DE69121860T2

DE69121860T2 - Überspannungen zwischen ausgewählten Grenzen begrenzende Schutzschaltung und deren monolitsche Integration

Info

Publication number: DE69121860T2
Application number: DE69121860T
Authority: DE
Inventors: Eric Bernier; Robert Pezzani
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1990-12-07
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: EP0490787A1; JPH05199655A; US5243488A; EP0490787B1; JPH04322468A; FR2670339B1; FR2670339A1; DE69121860D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schutzschaltungen gegen Leitungsüberspannungen, wie beispielsweise Telephonleitungen, und insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Schaltungen, die ermöglichen, unterschiedliche positive oder negative Überspannungsgrenzen- bzw. Schwellenwerte festzusetzen. Darüber hinaus sieht die Erfindung eine Schaltung vor, die mit einer Fehlerdetektierschaltung assoziiert werden kann.
Um diese Ziele zu erreichen, sieht die Erfindung eine Schaltung zum Schutz von Leitungen, wie beispielsweise Telephonleitungen, gegen positive oder negative Überspannungen mit jeweils ausgewählten Minimalwerten vor, wobei die Schaltung zwischen einem gemeinsamen Punkt einerseits und einem ersten Leiter, einem zweiten Leiter und Masse andererseits folgendes aufweist: erste, zweite und dritte Schutzbauteile, die jeweils eine beidseitig, parallel mit einem Thyristor verbundene Diode aufweisen, deren Anode mit dem gemeinsamen Punkt verbunden ist, und deren Gatter bzw. Gate ein Vorspannungs- bzw. Bias-Signal empfängt, wobei der erste und zweite Thyristor vom Kathoden-Gate-Typ ist und wobei der dritte Thyristor vom Anoden-Gate-Typ ist. Bei dieser Schaltung sind der erste und zweite Thyristor jeweils mit einem Transistor zum Verstärken des Gate-Stroms assoziiert, wobei der Emitter jedes Transistors mit dem Gate des entsprechenden Thyristors verbunden ist und wobei der Kollektor jedes Transistors mit einem zweiten gemeinsamen Punkt verbunden ist, welcher mit dem Gate des dritten Thyristors verbunden ist, wobei die gemeinsame Basis der Transistoren mit einem Bezugswert verbunden ist, der einem der Minimalwerte entspricht, woraus sich ergibt, daß im Fall einer Überspannung ein Massestrom fließt.
Darüber hinaus sieht die Erfindung eine monolithische Integration der Schaltung gemäß der Erfindung vor, die mit einem Siliziumsubstrat des N-Typs erreicht wird, dessen Rückseite dem gemeinsamen Punkt entspricht und dessen Vorderseite die verschiedenen Verbindungsmetallisierungen mit den Leitern, mit Masse und den Vorspannungen aufweist. Der Anoden-Gate-Thyristor weist von der Rückseite her eine P-Typ-dotierte Schicht, das dem Anoden-Gate entsprechende Substrat, eine Senke, bzw. einen Trog des P-Typs und auf der Vorderseite einen N-Typ-Bereich, der mit Emitterkurzschlüssen versehen ist, die mit einer Kathodenmetallisierung verbunden sind, auf. Jeder Kathoden-Gate-Thyristor weist von der Rückseite her einen P-Typ-Bereich, das Substrat, eine dem Kathoden-Gate entsprechende P-Typ-Senke und einen N-Typ-Bereich auf, der mit Emitterkurzschlüssen versehen ist, welche mit einer Kathodenmetallisierung überzogen sind. Jeder Gate- Verstärkungstransistor ist nahe bei dem Anoden-Gate- Thyristor ausgebildet und weist von der Vorderseite her eine seiner Basis entsprechende P-Typ-Senke auf, in der ein N+-Typ-Bereich ausgebildet ist, der seinem Emitter entspricht und durch eine Metallisierung mit der Gate- Senke des entsprechenden Kathoden-Gate-Thyristors, dem Kollektor des dem Substrat entsprechenden Transistors und daher mit dem Anoden-Gate-Bereich des Anoden-Gate- Thyristors verbunden ist. Die Rückseite des Substrats, die zu der Basis-Senke des betrachteten Transistors hinweist, besteht hauptsächlich aus einem P-Typ-Bereich.
