JP4857834B2 - Input protection circuit - Google Patents
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本発明は、入力端子にサージ電圧が印加された場合、内部回路が破壊されないように保護するための入力保護回路に関する。 The present invention relates to an input protection circuit for protecting an internal circuit from being destroyed when a surge voltage is applied to an input terminal.
半導体集積回路の入力端子にサージ電圧が印加された場合、内部回路が破壊されないように保護するための入力保護回路の一構成例を図10に示す。半導体集積回路の入力端子1,2は、夫々内部回路3,4に接続されている。内部回路3,4は、例えばトランジスタやオペアンプ,コンパレータなどである。そして、入力端子1,2には、ダイオード5,6(D1,D2)のアノードが夫々接続されていると共にダイオード7,8(D4,D5)のカソードが夫々接続されている。
ダイオード7,8のアノードは回路グランドに接続されていると共に、ダイオード5,6のカソードはNチャネルLD(Lateral Diffused)MOSFET9(Q1)のドレイン,ソースを介して回路グランドに接続されている。FET9のドレイン,ゲート間にはツェナーダイオード10が接続され、ゲート,ソース間には抵抗11(R1)が接続されている。以上が入力保護回路12を構成している。
FIG. 10 shows a configuration example of an input protection circuit for protecting the internal circuit from being destroyed when a surge voltage is applied to the input terminal of the semiconductor integrated circuit.
The anodes of the
そして、入力端子1又は2に正極性のサージ電圧が印加され、ツェナーダイオード10に印加される電圧がツェナー電圧VZを超えると、ツェナーダイオード10が導通して抵抗11に端子電圧が発生し、FET9がONする。すると、サージ電流が入力端子1又は2からFET9を介して回路グランドに流れるため、内部回路3又は4を保護することができる。
尚、特許文献1には、図10に示す保護回路を複数の入力端子について夫々設けた場合に、それらを連結した状態で動作させる構成が開示されている。
以上のように構成される入力保護回路12によれば、正極性サージ電圧の印加に対しては保護動作が可能であるが、例えば車両に搭載されるECU(Electronic Control Unit)等のICにおいて、フィールド・ディケイのような負極性のサージ電圧が印加された場合は保護できない。上記構成を、単純に負極性サージについても適用することを想定すると、図11に示す構成となる。即ち、図11は入力端子1についてのみ示すが、回路グランドとダイオード7のアノードとの間にNチャネルLDMOSFET13を接続し、FET13のドレイン,ゲート間、ゲート,ソース間にツェナーダイオード14(D6),抵抗15(R2)を接続する。
According to the
しかしながら、上記のような回路を設けたとしても、回路全体をIC化する場合に各回路素子をPN接合分離によって形成すると、端子間における逆流防止用のダイオード7には寄生ダイオード7aが形成される(図12参照)。従って、入力端子1に負極性のサージ電圧(例えば、−100V程度)が印加されると、寄生ダイオード7aを介してグランドからサージ電流が流れてしまうため、入力保護回路を構成するFET14はONしない。
この場合、寄生ダイオード7aはそれ程大きな電流を流すことに耐えられないため、熱的に破壊されてしまう場合がある。斯様な事情から、従来は負極性のサージ電圧に対応した保護回路も含めてIC化することは困難であり、別途外付けのディスクリート素子を用いて保護対策を行うことになる。その結果、回路全体が大型化してコストアップを招くという問題があった。
However, even if the circuit as described above is provided, when each circuit element is formed by PN junction isolation when the entire circuit is integrated, a
In this case, since the
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、入力端子に負極性のサージ電圧が印加された場合でも内部回路を保護できる入力保護回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an input protection circuit capable of protecting an internal circuit even when a negative surge voltage is applied to an input terminal.
