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Die Erfindung betrifft integrierte Schaltungen und deren Schutz gemäß einem
gemeinsamen Prinzip gegen elektrostatische Entladungen, andauernde Überbeanspruchungen wie
beispielsweise Polaritätsumkehr bzw. Verpolung oder Überspannungen, und
Sekundärvorgänge wie beispielsweise Verriegelungsvorgänge zugleich.
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Die Erfindung erlaubt, integrierte Schaltungen in einem weiten Bereich gegen bewußt
böswillige oder betrügerische Zerstörungen als auch gegen ungewollte Zerstörungen
durch statische Elektrizität, Blitzschlag, magnetische Gewitter oder durch falsche
Handhabung oder menschliche Fehler (Verpolung, Überspannung) zu schützen.
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Nun führt die allgemeine Verwendung integrierter Schaltungen zu neuen Problemen, im
Bereich des Münzwesens insbesondere in Zusammenhang mit Bankkarten, die einen
einzigen Mikroschaltkreis für die gesamte Elektronik verwenden. Infolgedessen ist keine
elektronische Umgebung mehr vorhanden, welche einen externen Schutz der integrierten
Schaltung ermöglichen könnte. So können beispielsweise diskrete Schutzkomponenten,
z.B. Dioden mit spezieller Spitzenwertbegrenzung und nichtlineare Widerstände, die als
Schutz gegen andauernde Überbeanspruchungen eingesetzt werden, nicht länger
verwendet werden.
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Aus denselben Gründen sowie auch dadurch, daß neue Technologien zu immer
empfindlicheren Schaltkreisen führen, ist es darüber hinaus zweckmäßig, sämtliche Vorgänge mit
zerstörerischer Wirkung zu erfassen und die gesamte integrierte Schaltung zu schützen
und nicht länger nur bestimmte Eingänge oder Ausgänge gegen bestimmte Vorgänge mit
zerstörerischer Wirkung. Es ist infolgedessen notwendig, die integrierte Schaltung durch
eine integrierte Schutzstruktur gegen elektrostatische Entladungen sowie gegen
andauernde Überspannungen, Verpolungen eingeschlossen, zugleich vollständig
"selbstschützend" zu machen.
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Üblicherweise wird mit einer bestimmten Art von Anschluß- oder Verbindungsbeinchen
versucht, dem sich für einen speziellen Vorgang ergebenden Problem zu begegnen und
dieses zu lösen. Beispielsweise wird so in dem Patent FR 2681193 desselben Erfinders
eine Spannungsfolger-Vorrichtung zwischen dem Drain-Anschluß und dem Gate-
Anschluß eines Transistors mit offenem Drain-Ausgang als Vorrichtung zum Schutz
gegen elektrostatische Entladungen, welche das Gateoxid in der Drainzone beeinträchtigen,
angeordnet. Das Patent US 4,922,371 beschreibt eine andere Schaltung zum Schutz
gegen elektrostatische Entladungen für integrierte Schaltungen.
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Erfindungsgemäß wird eine Schutzstrategie vorgeschlagen, welche gleichzeitig auf alle
Vorgänge mit zerstörerischer Wirkung anwendbar ist. Die ursprüngliche Lösung gemäß
der Erfindung besteht im Modifizieren der Strom-Spannungs-Eingangskennlinie jedes der
Verbindungsbeinchen der integrierten Schaltung bezüglich eines gemeinsamen, im Innern
der integrierten Schaltung liegenden elektrischen Knotens. Vorteilhaft ist der interne
elektrische Knoten der elektrische Knoten des Halbleitersubstrats der integrierten
Schaltung. Während das Halbleitersubstrat üblicherweise an einem Verbindungsbeinchen mit
einer externen Bezugsspannung kurzgeschlossen wird, wie z.B. ein üblicherweise zu der
Masse Vss hin polarisiertes Substrat P, wird erfindungsgemäß das Halbleitersubstrat von
diesem Verbindungsbeinchen isoliert und intern polarisiert. Diese ursprüngliche Lösung
erlaubt außerdem, vorteilhaft das Problem des Schutzes gegen Verpolung zu lösen.
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Die Erfindung betrifft demzufolge eine integrierte Schaltung, die aus einem
Halbleitersubstrat eines ersten Dotierungstyps hergestellt ist, Verbindungsbeinchen von internen
Funktionsknoten zu externen Signalen umfaßt und über eine erste interne
Referenzspannung verfügt, die über ein Verbindungsbeinchen an eine erste externe Spannungsquelle
abgegeben wird, wobei das Halbleitersubstrat auf eine zweite interne Bezugsspannung
polarisiert ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Schutz gegen
Überspannungen zwischen jedem der Verbindungsbeinchen und dem Halbleitersubstrat, eine zwischen
dem Halbleitersubstrat und einem Verbindungsbeinchen mit einer zweiten externen
Referenzspannungsquelle verbundene Diode, und einen zwischen der ersten und der zweiten
internen Bezugsspannung verschalteten Polarisationswiderstand, so daß die Diode bei
normaler Polarisation der integrierten Schaltung in Vorwärtsrichtung und bei
umgekehrter Polarisation der integrierten Schaltung in Rückwärtsrichtung betrieben wird, um das
Halbleitersubstrat von dem Verbindungsbeinchen an der zweiten externen
Spannungsquelle, an dem es üblicherweise kurzgeschlossen wird, zu isolieren.