Die genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele deutlich, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind, in denen:
Fig. 1 schematisch eine Leitungsschutzschaltung zeigt;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Leitungs schutzschaltung gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 3 eine beispielhafte monolithische Struktur in Ausführung der Schaltung von Fig. 3 zeigt; und
Fig. 4 einen Teil der Struktur von Fig. 3 in vergrößertem Maßstab zeigt.
Es sei bemerkt, daß die verschiedenen Zeichnungen nicht maßstabsgerecht sind, wie es bei der Darstellung integrierter Schaltungen üblich ist, und daß die Größen und Dicken der verschiedenen Schichten beliebig vermindert oder vergrößert sind, um die Lesbarkeit der Zeichnungen zu verbessern.
Fig. 1 zeigt eine Schutzschaltung, die für zwei Leiter A und B geeignet ist, und ermöglicht, positive Überspannungen, die bezüglich Masse höher sind als ein Wert V1 oder negative Überspannungen, die bezüglich Masse niedriger sind als ein Wert -V2, zu begrenzen bzw. abzuschneiden. Die Schaltung weist drei Thyristoren T1, T2, T3 auf, deren Anoden mit einem gemeinsamen Punkt C und deren Kathoden mit Masse M, dem ersten Leiter A bzw. dem zweiten Leiter B verbunden sind. Mit jedem Thyristor ist eine anti-parallel bzw. umgekehrt parallel geschaltete Diode D1 bzw. D2 bzw. D3 assoziiert. Der Thyristor T1 ist ein Anoden-Gate-Thyristor und die Thyristoren T2 und T3 sind Kathoden-Gate-Thyristoren. Das Gate des Thyristors T1 ist mit einem Steueranschluß G1 über eine Isolier- bzw. Trenndiode D4 verbunden. Der Anschluß G1 ist mit einer positiven Spannungsquelle V1 verbunden, deren Spannung etwas niedriger ist als die positive Spannung, die begrenzt bzw. gekappt werden soll. Die Gatter bzw. Gates der Thyristoren T1 und T3 sind mit einem Steueranschluß G2 über Isolier- bzw. Trenndioden D5 und D6 verbunden. Der Anschluß G2 ist mit einem Potential -V2 verbunden, wobei die Spannung V2 etwas niedriger ist als die negative Spannung, die begrenzt bzw. gekappt werden soll.
Der Betrieb der Schaltung ist wie folgt.
Eine positive Überspannung im Leiter A wird durch die Diode D2 und durch den Thyristor T1 fließen, der leitend ist aufgrund der Tatsache, daß das Potential am Punkt C höher ist als die Steuerspannung V1 am Gate G1.
In ähnlicher Weise wird eine positive Überspannung im Leiter B durch die Diode D3 und den Thyristor T1 fließen.
Eine negative Überspannung im Leiter A wird den Thyristor T2 leitend machen und wird durch den Thyristor und entweder durch die Diode D1 zu Masse oder durch die Diode D3 zu dem anderen Leiter hin fließen.
In ähnlicher Weise wird eine negative Überspannung im Leiter B durch den Thyristor T3 und durch die Diode D2 zum Leiter A oder durch die Diode D1 zu Masse hin fließen.
Somit wird im Fall einer negativen Überspannung bei der Schaltung von Fig. 1 ermöglicht, daß eine Überspannung entweder zu Masse oder zu dem anderen Leiter hin fließt. Die Überspannung wird vorzugsweise zu dem anderen Leiter hin fließen, wenn dieser auf einem höheren Potential ist als Masse. Dies ist ein Nachteil, weil es im allgemeinen erwünscht ist, daß die zur Beseitigung von Überspannungen konstruierten schaltungen detektieren, daß ein Problem bzw. eine Überspannung aufgetreten ist. Zu diesem Zweck wird ein Detektor 10 verwendet zur Anzeige, ob ein Strom von oder zu Masse geflossen ist. Im Fall, daß eine Überspannung von einem Leiter zu dem anderen übertragen wurde, wird der Detektor keinen Massestromfluß detektieren und es wird kein Problem angezeigt.
