JPS6271257A - 誘電負荷スイツチトランジスタの保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）発明の技術分野 本発明は誘電負荷スイッチ　トランジスタをターン　オ
フ　サージによって発生する過電圧状態から保護するこ
とに関する。

（２）技術の背景 トランジスタ接合に逆バイアスによって降伏電圧以上の
電圧が加えられると、通常、この接合は回復不能な損傷
を受ける。この損傷が二極接合トランジスタのコレクタ
　ベース接合間に長くとどまるとこの接合は漏れを起こ
す。一方、この損傷がエミッタ　ベース接合間に長くと
どまるとトランジスタの利得特性を劣化させる。従って
、通常の動作の間にトランジスタ接置に突発的にかかる
降伏電圧以上の電圧はトランジスタにとって非常に危険
であり、トランジスタをこれから保護する必要がある。

トランジスタをサージによって発生する過電圧状態から
保護するための典型的な先行技術による解決法はダイオ
ード、ツェナー　ダイオードあるいはこの両方から構成
きれる分路構成を使用する。１つのタイプの先行技術に
よる分路構成はサージ電流を流すためのバイアス、ある
いは別の経路・を提供する。この経路はサージによって
発生する電圧の上昇が対象のトランジスタ間で発生する
ことを完全に回避するように構成される。もう１つのタ
イプの先行技術による分路肩或はサージが発生すること
は許すが、サージによって発生する電圧の上昇を対像と
されるトランジスタ接合の降伏Ｍ８Ｅを越えないレベル
に制限する機能を持つ。

誘電負荷スイッチ回路はトランジスタ接合が遷移的な過
電圧状態を受けることで特に知られている回路である。

機能的にはこれら回路は誘電負荷を起動する電流、例え
ば、電気化学リレーのコイルを起動する′電流をオン及
びオフにスイッチするのに使用される。この動作が誘電
サージを生成し、このサージがこの負荷を駆動し、従っ
て、スイッチするためのトランジスタの接合間に逆の遷
移的な過電圧状態を発生させる。

（３）発明の構成 本発明はスイッチ　トランジスタに自体を保護するよう
に動作させる目的を持つ回路を開用して誘電負荷スイッ
チ　トランジスタをターン　オフ　サージによって発生
する過電圧状態から保護することに関する。

（４）発明の詳細な説明 誘電負荷をスイッチするだめの１つの方法は負荷駆動デ
バイスとして飽和二極トランジスタを使用する。このト
ランジスタは共通エミッタ構成にて動作し、他端が直接
あるいは間接的にパワー　レールに結合する負荷に対す
るアース包囲を提供する。負荷をスイッチするためのこ
の方法は一般にオープン　コレクタ　ドライバ法として
知られている。

特に負荷が誘電負荷であるときに、オン状態からオフ状
態への遷移は誘電サージを生成する。これは誘導子全流
れる電流が不連続的に中断されず、アース包囲が除去さ
れた瞬間誘電負荷を流れる電流がそのまま同一速度にて
流れなくてはならなくなるために起こる。

この結果、アースの中断の瞬間、負荷間に現れる電圧の
誘電部分の極性が反転し、負荷電流が同一速度にて流れ
ることができるように回路を完結するのに必要なレベル
まで上昇する。この電圧、あるいはこの一部がまたスイ
ッチ　トランジスタ間にも現れ、定常バイアスがこのト
ランジスタに既に加えているストレスを増加させるため
、この電圧は危険な状態を作くる。従って、このサージ
　ストレスをこのスイッチ　トランジスタが耐えられる
レベルに制限するための装置が必要である。

この装置がないと、このスイッチ　トランジスタは通常
の回路動作において破壊する危険を持つ。

第１図は単純な先行技術による構成を示す。

この構成では、’ａ　類、　Ｕｔ荷１２用のトランジス
タ　スイッチ１０が誘電負荷１２を横断して置かれたダ
イオード１４によって誘電サージから保護される。誘電
負荷１２に起因するサージ電流ＴＬは、トランジスタ１
０がオフにされると、順バイアスされたダイオード１４
を通って誘電負荷１２に戻どる。この構成は誘電負荷１
２の間に発生する逆遷移電圧ＶＬをダイオード１４の間
に発生する１順ダイオード降下（Ｖ　ＢＥ　）に制限す
る。従って、スイッチ　トランジスタ間に現れる最大電
圧はＶＳとＩＶＢＥ　との和に制限される。この回路の
もう１つの部分はトランジスタ１０のベースに接続され
た電源１８である。この電源がトランジスタ１０ｔ−”
オン“及び“オフ”にするのに使用される。より詳細に
は、トランジスタ１０はこの電源の動作′に応答して、
誘電負荷１２を起動あるいは停止するアース包囲を提供
する。

