JPH0734476B2 - 半導体集積回路 - Google Patents

半導体集積回路

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JPH0734476B2
JPH0734476B2 JP1275417A JP27541789A JPH0734476B2 JP H0734476 B2 JPH0734476 B2 JP H0734476B2 JP 1275417 A JP1275417 A JP 1275417A JP 27541789 A JP27541789 A JP 27541789A JP H0734476 B2 JPH0734476 B2 JP H0734476B2
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mos transistor
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    • H03K17/0814Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
    • H03K17/08142Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in field-effect transistor switches

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は半導体集積回路に関し、特に高耐圧MOSトラ
ンジスタにより構成される出力回路のサージ耐量を向上
させるのに適した半導体集積回路に関する。
〔従来の技術〕
近年、VFD(Vacuum Fluorescent Display 蛍光表示管)
等をMCU(Micro Controller Unit)やコントローラの出
力で直接駆動することが多くなり、それらを駆動するた
めの出力回路として高耐圧MOSトランジスタを内蔵した
半導体集積回路が多く使用されるようになってきてい
る。
第6図はVFDを駆動するための従来の出力回路を示す。
同図に示すように、この出力回路は、高耐圧pチャネル
MOSトランジスタ1と、負荷としてのプルダウン抵抗2
を備えている。pチャネルMOSトランジスタ1は、その
ソースとバルクが一方の電源端子3に接続されるととも
に、ゲートが入力端子INに接続され、ドレインが出力端
子OUTに接続される。また、プルダウン抵抗2が、pチ
ャネルMOSトランジスタ1のドレインと他方の電源端子
4の間に接続される。通常、一方の電源端子3には高電
位電源より例えば5Vの正電位VCCが印加される一方、他
方の電源端子4には低電位電源より例えば−35Vの負電
圧VPが印加される。また、入力端子INには、制御信号と
して0〜5V系の電圧が印加される。そして、出力端子OU
TにVFDのデジットあるいはセグメントが接続される。
この出力回路において、入力端子INに“H"(5V)の制御
信号が入力されると、pチャネルMOSトランジスタ1が
オフし、出力端子OUTに電源端子4側の負電位VP(−35
V)が与えられて、出力端子OUTは“L"となる。したがっ
て、VFDは点灯しない。一方、入力端子INに“L"(0V)
の制御信号が入力されると、pチャネルMOSトランジス
タ1がオンし、出力端子OUTに電源端子3側の正電位VCC
(5V)が与えられて、出力端子OUTは“H"となる。これ
により、VFDが点灯する。
第7図は、第6図の出力回路を実現する半導体デバイス
の概略断面図を示す。同図に示すように、p-基板5の一
方の主面側にpチャネルMOSトランジスタ1のバルクと
なるn-ウェル6が形成される。n-ウェル6の表面側に
は、pチャネルMOSトランジスタ1のソースとなるp+
散領域7とドレインとなるp+拡散領域8が相互に離して
設けられる。また、一方のp+拡散領域7の隣りにはn+
散領域9が設けられるとともに、他方のp+拡散領域8の
隣りにはフィールド酸化膜10を介してプルダウン抵抗2
として機能するp+拡散領域11が形成される。さらに、n-
ウェル6上において、上記2つのp+拡散領域7,8で挟ま
れた領域に、絶縁層12を介してゲート電極13が形成され
る。こうして、n-ウェル6,p+拡散領域7,8、絶縁層12お
