JP2002270766A - Esd保護回路 - Google Patents

Esd保護回路

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JP2002270766A JP2001061820A JP2001061820A JP2002270766A JP 2002270766 A JP2002270766 A JP 2002270766A JP 2001061820 A JP2001061820 A JP 2001061820A JP 2001061820 A JP2001061820 A JP 2001061820A JP 2002270766 A JP2002270766 A JP 2002270766A
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power supply
supply voltage
esd
gate
vdd
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Kenichi Matsumoto
健一 松本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力バッファとしての機能を備えると共に4
方向のESDに対してバイパスを行って内部回路の保護
を行うことができるESD保護回路を得る。 【解決手段】 ダイオード接続されたPMOSトランジ
スタ2で、VDDプラスのESDを速やかに正側電源電
圧VDDへバイパスし、ダイオード接続されたNMOS
トランジスタ4で、VSSマイナスのESDを速やかに
負側電源電圧VSSへバイパスすると共に、ダイオード
を形成するPMOSトランジスタ3と容量C1で、VS
SプラスのESDを負側電源電圧VSSへバイパスし、
ダイオードを形成するNMOSトランジスタ5と容量C
2で、VDDマイナスのESDを正側電源電圧VDDへ
バイパスするようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路に
おいて外部との信号の入力及び/又は出力が行われるI
Oセルに関し、特に半導体集積回路のIOセルへの静電
気放電(electrostatic discharge)に対する保護回路
に関する。
【0002】
【従来の技術】通常、静電気放電(以下、ESDと呼
ぶ)に対してIOセルの保護を行うESD保護回路10
0は、図5で示すように、パッド101と正側電源電圧
VDDが印加されるVDD端子との間に接続されたPチ
ャネル型MOSトランジスタ(以下、PMOSトランジ
スタと呼ぶ)102と、負側電源電圧VSSが印加され
るVSS端子とパッド101との間に接続されたNチャ
ネル型MOSトランジスタ(以下、NMOSトランジス
タと呼ぶ)103とで構成されている。PMOSトラン
ジスタ102は、パッド101からVDD端子の方向が
順方向になるように、NMOSトランジスタ103は、
VSS端子からパッド101の方向が順方向になるよう
に、それぞれダイオード接続されている。PMOSトラ
ンジスタ102及びNMOSトランジスタ103は、出
力バッファとしての機能も果たしている。
【0003】図5のESD保護回路では、パッド101
からVDD端子への方向と、VSS端子からパッド10
1への方向といった2方向のESDに対してIOセル等
の内部回路の保護を行うことができる。しかし、VDD
端子からパッドの方向、及びパッドからVSS端子への
方向の各ESDに対しては、PMOSトランジスタ10
2及びNMOSトランジスタ103がそれぞれ逆方向と
なる。このため、PMOSトランジスタ102及びNM
OSトランジスタ103は、ブレークダウン又はパンチ
スルーを起こす場合があり、IOセル等の内部回路がE
SDによって破壊される場合があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】そこで、特開平8−2
88403号公報では、パッドから正側電源電圧VDD
の方向、負側電源電圧VSSからパッドの方向、正側電