周仰の別の保護装置は直列に接続されたダイオード及び
ツェナー　ダイオードを含む。

第２図にはこの構成が示される。この構成においては、
ダイオード１４に直列に接続されたツェナー　ダイオー
ド２０が誘電負荷１２を横断しての分路として機能する
。ツェナーダイオード２０を加えることによって、この
構成では負荷内に蓄積された磁気エネルギーの散逸の速
度がＶＢＥ（ＶＢＥはダイオード１４０間に発生する電
圧）でなく、ｖＢＥ＋ＶＺＢ（ＶＺＢはツェナータイオ
ード２０の間に発生する電圧）に比例するため、回路の
スイッチ動作の速度が向上される。

これら先行技術による構成の短所は、接合隔離集積技術
との関連で生じる。この技術では、この負荷分路法によ
って必要とされる個々の要素、つまシ、ダイオード１４
及びツェナー　ダイ゛オード２０を実現するのが非常に
困難である。ツェナー　ダイオード２０の統合は最大パ
ワー散逸、従って、デバイスの信頼性との関連において
問題を与え、一方、ダイオード１４と関連する隔離接合
の寄生作用は、トランジスタ１０の動作、あるいは同一
ダイ上の他の隣接する要素の動作に直接に影響を与え、
この回路　動作を妨げる。

先行技術の構成と関連するこれら及び他の問題は本発明
によって解決される。第３図に示されるように、ダイオ
ード１４及びツェナー　ダイオード２０（第２図）の代
わシに二極接合トランジスタ１０のベース３２とコレク
タ３４の間に接続されたツェナー　ダイオード３０が使
用される。ツェナー　ダイオード３０はトランジスタ１
０の降伏電圧ＢＶｃｘ。

よりは低いか電圧差ＶＳ−ＶＢＥ　よす大きい電圧ＶＺ
Ｏ所で降伏して電流を引きはじめ、負荷が停止されたと
き回路の動作を妨害しないように選択される。ここで、
ｖＳはトランジスタ１０の供給電圧を表わし、ｖＢＥは
トランジスタ１０の１オン”の状態のベースエミッタ電
圧を表わす。ここで、ツェナーダイオード３０を流れる
′電流ｊｚの中の総す−ジ菟流ｉＬは以下によって表わ
され Ｉ　ｚ　＝ｌム／（β＋１　）　、　　　　　　（１）
そして以下の初期最大値を持つ Ｉ２＝工２／（β＋１　）　、　　　　　　（２）ここ
で、■１は電源１８によって供給される電流工、がオフ
にされる前の誘電負荷１２を流れる定常電流を表わし、
βはトランジスタ１０の共通エミッタの利得を表わす。

従って、式（１）に従ってサージが発生すると、（トラ
ンジスタ１０の利得によって決定される）サージ電流Ｉ
Ｌの小さな部分がツェナー　ダイオード３０を通ってト
ランジスタ１００ベース３２に流れる。トランジスタ１
０のへ−ス３２を通って流れる電流工、は、このサージ
のあいだトランジスタ１０をオンにし、従って、サージ
電流の残９　ｉＬ−１ｚがトランジスタのコレクタ　リ
ード３４及びエミッタリード３６を通ってアースに流れ
るのを許す。

従って、誘電サージのアースへの経路が再起動されたト
ランジスタ１０によって提供され、一方、誘電負荷１２
間に発生する逆電圧遷移はＶ　Ｚ　＋　Ｖ　ＢＥの値に
制限される。ツェナー　ダイオード３０はＶＺ＋ＶＢＥ
がトランジスタ１０の吋伏電圧Ｂ　Ｖ　ａ１！！ｏより
小さくなるように選択されるため、トランジスタ１０は
サージ　フェーズの期間を通じてコレクタ　ベース降伏
モードに入いることを防がれる。