Um dieses Problem zu lösen sieht die Erfindung eine Schaltung wie in dem in Fig. 2 gezeigten Schaltplan vor. In diesem Schaltplan ist jeder Thyristor T2 und T3 mit einem Transistor TR2 bzw. TR3 assoziiert zum Verstärken des Gate-Stroms. Jeder Transistor ist mit seinem Emitter mit dem entsprechenden Thyristor-Kathoden-Gate und mit seiner Basis mit dem Steueranschluß G2 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren TR2 und TR3 sind mit einem gemeinsamen Punkt D verbunden, der mit dem Gate E des Anoden-Gate-Thyristors T1 verbunden ist. Wenn eine negative Überspannung im Leiter A auftritt, werden dann der Thyristor T2 und der Transistor TR2 leitend. Das Durchschalten des Transistors TR2 bewirkt wegen der Verbindung zwischen den Punkten D und E, daß ein Gate- Strom in den Thyristor T1 fließt und diesen durchschaltet. Somit wird ein vorbestimmter Strom durch die Diode D3 und den Thyristor T1 zu Masse fließen, und zwar zusätzlich zu dem Strom, der durch die Diode D3 und den Thyristor T2 fließt, um die Überspannung zu absorbieren. Somit wird der Detektor 10 das Auftreten einer Überspannung detektieren. Bei der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß die drei Thyristoren T1, T2 und T3 mit ihren Anoden verbunden waren, wobei der Thyristor T1 ein Anoden-Gate-Thyristor war und die Thyristoren T2 und T3 vom Kathoden-Gate-Typ waren. In ähnlicher Weise ist es in symmetrischer Weise möglich vorzusehen, daß die Thyristoren T2,T3 und T1 mit ihrer Kathode verbunden sind. In diesem Fall würde der Thyristor T1 durch einen Kathoden- Gate-Thyristor und die Thyristoren T2 und T3 durch Anoden-Gate-Thyristoren ersetzt werden.
Ein Vorteil der Schaltung von Fig. 2 gemäß der Erfindung liegt darin, daß zusätzlich zu der Tatsache, daß sie das Problem löst, das beim Detektieren von Fehlern bzw. Problemen in einem Leiter angetroffen wird, sie monolithisch integriert werden kann.
Eine vereinfachte Zeichnung einer solchen monolithischen Integration ist teilweise in Fig. 3 dargestellt, in der die Diode D4, der Thyristor T1, der Transistor TR2, der Thyristor T2 und die Diode D2 dargestellt sind. Die Fig. zeigt weder die mit dem Thyristor T1 assozuerte Diode D1 noch die mit dem Thyristor T2 assozuerte Diode D2 noch die Anordnung T3, D3, TR3 ähnlich der Anordnung T2, D2, TR2.
Das monolithische Bauteil von Fig. 3 ist aus einem N-Typ- Siliziumwafer 20 gebildet, der auf seiner Rückseite mit einer Metallisierung C überzogen ist.
Der Anoden-Gate-Thyristor T1 weist von der Unterseite her gesehen einen überdotierten P-Bereich 21, das Substrat 20, eine P-Senke 22, und eine N-Schicht 23 auf, die mit Emitterkurzschlüssen versehen ist und mit einer Metallisierung 24 überzogen ist, welche über einen (nicht gezeigten) Detektor 10 mit Masse verbunden ist. Die Metallisierung 24 überzieht auch einen (nicht gezeigten) Teil der Senke 22, die nicht von der Schicht 23 überzogen ist, welche die Anode der Diode Dl bildet. Der Anoden- Gate-Bereich des Thyristors T1 ist über einen überdotierten N-Typ-Bereich 25 mit einer Metallisierung 26 verbunden, die ihn mit einer P-Senke 27 verbindet, in die ein N-Bereich 28 diffundiert ist, wobei die Bereiche 27 und 28 die Diode D4 bilden. Eine Metallisierung 29, die den N-Bereich 28 überzieht, ist mit dem Anschluß G1 verbunden, der mit einer positiven Spannungsquelle +V1 verbunden werden soll.