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Es wird so ein umfassender Schutz der integrierten Schaltung gegen die Gesamtheit der
Vorgänge mit zerstörerischer Wirkung erzielt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung,
die durch eine erste externe und eine zweite externe Spannungsquelle polarisiert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleitersubstrat eines ersten Dotierungstyps eine
Diffusion eines zweiten Dotierungstyps, die mit der zweiten externen Spannungsquelle
verbunden ist, und ein Polarisationswiderstand, der an einer Klemme mit der ersten
internen Bezugsspannung und an der anderen Klemme mit einer Diffusion des ersten
Dotierungstyps verbunden ist, erzeugt werden, um das Substrat auf eine zweite interne
Bezugsspannung zu polarisieren, wobei das Substrat und die Diffusion eines zweiten
Dotierungstyps eine Diode bilden, die bei normaler Polarisation der integrierten Schaltung in
Vorwärtsrichtung und bei umgekehrter Polarisation der integrierten Schaltung in
Rückwärtsrichtung
betrieben wird, und wobei die integrierte Schaltung eine Vorrichtung zum
Schutz gegen Überspannungen zwischen jedem Verbindungsbeinchen und dem Substrat
umfaßt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der
nachstehenden, detaillierten Beschreibung, welche beispielhaft und nicht beschränkend für die
Erfindung sowie unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erfolgt. Es zeigen:
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Fig. 1 ein allgemeines elektrisches Schema einer erfindungsgemäß modifizierten
integrierten Schaltung;
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Fig. 2 eine Vorrichtung zum erfindungsgemäßen Isolieren eines Substrats P unter
Verwendung einer Diode D2;
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Fig. 3 die Strom-Spannungs-Kurve an den Klemmen der Diode D2 der Vorrichtung
gemäß Fig. 2;
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Fig. 4 die jeweiligen Strom-Spannungs-Kurven zweier erfindungsgemäß geschützter
Verbindungsbeinchen und die sich zwischen diesen beiden Beinchen ergebende Strom-
Spannungs-Kurve;
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Fig. 5 eine Vorrichtung zum Schutz eines Verbindungsbeinchens zu einer externen
Versorgungsspannung gemäß der Erfindung;
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Fig. 6 die Strom-Spannungs-Kurve des Verbindungsbeinchens zu der externen
Versorgungsspannung der Vorrichtung gemäß Fig. 5;
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Fig. 7a und 7b einen erfindungsgemäß jeweils verwendeten, durch Diffusion hergestellten
Strombegrenzungswiderstand in der Aufsicht und entlang des Schnittes AA;
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Fig. 8 eine Vorrichtung zum Schutz eines N-Ausgangstransistors für ein P-
Halbleitersubstrat gemäß der Erfindung;
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Fig. 9 die Strom-Spannungs-Kurve des N-Ausgangstransistors der Vorrichtung gemäß
Fig. 8;
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Fig. 10 eine Vorrichtung zum Schutz eines P-Ausgangstransistors für ein P-
Halbleitersubstrat gemäß der Erfindung;
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Fig. 11 die Strom-Spannungs-Kurve des P-Ausgangstransistors der Vorrichtung gemäß
Fig. 10;
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Fig. 12 eine Vorrichtung zum Schutz des Eingangsgates eines CMOS-Inverters gemäß
der Erfindung;
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Fig. 13 die Strom-Spannungs-Kurve am Eingang des CMOS-Inverters der Vorrichtung
gemäß Fig. 12;
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Fig. 14 eine besondere Ausführungsform eines Neben-Bipolartransistors zum Schutz
gegen elektrostatische Entladungen gemäß der Erfindung; und
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Fig. 15 eine Strom-Spannungs-Kennlinie des Neben-Bipolartransistors gemäß Fig. 14.
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Fig. 1 zeigt eine selbstschützende integrierte Schaltung CI gemäß der Erfindung. Die
integrierte Schaltung umfaßt Verbindungsbeinchen P1, P2, P3, P4, P5 von internen
elektrischen Knoten N1, N2, N3, N4, N5 zu externen Signalen V1, V2, S1, S2, E1.
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Das externe Signal V1 wird durch eine erste, in der Figur nicht dargestellte
Versorgungsquelle bereitgestellt. Das externe Signal V2 wird durch eine zweite, in der Figur
nicht dargestellte Versorgungsquelle bereitgestellt.
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Im folgenden wird das Verbindungsbeinchen anhand des zugeordneten externen Signals
identifiziert. So bezeichnet V1 sowohl das Verbindungsbeinchen als auch das externe
Versorgungssignal.
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Zwischen dem internen elektrischen Knoten N1 und einem internen Knoten N0 ist eine
Diode D1 angeordnet. Zwischen dem internen Knoten N0 und dem internen elektrischen
Knoten N2 ist eine Diode D2 angeordnet. Die Dioden D1 und D2 sind zwischen den
internen elektrischen Knoten N1 und N2 entgegengesetzt verschaltet: bei normaler
Polarisation V1, V2 ist die Diode D1 gesperrt und die Diode D2 durchlässig; bei umgekehrter
Polarisation ist es umgekehrt. In dem nachstehend beschriebenen Beispiel einer
Schaltung mit P-Substrat, in dem V1 eine positive Spannung von etwa 5V und V2 eine
Spannung mit dem Wert Null ist, sind daher die Kathode der Diode D1 mit dem V1
zugeordneten internen elektrischen Knoten N1, die Kathode der Diode D2 mit dem V2
zugeordneten internen elektrischen Knoten N2, und die Anoden der Dioden D1 und D2
gemeinsam mit dem Knoten N0 verbunden. In dem nachstehend nicht beschriebenen Beispiel
einer Schaltung mit P-Substrat, in dem V2 eine positive Spannung von etwa 5V und V1
eine Spannung mit dem Wert Null ist, sind daher die Anode der Diode D1 mit dem V1
zugeordneten internen elektrischen Knoten N1, die Anode der Diode D2 mit dem V2
zugeordneten internen elektrischen Knoten N2, und die Kathoden der Dioden D1 und D2
gemeinsam mit dem Knoten N0 verbunden.
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Ein Polarisationswiderstand Rp ist parallel zu der Diode D1 zwischen den Knoten N1
und N0 angeordnet.
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Der Knoten N1 stellt eine erste interne Bezugsspannung Vref1 für den Schaltkreis C der
integrierten Schaltung bereit.
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Der Knoten N0 stellt eine zweite interne Bezugsspannung Vref2 für den Schaltkreis C
der integrierten Schaltung bereit und polarisiert das Substrat auf diese Spannung Vref2.
Im folgenden wird der Knoten N0 als Substratknoten N0 bezeichnet. Die Spannung am
Substratknoten N0 wird durch VN0 angegeben und ist gleich Vref2. Der Schaltkreis
empfängt seine weiteren Eingangs- und Ausgangssignale S1, S2, E1 von den internen
elektrischen Knoten N3, N4, N5, die den anderen Verbindungsbeinchen P3, P4 und P5
zugeordnet sind.
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Zwischen jedem Verbindungsbeinchen Pi und dem zugeordneten internen elektrischen
Knoten Ni ist eine Vorrichtung zum Schutz gegen Überspannungen 10i angeordnet, die
mit dem elektrischen Substratknoten N0 verbunden ist. Parallel hierzu ist zwischen jedem
Verbindungsbeinchen Pi und dem Substratknoten N0 eine Vorrichtung zum Schutz
gegen elektrostatische Entladungen 20i (i [1,5]) angeordnet. Die Eigenschaften dieser
Schutzvorrichtungen werden nachstehend im einzelnen beschrieben.
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Bei einer herkömmlichen integrierten Schaltung entspricht die Strom-Spannungs-
Kennlinie zwischen V1 und dem mit V2 kurzgeschlossenen Halbleitersubstrat der einer in
der Struktur der Schaltung inherenten Diode D1 (Fig. 1). Diese Diode D1 besitzt
typisch, entsprechend den Kenngrößen der Herstellung der integrierten Schaltung, eine
Durchlaßspannung von etwa 0,6 V und eine Durchbruchspannung von etwa 15 bis 20 V.