集積回路での実現においては、このモードの動作はさら
にＶＺ十ＶＢＥがＢ　Ｖ　ｃｘｏより小さいことを前提
としてトランジスタがコレクター隔′Ｈ接合降伏モード
に入いることを防ぐ。ここで、ＢＶａｘｏはトランジス
タのコレクター隔離降伏電圧を表わす。殆どの技術にお
いて、トランジスタのＢ　Ｖ　ＣＩＯ＋”［：、通常、
そのＢＶＣΣ０より大きいため、この前提は暗黙のうち
に満足され、従って、コレクター隔離接合はこの保護を
受ける。

本発明の上に説明の二極ドライバへの実現と関連しての
長所はツェナー　ダイオード３０が埋込ツェナー　ダイ
オードとしてトランジスタ１０のコレクタ　ベース接台
に併合できることである。第４図はツェナー　ダイオー
ド３０とトランジスタ１０のこの併合構造の断面図を示
す。ｐ−型基板層５０が使用され、この上にｎ−型エピ
タキシャル層５２が形成される。埋込ｐ−型型状状構造
４と表面拡散ｐ−型環状構造から構成される隔離薄造に
よってトランジスタ１０が基板５０上に形成された他の
デバイスから隔離される。ベース、コレクタ、及びエミ
ッタの金属コレクタ３２．３４、及び３６はエピタキシ
ャル層５２の上に沈殿された絶縁層５８内の開口を通じ
て提供される。埋込ｎ−型構造６０はｐ−型ベース構造
６６及びｎ−型エミッタ構造ｅ９の両方の下側で基板５
０の領域内に延び、コレクタ電流に対する導体経路を形
成する。

コレクタ電流ばｎ−型エンハンスメント拡散６７を介し
てｎ−型構造６０を通ってコレクタ　コンタクト３４に
流れる。

第４図に示されるごとく、ツェナー　ダイオード３０は
ベース　コンタクト３２の下に装置する埋込ｐ−型構造
６２から形成され、上側に延びベース構造の拡散領域６
６と接触する。この構造においては、第４図に示される
ように、ツェナー接合はｐｎ境界６４沿って形成される
。ｐ−型構造６８はベース　コンタクト３２に対するｐ
土工方向エンハンスメントに寄与し、ツェナー　ダイオ
ード３０と関連する寄生直列抵抗を減少させる。

第５図には本発明のもう１つの実施態様が示される。こ
の実施態様においては、スイッチ　トランジスタ１０は
相補形トランジスタ７０の存在によって誘電サージ電流
から保護される。つまり、第５図に示されるように、ト
ランジスタ１０がＮＰＮ形トランジスタであるときは、
トランジスタＴＯはＰＮＰＮ上形ンジスタでなければな
らない。反対に、トランジスタ１０がＰＮＰ形のトラン
ジスタであるときは、トランジスタ７０はＮＰＮ形トラ
ンジスタでなければならない。第５図に示されるように
、ＰＮＰトランジスタ７０のベース７２及びエミッタ７
４は誘電負荷１２を横断して接続され、コレクタドア６
はＮＰＮトランジスタ１０のベース３２に接続される。

ＮＰＮ　トランジスタ１０の：レクタ３４はＰＮＰトラ
ンジスタのエミッタγ４に接続され、次に、駆動される
負荷の端にも接続される。ＰＮＰトランジスタ７０はエ
ミッタ７４−ベース７２降伏電圧Ｂ　Ｖ　ＫＢＯが電流
ＶＳから供給される電圧から１　（ＮＰＮ）飽和コレク
タエミッタ電圧降下ＶＣＥ！（ＳＡＴ）を引いた値を越
え、ＰＮＰトランジスタγ０のコレクタγ６−ベースγ
２降伏電圧Ｂ　Ｖ　ｃＢｏが電圧ＶＳからＮＰＮトラン
ジスタ１０の１順エミツタベース電圧（Ｖｐｇ）　を引
いた直を越えるように選択される。