よびゲート電極13によりpチャネルMOSトランジスタ1
が構成される。そして、n+拡散領域9とp+拡散領域7
が、正電位VCCの印加される一方の電源端子3に接続さ
れるとともに、ゲート電極13が入力端子INに接続され
る。また、p+拡散領域8とp+拡散領域11の一端とが出力
端子OUTに接続されるとともに、p+拡散領域11の他端
が、負電位VPの印加される他方の電源端子4に接続され
る。この半導体装置の動作は、第6図の出力回路で説明
したように行われるため、ここではその説明を省略す
る。
なお、第7図においては、説明の便宜上、高耐圧pチャ
ネルMOSトランジスタ1を通常のトランジスタの構造で
示しているが、高耐圧構造としては二重拡散法など種々
の技術が従来より知られており、実際のデバイスにおい
てはそのような高耐圧構造が適宜選択して使用される。
もっとも、耐圧の点を除けば、高耐圧構造と通常構造の
間でpチャネルMOSトランジスタ1の動作に本質的な相
違が認められないため、ここでは第7図に示す通常構造
のデバイスを用いて以下説明する。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の半導体集積回路は、以上のように構成されてお
り、第7図から分るように、出力端子OUTと正電位VCC
印加される電源端子3との間に、p+拡散領域8とn-ウェ
ル6のp−n接合による寄生ダイオード14(第6図参
照)が形成される。このため、以下に述べるようなサー
ジ対策を考慮する必要が生じる。
いま、出力端子OUTに(+)サージが与えられた場合を
考える。この場合、サージ電流は、出力端子OUT→寄生
ダイオード14(p+拡散領域8→n-ウェル6→n+拡散領域
9)→電源端子3の経路で抜けるため、大きなサージ耐
量が確保される。
次に、出力端子OUTに(−)サージが与えられた場合を
考える。このとき、pチャネルMOSトランジスタ1がオ
ンしていると、サージ電流は、電源端子3→MOSトラン
ジスタ1→出力端子OUTの経路で抜けるため、問題はな
い。しかしながら、pチャネルMOSトランジスタ1がオ
フしていると、プルダウン抵抗2のインピーダンスは消
費電力を下げるために通常数+KΩと高く設定されてい
るため、サージ電流が抜ける電路が無くなる。その結
果、pチャネルMOSトランジスタ1がブレークダウン
し、サージ電流は、電源端子3→MOSトランジスタ1→
出力端子OUTの電路で抜けることになる。そのため、こ
の半導体デバイスでは、(−)サージに対して、非常に
弱い破壊耐量になってしまう。
なお、例えばn-ウェル6内にp−nダイードを新たに形
成し、上記サージ電流を出力端子OUTからそのp−nダ
イオードを介し電源端子4に抜くように構成することも
考えられる。しかしながら、p-基板5はトランジスタの
動作を安定させるためにGND電位に接続されており、n-
ウェル6をGND以下の電位にできないため、上記p−n
ダイオードを形成するようなことはできない。
そこで、従来はpチャネルMOSトランジスタ1のゲート
幅を広げ、トランジスタ動作により発生する熱を分散さ
せるようにして、サージ耐量を高めている。
第8図は、コンデンサチャージ法を利用した一般的なサ
ージ耐量測定回路を示す。この測定回路では、まず同図
に示すように、スイッチ15を一方の切換接点15a側に切
換えて電源16の電圧をキャパシタ17に印加し、キャパシ
タ17を充電する。その後、スイッチ15を他方の切換接点
15b側に切換えてキャパシタ17の電荷を抵抗18を介して
デバイス19に放電させ、デバイス19の破壊状態を調べ
る。こうして、上記キャパシタ17に印加される電圧を順
次変化させながらそのときのデバイス19の破壊状態を調
べることにより、デバイス19の破壊耐量を検出できる。
実際に、第8図に示される測定回路において、キャパシ
タ17の容量をC=200pF,抵抗18の抵抗値をR=0Ωに設
定し、第6図に示される出力回路の破壊耐量を測定した
ところ、第9図に示す結果が得られた。同図において、
縦軸は破壊電圧を示し、横軸はpチャネルMOSトランジ
スタ1のゲート幅を表わしている。同図から分るよう
に、ゲート幅を大きくするとサージ耐量が増大する。ト
ランジスタサイズは、ゲート幅に比例して大きくなるた
め、大きなサージ耐量を得るには大きなトランジスタサ