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Die in der Struktur der Schaltung inherente Diode D1 ist bei normaler Polarisation der
integrierten Schaltung gesperrt und leitet bei umgekehrter Polarisation (Umkehr der
Spannungen V1 und V2) der integrierten Schaltung in Vorwärtsrichtung. Da darüber
hinaus das Halbleitersubstrat einer integrierten Schaltung üblicherweise über einen
Substratkontakt mit V2 kurzgeschlossen ist, leitet, falls eine Polaritätsumkehr zwischen
V1 und V2 auftritt und falls diese Umkehrspannung zwischen V1 und V2 größer ist als
die Durchlaßschwelle (0,6 V) der Diode D1, diese letztgenannte in Vorwärtsrichtung
und führt einen großen Strom zwischen V1 und V2, der die integrierten Schaltung
zerstört (Kurzschluß zwischen V1 und V2).
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Erfindungsgemäß (Fig. 1) wird zwischen dem Substrat und der externen Spannung V2
eine bei normaler Polarisation der Schaltung geringfügig in Vorwärtsrichtung polarisierte
Diode D2 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel wird die Polarisation der Diode D2
durch den zwischen dem Knoten N1 und dem Substratknoten N0 angeordneten und
infolgedessen parallel zu der parasitären Diode D1 verschalteten Polarisationswiderstand
Rp gewährleistet. Dieser Polarisationswiderstand beaufschlagt den Substratknoten N0
mit einer Spannung etwa gleich der zweiten externen Bezugsspannung V2, die
gewöhnlich zum Polarisieren des Substrats verwendet wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Polarisationsspannung am Substratknoten N0 als zweite
interne Bezugsspannung Vref2 des Schaltkreises C der integrierten Schaltung verwendet:
diese zweite interne Bezugsspannung Vref2 wird infolgedessen bezogen auf die im Stand
der Technik als zweite interne Bezugsspannung und als Spannung zur Polarisation des
Substrats verwendete zweite externe Bezugsspannung V2 um näherungsweise 0,6 V
(Durchlaßschwelle der Diode) verschoben.
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Im folgenden wird ein Beispiel einer in CMOS-Technologie hergestellten integrierten
Schaltung mit einem P&supmin;-Substrat beschrieben. Es handelt sich hierbei um ein nicht
beschränkendes Beispiel, welches ohne weiteres auf andere Technologien (CMOS mit
N&supmin;-Substrat, NMOS, PMOS, bipolar oder eine Vermischung dieser Technologien)
übertragbar ist. In diesem Beispiel ist die erste externe Bezugsspannung V1 eine positive
Spannung Vcc, und die zweite externe Bezugsspannung V2 ist eine negative Spannung
Vss. Unter diesen Bedingungen beträgt die zweite interne Bezugsspannung Vref2 etwa
0,6 V.
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Fig. 2 zeigt ein Schema eines CMOS-Inverters mit einer Vorrichtung 102 zum Schutz
des Substrats gemäß der Erfindung. Der herkömmliche CMOS-Inverter besteht aus
einem P-Transistor Tp1 mit einem Gatebereich gp1, einem Sourcebereich sp1 und einem
Drainbereich dp1, und einem N-Transistor Tn1 mit einem Gatebereich gn1, einem
Sourcebereich sn1 und einem Drainbereich dn1. Der mit Tp1 bezeichnete P-Transistor ist in
einer N&supmin;-Wanne bzw. -Senke und der mit Tn1 bezeichnete N-Transistor ist in dem P&supmin;-
Substrat ausgebildet. Die Gatebereiche gp1 und gn1 der Transistoren Tp1 und Tn1 sind
miteinander verbunden und bilden den Eingang E des Inverters. Die Drainbereiche dp1
und dn1 der Transistoren Tp1 und Tn1 sind miteinander verbunden und bilden den
Ausgang S des Inverters.
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Der Source-Bereich sn1 des Transistors Tn1 ist mit der zweiten internen
Bezugsspannung Vref2 verbunden. Ein Substratanschluß ps (eine in dem P&supmin;-Substrat hergestellte P&spplus;-
Diffusion) verbindet darüber hinaus das P&supmin;-Substrat mit dieser zweiten internen
Bezugsspannung. Die zweite interne Bezugsspannung wird an einer Klemme b1 des
Polarisationswiderstands abgegeben, der über seine andere Klemme b2 mit der ersten internen
Bezugsspannung Vref1 verbunden ist.
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Der Sourcebereich des Transistors Tp1 ist mit dem der externen Spannung V
zugeordneten internen elektrischen Knoten N1 verbunden. Der Knoten N1 ist darüber hinaus durch
einen Wannenanschluß pc (eine N&spplus;-Diffusion in der N&supmin;-Wanne) mit der N&supmin;-Wanne
verbunden.
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Die Isolationsdiode D2 der Schutzvorrichtung 102 ist durch eine N&spplus;-Diffusion 10 und
das P&supmin;-Substrat realisiert. Die N&spplus;-Diffusion 10 ist mit dem der externen Spannung V2
zugeordneten internen elektrischen Knoten N2 verbunden. Eine solche Diode besitzt eine
Schwellenspannung von etwa 0,6 V in Vorwärtsrichtung und zwischen 15 und 20 V in
Rückwärtsrichtung.
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Bevorzugt - und wie in Fig. 2 dargestellt - wird die Diode D2 in CMOS-
Wannentechnologie realisiert, wobei die N&spplus;-Diffusion 10 vollständig in einer N&supmin;-Wanne
11 eingebettet ist (das Zeichen + oder - gibt eine mehr oder wenige starke Konzentration
von dotierenden Verunreinigungen an). Es wird so eine Dioden-Durchbruch-
Schwellenspannung von etwa einhundert Volt erzielt.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Isolation des Substrats leitet die Diode D1
im Falle einer Polaritätsumkehr in Vorwärtsrichtung wie im Stand der Technik, die
Isolationsdiode D2 jedoch wird gesperrt. Für eine negative Spannung zwischen V1 und V2,
die kleiner ist als die Durchbruch-Schwellenspannung der Diode D2, ist zwischen V1 und
V2 keine Stromleitung mehr vorhanden. Der hinsichtlich V1 zulässige negative
Spannungsanstieg wird jedoch durch die Durchbruch-Schwellenspannung der Diode D2
begrenzt: auf 15 bis 20 V bei herkömmlicher Diodentechnologie, und auf 100 V bei der
CMOS-Wannentechnologie. Jenseits der Durchbruch-Schwellenspannung leitet die
Diode D2 lawinenartig.
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Eine zusätzliche, mit dem Knoten N0 verbundene N&spplus;-Diffusion 17 ist in Fig. 2
dargestellt, angeordnet zwischen dem Substratanschluß und der N&supmin;-Wanne 11. Die
Nützlichkeit dieser Diffusion wird nachstehend noch beschrieben.