源電圧VDDからパッドの方向、パッドから負側電源電
圧VSSの方向といった4方向のESDに対して、4種
類の保護回路を設けたものが開示されている。しかし、
特開平8−288403号公報で開示された保護回路
は、低電圧トリガーシリコン整流器をESD保護回路と
して使用しているため、4方向のESDをバイパスする
ことができるが、CMOS構造ではないため、出力バッ
ファとしての機能は有していない。このため、出力セル
の場合、ESD保護回路とは別に出力バッファをMOS
トランジスタで形成する必要があった。
【0005】本発明は、上記のような問題を解決するた
めになされたものであり、出力バッファとしての機能を
備えると共に4方向のESDに対してバイパスを行って
内部回路の保護を行うことができるESD保護回路を得
ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明に係るESD保
護回路は、外部からの信号の入力及び/又は出力が行わ
れる端子に対するESDから、該端子に接続された回路
を保護するESD保護回路において、上記端子と正側電
源電圧との間に接続されゲートが正側電源電圧に接続さ
れた第1のMOSトランジスタと、上記端子と負側電源
電圧との間に接続されゲートが負側電源電圧に接続され
た第2のMOSトランジスタと、上記端子と負側電源電
圧との間に接続されゲート及びサブストレートゲートが
それぞれ正側電源電圧に接続された第3のMOSトラン
ジスタと、該第3のMOSトランジスタにおけるゲート
と負側電源電圧との間に設けられた第1の容量と、上記
端子と正側電源電圧との間に接続されゲート及びサブス
トレートゲートがそれぞれ負側電源電圧に接続された第
4のMOSトランジスタと、該第4のMOSトランジス
タにおけるゲートと正側電源電圧との間に設けられた第
2の容量とを備えるものである。
【0007】また、上記第1から第4の各MOSトラン
ジスタ並びに第1及び第2の各容量は、異なる1対の正
側電源電圧及び負側電源電圧ごとにそれぞれ設けられる
ようにしてもよい。
【0008】具体的には、上記第1及び第3のMOSト
ランジスタは、Pチャネル型MOSトランジスタであ
り、上記第2及び第4のMOSトランジスタは、Nチャ
ネル型MOSトランジスタである。
【0009】
【発明の実施の形態】次に、図面に示す実施の形態に基
づいて、本発明を詳細に説明する。図1は、本発明の実
施の形態におけるESD保護回路の例を示した回路図で
ある。図1において、ESD保護回路1は、半導体集積
回路等で、内部回路11に接続されたパッド10に対す
るESDが、内部回路11に影響を与えないようにする
保護回路であり、PMOSトランジスタ2,3、NMO
Sトランジスタ4,5及び容量C1,C2で構成されて
いる。外部からの信号の入力及び/又は出力が行われる
パッド10と正側電源電圧VDDが印加されるVDD端
子との間には、PMOSトランジスタ2とNMOSトラ
ンジスタ5が並列に接続され、負側電源電圧VSSが印
加されるVSS端子とパッド10との間には、PMOS
トランジスタ3とNMOSトランジスタ4が並列に接続
されている。なお、負側電源電圧VSSは接地電圧であ
ってもよい。
【0010】PMOSトランジスタ2において、ゲート
とサブストレートゲートがソースと共にVDD端子にそ
れぞれ接続され、ドレインがパッド10に接続されてい
る。また、NMOSトランジスタ4において、ゲートと
サブストレートゲートがソースと共にVSS端子にそれ
ぞれ接続され、ドレインがパッド10に接続されてい
る。このように、PMOSトランジスタ2はパッド10
からVDD端子の方向に、NMOSトランジスタ4はV
SS端子からパッド10の方向にそれぞれ順方向となる
ようなダイオードをそれぞれ形成している。
【0011】次に、PMOSトランジスタ3において、
ゲートとサブストレートゲートがVDD端子にそれぞれ
接続され、ソースがVSS端子にドレインがパッド10
にそれぞれ接続されている。更に、PMOSトランジス
タ3のゲート−ソース間には容量C1が接続されてい