Der Kathoden-Gate-Thyristor T2 weist von der Unterseite her gesehen einen P-Bereich 31, das N-Substrat 20, eine P-Senke 32 und einen N-Bereich 33 auf, der mit Emitterkurzschlüssen versehen ist und mit einer Anoden-Metallisierung 34 überzogen ist, die mit dem Leiter A verbunden ist.
Die Diode D2 ist zwischen der Metallisierung 34 und der Rückseitenmetallisierung C durch die P-Senke 32, das N- Substrat 20 und eine überdotierte N-Schicht 35 auf der Unterseite gebildet.
Eine Metallisierung 40 steht mit der P-Senkte 32 in Kontakt und entspricht dem Kathoden-Gate des Thyristors T2.
Der Transistor TR2 ist in der Mitte der Zeichnung gezeigt. Seine Basis entspricht einer P-Senke 41 und sein Emitter entspricht einer Schicht 42, die in der Senke 41 ausgebildet ist und durch die Metallisierung 40 mit dem Gate-Bereich des Thyristors T2 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors TR2 entspricht dem N-Substrat 20. Wie in größerer Einzelheit in Fig. 4 gezeigt ist, erstreckt sich die P-Diffundierung 21 der Anode des Thyristors T1 mindestens teilweise unter den N&spplus;-Emitterbereich 42 des Transistors TR2; somit kann man sagen, daß der Kollektor D des Transistors TR2 mit dem Anoden-Gate E des Thyristors T1 verbunden ist. Natürlich muß der Transistor TR2 in nächster Nähe zu dem Thyristor T1 angeordnet sein. Der Transistor TR3 (nicht gezeigt) ist in der gleichen Weise angeordnet.
Der Fachmann wird erkennen, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen bei der Implementierung der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung gemacht werden können. Beispielsweise zeigt die Fig. überdotierte N&spplus;- Bereiche, die zwischen den Senken angeordnet sind und als Begrenzungs- oder Stoppkanäle wirken. Andererseits wurden die überdotierten Bereiche nicht immer an der Kontaktstelle zwischen einer Metallisierung und der darunterliegenden Schicht dargestellt. Ein solcher überdotierter Bereich wird notwendig sein, wenn der mit der Metallisierung in Kontakt stehende Bereich nicht ausreichend dotiert ist.
Der Fachmann wird auch erkennen, daß ein Vorteil der Erfindung in der Tatsache liegt, daß keine Bereiche tiefer Diffundierung vorgesehen sind, die als elektrische Isolierung zwischen den elementaren Bauteilen bzw. Komponenten der Schaltung dienen.

Claims

1. Schaltung zum Schützen von Leitungen, wie beispielsweise Telephonleitungen, vor positiven oder negativen Überspannungen mit jeweiligen bestimmten Minimalwerten (+Vl und -V2), wobei die Schaltung zwischen einem gemeinsamen Punkt (C) einerseits und einem ersten Leiter (A), einem zweiten Leiter (B) und Masse (M) andererseits erste, zweite bzw. dritte Schutzbauteile bzw. -komponenten aufweist, die jeweils durch eine Diode (D1, D2, D3) gebildet werden, die anti-parallel bzw. umgekehrt parallel mit einem Thyristor (T1, T2, T3) verbunden ist, dessen Anode mit dem gemeinsamen Punkt verbunden ist und dessen Gatter bzw. Gate ein Polarisations- bzw. Vorspannungssignal empfängt, wobei der erste und der zweite Thyristor vom Kathoden-Gate-Typ sind und wobei der dritte Thyristor (T1) vom Anoden-Gate-Typ ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Thyristor jeweils mit einem Transistor (TR2, TR3) zur Verstärkung des Gate-Stroms assoziiert ist, wobei der Emitter jedes Transistors mit dem Gate des entsprechenden Thyristors verbunden ist und wobei der Kollektor jedes Transistors mit einem zweiten gemeinsamen Punkt (D) verbunden ist, welcher mit dem Gate des dritten Thyristors verbunden ist, wobei die gemeinsame Basis der Transistoren (TR2, TR3) mit einem Bezugswert bzw. einer Bezugsspannung verbunden ist, der bzw. die einem der Minimalwerte (+Vl und -V2) entspricht, wodurch im Fall einer Überspannung ein Massestrom fließt.