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Die in Fig. 3 dargestellte Strom-Spannungs-Kennlinie ist die des Verbindungsbeinchens
P2 zu der Spannung V2 bezogen auf den Substratknoten N0. Es ist demzufolge die
Strom-Spannungs-Kurve an den Klemmen der Diode D2. Im beispielhaften Fall einer in
CMOS-Wannentechnologie ausgeführten Diode D2 beträgt deren Durchlaßschwelle
etwa 0,6 V und deren Durchbruchschwelle etwa einhundert Volt. Die Kurve gibt den
Strom in Abhängigkeit von der Spannung V2-VN0. Aus diesem Grund werden die
Durchlaßschwelle negativ (VD2- = -0,6 V) und die Durchbruchschwelle positiv (VD2+
= 100 V) angegeben. Zwischen -0,6 V und 100 V ist der Diodenstrom praktisch gleich
Null (offener Kreis). Jenseits der beiden Absolutwert-Schwellen wächst der Strom sehr
stark an, vor allem jenseits der Durchbruch-Schwellenspannung VD2+ mit dem
Versetzen der Diode D2 in den Lawinenleitungszustand. Bevorzugt wird daher die in CMOS-
Wannentechnologie ausgeführte Diode D2 verwendet, die eine höhere Durchbruch-
Schwellenspannung aufweist. Diese Wahl wiederum kann ein zusätzliches
Implantationsniveau zur Herstellung der Wanne der Diode (D2) erfordern, beispielsweise für eine
integrierte Schaltung in NMOS-Technologie, wodurch sich die Herstellungskosten
erhöhen werden. In bestimmten Fällen kann dann eine herkömmliche N&spplus;/P&supmin;-Technologie
bevorzugt werden.
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Erfindungsgemäß wurde demzufolge das Substrat des zu V2 führenden
Verbindungsbeinchens durch die im Normalbetrieb in Vorwärtsrichtung polarisierte Diode D2 isoliert.
Dies löst einerseits wirksam das Problem der Spannungsumkehr und erlaubt andererseits,
daß Substrat intern zu isolieren. Erfindungsgemäß wird vorteilhaft eine
Schutzvorrichtung 101, ..., 105 zwischen jedem der Verbindungsbeinchen V1, V2, S1, S2 und E1 und
dem Substratknoten N0 (Fig. 1) angeordnet, um die Strom-Spannungs-Kennlinie jedes
der Verbindungsbeinchen bezüglich des gemeinsamen Knotens N0 zu modifizieren. Mit
jeder der Schutzvorrichtungen ergibt sich somit für das zugeordnete
Verbindungsbeinchen eine Strom-Spannungs-Kennlinie bezüglich des Substratknotens N0 mit dem in Fig.
4 dargestellten Aussehen: Für eine Spannung VPi-VN0 zwischen dem
Verbindungsbeinchen Pi und dem Substratknoten N0 zwischen einer negativen Schwelle Vi- und einer
positiven Schwelle Vi+ liegt der Strom IPi zwischen einem Grenzstrom -I0 und +I0 mit
kleinem Wert. Dieser Grenzstrom I0 wird für eine gegebene integrierte Schaltung als der
kleinste Wert des maximal zulässigen Stroms Imax in einem Verbindungsbeinchen Pi
über der Gesamtheit der n Verbindungsbeinchen der integrierten Schaltung ermittelt.
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In der Praxis besitzt I0 einen Wert von etwa zehn Milliampere, beispielsweise 10
Milliampere.
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Nachstehen wird gezeigt, daß mit einer derartigen erfindungsgemäßen Struktur ein
allgemeiner Schutz der integrierten Schaltung gegen Überspannungen oder andere
Vorgänge mit zerstörerischer Wirkung erzielt wird. Demzufolge seien zwei
Verbindungsbeinchen Pi, Pj vorhanden, für welche eine solche zugeordnete Strom-Spannungs-Kennlinie
ci, cj existiert (Fig. 4). Die Kennlinie ci ist für den Grenzstrom I0 definiert mit einer
negativen Schwelle Vi- und einer positiven Schwelle Vi+ bezüglich des gemeinsamen
Knotens N0. Die Kennlinie cj ist für den Grenzstrom I0 definiert mit einer positiven
Schwelle Vj- und einer negativen Schwelle Vj+ bezüglich des gemeinsamen Knotens N0.
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Die resultierende Kennlinie cij zwischen dem Verbindungsbeinchen Pi und dem
Verbindungsbeinchen Pj ergibt sich dann leicht aus dem folgenden Zusammenhang:
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Vi-Vj = (Vi-VN0) - (Vj-VN0)
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Somit ist für eine Spannung zwischen einer negativen Schwelle Vij-, die durch den
Zusammenhang (1) gegeben ist:
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Vij-=Vi- - Vj+ (1)
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und einer positiven Schwelle Vij+, die durch den Zusammenhang (2) gegeben ist:
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Vij+ = Vi+ - Vj- (2)
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der in dem Verbindungsbeinchen Pi oder Pj fließende Strom kleiner als der Grenzstrom
I0.
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Wird diese Überlegung auf die Gesamtheit der Verbindungsbeinchen der integrierten
Schaltung verallgemeinert, wobei für jedes eine Strom-Spannungs-Kennlinie gilt, die der
in Fig. 4 dargestellten gleicht, so liegt dann ein durch den Zusammenhang (3) gegebener
Spannungswert VM vor, dessen Absolutwert kleiner ist als alle möglichen Werte von
Vij+ oder Vij-:
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Dieser Spannungswert VM ist derart daß, angelegt zwischen zwei beliebigen
Verbindungsbeinchen der integrierten Schaltung, der Strom in jedem der beiden
Verbindungsbeinchen in seinem Absolutwert kleiner ist als der Grenzstrom I0. Somit wird dadurch,
daß das erfindungsgemäß isolierte Substrat als allen Schutzbeinchen gemeinsamer
Knoten N0 verwendet wird, und dadurch, daß eine Schutzvorrichtung 10i zwischen jedem
der Verbindungsbeinchen Pi und dem Substrat angeordnet wird, ein guter umfassender
Schutz der integrierten Schaltung erzielt. Erfindungsgemäß wird versucht, VM so groß
wie möglich, etwa zu einhundert Volt zu machen. Es ist daher für jedes
Verbindungsbeinchen Pi erforderlich, daß die positive Schwelle Vi+ und die negative Schwelle Vi- so
groß wie möglich sind.
