 Anreicherungs- Transistor 24 ist mit seiner Drainelektrode an die Betriebsspannung V_CC angeschlossen, während die Sourceelektrode mit der Eingangsstufe der zu schützenden Schaltung über 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 Schwellenwerte bzw. Einschaltwerte der Abschnitte 19 und 20 definiert ist, so wird das Schutzelement durch die zu schützende Schaltung nicht "wahrgenommen". Da die Spannung V_GS des Transistors 21 negativ ist bzw. unter dem Schwellenwert liegt, ist der Transistor 21 gesperrt und nimmt keinen Strom auf. Das gleiche gilt für den Abschnitt 20, weil der Transistor 24 eine Spannung V_GS hat, die negativ ist oder unterhalb dem Einschaltwert liegt, so daß dieser Transistor gesperrt ist und die Gateelektrode des Transistors 23 keinen Strom aufnimmt. Steigt die Eingangsspannung jedoch über den oberen Schwellenwert an, der durch die Betriebsspannung V_CC zuzüglich der Einschaltspannung des Transistors 21 definiert wird, so erhält der Transistor 21 eine positive Spannung V_GS und wird somit leitend, so daß ein Strom von der Leitung 11 zum Betriebsspannungsanschluß 12 der Betriebsspannung V_CC 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 Schwellenwert, 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 bildet einen Stromweg von der Betriebsspannung V_CC über die Eingangsleitung 11 zur Leitung 14. Dies bedeutet also, daß dann, wenn die Eingangsspannung unter den unteren Schwellenwert fällt, die Eingangsschwankungen durch die Störung im Inverter 22, 23 invertiert wird, so daß die Gatespannung des Transistors 24 ansteigt, was wiederum ein Ansteigen des Stroms durch den Transistor (um das Quadrat der Änderung der Spannung V_GS) zur Folge hat. Dies wirkt einem Spannungsanstieg am Eingang entgegen. Der Strom steigt um den quadratischen Wert der Spannung V_GS an, weil der Inverter 22, 23 die Eingangsschwankung 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 Schwellenspannungen 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 Implantationsdosis bzw. des Implantationsgrades der Transistoren 21, 22 und 23 eingestellt werden, um das Schutzelement dem gewünschten Anwendungszweck anzupassen.

Damit wird ein integriertes dynamisches Schutzelement geschaffen, das beim Entwurf so bemessen werden kann, daß es innerhalb des normalen Betriebsspannungsbereiches die Schaltung schützt, wobei das Schutzelement keine Belastung darstellt, da es weder Strom von der Eingangsstufe der zu schützenden Schaltung noch von "außen" (Anschluß 2) aufnimmt. Sobald die Eingangsspannung jedoch den oberen Schwellenwert überschreitet, so schaltet der Abschnitt 19 ein und zieht über die Leitung 11 einen Strom in Richtung des Betriebsspannungsanschlusses 12, wodurch ein Ansprechen des Schutzes gegen elektrostatische Entladungen während des normalen Betriebszustandes zwar verhindert wird, jedoch elektrostatische Entladungen die die integrierte Schaltung negativ beeinflussen würden, zuverlässig abgeleitet werden. Fällt die Eingangsspannung dagegen unterhalb des unteren Schwellenwertes ab, so schaltet der Abschnitt 20 ein und zieht Strom vom Betriebsspannungsanschluß in Richtung der Eingangsleitung 11 und der Leitung 14, wodurch ein weiteres Absinken der Eingangsspannung und ein Leitendwerden der Diode 4 mit einer Injektion von störenden Elektronen verhindert wird, wie es mit der konventionellen Schutzschaltung ohne das dynamische Schutzelement nicht möglich war.

Das dynamische Schutzelement ist wie gesagt sehr zuverlässig und die Ansprech-Schwellenwerte sind einstellbar. Die Herstellkosten und die für das Schutzelement notwendige Fläche sind niedrig. Das Schutzelement weist verhältnismäßig schnelle Ansprechzeiten auf, die völlig ausreichen, um irgendwelche Fehlfunktionen zu vermeiden.

Claims (5)

1. Integriertes Schutzelement, insbesondere für Eingänge in MOS-Technologie von integrierten Schaltungen, mit einem ersten Abschnitt (19) zum Schutz gegen Spannungen oberhalb eines ersten Schwellenwertes und einem zweiten Abschnitt (20) zum Schutz gegen Spannungen unterhalb eines zweiten Schwellenwertes;
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste und der zweite Abschnitt (19, 20) parallel zueinander als Eingang 11 des Schutzelementes zwischen einem zu schützenden Eingang (14) der Schaltung (15) und einem Betriebsspannungsanschluß (12) angeordnet und elektrisch mit einem Referenzspannungsanschluß (16) verbunden sind;
daß der erste und der zweite Abschnitt (19, 20) Schaltmittel mit MOS-Transistoren (21-24) aufweisen und so ausgebildet sind, daß sie wahlweise aufgrund der Eingangsspannung zwischen dem Eingang (14) und dem Referenzspannungsanschluß (16) einschalten, wenn diese den ersten Schwellenwert überschreitet oder den zweiten Schwellenwert unterschreitet, wobei der erste Schwellenwert im wesentlichen der Betriebsspannung (V_cc) am Betriebsspannungsanschluß (12) entspricht;
daß der erste Abschnitt (19) so ausgebildet ist, daß er den vom Eingang (14) aufgenommenen Strom in Richtung auf den Betriebsspannungsanschluß (12) leitet, wenn die Eingangsspannung den ersten Schwellenwert überschreitet; und daß der zweite Abschnitt (20) so ausgebildet ist, daß er den vom Betriebsspannungsanschluß (12) aufgenommen Strom in Richtung auf den Eingang (14) leitet, wenn die Eingangsspannung den zweiten Schwellenwert unterschreitet, wobei der zweite Abschnitt (20) einen Inverter (22, 23) mit einer Spannungsfolgestufe (24) enthält.

2. Schutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (19) einen als Diode geschalteten MOS-Transistor (21) enthält.

3. Schutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Inverter (22, 23) aus zwei Verarmungs-MOS-Transistoren besteht, deren Implantationsgrad entsprechend dem gewünschten Wert der unteren Schwellenspannung eingestellt ist.

4. Schutzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten MOS-Transistor (21), dessen Gateelektrode und Drainelektrode miteinander verbunden und an den Eingang (11) des Schutzelementes angeschlossen sind, und dessen Sourceelektrode mit dem Betriebsspannungsanschluß (12) verbunden ist;
einen zweiten MOS-Transistor (22), dessen Drainelektrode mit dem Betriebsspannungsanschluß (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 des Schutzelementes (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 des Schutzelementes (11) und dessen Gateelektrode mit dem Verbindungspunkt zwischen den Gate- und Sourceelektroden des zweiten MOS-Transistors (22) und der Drainelektrode des dritten MOS-Transistors (23) verbunden ist.

5. Schutzelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der vierte MOS-Transistor (21, 24) vom Anreicherungs-Typ und der zweite und der dritte MOS-Transistor (22, 23) vom Verarmungs-Typ sind.