る。また、NMOSトランジスタ5において、ゲートと
サブストレートゲートがVSS端子にそれぞれ接続さ
れ、ソースがVDD端子にドレインがパッド10にそれ
ぞれ接続されている。更に、NMOSトランジスタ5の
ゲート−ソース間には容量C2が接続されている。
【0012】ここで、パッド10に対するESDには、
VDDプラス、VSSプラス、VDDマイナス及びVS
Sマイナスの4種類のモードがある。VDDプラスは、
パッド10に印加された正電圧の静電気が正側電源電圧
VDDへ放電するモードであり、VSSプラスは、パッ
ド10に印加された正電圧の静電気が負側電源電圧VS
Sへ放電するモードである。また、VDDマイナスは、
パッド10に印加された負電圧の静電気が正側電源電圧
VDDへ放電するモードであり、VSSマイナスは、パ
ッド10に印加された負電圧の静電気が負側電源電圧V
SSへ放電するモードである。
【0013】PMOSトランジスタ2は、VDDプラス
のESDを速やかに正側電源電圧VDDへバイパスし、
NMOSトランジスタ4は、VSSマイナスのESDを
速やかに負側電源電圧VSSへバイパスする。一方、P
MOSトランジスタ3は、VSSプラスのESDに対し
て機能するトランジスタである。VSSプラスのESD
は、負側電源電圧VSSを基準としパッド10に正電圧
が印加されるが、電源が供給されていない場合(ICチ
ップ電源オフ、又はESD印加試験時)、VDD端子が
オープンとなっていることから、PMOSトランジスタ
3のゲートは、オープン(フローティング状態)となっ
ている。
【0014】このような状態におけるPMOSトランジ
スタ3及び容量C1の動作について、図2を用いて説明
する。なお、図2は、PMOSトランジスタ3の構造例
を示した概略図である。パッド10に対するVSSプラ
スのESDは、パッド10に接続されたPMOSトラン
ジスタ3のドレインDに伝搬する。PMOSトランジス
タ3のドレインDは、Nウェル(Well)21との間に順方
向の寄生ダイオード22を形成し、VSSプラスのES
Dは、Nウェル21に伝搬する。
【0015】このため、VSSプラスのESDは、Nウ
ェル21の内部抵抗23を介して、Nウェル21に正側
電源電圧VDDを印加するためのN+拡散、すなわちサ
ブストレートゲートSGに伝搬する。更に、VSSプラ
スのESDは、サブストレートゲートSGからVDD端
子間を接続するVDDラインを介してPMOSトランジ
スタ3のゲートGに到達する。すなわち、PMOSトラ
ンジスタ3のドレインDとゲートGが、Nウェル21を
介して接続されていることになる。このような状態で
は、PMOSトランジスタ3は、ESD保護トランジス
タとしての機能を十分に発揮できず、内部回路11の破
壊要因となる。
【0016】そこで、PMOSトランジスタ3のゲート
−ソース間に容量C1を持たせることにより、PMOS
トランジスタ3のゲート電圧は、容量C1の充電電流に
よる電圧降下から負側電源電圧VSSに傾倒した電圧と
なり、PMOSトランジスタ3がオンして順方向のダイ
オードとして機能しやすくすることができる。PMOS
トランジスタ3がオンすることで、Nウェル21の電圧
が上昇する前に、VSSプラスのESDをVSS端子か
ら負側電源電圧VSSへ放電させることができる。この
ようにして、PMOSトランジスタ3及び容量C1は、
VSSプラスのESDを速やかにVSS端子から負側電
源電圧VSSへバイパスすることができる。
【0017】次に、NMOSトランジスタ5は、VDD
マイナスのESDに対して機能するトランジスタであ
る。VDDマイナスのESDは、正側電源電圧VDDを
基準としパッド10に負電圧が印加されるが、電源が供
給されていない場合(ICチップ電源オフ、又はESD
印加試験時)、VSS端子がオープンとなっていること
から、NMOSトランジスタ5のゲートは、オープン
(フローティング状態)となっている。
【0018】このような状態におけるNMOSトランジ
スタ5及び容量C2の動作について、図3を用いて説明
する。なお、図3は、NMOSトランジスタ5の構造例