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Nun folgt aus den Beziehungen (1), (2) und (3), daß dann, wenn nur auf einen einzigen
der Parameter der Beziehungen (1) und (2) eingewirkt wird, gleichbedeutend mit
beispielsweise der positiven Schwelle Vi+, Vj+ in jeder der Beziehungen (1) und (2), um
diesen Parameter Vi+, Vj+ mit etwa 100 V zu erhalten, die negative Schwelle Vij- und
die positive Schwelle Vij+, die durch den Zusammenhang (3) gegeben sind, für jedes
mögliche Paar von Verbindungsbeinchen bei zumindest etwa 100 V liegen, selbst wenn
die negativen Schwellen Vi-, Vj- der Verbindungsbeinchen nur bei -0,6 V liegen.
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Erfindungsgemäß wird daher vorteilhaft vorgeschlagen, eine Schutzvorrichtung gegen
positive Überspannungen zwischen jedem Verbindungsbeinchen und dem Substratknoten
N0 anzuordnen. Die sich ergebende Struktur erlaubt einen umfassenden Schutz gegen
positive und negative Überspannungen. Denn falls sich eine negative Überspannung an
einem Verbindungsbeinchen Pi aufbaut, existiert ein anderes Verbindungsbeinchen Pj, für
welches diese Überspannung als positiv in bezug auf den Substratknoten N0 erscheint,
und die zugeordnete Schutzvorrichtung 10j kann den geführten Strom begrenzen. Es gibt
mehrere Betriebsarten, die mit den Schutzvorrichtungen gegen entweder lediglich
positive Überspannungen oder gegen lediglich negative Überspannungen, oder auch mit
gemischten Vorrichtungen möglich sind. Nachstehend wird eine bevorzugte
Ausführungsform mit Vorrichtungen zum Schutz der Verbindungsbeinchen gegen positive
Überspannungen bis zu einhundert Volt beschrieben.
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Fig. 5 repräsentiert ein Beispiel einer Vorrichtung 101 zum Schutz des
Verbindungsbeinchens zu einer externen Versorgungsquelle, umfassend einen Spannungsbegrenzer e0 und
einen Strombegrenzungswiderstand R0.
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Der Spannungsbegrenzer e0 ist zwischen dem V1 zugeordneten Knoten N1 und dem
Substratknoten N0 angeordnet. Stromab des Spannungsbegrenzers befindet sich
zwischen dem Knoten N1 und dem Substratknoten N0 der interne Schaltkreis C der
integrierten Schaltung, welcher die erste interne Bezugsspannung Vref1 von dem Knoten N1
und die zweite interne Bezugsspannung Vref2 von dem Knoten N0 empfängt. Der
Begrenzer besitzt eine Auslöseschwelle ve0, die kleiner ist als die Sperrschwelle der Diode
D1 (10-15 V). Diese Auslöseschwelle ve0 beträgt beispielsweise 12 V. Infolgedessen
löst im Falle einer bezüglich N0 positiven Überspannung der Begrenzer e0 vor der Diode
D1 aus und absorbiert den gesamten Strom Ie. In dem Beispiel gemäß Fig. 5 ist der
Begrenzer e0 mittels serieller und in Rückwärtsrichtung betriebener Zenerdioden z1 und z2
gemäß dem in dem italienischen, im Namen von SGS-Thomson Microelectronics s.r.l.
am 31. Oktober 1989 hinterlegten Patent Nr. 2 222 8 A/89 sowie in dem entsprechenden
europäischen Patent Nr. 90/202840.6 (EP-A-426241) beschriebenen Verfahren realisiert.
Andere Realisierungen sind möglich, beispielsweise mit in Diodenschaltung verschalteten
Transistoren.
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Der Strombegrenzungswiderstand R0 ist zwischen V1 und dem zum Begrenzen des in
dem Begrenzer e0 fließenden Stroms Ie auf für den Begrenzer e0 nicht zerstörend
wirkende Werte zugeordneten internen Knoten N1 angeordnet. Der Wert dieses
Begrenzungswiderstands muß ausreichend klein sein, um nicht zu einem Spannungsabfall der
ersten internen Bezugsspannung Vref1 zu führen, da dann Vref1 = V1 - (R0 x Ist) gilt,
worin Ist die Stromaufnahme der integrierten Schaltung an V1 bei Normalbetrieb ist. Der
Wert des Begrenzungswiderstands muß auch hinreichend hoch sein, um den Strom Ie in
dem Begrenzer e0 ausreichend zu begrenzen. Wird der in dem Begrenzer zulässige
Strom mit Icrit bezeichnet und ein Schutz gegen Überspannungen bis hin zu VM
gewünscht, wird mit der Begrenzerschwelle ve0 des Begrenzers e0 in der Praxis R0 zu:
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Icrit=VM-ve0/R0
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Somit ist der Begrenzer e0 bis hin zu VM Volt in der Lage, den gesamten geführten
Strom zu absorbieren, und die integrierte Schaltung wird nicht beschädigt. Für VM
gleich 100 V, Ve0 gleich 12 V und für einen kritischem Strom Icrit von 440 mA beträgt
R0 zum Beispiel 200 Ohm. Falls die Schaltung an V1 unter Normalbetrieb 1 mA
aufnimmt, beträgt der Spannungsabfall an dem Begrenzungswiderstand R0 etwa 200 mV
und ist somit akzeptabel.
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Allgemein sind die Parameter der verschiedenen Elemente der Schutzvorrichtung 101
(Begrenzer, Widerstand) gut bekannt und werden gemäß den Fachleuten bekannten
Verfahren berechnet oder gewählt. Der Widerstand R0 kann mittels Polysilizium oder
durch eine N+-Diffusion realisiert werden.
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In einem in den Fig. 7a und 7b dargestellten bevorzugten Beispiel ist der Widerstand R0
eine N+-Diffusion 12, die vollständig in einer N&supmin;-Wanne 13 liegend realisiert ist. Die
Anschlußklemmen b1 und b2 sind am Rand der Wanne ausgeführt, jede an einem
entgegengesetzten Ende der Diffusion 11. Denn falls der Begrenzungswiderstand eine einfache
N+-Diffusion des Drain-Typs eines N-Transistors ist, wird eine parasitäre N&spplus;/P&supmin;-Diode
mit dem Substrat mit einer Sperrschwelle zwischen 15 und 20 V erzeugt. Der Begrenzer
e0 hat dann keine Funktion mehr, da die parasitäre Diode des Widerstands zwischen 10
und 15 V lawinenartig leitet und die Spannung an den Klemmen des Begrenzers diese
Lawinenspannung niemals überschreiten kann.