動作において、ＮＰＮトランジスタ１０がオフにされる
と、誘電負荷１２の間の電圧ＶＬの極がサージ電流ＩＬ
を支えるために反転される。サージ電流ＩＬは前と同じ
方向に流れるが、この時点で第５図のＰＮＰ　トランジ
スタ７０を起動する。つまり、サージ電流工。

の工、によって表わされる小さな部分が（負荷１２に起
因する電圧が上昇し、ますます正となるため）ＰＮＰ　
トランジスタ７０のエミッタ７４に流かれ、ＰＮＰトラ
ンジスタ７０を起動し、この結果、電流工。がＰ、ＮＰ
トランジスタ７０のコレクタ７６を通って、ＮＰＮトラ
ンジスタ１０のベース３２へと流れる。

負荷起動電流■８がオンにされた瞬間の工。

とＩＰの関係、及びＩＬとＩ。の関係は以下のように表
わすことができる。

Ｉ、−ＩＬ／（１＋αβ）、　　　　　（３）Ｊ（、＝
αＩＬ／　（１＋αβ）、　　　　（４）ここで、αは
ＰＮＰトランジスタ７０の共通ベースの電流利得を表わ
し、βはＮＰＮトランジスタ１０の共通エミッタの電流
利得を表わす。本発明によると、電流ＩｃによってＮＰ
Ｎトランジスタ１０が起動され、サージ電流の大部分、
つまり、Ｉ、−１，がＮＰＮ）−ランジスタラ０ｔｌ−
通って流れる。さらに、この動作は、誘電サージによる
過多の電流上昇をＰＮＰトランジスタ７０のエミッタ　
ベース接合間に発生するＩＶＢＥに制限する。

つまり、この回路の制限効果は（先行技術による構成を
示す）第１図に示される方法によって達成されるのと匹
敵するものであるが、本発明による方法はこの効果を先
行技術において必要とされるよりも物理的及び電気的に
非常に小さなデバイスを使用して達成する。

