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Die
Erfindung betrifft integrierte Schaltungen, die gefährdet sind
bezüglich
Störungen
oder der Zerstörung
in Gegenwart von elektrostatischen Entladungen, und zwar insbesondere
mit der MOS-Technologie hergestellte Schaltungen (Metalloxid-Halbleiter).
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Elektrostatische
Entladungen können manchmal
einfach dadurch auftreten, dass ein Benutzer die äußeren Zugangsklemmen
zu dem Chip der integrierten Schaltung berührt. Diese Gefahr kann sehr
groß werden
in dem Fall von häufig
benutzten integrierten Schaltungen, und dies beispielsweise der
Fall von Schaltungen, die in Chipkarten eingebaut sind: nicht nur
die Chipkarten werden viel benutzt, sondern die Zugangskontakte
sind auch direkt ohne eine mechanische Schutzvorrichtung zugänglich.
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Zum
Schutz integrierter Schaltungen vor Gefahren der elektrostatischen
Entladung ist es bekannt, insbesondere auf dem Chip elektronische Schutzvorrichtungen
anzuordnen; wobei diese jeweils in unmittelbarer Nähe zu einem
jeweiligen Zugangsanschluss angeordnet sind. Jede Schutzvorrichtung
ist zwischen einem Zugangsanschluss und einem Messeanschluss (oder
in Ausnahmefällen
zwischen einem Zugangsanschluss und einem anderen Versorgungsanschluss)
verbunden. Die Anschlüsse, die
dafür bestimmt
sind, ein Eingangssignal mit hoher Eingangsimpedanz zu empfangen,
unterliegen insbesondere dieser Anordnung.
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1 stellt
die allgemeine Konfiguration eines Chips einer integrierten Schaltung
dar, die mit IC bezeichnet ist, und die einen zentralen Bereich
UC umfasst, in welchem sich der Nutzbereich der Schaltung befindet,
und einen Umgebungsbereich, der den zentralen Bereich umgibt und
die Zugangsanschlüsse
aufweist, welche ermöglichen,
die integrierte Schaltung mit dem Außenbereich zu verbinden. Die Anschlüsse sind
allgemein dafür
bestimmt, verschweißte
Drähte
aufzunehmen. Jeder Anschluss ist mit dem Nutzbereich UC der integrierten
Schaltung verbunden, um ihr ein Spannungs- oder Stromsignal zu übermitteln
oder umgekehrt ein Signal von ihr zu empfangen. In 1 ist
mit Pj einer dieser Anschlüsse
bezeichnet, der über
einen Leiter Cj mit einem Eingang Ej des Nutzbereichs der integrierten Schaltung
verbunden ist. Nachfolgend wird mit „Eingang Ej" irgendein Schaltpunkt
bezeichnet, der mit einem Anschluss Pj verbunden werden soll, selbst wenn
dieser „Eingang" funktional tatsächlich ein
Signalausgang nach außen
anstatt ein von außen
kommender Signaleingang ist. Mit P1 ist ein Masseanschluss bezeichnet
worden, der normaler Weise auf einer niedrigen Spannung Vss gehalten
wird, und mit P2 ein Versorgungsanschluss, der eine Versorgungsspannung
Vcc liefert. Der Anschluss P1 ist allgemein mit einem Leiterbus
BM verbunden, der die Massespannung ganz um den Chip herum transportiert,
um sie an unterschiedliche Stellen der Schaltung zu bringen, die
diese Spannung benötigen.
Allgemein gilt das gleiche für
den Versorgungsanschluss mit Vcc. Allerdings ist kein Vcc-Bus dargestellt,
um 1 nicht zu verkomplizieren.
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In
klassischer Weise sind die Schutzvorrichtungen gegen elektrostatische
Entladungen in dem Umgebungsbereich der integrierten Schaltung angeordnet,
und zwar in unmittelbarer Nähe
zu jedem zu schützenden
Anschluss.
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Die
Schutzvorrichtung für
einen Anschluss umfasst allgemein einen Spannungsbegrenzer, der zwischen
dem zu schützenden
Anschluss und der gemeinsamen Masseklemme angeschlossen ist; seine
Hauptfunktion besteht darin, sofort zum Leiter zu werden, wenn die
Spannung an seinen Klemmen eine bestimmte Schwelle überschreitet.