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Die sich zwischen dem Verbindungsbeichen zu V1 und dem Substratknoten N0
ergebende Strom-Spannungs-Kennlinie ist in Fig. 6 dargestellt. Für eine in bezug auf die
Spannung VN0 des Substratknotens Substrats negative Spannung ist immer ein PN-
Übergang zum Leiten in Vorwärtsrichtung (nach Art der Diode D1) vorhanden. Dieser
PN-Übergang begrenzt typisch die Spannung V1-VN0 auf -0,6V. Für eine an V1
angelegte, bezogen auf die Spannung VN0 des Substratknotens N0 positive Spannung wächst
der über V1 geführte Strom IV1 zwischen 0 V und der Auslöse-Schwellenspannung ve0
des Begrenzers geringfügig an. Dieser Teil der Kennlinie entspricht der statischen
Stromaufnahme der integrierten Schaltung an V1. Der Begrenzer löst für eine positive
Spannung V1 - VN0, die größer ist als ve0 mit etwa 12V, aus, bevor die parasitären Dioden
nach Art der Diode D1 (Fig. 1, 2) lawinenartig leiten. Der ausgelöste Begrenzer
absorbiert den gesamten Strom. Die Strom-Spannungs-Kennlinie besitzt eine Steigung, die zu
dem Strombegrenzungswiderstand R0 umgekehrt proportional ist: wenn der Begrenzer
ausgelöst hat, besteht die äquivalente Schaltung zwischen V1 und N0 in einer
Reihenschaltung aus dem Strombegrenzungswiderstand R0 und einem Spannungsgenerator ve0.
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Eine solche für die positive Spannung V1 anwendbare Vorrichtung 101 ist auch für jede
andere externe positive Spannung (Vcc) anwendbar. Wäre die Spannung V1 negativ,
beispielsweise für eine integrierte Schaltung mit N&supmin;-Substrat, so wäre die
Schutzvorrichtung 101 für die anderen externen negativen Spannungen anwendbar. Im Stand der
Technik leitet im Falle einer Überspannung an V1 die jeder Struktur einer integrierten
Schaltung inherente Diode D1 zwischen V1 und V2 jenseits von 15 bis 20 V
lawinenartig, und der geführte, sehr starke Strom zerstört die Schaltung durch Erzeugen eines
Kurzschlusses zwischen V1 und V2.
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Fig. 8 zeigt eine Vorrichtung 103 zum Schutz 103 eines Drainbereichs dn2 eines mit
offenem Drain am Ausgang verschalteten N-Transistors Tn2: Der Drainbereich dn2 ist
beispielsweise mit dem Verbindungsbeinchen S1 (Fig. 1) verbunden, das Gate gn2 des
Transistors Tn2 wird durch ein nicht dargestelltes internes Element der integrierten
Schaltung gesteuert, und der Sourcebereich sn2 ist mit dem Substratknoten N0
verbunden. In diesem Beispiel (Fig. 8) wird derselbe Typ von Schutzvorrichtung mit einem
Spannungsbegrenzer e1 und einem Strombegrenzungswiderstand R1 vorgeschlagen. Für
eine positive Überspannung läuft die Drain-Substrat-Diode des Transistors Tn2 Gefahr,
bei etwa 15 bis 20 V lawinenartig zu leiten: es stellt sich dasselbe, bereits in
Zusammenhang mit der externen Bezugsspannung Vref1 erkannte Problem. Es wird infolgedessen
eine identische Lösung vorgeschlagen.
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Der Widerstand R1 ist zwischen S1 und dem zugeordneten internen elektrischen Knoten
N3 verschaltet, und der Spannungsbegrenzer e1 ist parallel zu dem Transistor Tn2
zwischen dem Knoten N3 und dem Substratknoten N0 verschaltet. Die der
Schutzvorrichtung 103 (beispielsweise der Wert von R1) eigenen Eigenschaften hängen von den
Eigenschaften der Ausgangsstufe ab. Hat diese beispielsweise eine kleine Ausgangs-
Impedanz, muß auch R1 so klein wie möglich sein.
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Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Verbindungsbeinchens S1 der erfindungsgemäßen
Schutzvorrichtung bezüglich des Substratknotens N0 ist in Fig. 9 gezeigt. Je nachdem,
ob der Transistor Tn2 leitet (positive Steuerspannung an gn2) oder nicht, ergeben sich
mit der Schutzvorrichtung zwei Strom-Spannungs-Kennlinien a und b. Für eine
Spannung VS1-VN0 zwischen 0 und der Auslöseschwelle ve1 des Begrenzers (etwa 12 V) ist
dies, wenn der Ausgangstransistor Tn2 leitet (Kennlinie a), äquivalent zu einem
Widerstand R0N. Die äquivalente Schaltung vu von S1 zwischen S1 und N0 entspricht
infolgedessen einer Reihenschaltung des Strombegrenzungswidersands R1 mit dem
äquivalenten Widerstand R0N des Transistors Tn2, gleichbedeutend mit einem
Gesamtwiderstand von Req1 = R1 + R0N. Die Strom-Spannungs-Kennlinie besitzt demzufolge eine
Steigung mit dem Wert 1/Req1. Jenseits der Auslöseschwelle ve1 des Begrenzers löst
dieser aus und absorbiert den gesamten Strom: der in dem Transistor Tn2 fließende
Strom wird dann auf Ve1/R0N begrenzt, und die äquivalente Schaltung reduziert sich auf
die Reihenschaltung aus dem Strombegrenzungswiderstand R1 und einem
Spannungsgenerator ve1. Jenseits der Auslöseschwelle ve1 besitzt die Strom-Spannungs-Kennlinie
infolgedessen eine Steigung mit dem Wert 1/R1.
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Wenn der Transistor Tn2 gesperrt ist (Kennlinie b), so ist dies äquivalent zu einer
offenen Schaltung, solange die Sperrschwelle der Drain-Substrat-Diode nicht erreicht ist. Für
eine Spannung VS1-VN0 kleiner als die Auslöseschwelle ve1, für welche auch der
Begrenzer e1 gesperrt ist, fließt kein Strom: die äquivalente Schaltung zwischen S1 und N0
ist eine offene Schaltung: die Strom-Spannungs-Kennlinie hat die Steigung Null. Jenseits
von ve1 löst der Begrenzer e1 aus, und die äquivalente Schaltung zwischen S1 und N0
besteht aus dem Strombegrenzungswiderstand R1 in Reihe mit einem
Spannungsgenerator ve1. Die Strom-Spannungs-Kennlinie ab der Spannung VS1-VN0, die gleich ve1 ist,
besitzt die Steigung 1/R1.
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Fig. 10 zeigt eine Vorrichtung 104 zum Schutz des Drainbereichs eines mit offenem
Drain am Ausgang verschalteten P-Transistors Tp2, umfassend einen
Strombegrenzungswiderstand R2.