2. Schaltung zum Schützen von Leitungen, wie beispielsweise Telephonleitungen, vor positiven oder negativen Überspannungen mit jeweiligen bestimmten Minimalwerten (+Vl und -V2), wobei die Schaltung zwischen einem gemeinsamen Punkt (C) einerseits und einem ersten Leiter (A), einem zweiten Leiter (8) und Masse (M) andererseits erste, zweite bzw. dritte Schutzbauteile bzw. -komponenten aufweist, die jeweils durch eine Diode (D1, D2, D3) gebildet werden, die anti-parallel bzw. umgekehrt parallel mit einem Thyristor (T1, T2, T3) verbunden ist, dessen Kathode mit dem gemeinsamen Punkt verbunden ist und dessen Gatter bzw. Gate ein Polarisations- bzw. Vorspannungssignal empfängt, wobei der erste und der zweite Thyristor vom Anoden-Gate-Typ sind und wobei der dritte Thyristor (T1) vom Kathoden-Gate-Typ ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Thyristor jeweils mit einem Transistor (TR2, TR3) zur Verstärkung des Gate-Stroms assoziiert ist, wobei der Emitter jedes Transistors mit dem Gate des entsprechenden Thyristors verbunden ist und wobei der Kollektor jedes Transistors mit einem zweiten gemeinsamen Punkt (D) verbunden ist, welcher mit dem Gate des dritten Thyristors verbunden ist, wobei die gemeinsame Basis der Transistoren (TR2, TR3) mit einem Bezugswert bzw. einer Bezugsspannung verbunden ist, der bzw. die einem der Minimalwerte (+Vl und -V2) entspricht, wodurch im Fall einer Überspannung ein Massestrom fließt.

3. Schutzschaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis jedes Transistors und das Gate des dritten Thyristors mit jeweiligen Polarisations- bzw. Vorspannungen verbunden sind.

4. Monolithische Struktur, welche die Elemente der Schutzschaltung gemäß Anspruch 1 umfaßt und die aus einem N-Typ-Silizium-Substrat (20) erhalten wurde, dessen Rückseite dem gemeinsamen Punkt entspricht und dessen Vorderseite verschiedene Metallisierungen zur Verbindung mit den Leitern, der Masse und mit Polarisations- bzw. Vorspannungen aufweist, wobei der Anoden-Gate-Thysistor (T1) von der Rückseite her folgendes aufweist: eine P-Typ-überdotierte Schicht (21), das Substrat (20), das dem Anoden-Gate entspricht, eine P-Typ-Senke (22) und auf der Vorderseite einen N-Typ-Bereich (23), der von Emitterkurzschlüssen durchdrungen ist und mit einer Kathoden- Metallisierung (24) verbunden ist, wobei jeder Kathoden-Gate-Thyristor (T2, T3) von der Rückseite her folgendes aufweist: einen P-Typ-Bereich (31), das Substrat (20), eine P-Typ-Senke (32), die dem Kathoden-Gate entspricht, und einen N-Typ-Bereich (33), der mit Emitterkurzschlüssen versehen ist und mit einer Kathoden-Metallisierung (34) überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gate-Verstärkungs- Transistor (TR1, TR2) benachbart zu dem Anoden-Gate- Thyristor ausgebildet ist und von der Vorderseite her folgendes aufweist: eine P-Typ-Senke (41), die seiner Basis entspricht und in der ein N&spplus;-Typ-Bereich (42) ausgebildet ist, der seinem Emitter entspricht und durch eine Metallisierung (40) mit der Gate-Senke des entsprechenden Kathoden-Gate-Thyristors verbunden ist, wobei der Kollektor des entsprechenden Transistors dem Substrat und somit dem Anoden-Gate-Bereich des Anoden-Gate-Thyristors entspricht, wobei die Rückseite des Substrats gegenüber der Basis-Senke des betreffenden Transistors im wesentlichen einen P-Typ- Bereich (21) aufweist.