請求項1記載の入力保護回路によれば、入力端子に負極性のサージ電圧が印加された場合に保護動作を行うための第2ダイオード及び第2クランプ回路を備え、各回路素子を、他の回路素子の形成領域と互いに絶縁されている領域内に形成する。従って、各回路素子には、PN接合分離により形成した場合のような寄生ダイオードが形成されることがなく、負極性サージ電圧が印加された場合には第2クランプ回路が動作し、回路グランドから入力端子に至る電流経路を形成してサージ電流を流すので、内部回路を保護することができる。
そして、入力端子に正極性,負極性のサージ電圧が印加された場合は、第1,第2バイアス回路が夫々第1,第2トランジスタをONさせて、回路グランドから入力端子に至る電流経路を形成するので、第1,第2トランジスタを介してより大きなサージ電流を流すことができる。
また、第1,第2トランジスタを、基板上で最も外周側となる領域に配置し、入力端子を、第1,第2トランジスタと内部回路との間に配置する。即ち、本発明の構成を採用する場合、入力端子には、第1,第2ダイオードと内部回路とが接続されることになり、第1,第2トランジスタを入力端子と内部回路の配置領域との間に配置すると、入力端子−内部回路間の配線を、上記トランジスタの配置領域を迂回させて行う必要が生じる。
従って、上記トランジスタの配置領域を最外周側とすれば、入力端子−ダイオード−内部回路間の配線接続が容易になると共に、トランジスタ−ダイオード間の配線は各入力端子パッドの間を通して行うことができるので、全体の配線が容易となり、チップサイズの増大を抑制できる。
According to the input protection circuit of
When a positive or negative surge voltage is applied to the input terminal, the first and second bias circuits turn on the first and second transistors, respectively, and a current path from the circuit ground to the input terminal is established. Since it is formed, a larger surge current can flow through the first and second transistors.
In addition, the first and second transistors are arranged in a region on the outermost side on the substrate, and the input terminal is arranged between the first and second transistors and the internal circuit. That is, when the configuration of the present invention is adopted, the first and second diodes and the internal circuit are connected to the input terminal, and the first and second transistors are arranged in the region where the input terminal and the internal circuit are arranged. If it is arranged between the two, the wiring between the input terminal and the internal circuit needs to be detoured around the transistor arrangement region.
Therefore, if the transistor is disposed on the outermost peripheral side, the wiring connection between the input terminal, the diode and the internal circuit can be facilitated, and the wiring between the transistor and the diode can be made between the input terminal pads. Therefore, the entire wiring becomes easy and an increase in chip size can be suppressed.
請求項2記載の入力保護回路によれば、各回路素子を、SOI基板上で絶縁膜材料によりトレンチ分離した領域に形成するので、各素子の形成領域を確実に絶縁することができる。 According to the input protection circuit of the second aspect, since each circuit element is formed in the trench-isolated region by the insulating film material on the SOI substrate, the formation region of each element can be reliably insulated.
請求項3記載の入力保護回路によれば、第1,第2クランプ回路を夫々複数直列に接続するので、より大きなレベルのサージ電圧が印加された場合にも対応することができる。
請求項4記載の入力保護回路によれば、第1,第2クランプ回路を夫々複数並列に接続するので、電流耐量を向上させて、サージ電圧が印加された際により大きなサージ電流を流すことができる。
According to the input protection circuit of the third aspect , since a plurality of first and second clamp circuits are connected in series, it is possible to cope with a case where a surge voltage of a larger level is applied.