Er leitet somit die Energie der empfangenen elektrostatischen Entladung
an die Masse ab. Dieses Begrenzungselement weist natürlich eine
bessere Widerstandsfähigkeit
gegenüber
der empfangenen Energie auf als die anderen Elemente der integrierten
Schaltung, und es ist außerdem
dafür eingerichtet
zum Leiter zu werden, bevor die zu schützenden Elemente eine schädliche Überspannung
empfangen.
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2 stellt
die einfachste Konfiguration dar, die allgemein verwendet wird,
um einen Anschluss Pj zu schützen,
der über
einen Leiter Cj mit einem Eingang Ej des Nutzbereichs der integrierten
Schaltung verbunden ist. Der Eingang Ej ist ein Punkt eines Schaltelementes
ELj, das einerseits mit dem Anschluss Pj verbunden werden soll für den normalen Betrieb
der integrierten Schaltung, und das andererseits vor elektrostatischen
Entladungen geschützt werden
soll. Das Element ELj ist beispielsweise einfach ein Transistor
der integrierten Schaltung und der Eingang Ej kann das Gitter dieses
Transistors sein, das keine zu starken Spannungen aushalten kann. Es
könnte
sich auch um eine Transistorquelle oder ein Transistordrain handeln, die
als Signaleingang oder -ausgang bei einer Kommunikation mit dem
Außenbereich
fungieren.
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In
unmittelbarer Nähe
zu dem Anschluss Pj und in dem Umgebungsbereich der integrierten Schaltung
angeordnet befindet sich ein Begrenzer EC1j. Er ist zwischen dem
Anschluss Pj und dem Massebus BM angeschlossen, welcher in der Nähe zu dem
Anschluss verläuft.
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Die
elektrostatischen Entladungen, die ausreichen, um das Leiten des
Begrenzers EC1j auszulösen,
werden zu dem Massebus BM hin abgelenkt, wodurch verhindert wird,
dass auf dem Leiter Cj und somit an dem Eingang Ej übermäßige Spannungen auftreten.
Die Anordnung ist so beibehalten für die anderen zu schützenden
Anschlüsse,
wobei für
jeden Anschluss ein Begrenzer in der Nähe des Anschlusses angeordnet
ist, welcher zwischen dem Anschluss und dem Massebus BM angeschlossen
ist.
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Das
Begrenzungselement kann eine einfache Diode sein, deren Anode mit
dem Massebus und deren Kathode mit dem zu schützenden Anschluss verbunden
ist (es wird angenommen, wie es fast immer der Fall ist, dass die
Masseklemme die negativste Versorgungsklemme ist; falls dies nicht
so ist, müssen
die Anschlüsse
umgedreht werden).
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Die
Diode bleibt normalerweise blockiert solange die Spannung an der
zu schützenden
Klemme nicht eine Lawinenauslöseschwelle überschreitet. Wenn
die Schwelle überschritten
wird, wird die Diode leitend und absorbiert den Strom der elektrostatischen
Ladung, der sie leitend gemacht hat. Der Begrenzer kann auch ein
Transistor sein.
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Man
hat festgestellt, dass diese Art des Schutzes nicht immer zufrieden
stellend arbeitet, insofern als Störungen oder Zerstörungen auftreten konnten,
wenn elektrostatische Entladungen auf die zu schützenden Anschlüsse einwirkten.
Eine weitere integrierte Schaltung ist in der
EP324125 beschrieben.
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Wirksamkeit der elektrostatischen
Schutzvorrichtungen zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
einen weiteren Spannungsbegrenzer in dem Nutzbereich der integrierten
Schaltung in unmittelbarer Nähe
zu einem zu schützenden
Schaltelement anzuordnen. Dieser zweite Begrenzer muss keine große Stromableitkapazität aufweisen;
er kann wesentlich weniger sperrig ausgebildet sein als der erste,
so dass er ohne größere Probleme
im Inneren der integrierten Schaltung angeordnet werden kann, und
zwar da, wo sich ein besonders zu schützendes Schaltelement (beispielsweise
ein Transistoreingangsgitter) befindet. Seine Auslösespannung
ist vorzugsweise die gleiche wie diejenige des ersten Begrenzers
und sein Wert wird natürlich
in Abhängigkeit
von der Spannungshöhe
gewählt,
die er ohne Schaden zu dem zu schützenden Schaltelement leiten
kann.