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Der Drain-Anschluß dp2 des Transistors Tp2 ist beispielsweise an dem zugeordneten
internen Knoten N4 mit dem Verbindungsbeinchen S2 gemäß Fig. 1 verbunden. Der
Source-Anschluß sp2 des Transistors Tp2 ist an dem Knoten N1 mit der internen
positiven Bezugsspannung Vref1 verbunden. Der Gate-Anschluß gp2 des Transistors Tp2
wird durch ein internes, nicht dargestelltes Schaltungselement gesteuert. Die N&supmin;-Wanne,
in welcher der Transistor Tp2 (CMOS-Technologie mit P&supmin;-Substrat) ausgebildet ist, ist
durch einen Wannenanschluß an dem Knoten N1 mit der ersten internen
Bezugsspannung Vref1 verbunden. Diese Wannenanschlußverbindung ist in der Figur durch einen
senkrecht von dem den Source-Drain-Kanal des Transistors repräsentierenden Balken
abgehenden Pfeil (P-Kanal) gekennzeichnet, wobei die Spitze des Pfeils an die Source
Sp2 anschließt.
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Zwischen dem Knoten N1 und dem Substratknoten N0 findet sich wieder der
erfindungsgemäße, dem Verbindungsbeinchen zu V1 zugeordnete Spannungsbegrenzer e0.
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Der Strombegrenzungswiderand R2 in dem Verbindungsbeinchen nach V2 ist seriell
zwischen S2 und dem zugeordneten internen Knoten N4 angeordnet.
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Wenn die Spannung VS2-VN0 positiv ist, leitet der Drain-Wanne-Übergang des
Transistors Tp2 ab etwa 0,6 V in Vorwärtsrichtung. Die Wanne ist darüber hinaus mit dem V1
zugeordneten Begrenzer e0 verbunden. Jenseits von 0,6 V wird demzufolge die durch
das Verbindungsbeinchen S2 an den Knoten N1 des Begrenzers e0 angelegte Spannung
um den Spannungsabfall in dem Begrenzungswiderstand R2 und um den Spannungsabfall
von 0,6 V an dem Drain-Wanne-Übergang des Transistors Tp2 verringert. Es liegt
praktisch der den V1 zukommenden Schutz betreffende Fall der Fig. 5 vor.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird indessen nicht der den Drainbereich dp2
des P-Ausgangstransistors Tp2 mit offenem Drain-Anschluß kennzeichnende
Spannungsbegrenzer, sondern vorteilhaft der der die Wanne dieses Ausgangstransistors Tp2
polarisierenden Spannung V1 zugeordnete Begrenzer verwendet.
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Die statischen Strom-Spannungs-Kennlinien a, b (stromlose Schaltung) der Vorrichtung
gemäß Fig. 10 sind in Fig. 11 dargestellt. Sie entsprechen denjenigen der Fig. 9 für den
leitenden (a) oder gesperrten (b) N-Transistor, mit darüber hinaus der statischen
Stromaufnahme an V1, die in den beiden Fällen (a) und (b) hinzukommt, solange die Spannung
VS2-VN0 kleiner ist als die Auslöseschwelle ve0 des Begrenzers e0. Jenseits der
Schwelle e0 besitzen die beiden Kennlinien eine Steigung mit dem Wert 1/R2.
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Fig. 12 zeigt eine Vorrichtung 105 zum Schutz einer CMOS-Inverter-Eingangsstufe,
umfassend einen Spannungsbegrenzer e3 und einen Strombegrenzungswiderstand R3.
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Der CMOS-Inverter wird auf bekannte Art und Weise durch einen P-Transistor Tp3 und
einen N-Transistor Tn3 gebildet. Ihre Drain-Anschlüsse dp3 bzw. dn3 sind gemeinsam
mit dem Ausgang Sinv des Inverters verbunden. Ihre Gate-Anschlüsse gp3 bzw. gn3 sind
an dem Knoten N5 gemäß Fig. 1 gemeinsam an das Verbindungsbeinchen E1 geführt.
Ihre Source-Anschlüsse sp3 bzw. sn3 sind jeweils an dem Knoten N1 mit der ersten
internen Bezugsspannung Vref1 und an dem Substratknoten N0 mit der zweiten internen
Bezugsspannung Vref2 verbunden.
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Der Strombegrenzungswiderstand R3 ist zwischen dem Verbindungsbeinchen E1 und
dem Knoten N5 angeordnet, und der Spannungsbegrenzer e3 ist zwischen dem Knoten
N5 und dem Substratknoten N0 verschaltet.
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Im Falle positiver Überspannungen tritt als gut bekanntes Problem der dielektrische
Durchschlag des Gateoxids zwischen dem Gate und dem Kanal des Transistors auf,
wobei ein solcher Durchschlag durch eine Spannung zwischen dem Gate und dem Substrat
hervorgerufen wird, die höher ist als eine typisch etwa 50 V betragende Gateoxid-
Durchschlagspannung. Die Auslöseschwelle ve3 des Begrenzers e3 muß infolgedessen
kleiner sein als 50 V, und der Widerstand R3 muß demzufolge gemäß den bereits
vorangehend erkannten Kriterien berechnet werden. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der
Vorrichtung gemäß Fig. 12 ist in Fig. 13 dargestellt. Solange die Spannung VE1-VN0
zwischen 0 V und der Auslöseschwelle ve3 des Begrenzers e3 liegt, wird das
Verbindungsbeinchen E3 nicht mit Strom beaufschlagt. Die Strom-Spannungs-Kennlinie hat die
Steigung Null. Jenseits der Spannung ve3 löst der Begrenzer e3 aus. Die Strom-Spannungs-
Kennlinie besitzt eine Steigung mit dem Wert 1/R3.
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Vorstehend wurde somit eine Anzahl praktischer Fälle beschrieben, in welchen das
erfindungsgemäße Prinzip Anwendung findet, d.h. Erzielen einer weitreichenden
Schutzeigenschaft für jedes der Verbindungsbeinchen der integrierten Schaltung bezüglich des
Substrats, welches einen internen, diesen Verbindungsbeinchen gemeinsamen Knoten
bildet, wobei das Substrat von der externen Bezugsspannung, mit der es üblicherweise
kurzgeschlossen ist, isoliert wird. Diese praktischen Fälle sind nicht beschränkend und
stellen lediglich Anwendungsbeispiele des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips
dar sowie Beispiele, die untereinander kombiniert werden können. Für den Ausgang
eines CMOS-Inverters werden beispielsweise die in den Fig. 8 und 10 gezeigten Beispiele
verwendet.
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Die Erfindung erlaubt, in vorteilhafter Weise das mit Polaritätsumkehrungen und
quasipermanent (mehrere Sekunden oder Minuten) angelegten positiven oder negativen
Überspannungen von etwa einhundert Volt verbundene Problem zu lösen.