を示した概略図である。パッド10に対するVDDマイ
ナスのESDは、パッド10に接続されたNMOSトラ
ンジスタ5のドレインDに伝搬する。NMOSトランジ
スタ5のドレインDは、Pウェル31との間に順方向の
寄生ダイオード32を形成し、VDDマイナスのESD
は、Pウェル31に伝搬する。
【0019】このため、VDDマイナスのESDは、P
ウェル31の内部抵抗33を介して、Pウェル31に負
側電源電圧VSSを印加するためのP+拡散、すなわち
サブストレートゲートSGに伝搬する。更に、VDDマ
イナスのESDは、サブストレートゲートSGからVS
S端子間を接続するVSSラインを介してNMOSトラ
ンジスタ5のゲートGに到達する。すなわち、NMOS
トランジスタ5のドレインDとゲートGが、Pウェル3
1を介して接続されていることになる。このような状態
では、NMOSトランジスタ5は、ESD保護トランジ
スタとしての機能を十分に発揮できず、内部回路11の
破壊要因となる。
【0020】そこで、NMOSトランジスタ5のゲート
−ソース間に容量C2を持たせることにより、NMOS
トランジスタ5のゲート電圧は、容量C2の放電電流に
よる電圧上昇から正側電源電圧VDDに傾倒した電圧と
なり、NMOSトランジスタ5がオンして順方向のダイ
オードとして機能しやすくすることができる。NMOS
トランジスタ5がオンすることで、Pウェル31の電圧
が降下する前に、VSSプラスのESDをVDD端子か
ら正側電源電圧VDDへ放電させることができる。この
ようにして、NMOSトランジスタ5及び容量C2は、
VDDマイナスのESDを速やかにVDD端子から正側
電源電圧VDDへバイパスすることができる。
【0021】一方、上記説明では、単電源の場合を例に
して説明したが、多電源の場合は、ESD保護回路1
は、図4のようになる。なお、図4では、2種類の正側
電源電圧と2種類の負側電源電圧の場合を例にして示し
ており、図1と同じものは同じ符号で示している。図4
において、ESD保護回路1aは、PMOSトランジス
タ2,3,42,43、NMOSトランジスタ4,5,
44,45及び容量C1〜C4で構成されている。PM
OSトランジスタ2,3、NMOSトランジスタ4,5
及び容量C1,C2においては、正側電源電圧VDDを
第1正側電源電圧VDD1に、負側電源電圧VSSを第
1負側電源電圧VSS1に置き換える以外は図1のES
D保護回路1と同じでありその説明を省略する。
【0022】パッド10と第2正側電源電圧VDD2が
印加されるVDD2端子との間には、PMOSトランジ
スタ42とNMOSトランジスタ45が並列に接続さ
れ、第2負側電源電圧VSS2が印加されるVSS2端
子とパッド10との間には、PMOSトランジスタ43
とNMOSトランジスタ44が並列に接続されている。
【0023】PMOSトランジスタ42において、ゲー
トとサブストレートゲートがソースと共にVDD2端子
にそれぞれ接続され、ドレインがパッド10に接続され
ている。また、NMOSトランジスタ44において、ゲ
ートとサブストレートゲートがソースと共にVSS2端
子にそれぞれ接続され、ドレインがパッド10に接続さ
れている。このように、PMOSトランジスタ42はパ
ッド10からVDD2端子の方向に、NMOSトランジ
スタ44はVSS2端子からパッド10の方向にそれぞ
れ順方向となるようなダイオードをそれぞれ形成してい
る。
【0024】次に、PMOSトランジスタ43におい
て、ゲートとサブストレートゲートがVDD2端子にそ
れぞれ接続され、ソースがVSS2端子にドレインがパ
ッド10にそれぞれ接続されている。更に、PMOSト
ランジスタ43のゲート−ソース間には容量C3が接続
されている。また、NMOSトランジスタ45におい
て、ゲートとサブストレートゲートがVSS2端子にそ
れぞれ接続され、ソースがVDD2端子にドレインがパ
ッド10にそれぞれ接続されている。更に、NMOSト
ランジスタ45のゲート−ソース間には容量C4が接続
されている。
【0025】ここで、パッド10に対するESDには、
VDD1プラス、VSS1プラス、VDD1マイナス、