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Das
Vorhandensein dieses zweiten Begrenzers verbessert den Schutz, indem
die Auswirkungen des linearen Widerstandes des Massebusses begrenzt
werden, wie später
erläutert
werden wird.
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Folglich
schlägt
die Erfindung, wie in dem Anspruch beansprucht, eine integrierte
Schaltung mit einem zentralen Nutzbereich vor, der von einem Umgebungsbereich
umgeben ist, wobei der Umgebungsbereich Zugangsanschlüsse aufweist,
die jeweils mit in dem zentralen Nutzbereich angeordneten zu schützenden
Schaltelementen verbunden sind, wobei eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung
in Nähe
zu jedem Anschluss in dem Umgebungsbereich angeordnet ist und diesen
Anschluss mit einem gemeinsamen Massebus verbindet, und mit einem zweiten,
in dem zentralen Nutzbereich der integrierten Schaltung, in unmittelbarer
Nähe zu
dem zu schützenden
Schaltelement angeordneten Spannungsbegrenzer für bestimmte Anschlüsse, die
mit einem jeweiligen zu schützenden
Schaltelement verbunden sind, um die Auswirkungen des linearen Widerstandes
des Massebusses zu begrenzen.
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Ein
zweiter Begrenzer ist nicht für
alle Anschlüsse
erforderlich, wie zu sehen ist: die zu schützenden Schaltelemente, die
geographisch sehr nahe an dem Anschluss liegen, mit dem sie verbunden sind,
können
nur einen Begrenzer benutzen; die Elemente, die weiter entfernt
liegen, verwenden erfindungsgemäß einen
zweiten Begrenzer.
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Andererseits
können
die zu schützenden Schaltelemente,
die mit Anschlüssen
verbunden sind, welche selbst ausreichend nah an dem zu schützenden
Anschluss liegen, nur einen einzigen Begrenzer verwenden, der in
dem Umgebungsbereich angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist ein Widerstand zwischen einem jeweiligen Anschluss und dem Schaltelement angeordnet,
das diesem Anschluss entspricht, und das geschützt werden soll. Er begrenzt
den Strom, der zu diesem Element hin geleitet wird und führt einen
Spannungsabfall zwischen dem Anschluss und dem zweiten Begrenzer
ein, sobald ein Strom in dem zweiten Begrenzer fließt.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der Lektüre der detaillierten,
nachfolgenden Beschreibung hervorgehen, die unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen erstellt ist, in welchen:
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1,
die bereits beschrieben wurde, die allgemeine Konfiguration einer
integrierten Schaltung darstellt;
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2 die
klassische Anordnung eines Schutzbegrenzers in der Nähe zu einem
Anschluss darstellt;
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3 die
Konfiguration der in einer integrierten Schaltung eingesetzten erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung
darstellt.
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Bei
Betrachtung dessen, was im Verlauf einer elektrostatischen Entladung
in der Schutzvorrichtung der 2 abläuft, stellt
man fest, dass wenn der von dem Spannungsbegrenzer EC1j abgeleitete Entladungsstrom
stark ist, er einen großen
Spannungsabfall in dem Massebus BM zwischen dem zu schützenden
Anschluss Pj und dem Masseanschluss P1 hervorruft.
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In
der Tat bewirkt die elektrostatische Entladung an dem Anschluss
Pj, dass der Begrenzer EC1j leitend wird, wodurch er den Entladungsstrom
zu dem Massebus BM und von dort zu dem Masseanschluss P1 ableitet.
Der Massebus ist ein Aluminiumleiter, der auf der integrierten Schaltung
angeordnet ist, und dessen linearer Widerstand nicht Null ist. Die Breite
des Busses ist in der Tat durch Platz sparende Überlegungen begrenzt; sie kann
ungefähr
zwanzig Mikrometer erreichen, aber kaum mehr; die Dicke des Busses
ist durch die Technologie für
alle Leiter der Schaltung definiert und liegt in der Größenordnung
von einem Mikrometer.
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Der
Widerstand des Massebusses führt, auch
wenn er gering ist, zu einem Spannungsabfall, der umso größer ist
desto weiter der Anschluss P1 von dem Anschluss Pj entfernt liegt,
der dem zu schützenden
Schalteingang Ej entspricht. Die von dem Entladungsstrom durchlaufene
Länge des
Busses BM kann mehrere Millimeter betragen.