According to the input protection circuit of
(第1実施例)
以下、本発明を車両に搭載されるICに適用した場合の第1実施例について図1及び図2を参照して説明する。尚、図10,図11と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。本実施例の入力保護回路21は、図10に示す回路を、SOI(Silicon On Insulator)基板上において絶縁膜材料によりトレンチ分離した領域に形成する。
(First embodiment)
A first embodiment in which the present invention is applied to an IC mounted on a vehicle will be described below with reference to FIGS. The same parts as those in FIGS. 10 and 11 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted, and only different parts are described below. The
図2は、例えばダイオード7(第2ダイオード)付近の構造を、半導体基板の模式的な断面により示したものである。支持基板としてのP型シリコン基板22の上には、アイソレーション層としてのSiO2 膜23が形成され、その上にN- シリコン層24が形成されており、これらはSOI基板25を構成している。そして、SOI基板25の表層部にP型領域26、N型領域27が形成され、ダイオード7が構成されている。
FIG. 2 shows, for example, the structure near the diode 7 (second diode) by a schematic cross section of a semiconductor substrate. An
そして、ダイオード7と、その他の回路素子との間はトレンチ素子分離構造により電気的分離(絶縁)が図られている。トレンチ素子分離構造は、最初にダイオード7の周りに、N- 層24とを貫きSiO2 膜23まで達する狭いトレンチ(溝)28をエッチングで設ける。次に、その内側を酸化してSiO2 膜(絶縁膜材料)で覆い(図示せず)、溝28内にポリシリコン(絶縁膜材料)29等を充填して形成される。素子間及び素子とP型シリコン基板22とを隔てるSiO2 膜23、29は良質な絶縁体であるために、それらを通して流れる漏れ電流は極めて僅かになる。
The
尚、ツェナーダイオード10,14(第1,第2バイアス回路)のツェナー電圧は、例えば60〜70V程度に設定される。また、FET9(第1トランジスタ),ツェナーダイオード10(第1バイアス回路)及び抵抗素子11(第1バイアス回路)のセットをクランプ回路42P(第1クランプ回路)と称し、FET13,ツェナーダイオード14及び抵抗素子15のセットをクランプ回路42N(第2クランプ回路)と称する。
Note that the Zener voltage of the Zener
次に、本実施例の作用について説明する。正極性のサージ電圧が印加された場合の回路動作は、図10に示す入力保護回路12と全く同様である。一方、車両に搭載される電子回路に対して発生するフィールド・ディケイのような負極性のサージ電圧が入力端子1に印加されると、ツェナーダイオード14が導通して抵抗素子15(第2バイアス回路)の両端に電圧を発生させる。すると、FET13(第2トランジスタ)がONするので、回路グランドからFET13,ダイオード7を介して入力端子1に至る電流経路が形成され、サージ電流が流れる。この時、サージ電圧はツェナーダイオード14のツェナー電圧及び抵抗素子15の端子電圧によってクランプされるので、内部回路3は保護される。
Next, the operation of this embodiment will be described. The circuit operation when a positive surge voltage is applied is exactly the same as that of the
以上のように本実施例によれば、入力保護回路21を構成する各回路素子を、SOI基板25上にトレンチ分離で形成された領域内に形成することで、PN接合分離によって形成する場合のような寄生トランジスタが形成されることがなく、各素子の形成領域を確実に絶縁することができる。
そして、負極性のサージ電圧が入力端子1に印加されると、クランプ回路42Nを構成するツェナーダイオード14が導通してFET13をONさせるので、回路グランドから入力端子1に至る電流経路を形成して内部回路3を保護することができる。従って、入力保護回路21全体を容易にIC化することができ、回路サイズを増大させることなくコストダウンを図ることができる。また、クランプ動作時には、FET13を介して比較的大きなサージ電流を流すことができる。
As described above, according to the present embodiment, each circuit element constituting the
When a negative surge voltage is applied to the
(第2実施例)
図3乃至図6は本発明の第2実施例を示すものであり、第1実施例と異なる部分について説明する。第2実施例は、入力保護回路21をIC化する場合に、各素子の回路配置(レイアウト)に特徴を備えた構成を示す。
(Second embodiment)
3 to 6 show a second embodiment of the present invention, and different portions from the first embodiment will be described. In the second embodiment, when the
ここで、図5及び図6は、入力保護回路21を、極一般的に行われている回路配置に従ってIC化した場合を示す。ICチップ31において、入力端子1,2に相当するパッド32a,32bは、ワイヤボンディングを行うためチップ31の最外周部分(夫々図中左辺,上辺部分)に配置され、内部回路領域33はその内側に配置される。そして、サージの吸収経路となる配線は、極力太く且つ短くすることが好ましい。