VSS1マイナス、VDD2プラス、VSS2プラス、
VDD2マイナス及びVSS2マイナスの8種類のモー
ドがある。VDD1プラスは、パッド10に印加された
正電圧の静電気が第1正側電源電圧VDD1に対して放
電するモードであり、VSS1プラスは、パッド10に
印加された正電圧の静電気が第1負側電源電圧VSS1
に対して放電するモードである。また、VDD1マイナ
スは、パッド10に印加された負電圧の静電気が第1正
側電源電圧VDD1に対して放電するモードであり、V
SS1マイナスは、パッド10に印加された負電圧の静
電気が第1負側電源電圧VSS1に対して放電するモー
ドである。
【0026】同様に、VDD2プラスは、パッド10に
印加された正電圧の静電気が第2正側電源電圧VDD2
に対して放電するモードであり、VSS2プラスは、パ
ッド10に印加された正電圧の静電気が第2負側電源電
圧VSS2に対して放電するモードである。また、VD
D2マイナスは、パッド10に印加された負電圧の静電
気が第2正側電源電圧VDD2に対して放電するモード
であり、VSS2マイナスは、パッド10に印加された
負電圧の静電気が第2負側電源電圧VSS2に対して放
電するモードである。
【0027】PMOSトランジスタ2は、VDD1プラ
スのESDを速やかに第1正側電源電圧VDD1へバイ
パスし、NMOSトランジスタ4は、VSS1マイナス
のESDを速やかに第1負側電源電圧VSS1へバイパ
スする。また、PMOSトランジスタ3及び容量C1
は、VSS1プラスのESDを第1負側電源電圧VSS
1へバイパスし、NMOSトランジスタ5及び容量C2
は、VDD1マイナスのESDを第1正側電源電圧VD
D1へバイパスする。
【0028】同様に、PMOSトランジスタ42は、V
DD2プラスのESDを速やかに第2正側電源電圧VD
D2へバイパスし、NMOSトランジスタ44は、VS
S2マイナスのESDを速やかに第2負側電源電圧VS
S2へバイパスする。また、PMOSトランジスタ43
及び容量C3は、VSS2プラスのESDを第2負側電
源電圧VSS2へバイパスし、NMOSトランジスタ4
5及び容量C4は、VDD2マイナスのESDを第2正
側電源電圧VDD2へバイパスする。なお、PMOSト
ランジスタ43及び容量C3の動作は、図1及び図2に
おけるPMOSトランジスタ3及び容量C1の場合と同
様であり、NMOSトランジスタ45及び容量C4の動
作は、図1及び図3におけるNMOSトランジスタ5及
び容量C2の場合と同様であることからその説明を省略
する。
【0029】このように、本実施の形態におけるESD
保護回路は、ダイオード接続されたPMOSトランジス
タ2で、VDDプラスのESDを速やかに正側電源電圧
VDDへバイパスし、ダイオード接続されたNMOSト
ランジスタ4で、VSSマイナスのESDを速やかに負
側電源電圧VSSへバイパスすると共に、ダイオードを
形成するPMOSトランジスタ3と容量C1で、VSS
プラスのESDを負側電源電圧VSSへバイパスし、ダ
イオードを形成するNMOSトランジスタ5と容量C2
で、VDDマイナスのESDを正側電源電圧VDDへバ
イパスするようにした。このことから、出力バッファの
機能を持ちながら、4方向のESDに対して内部回路に
伝搬することなく迅速でかつ確実にバイパスさせること
ができ、半導体集積回路のESD保護能力を向上させる
ことができる。
【0030】更に、半導体集積回路が多電源構成になっ
ている場合においても、すべての方向のESDに対して
順方向のダイオードを形成することができ、多電源構成
の半導体集積回路に対するESDからの保護を容易に行
うことができる。
【0031】
【発明の効果】上記の説明から明らかなように、本発明
のESD保護回路によれば、ダイオード接続された第1
のMOSトランジスタで、VDDプラスのESDを速や
かに正側電源電圧へバイパスし、ダイオード接続された
第3のMOSトランジスタで、VSSマイナスのESD
を速やかに負側電源電圧へバイパスすると共に、ダイオ
ードを形成する第2のMOSトランジスタと第1の容量