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Daraus
folgt, dass der Spannungsunterschied zwischen dem Anschluss Pj und
dem Masseanschluss P1, der den Entladungsstrom ableitet, nicht die
von dem Begrenzer EC1j auferlegte Spannung VM ist, sondern die Summe
aus der Spannung VM und dem Spannungsabfall RI in dem Bereich des Busses
BM, der zwischen den Anschlüssen
Pj und P1 liegt. Dieser Spannungsabfall kann mehrere Volt oder sogar
mehrere Volt im zweistelligen Bereich bei starken Entladungen betragen.
Der Eingang Ej im Inneren der integrierten Schaltung ist somit einer
Spannung ausgesetzt, die im wesentlichen gleich dieser Summe ist,
und diese Spannung kann in bestimmten Fällen erheblich zu hoch sein.
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Deshalb
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
einen zweiten Begrenzer in der Nähe
des zu schützenden
Eingangs Ej, also in dem Nutzbereich UC der integrierten Schaltung
anzuordnen.
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3 stellt
eine erfindungsgemäße Anordnung
dar, die zum Schutz eines Eingangs Ej eingesetzt ist, welcher mit
einem Anschluss Pj verbunden ist. Das Schaltelement ELj, dessen
Eingang Ej zu schützen
ist, ist dort noch in dem Nutzbereich UC der integrierten Schaltung
angeordnet; es liegt entfernt von dem Anschluss Pj und ist über den
Leiter Cj und, wie später
zu sehen sein wird, über
einen Widerstand Rj verbunden.
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Der
Eingang Ej wird noch von einem Begrenzer EC1j geschützt, der
identisch zu demjenigen ist, der bezüglich der 2 beschrieben
wurde. Dieser Begrenzer ist in dem Umgebungsbereich der integrierten
Schaltung zwischen dem Anschluss Pj und dem Massebus BM angeordnet.
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Ein
zweiter Begrenzer EC2j ist dahingegen in dem Nutzbereich UC angeordnet
und er ist vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des zu schützenden Schaltelementes
ELj angeordnet. Er ist einerseits mit dem Eingang Ej und andererseits
mit einem mit dem Massebus BM verbundenen Leiter Cm verbunden.
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Ein
Widerstand Rj ist in Reihe mit dem Leiter Cj zwischen dem Anschluss
Pj und dem Eingang Ej des Schaltelementes ELj angeordnet. Sein Wert kann
von einigen Hundert bis zu einigen Tausend Ohm betragen. Sein oberer
Wert ist nach oben nur in dem Fall begrenzt, wenn die Eingangsimpedanz
des Elementes ELj gering ist. In diesem Fall führt der Widerstand Rj tatsächlich zu
einem Spannungsabfall bei normalem Betrieb und dieser Spannungsabfall muss
begrenzt werden, damit der Betrieb annehmbar bleibt. Wenn aber der
Eingang Ej ein Transistorgitter mit Feldwirkung oder ein anderes
Element mit großer Eingangsimpedanz
ist, ist der Wert des Widerstandes Rj nicht kritisch; er wird ausreichend
hoch gewählt,
um den Strom in dem zweiten Begrenzer EC2j auf einen annehmbaren
Wert zu begrenzen (der von den Abmessungen des Begrenzers EC2j abhängt).
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Die
erfindungsgemäße Schutzvorrichtung funktioniert
wie folgt: wenn eine elektrostatische Entladung den Zugangsanschluss
Pj erreicht, wird der erste Begrenzer EC1j zum Leiter und nimmt
den größten Teil
des Stromes der Entladung auf. Der Widerstand des Massebusses kann
in der Größenordnung
von 50 Milliohm pro Quadrat liegen. Für einen Massebus BM von 20
Mikrometern Breite und mit einer Länge von 2 Millimetern zwischen
dem Anschluss Pj und dem Masseanschluss P1 entspricht dies 100 Längenquadraten,
d.h. einem Widerstand von ungefähr
5 Ohm. Wenn der Entladungsstrom einige Ampere beträgt, kann
ein Spannungsabfall von mehreren Volt (beispielsweise um die zwanzig
Volt für
einen Strom von 4 Ampere) in dem Massebus BM zwischen dem Anschluss
P1 und dem Anschluss Pj auftreten.