従って、パッド32aと内部回路領域33の左辺側との間には、ダイオード5〜7などの形成領域34aと、プラスサージ吸収用のFET9などの形成領域35aとが並べて配置される。一方、パッド32bと内部回路領域33の上辺側との間には、ダイオード形成領域34bと、マイナスサージ吸収用のFET13などの形成領域35bとが配置されている。
Here, FIG. 5 and FIG. 6 show a case where the
Accordingly, between the
図6は、図5の配置を図1相当部分のみ示すものである。パッド32aから延びる配線L1,L2は、ダイオード形成領域34a内のダイオードに接続した後、FET形成領域35aを超えて内部回路領域33に接続する必要がある。配線層を十分に用意することができる場合は問題ないが、配線の自由度が限られておりFET形成領域35aを直接跨ぐことができなければ、配線L1,L2は当該領域35aを迂回して引き回す必要がある。即ち、この場合、配線L1,L2のためのスペースを余分に確保するためチップサイズをより大きくしなければならなくなる。そして、他のパッド32についても同様のスペースが必要であるから、入力端子数が増えるほどICチップ31のサイズが増大してしまうことになる。
FIG. 6 shows only the portion corresponding to FIG. 1 in the arrangement of FIG. The wirings L1 and L2 extending from the
そこで、第2実施例のICチップ41では、図3に示すように、最外周部にFET形成領域35a,35bを配置し、内部回路領域33との間に、パッド32及びダイオード形成領域34を配置する。斯様な配置構成を採用すると、図4に示すように、パッド32a(入力端子1)から延びる配線は、ダイオード形成領域34a(ダイオード5,7)を経由して直接内部回路領域33(内部回路3)に接続することが可能となる。
Therefore, in the
この場合、ダイオード形成領域34aとFET形成領域35aとが離れてしまうが、両者間の配線は、パッド32aの間を通して行うことができる。また、パッド32aの間隔は狭いが、図4に示すようにダイオードの共通接続点との配線を複数にすることで、電流耐量を確保することは可能である。そして、パッド32aと図示しないリードとのワイヤボンディングは、FET形成領域35を飛び越して行うようにすれば良い。
In this case, the
以上のように第2実施例によれば、ICチップ41において、FET9,13を、最も外周側となる領域に配置したので、入力端子1,2−ダイオード5〜8−内部回路3,4間の配線接続が容易になると共に、FET9,13−ダイオード5〜7間の配線は各入力端子に対応するパッド32の間を通して行えるので、全体の配線が容易となり、チップサイズの増大を抑制することができる。
As described above, according to the second embodiment, in the
(第3実施例)
図7は本発明の第3実施例を示すものであり、第1実施例と異なる部分について説明する。第3実施例の入力保護回路43は、クランプ回路42P,42Nを夫々2段直列に接続して構成されている。以上のように構成された第3実施例によれば、より高いレベルのサージ電圧が印加された場合にも対応することができる。
(Third embodiment)
FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention, and different portions from the first embodiment will be described. The input protection circuit 43 of the third embodiment is configured by connecting
(第4実施例)
図8は本発明の第4実施例を示すものである。第4実施例の入力保護回路44は、クランプ回路42P,42Nを夫々2段並列に接続して構成されている。以上のように構成された第4実施例によれば、電流耐量を向上させて、サージ電圧が印加された際に、より大きな電流を流すことができる。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 shows a fourth embodiment of the present invention. The input protection circuit 44 of the fourth embodiment is configured by connecting
(第5実施例)
図9は本発明の第5実施例を示すものである。第5実施例の入力保護回路45は、第3実施例の構成と第4実施例の構成とを組み合わせたものであり、クランプ回路42P,42Nを夫々2段直列に接続すると共に、ダイオード5,6側,ダイオード7,8側に位置するクランプ回路42P,42Nを夫々2段並列に接続して構成されている。以上のように構成された第5実施例によれば、第3,第4実施例の作用効果を同時に得ることが可能となる。
(5th Example)
FIG. 9 shows a fifth embodiment of the present invention. The input protection circuit 45 of the fifth embodiment is a combination of the configuration of the third embodiment and the configuration of the fourth embodiment. The
本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
クランプ回路を構成するトランジスタは、NチャネルMOSFETに替えてPチャネルMOSFETを使用しても良い。この場合、バイアス回路を構成するツェナーダイオードと抵抗素子との接続位置を逆にすれば良い。また、NPNトランジスタを使用して良い。更に、クランプ回路はツェナーダイオードのみで構成しても良い。
第3〜第5実施例におけるクランプ回路42P,42Nの接続段数は、3段以上であっても良い。
車両に搭載される電子回路に限ることなく、広く適用することができる。
The present invention is not limited to the embodiments described above or shown in the drawings, and the following modifications are possible.