イズが必要になる。例えば、サージ耐量として−300Vを
確保するには、ゲート幅が2000μmという非常に大きな
トランジスタサイズが必要になる。また、ゲート幅を広
げるとそれに伴いトランジスタを流れる電流が増大する
が、通常VFDのセグメントドライブ等では数mA程度の電
流しか必要でなく、電流の増加分は利用されずに無駄に
消費されることになる。
この発明は、上記問題を解決するためになされたもの
で、チップサイズを大形化することなくサージ耐量を向
上でき、しかも通常動作に支障をきたさない半導体集積
回路を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明の第1の態様としての半導体集積回路は、上記
目的を達成するために、制御信号を入力するための入力
端子と、一方電極とバルクが第1電位点に接続されると
ともに、制御電極が前記入力端子に接続された第1の電
界効果トランジスタと、前記第1の電界効果トランジス
タの他方電極と第2電位点との間に接続された負荷と、
前記第1の電界効果トランジスタの他方電極に接続され
た出力端子と、一方電極と制御電極が前記出力端子に接
続されるとともに他方電極が前記第2電位点に接続され
てバルクが前記第1電位点に接続された第2の電界効果
トランジスタとを備える。
この発明の第2の態様としての半導体集積回路は、上記
目的を達成するために、制御信号を入力するための入力
端子と、一方電極とバルクが高電位電源に接続されると
ともに制御電極が前記入力端子に接続された第1のpチ
ャネルMOSトランジスタと、前記第1のpチャネルMOSト
ランジスタの他方電極と低電位電源との間に接続された
負荷と、前記第1のpチャネルMOSトランジスタの他方
電極に接続された出力端子と、一方電極と制御電極が前
記出力端子に接続されるとともに他方電極が前記低電位
電源に接続されてバルクが前記高電位電源に接続された
第2のpチャネルMOSトランジスタとを備える。
この発明の第3の態様としての半導体集積回路は、上記
目的を達成するために、制御信号を入力するための入力
端子と、一方電極とバルクが低電位電源に接続されると
ともに制御電極が前記入力端子に接続された第1のnチ
ャネルMOSトランジスタと、前記第1のnチャネルMOSト
ランジスタの他方電極と高電位電源との間に接続された
負荷と、前記第1のnチャネルMOSトランジスタの他方
電極と接続された出力端子と、一方電極と制御電極が前
記出力端子に接続されるとともに他方電極が前記高電位
電源に接続されてバルクが前記低電位電源に接続された
第2のnチャネルMOSトランジスタとを備える。
〔作用〕
第1の態様の半導体集積回路によれば、第1の電界効果
トランジスタをブレークダウンさせるようなサージ電圧
が出力端子に印加されると、第2の電界効果トランジス
タがオンしてサージ電流を逃がすため、サージ耐量を向
上できる。
第2の態様の半導体集積回路によれば、出力端子に
(−)サージが印加された時のみ第2のpチャネルMOS
トランジスタがオンし、サージ電流が低電位電源より第
2のpチャネルMOSトランジスタを介し出力端子に抜け
てサージ耐量を向上できる。その他の状態では、第2の
pチャネルMOSトランジスタが常にオフ状態にあって、
回路本来の通常動作が保障される。
また、第3の態様の半導体集積回路によれば、出力端子
に(+)サージが印加された時のみ第2のnチャネルMO
Sトランジスタがオンし、サージ電流が出力端子より第
2のnチャネルMOSトランジスタを介し高電位電源側に
抜けてサージ耐量を向上できる。その他の状態では、第
2のnチャネルMOSトランジスタが常にオフ状態にあっ
て、回路本来の通常動作が保障される。
〔実施例〕
第1図は、VFDドライバ用の出力回路として構成された
この発明の一実施例である半導体集積回路を示す。同図
に示すように、この出力回路では、出力端子OUTと、負
電位VPが印加される電源端子4との間に、別の高耐圧p
チャネルMOSトランジスタ20がさらに接続される。すな
わち、pチャネルMOSトランジスタ20のドレインとゲー
トが出力端子OUTに接続されるとともに、ソースが電源
端子4に接続され、バルクが正電位VCCの印加される電
源端子3に接続される。その他の構成は、第6図の出力