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Dieser
Spannungsabfall addiert sich zu der Spannung an den Klemmen des
ersten Begrenzers, um einen Spannungsunterschied zwischen dem Eingang
Ej und dem Massepotential herzustellen. Diese Spannung wäre zu hoch
und würde
die Gefahr bergen, die Zerstörung
der integrierten Schaltung herbeizuführen. Aber diese Summe aus
Spannungen wird ebenfalls an die Klemmen des zweiten Begrenzers
EC2j geleitet, und zwar mittels der Leiter Cj und Cm. Der zweite
Begrenzer wird zum Leiter, bevor diese Spannungssumme kritisch wird.
Dies findet insbesondere in dem Fall statt, wo die Leitschwellenspannung
des zweiten Begrenzers die gleiche ist wie diejenige des ersten
Begrenzers, aber auch in dem Fall, wo sie ein wenig höher ist.
Die Energie der Entladung des zweiten Begrenzers (die ein Teil der
Gesamtenergie der elektrostatischen Entladung ist) wird dann zu
dem Masseleiter Cm hin abgeleitet. Das Schaltelement ELj wird somit
geschützt.
Der Strom, der verbraucht wird, um den zweiten Begrenzer leitend
zu machen, wird durch den Widerstand Rj begrenzt. Der zweite Begrenzer
kann somit eine begrenzte Größe aufweisen.
Der Hauptstrom der Entladung wird weiterhin über den ersten Begrenzer zu
dem Masseanschluss P1 hin abgeleitet, aber die schädliche Wirkung
des Widerstands des Massebusses wird weitgehend eliminiert.
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Obwohl
es möglich
gewesen wäre,
einen einzigen Begrenzer vorzusehen, der auch der zweite Begrenzer
gewesen wäre,
der in dem Nutzbereich UC der integrierten Schaltung angeordnet
ist, wird bevorzugt, dass ein Hauptbegrenzer (derjenige, der in
der Lage ist, den größten Teil
des Entladungsstromes abzuleiten) in dem Umgebungsbereich der Schaltung
verbleibt, wobei der zweite Begrenzer nur eine Hilfsfunktion übernimmt.
In der Tat ist es vorzuziehen, die Bereiche mit starkem Strom oder
starker Spannung außerhalb
des aktiven Bereiches der Schaltung einzugrenzen. Dies verbessert
die Widerstandsfähigkeit
der Schaltung gegenüber
ungewolltem Auslösen
von Störthyristoren,
die in der integrierten Schaltung vorhanden sind. Dies vermeidet
auch, dass die Ladungsträger,
die von dem Begrenzer im Verlauf der Entladung abgestrahlt werden,
die interne Logik beschädigen
(Zerstörung
von Transistoren, Störprogrammierung
von Speicherpunkten etc.). Wenn der erste Begrenzer nicht vorhanden
wäre, würde der
gesamte Entladungsstrom genau in der Mitte des Nutzbereiches der
integrierten Schaltung fließen.
Man müsste
somit Metallleitungen, die mit dem Masseanschluss P1 verbunden sind,
in das Innere der Schaltung ziehen, wobei diese Leitungen ausreichend
groß sind,
um einem Strom von mehreren Ampere standzuhalten, was sehr Platz
raubend ist.
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Die
Begrenzungsspannung des ersten Begrenzers liegt vorzugsweise zwischen
10 Volt und 20 Volt. Die Wahl dieser Spannung wird so vorgenommen,
dass die in diesem Begrenzer abgestrahlte Energie ausreichend niedrig
ist. Der zweite Begrenzer, der nach dem Widerstand Rj angeordnet
ist, legt die Restentladungsspannung, die im Inneren des Nutzbereiches
der integrierten Schaltung noch vorhanden ist, fest. Eine Entladungsspannung
von 15 Volt ist allgemein annehmbar für klassische integrierte Schaltungen
der Technologie CMOS auf Silicium.
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Der
Widerstand Rj ist vorzugsweise von einer Diffusion der Art N+ in
einem Substrat der Art P ausgeführt.
Er begrenzt den Strom in dem zweiten Begrenzer und kann einen Wert
von einigen Kilohm aufweisen. Der Strom wird auf einige Milliampere oder
maximal einige Milliampere im zweistelligen Bereich begrenzt, was
ermöglicht,
einen Platz sparenden Begrenzer EC2j herzustellen.
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Der
Begrenzer EC2j, wie der Begrenzer EC1j, kann von einer Diode gebildet
sein, die im Falle der übermäßigen Spannung
abrupt im Strom steigt, oder auch von einem Transistor oder sogar
einem Thyristor.