As a transistor constituting the clamp circuit, a P-channel MOSFET may be used instead of the N-channel MOSFET. In this case, the connection position between the Zener diode and the resistance element constituting the bias circuit may be reversed. An NPN transistor may be used. Further, the clamp circuit may be composed of only a Zener diode.
The number of connection stages of the
The present invention can be widely applied without being limited to an electronic circuit mounted on a vehicle.
図面中、1,2は入力端子、5,6はダイオード(第1ダイオード)、7,8はダイオード(第2ダイオード)、9はNチャネルMOSFET(第1トランジスタ)、10はツェナーダイオード(第1バイアス回路)、11は抵抗素子(第1バイアス回路)、13はNチャネルMOSFET(第2トランジスタ)、14はツェナーダイオード(第2バイアス回路)、15は抵抗素子(第2バイアス回路)、21は入力保護回路、23はSiO2 膜(絶縁膜材料)、25はSOI基板、29は絶縁膜材料、42P,42Nはクランプ回路(第1,第2クランプ回路)、43〜45は入力保護回路を示す。 In the drawing, 1 and 2 are input terminals, 5 and 6 are diodes (first diodes), 7 and 8 are diodes (second diodes), 9 is an N-channel MOSFET (first transistor), and 10 is a zener diode (first diode). (Bias circuit), 11 is a resistance element (first bias circuit), 13 is an N-channel MOSFET (second transistor), 14 is a Zener diode (second bias circuit), 15 is a resistance element (second bias circuit), and 21 is An input protection circuit, 23 is an SiO2 film (insulating film material), 25 is an SOI substrate, 29 is an insulating film material, 42P and 42N are clamp circuits (first and second clamp circuits), and 43 to 45 are input protection circuits. .
Claims (4)
前記第1ダイオードのカソードと回路グランドとの間に接続される第1クランプ回路と、
前記第2ダイオードのアノードと回路グランドとの間に接続される第2クランプ回路とを備え、
前記各回路素子を、他の回路素子の形成領域と互いに絶縁されている領域内に形成し、
前記第1,第2クランプ回路は、
前記第1ダイオードのカソードと回路グランドとの間に接続される第1トランジスタと、
前記第2ダイオードのアノードと回路グランドとの間に接続される第2トランジスタと、
これら第1,第2トランジスタの入力側に夫々配置され、前記入力端子に正極性,負極性のサージ電圧が印加された場合に、前記第1,第2トランジスタを夫々ONするようにバイアスを与える第1,第2バイアス回路とで構成され、
前記第1,第2トランジスタを、基板上で最も外周側となる領域に配置し、
前記入力端子を、前記第1,第2トランジスタと前記内部回路との間に配置したことを特徴とする入力保護回路。 A first diode and a second diode, each having an anode and a cathode connected to an input terminal for transmitting an externally applied signal to an internal circuit;
A first clamp circuit connected between the cathode of the first diode and circuit ground;
A second clamp circuit connected between the anode of the second diode and circuit ground;
Forming each circuit element in a region insulated from the formation region of other circuit elements ;
The first and second clamp circuits are
A first transistor connected between the cathode of the first diode and circuit ground;
A second transistor connected between the anode of the second diode and circuit ground;
These are arranged on the input side of the first and second transistors, respectively, and when a positive or negative surge voltage is applied to the input terminal, a bias is applied so as to turn on the first and second transistors, respectively. A first bias circuit and a second bias circuit ;
The first and second transistors are arranged in a region on the outermost side on the substrate,
An input protection circuit , wherein the input terminal is arranged between the first and second transistors and the internal circuit.
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