で、VSSプラスのESDを負側電源電圧へバイパス
し、ダイオードを形成する第4のMOSトランジスタと
第2の容量で、VDDマイナスのESDを正側電源電圧
へバイパスするようにした。具体的には、上記第1及び
第3のMOSトランジスタにPチャネル型MOSトラン
ジスタを使用し、上記第2及び第4のMOSトランジス
タにNチャネル型MOSトランジスタを使用するように
した。このことから、出力バッファの機能を持ちなが
ら、4方向のESDに対して端子に接続された回路に伝
搬させることなく迅速でかつ確実にバイパスさせること
ができ、半導体集積回路に対するESD保護能力を向上
させることができる。
【0032】また、上記第1から第4の各MOSトラン
ジスタ並びに第1及び第2の各容量を、異なる1対の正
側電源電圧及び負側電源電圧ごとにそれぞれ設けるよう
にした。このことから、半導体集積回路が多電源構成に
なっている場合においても、すべての方向のESDに対
して順方向のダイオードを形成することができ、多電源
構成の半導体集積回路に対するESDからの保護を容易
に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態におけるESD保護回路
の例を示した回路図である。
【図2】 図1のPMOSトランジスタ3の構造例を示
した概略図である。
【図3】 図1のNMOSトランジスタ5の構造例を示
した概略図である。
【図4】 本発明の実施の形態におけるESD保護回路
の他の例を示した回路図である。
【図5】 従来のESD保護回路の例を示した回路図で
ある。
【符号の説明】
1,1a ESD保護回路 2,3,42,43 PMOSトランジスタ 4,5,44,45 NMOSトランジスタ C1,C2,C3,C4 容量 10 パッド 11 内部回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F038 AV06 BH03 BH04 BH07 BH13 CD08 EZ20 5F048 AA02 AB05 AB06 AB07 AC03 AC10 BA01 BE03 BE09 BF17 BF18 CC06 CC09 CC15 CC16 CC19 5J032 AA02 AC18

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外部からの信号の入力及び/又は出力が
    行われる端子に対するESDから、該端子に接続された
    回路を保護するESD保護回路において、 上記端子と正側電源電圧との間に接続され、ゲートが正
    側電源電圧に接続された第1のMOSトランジスタと、 上記端子と負側電源電圧との間に接続され、ゲートが負
    側電源電圧に接続された第2のMOSトランジスタと、 上記端子と負側電源電圧との間に接続され、ゲート及び
    サブストレートゲートがそれぞれ正側電源電圧に接続さ
    れた第3のMOSトランジスタと、 該第3のMOSトランジスタにおけるゲートと負側電源
    電圧との間に設けられた第1の容量と、 上記端子と正側電源電圧との間に接続され、ゲート及び
    サブストレートゲートがそれぞれ負側電源電圧に接続さ
    れた第4のMOSトランジスタと、 該第4のMOSトランジスタにおけるゲートと正側電源
    電圧との間に設けられた第2の容量と、を備えることを
    特徴とするESD保護回路。
  2. 【請求項2】 上記第1から第4の各MOSトランジス
    タ並びに第1及び第2の各容量は、異なる1対の正側電
    源電圧及び負側電源電圧ごとにそれぞれ設けられること
    を特徴とする請求項1記載のESD保護回路。
  3. 【請求項3】 上記第1及び第3のMOSトランジスタ
    は、Pチャネル型MOSトランジスタであり、上記第2
    及び第4のMOSトランジスタは、Nチャネル型MOS
    トランジスタであることを特徴とする請求項1又は2記
    載のESD保護回路。
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