これは第１図のダイオード１４はサージ電流全部を導電
することを要求するのに対して、本発明では、トランジ
スタ７０のエミッタベース接合及びコレクタ　ベース接
合がこのサージ電流のほんの一部のみを導電することを
要求するという事実から理解できよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はスイッチ　トランジスタの保護が誘電負荷を横
断して存在するダイオードから構成される分路によって
提供される基礎的な先行技術による誘電負荷スイッチ回
路を示す図： 第２図はスイッチ　トランジスタの保護が直列に接続さ
れ誘電負荷を横断して存在するダイオードとツェナー　
ダイオードから構成される分路によって提供される別の
先行技術による誘電負荷スイッチ回路を示す図；第３図
は本発明によるスイッチ　トランジスタを保護するため
の装置がスイッチ　トランジスタのコレクタ　ベース接
合を横断して接続されたツェナー　ダイオードである誘
電負荷スイッチ回路を示す図； 第４図は第３図に示される回路のトランジスタ及びツェ
ナー　ダイオードの部分を統合された構造の集積回路に
実現した所ろを示す図：そして 第５図はＰＮＰタイプのトランジスタがＮＰＮタイプの
負荷スイッチ　トランジスタを保護するための装置であ
る本発明のもう１つの実施態様を示す図である。 〔主要符号の説明〕 １０・・・・・・・・・・・・・・・トランジスタ１２
・・・・・・・・・・・・・・・誘電負荷３０・・・・
・・・・・・・・・・・ツェナー　ダイオード３２．７
２・・・ベース ３４．７６・・・コレクタ ３６．７４・・・エミッタ γ０・・・・・・・・・・・°・・・・相補形トランジ
スタ出　願　人　：　アメリカン　テレフォン　アンド
テレグラフ　カムパニー 図面の浄書（内容に変更なし） ＦＩＱ　Ｉ　　　　　　　　　　　　　　　ＦＩＧ、　
２ＦＩＧ、　３　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｆ
ＩＱ　　５手続補正書 昭和６１年　９月　２日 特許庁長官　　黒　１）明　雄　　殿 １、事件の表示 昭和６１年特許願第１５６３８５号 ２、発明の名称 誘電負荷スイッチトランジスタの保護回路３、補正をす
る者 事件との関係　　特許出願人 ４、代　埋入 ５、補正の対象 「図　　　　　面」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、共通エミッタ構成にて動作し誘電負荷スイッチデバ
   イスとして機能するトランジ スタを誘電サージに起因する過電圧状態か ら保護するための回路装置において、該回 路装置が該トランジスタのコレクタ端子と ベース端子の間に確立される一時的な電気 経路を構成し、該経路がスイッチサイク ルの誘電サージ状態が存在する期間だけ確 立され、さらに該経路が確立されたとき、 発生する誘電サージ電流の一部を該トラン ジスタのベースリードに導びくことを特 徴とする回路装置。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の回路装置において、
   該トランジスタが集積回路の一 部を構成し、さらに該トランジスタがエミ ッタ領域、ベース領域及びコレクタ領域を 含む二極トランジスタであり、該コレクタ 領域が該半導体基板上の他のトランジスタ 及び要素から逆バイアス接合によつて隔離 され、該エミッタ領域がアースリードに 接続され、該コレクタ領域が外部誘電負荷 に接続され、そして該ベースリードが該 集積回路の内部あるいは外部の他の要素に 接続されることを特徴とする回路装置。 ３、特許請求の範囲第２項に記載の回路装置において、
   該回路装置が該トランジスタと 同一の半導体基板上に集積されることを特 徴とする回路装置。 ４、特許請求の範囲第３項に記載の回路装置において、
   該回路装置が全て、ドープされ た半導体領域から構成されることを特徴と する回路装置。 ５、特許請求の範囲第３項に記載の回路装置において、
   該回路装置がツェナーダイオ ードのみから構成される回路の部分である ことを特徴とする回路装置。 ６、特許請求の範囲第５項に記載の回路装置において、
   該ツェナーダイオードと該ト ランジスタが共通半導体基板の同一の接合 隔離領域を共有することを特徴とする回路 装置。 ７、特許請求の範囲第５項に記載の回路装置において、
   該ツェナーダイオードが該ト ランジスタの該ベース領域の広がりと該ト ランジスタの該コレクタ領域の導電性強化 構造の広がりとを交差して形成されること を特徴とする回路装置。 ８、特許請求の範囲第７項に記載の回路装置において、
   該トランジスタのベース領域及 びコレクタ領域の該広がりが埋込ツェナー ダイオード接合を形成することを特徴とす る回路装置。 ９、特許請求の範囲第８項に記載の回路装置において、
   該埋込ツェナーダイオード接 合が該トランジスタの該埋込コレクタの領 域と交差する該トランジスタの該ベース領 域の垂直の広がりによつて形成され、該埋 込コレクタが該ベース領域の下に縦方向に 延在する構造であり、該埋込コレクタ構造 と該ベース領域が該埋込コレクタ構造と同 一の導電タイプのエピタキシャル材質によ つて垂直方向に隔離されることを特徴とす る回路装置。 １０、特許請求の範囲第９項に記載の回路装置において
   、該ベース領域の該垂直方向の広 がりが埋込拡散構造によつて形成され、該 埋込構造が該ベース領域と同一の導電タイ プを持ち、該埋込コレクタ構造及び隣接す るエピタキシャル材質領域の導電タイプと 反対の導電タイプを持つことを特徴とする 回路装置。 １１、特許請求の範囲第９項に記載の回路装置において
   、該ベース領域の該広がりが該ベ ース領域の下に横わり、該ベース領域の上 に該ベース領域への金属コレクタが形成さ れることを特徴とする回路装置。 １２、特許請求の範囲第１項に記載の回路装置において
   、該回路装置がツェナーダイオ ードのみから構成される回路の部分である ことを特徴とする回路装置。 １３、特許請求の範囲第１４に記載の回路装置において
   、該回路装置が保護されるトラン ジスタと補間的なタイプの二極トランジス タであり、該回路装置トランジスタのエミ ッタ端子が該被保護トランジスタのコレク タ端子に接続され、該回路装置トランジス タのコレクタ端子が該被保護トランジスタ のベース端子に接続され、そして該回路装 置トランジスタのエミッタベース接合が 該誘電負荷を横断して接続されることを特 徴とする回路装置。 １４、特許請求の範囲第１３項に記載の回路装置におい
   て、該回路装置の該エミッタベ ース接合か該誘電負荷のタップ部分を横断 して接続されることを特徴とする回路装置。