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Die Struktur der Erfindung bietet auch einen wirksamen Schutz gegen durch Führen von
zu großen Strömen verursachte Auslösevorgänge parasitärer Thyristoren der integrierten
Schaltung, die zur Zerstörung der integrierten Schaltung führen; (dies ist der in der
englischsprachigen Literatur als "latch-up" bezeichnete Vorgang des Einrastens). Denn die
vorgeschlagene Struktur erlaubt, die Ursachen für das Auslösen der Thyristoren und
dessen Wirkungen zu unterdrücken:
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- Sie unterdrückt die Ursachen, da mittels der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtungen
der über eine beliebige der Verbindungsbeinchen fließende Strom immer kleiner bleibt als
ein Grenzstrom 10 von etwa 10 mA für eine Spannung kleiner als etwa einhundert Volt.
Diese Strombegrenzung ist ausreichend stark, um das Auslösen eines Thyristors zu
verhindern.
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Im Stand der Technik war immer eine in Vorwärtsrichtung betriebene Diode zwischen
einem Verbindungsbeinchen und einer internen Bezugsspannung vorhanden, welche
einen starken Strom fließen lassen konnte: ein Einrasten war dann ständig möglich.
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- Sie unterdrückt die Wirkungen, da der Strom über die Verbindungsbeinchen zu den
Spannungen V1 und V2 erfindungsgemäß immer durch die
Strombegrenzungswiderstände R0, R1, ... begrenzt wird. Es ist somit im Vergleich zum Stand der Technik zwischen
V1 und V2 kein Kurzschluß mehr möglich. Allgemein erlaubt die Struktur einer
erfindungsgemäß modifizierten integrierten Schaltung, die Schaltung gegen höhere Ströme,
die an den Verbindungsbeinchen der integrierten Schaltung in betrügerischer Absicht,
beispielsweise um die Funktion eines Speichers zu verfälschen, erzwungen werden
können, zu schützen. Diese mit Betrug verbundenen Probleme betreffen insbesondere die
Bankkarten. Die Isolation des Substrats sowie die zwischen jedem der
Verbindungsbeinchen und diesem isolierten Substrat angeordneten Schutzvorrichtungen erlauben, diese
Machenschaften restlos zu unterbinden.
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Die vorstehend beschriebenen Schutzvorrichtungen erlauben jedoch nicht, die
integrierten Schaltung gegen sehr hohe, aber sehr kurze Überspannungen zu schützen:
beispielsweise gegen elektrostatische Entladungen (typisch 2 kV während 1 µs). Sie erlauben
lediglich, gegen ("permanente") Überspannungen langer Dauer zu schützen.
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Infolgedessen wird eine Vorrichtung 201 bis 205 zum Schutz gegen elektrostatische
Entladungen stromauf der zugeordneten Schutzvorrichtung (Fig. 1) zwischen jedem der
Verbindungsbeinchen und den Substratknoten N0 hinzugefügt. Eine solche Vorrichtung
205 ist in Fig. 12 dargestellt. Sie ist zwischen dem Verbindungsbeinchen E1 und dem
Substrat angeordnet, stromauf des Begrenzungswiderstands R3 und des Begrenzers e3
der zugeordneten Vorrichtung 105 zum Schutz gegen Überspannungen.
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In dem in Fig. 12 dargestellten Beispiel ist die Vorrichtung zum Schutz gegen
elektrostatische Entladungen ein seitlich angeordneter, bipolarer Transistor bzw. Neben-
Bipolartransistor, für ein P&supmin;-Substrat ein NPN-Typ, dessen Kollektor cb mit dem
Verbindungsbeinchen E1 und dessen Emitter eb und Basis bb mit dem Substratknoten N0
verbunden sind.
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Erfindungsgemäß wird eine besondere Ausführungsform dieses Neben-Bipolartransistors
vorgeschlagen derart, daß dieser für eine Schwelle von etwa 100 V auslöst. Somit stört
er die Funktion der Vorrichtung zum Schutz gegen permanente Überspannungen nicht.
Diese besondere Ausführungsform ist in Fig. 13 geeeigt. Der Emitter eb des Transistors
ist eine mit dem Substratknoten N0 verbundene N&spplus;-Diffusion 16. Der mit dem
Verbindungsbeinchen E1 verbundene Kollektor cb des Transistors ist eine N&spplus;-Diffusion,
die
vollständig in einer N&supmin;-Wanne 15 eingebettet ist. Der Emitter und der Kollektor liegen
einander gegenüber, und das P&supmin;-Substratband, welches die Wanne 14 von dem Emitter eb
trennt, bildet die Basis bb dieses Transistors.
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Für eine negative Spannung VE1-VN0 ist die N&supmin;-Wann/P&supmin;-Substrat-Diode in
Vorwärtsrichtung ab -0,6 V durchlässig. Für eine positive Spannung VE1-VN0 leitet die N&supmin;-
Wanne/P&supmin;-Substrat-Diode bei etwa 100 V lawinenartig: Die Leitung erfolgt dann durch
einen Kollektor-Basis-Durchbruch BVcb (Breakdown Voltage collector-base), gefolgt
von einem Kollektor-Emitter-Durchbruch BVce Breakdown Voltage collector-emittor):
die typische Strom-Spannungs-Kennlinie dieses Neben-Bipolartransistors ist in Fig. 15
dargestellt.
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Die in Fig. 13 gezeigte besondere Ausführungsform besteht darin, daß die mit dem zu
schützenden Verbindungsbeinchen verbundene Diffusion vollständig in einer Wanne und
nicht nur teilweise in einer Wanne oder direkt in dem Substrat ausgebildet wird, was
erlaubt, Durchbruchspannungen von etwa 100 V zu erzielen.
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Mit der zusätzlich zu der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Struktur der integrierten
Schaltung hinzugefügten Vorrichtung zum Schutz gegen elektrostatische Entladungen
wird ein umfassender Schutz der integrierten Schaltung gegen alle möglichen externen
Vorgänge mit zerstörerischer Wirkung erzielt. Im Fall des Schutzes des
Verbindungsbeinchens V2 (Fig. 2) wird der Neben-Bipolartransistor dadurch erzeugt, daß eine mit
dem Substratknoten N0 verbundene N&spplus;-Diffusion 17 zwischen dem Substratanschluß ps
und der N&supmin;-Wanne 11 hinzugefügt wird: der so durch die Diode selbst und parallel zu der
Diode D2 in der Struktur gebildete Neben-Bipolartransistor schützt diese letztgenannte
vor elektrostatischen Entladungen.
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In der Praxis kann eine einzige Schutzvorrichtung global für mehrere
Verbindungsbeinchen desselben Typs (mit denselben Beanspruchungen), beispielsweise die Gate-
Eingänge des CMOS-Inverters, vorhanden sein, die eine einzige Vorrichtung zum Schutz
gegen elektrostatische Überbeanspruchungen und eine einzige Vorrichtung zum Schutz
gegen Überspannungen umfaßt.