回路と同一であるため、同一部分に同一符号を付してそ
の説明を省略する。
第2図は、第1図の出力回路を実現する半導体デバイス
の概略断面図を示す。同図に示すように、p-基板5の一
方の主面側に、n-ウェル6に隣接するようにしてpチャ
ネルMOSトランジスタ20のバルクとなる別のn-ウェル21
が形成される。n-ウェル21の表面側にはpチャネルMOS
トランジスタ20のドレインとなるp+拡散領域22とソース
となるp+拡散領域23が相互に離して設けられる。またp+
拡散領域23の隣りにはフィールド酸化膜10を介してn+
散領域24が設けられる。さらに、n-ウェル21上におい
て、上記2つのp+拡散領域22,23で挟まれた領域に、絶
縁層25を介してゲート電極26が形成される。こうして、
n-ウェル21,p+拡散領域22,23,絶縁層25およびゲート電
極26によりpチャネルMOSトランジスタ20が構成され
る。そして、一方のp+拡散領域22とゲート電極26が出力
端子OUTに接続されるとともに、他方のp+拡散領域23が
電源端子4に接続される。また、n+拡散領域24が電源端
子3に接続される。なお、第2図から分るように、出力
端子OUTと電源端子3の間に、p+拡散領域22とn-ウェル2
1のp−n接合による寄生ダイオード14(第1図参照)
が形成されるとともに、電源端子4と電源端子3の間
に、p+拡散領域23とn-ウェル21のp−n接合による寄生
ダイオード27(第1図参照)が形成される。
なお、第2図においては、説明の便宜上、高耐圧pチャ
ネルトランジスタ1,20をそれぞれ通常のトランジスタ構
造で示しているが、高耐圧構造としては二重拡散法など
種々の技術が従来より知られており、実際のデバイスに
おいてはそのような高耐圧構造が適宜選択して使用され
る。例えば、二重拡散法により高耐圧構造を実現する場
合には、第3図に示すように、pチャネルMOSトランジ
スタ1のソースをp+拡散領域7aとp+拡散領域7bの二重拡
散構造に仕上げる一方、ドレインを同じくp-拡散領域8a
とp+拡散領域8bの二重拡散構造に仕上げる。また、n+
散領域9をフィールド酸化膜10を介し上記ソースから離
すようにして形成する。他のpチャネルMOSトランジス
タ20についても、上記と同様にそのソースとドレインを
それぞれ二重拡散法により形成する。もっとも、耐圧の
点を除けば高耐圧構造と通常構造との間でpチャネルMO
Sトランジスタ1,20の動作に本質的な相違が認められな
いため、ここでは第2図に示す通常構造のデバイスを用
いて以下に説明する。
上記出力回路の動作は次のとおりである。まず、通常動
作時において、入力端子INに“L"の制御信号が入力され
たときは、pチャネルMOSトランジスタ1がオンして出
力端子OUTが“H"(VCC=5V)の電位となる一方、入力端
子INに“H"の制御信号が入力されたときは、pチャネル
MOSトランジスタ1がオフして出力端子OUTが“L"(VP
−35V)の電位となる。このように、通常動作時には、
出力端子OUTはVCC(5V)〜VP(−35V)の間の電位を取
り、pチャネルMOSトランジスタ20はソースに比べゲー
トが高電位もしくは同電位にあるため、オフ状態を続け
る。この場合、pチャネルMOSトランジスタ20は、pチ
ャネルMOSトランジスタ1と同様、既述した二重拡散法
等による高耐圧構造を採用しているため、充分な耐圧を
有し、通常動作に悪影響を及ぼすことはない。
また、出力端子OUTに(+)サージが印加された場合も
pチャネルMOSトランジスタ20はオフ状態を続けるが、
サージ電流は、出力端子OUT→寄生ダイオード14(p+
散領域8→n-ウェル6→n+拡散領域9およびp+拡散領域
22→n-ウェル22→n+拡散領域24)→電源端子3の経路で
抜けるため、大きなサージ耐量が確保される。
一方、出力端子OUTに(−)サージが印加された場合に
は、サージ電圧値は負電位VPに比べ充分低い値となる。
これにより、pチャネルMOSトランジスタ20は、ゲート
の電圧がソースの電圧よりも低くなるのでオン状態とな
り、サージ電流は電源端子4→pチャネルMOSトランジ
スタ20→出力端子OUTの経路で抜けることになる。その
結果、pチャネルMOSトランジスタ1は破壊モードに至
らず、(−)サージに対するサージ耐量が高くなる。
このように、pチャネルMOSトランジスタ20を付加する
ことにより、通常動作に悪影響を与えずにサージ耐量を
高めることができ、従来のようにサージ対策のためにp
チャネルMOSトランジスタ1のゲート幅を広げる必要が
なくなるため、チップサイズを小型化できる。
第4図はVFDドライバ用の出力回路として構成されたこ
の発明の他の実施例である半導体集積回路を示す。
同図に示すように、この出力回路では、一方の電源端子
3に高電位電源より高電圧VHが印加される一方、他方の
電源端子4がGND(低電位電源)に接続される。また、
出力トランジスタとして高耐圧nチャネルMOSトランジ
スタ28が用いられるとともに、サージ電流を逃がすため
のトランジスタとして高耐圧nチャネルMOSトランジス
タ29が使用される。そして、nチャネルMOSトランジス
タ28が電源端子4と出力端子OUTの間に接続される一
方、nチャネルMOSトランジスタ29およびプルダウン抵
抗2が電源端子3と出力端子OUTの間にそれぞれ接続さ
れる。その他の構成は、第1図の出力回路と同一である
ため、同一または相当部分に同一符号を付してその説明
を省略する。
第5図は、第4図の出力回路を実現する半導体デバイス
の概略断面図を示す。この半導体デバイスは、第2図の
半導体デバイスに比べてp−nの極性が反転しており、
また電源端子3,4が相互に入れ替わっている。その他の
構成は、第2図のそれと同一であるため、同一又は相当
部分に同一符号を付してその説明を省略する。この場
合、p-ウエル6とn+拡散領域8のp−n接合およびp-
エル21とn+拡散領域22のp−n接合により寄生ダイオー
ド30(第4図参照)が形成され、p-ウエル1とn+拡散領
域23のp−n接合により寄生ダイオード31(第4図参
照)が形成される。
上記出力回路の動作は次のとおりである。まず、通常動
作時において、入力端子INに“H"の制御信号が入力され
たときは、nチャネルMOSトランジスタ28がオンして出
力端子OUTが“L"(GND電位)となる一方、入力端子INに
“L"の制御信号が入力されたときは、nチャネルMOSト
ランジスタ28がオフして出力端子OUTが“H"(VH)の電
位となる。このように、通常動作時には、出力端子OUT
はGND〜VHの間の電位をとり、nチャネルMOSトランジス
タ29はソースに比べゲートが低電位もしくは同電位にあ
るため、オフ状態を続ける。したがって、nチャネルMO
Sトランジスタ29が通常動作に悪影響を及ぼすことはな
い。
また、出力端子OUTに(−)サージが印加された場合も
nチャネルMOSトランジスタ29はオフ状態を続けるが、
サージ電流は、電源端子4→寄生ダイオード30→出力端
子OUTの経路で抜けるため、大きなサージ耐量が確保さ
れる。
一方、出力端子OUTに(+)サージが印加された場合
は、仮にnチャネルMOSトランジスタ29がなければ、n
チャネルMOSトランジスタ28のブレークダウンによって
サージ電流が抜けるため、サージ耐量は低くなる。しか
しながら、この実施例では、nチャネルMOSトランジス
タ29を設けているため、(+)サージが印加されると、
nチャネルMOSトランジスタ29はソースに比べゲートが
高電位となってオン状態になる。これにより、サージ電
流が、出力端子OUT→nチャネルMOSトランジスタ29→電
源端子3の経路で抜けるため、nチャネルMOSトランジ
スタ28は破壊モードに至らず、(+)サージに対するサ
ージ耐量が高くなる。
しかも、第1図および第4図に示すMOSトランジスタ20,
29は、いずれもオン状態でサージ電流を抜くため、オン
抵抗値が低く、トランジスタサイズをさほど大きくしな
くてもサージ電流を充分に抜くことができる。
なお、上記実施例では、抵抗2により負荷を構成してい
るが、この負荷は、例えばリレー等の抵抗以外の負荷で
ももちろんよい。
また、上記実施例では、蛍光表示管のドライバ用の出力
回路として説明したが、この発明はプラズマディスプレ
イのドライバ等、百V以上の高耐圧性能が要求される出
力回路にも応用できる。
また、この発明は、CMOS,pMOS,nMOS,Bi−CMOS等、MOSト
ランジスタを含む全てのウェハプロセスに適用できるこ
とは言うまでもない。
〔発明の効果〕
請求項1記載の半導体集積回路によれば、第1の電界効
果トランジスタをブレークダウンさせるようなサージ電
圧が出力端子に印加されると、第2の電界効果トランジ
スタがオンしてサージ電流を逃がすため、通常動作に何
ら悪影響を与えずにサージ耐量を高めることができる。
これにより、出力トランジスタとして機能する第1の電
界効果トランジスタのゲート幅を大きくする必要がなく
なり、チップサイズをかなり小さくできる。
請求項2記載の半導体集積回路によれば、(−)サージ
が印加された時のみ動作する第2のpチャネルMOSトラ
ンジスタをサージ保護に利用し、通常動作において何ら
悪影響を与えずにサージ耐量を高めることができる。こ
れにより出力トランジスタとして機能する第1のpチャ
ネルMOSトランジスタのゲート幅を大きくする必要がな
くなり、チップサイズをかなり小さくできる。
また、請求項3記載の半導体集積回路によれば、(+)
サージが印加された時のみ動作する第2のnチャネルMO
Sトランジスタをサージ保護に利用し、通常動作におい
て何ら影響を与えずにサージ耐量を高めることができ
る。これにより、出力トランジスタとして機能する第1
のnチャネルMOSトランジスタのゲート幅を大きくする
必要がなくなり、チップサイズをかなり小さくできる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例である半導体集積回路を示
す図、第2図は第1図の回路を実現する半導体デバイス
の概略断面図、第3図は高耐圧構造の一例を示す半導体
デバイスの要部断面図、第4図はこの発明の他の実施例
である半導体集積回路を示す図、第5図は第4図の回路
を実現する半導体デバイスの概略断面図、第6図はVFD
を駆動するための従来の出力回路を示す図、第7図は第
6図の回路を実現する半導体デバイスの概略断面図、第
8図はサージ耐量測定回路を示す図、第9図はMOSトラ
ンジスタのゲート幅と破壊電圧の関係を示す図である。 図において、1,20はpチャネルMOSトランジスタ、2は
プルダウン抵抗、3,4は電源端子、28,29はnチャネルMO
Sトランジスタ、INは入力端子、OUTは出力端子である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】制御信号を入力するための入力端子と、 一方電極とバルクが第1電位点に接続されるとともに、
    制御電極が前記入力端子に接続された第1の電界効果ト
    ランジスタと、 前記第1の電界効果トランジスタの他方電極と第2電位
    点との間に接続された負荷と、 前記第1の電界効果トランジスタの他方電極に接続され
    た出力端子と、 一方電極と制御電極が前記出力端子に接続されるととも
    に他方電極が前記第2電位点に接続されてバルクが前記
    第1電位点に接続された第2の電界効果トランジスタと
    を備えた半導体集積回路。
  2. 【請求項2】制御信号を入力するための入力端子と、 一方電極とバルクが高電位電源に接続されるとともに、
    制御電極が前記入力端子に接続された第1のpチャネル
    MOSトランジスタと、 前記第1のpチャネルMOSトランジスタの他方電極と低
    電位電源との間に接続された負荷と、 前記第1のpチャネルMOSトランジスタの他方電極に接
    続された出力端子と、 一方電極と制御電極が前記出力端子に接続されるととも
    に他方電極が前記低電位電源に接続されてバルクが前記
    高電位電源に接続された第2のpチャネルMOSトランジ
    スタとを備えた半導体集積回路。
  3. 【請求項3】制御信号を入力するための入力端子と、 一方電極とバルクが低電位電源に接続されるとともに、
    制御電極が前記入力端子に接続された第1のnチャネル
    MOSトランジスタと、 前記第1のnチャネルMOSトランジスタの他方電極と高
    電位電源との間に接続された負荷と、 前記第1のnチャネルMOSトランジスタの他方電極と接
    続された出力端子と、 一方電極と制御電極が前記出力端子に接続されるととも
    に他方電極が前記高電位電源に接続されて、バルクが前
    記低電位電源に接続された第2のnチャネルMOSトラン
    ジスタとを備えた半導体集積回路。
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