JPS6336145B2 - - Google Patents

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JPS6336145B2
JPS6336145B2 JP55132933A JP13293380A JPS6336145B2 JP S6336145 B2 JPS6336145 B2 JP S6336145B2 JP 55132933 A JP55132933 A JP 55132933A JP 13293380 A JP13293380 A JP 13293380A JP S6336145 B2 JPS6336145 B2 JP S6336145B2
Authority
JP
Japan
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terminal
conductivity type
mos transistor
layer
voltage
Prior art date
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Application number
JP55132933A
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English (en)
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JPS5758362A (en
Inventor
Isao Akitake
Yasuo Kominami
Kazuo Hoya
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L27/0203Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0248Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
    • H01L27/0251Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices

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  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はBipolar−Mos ICプロセスにおける
MOSトランジスタスイツチの半導体装置に関す
るものである。
第1図はMOSトランジスタスイツチの回路を
示す。第2図はMOSトランジスタの構造を示す。
第1図および第2図において、NチヤネルMOS
トランジスタ1のソース端子1aを入力端子と
し、該ソース端子1aに入力信号(以後±Vinと
述べる)2を印加する。ゲート端子ICにはMOS
トランジスタ1をスイツチ動作させるための制御
信号回路4からの制御信号を印加する。またバツ
ク・ゲート端子1dには負電源(以後VBGと示
す)3を印加する。ドレイン端子1bは出力端子
である。MOSトランジスタ1のスイツチ動作は、
周知のように、ソース端子1aに入力される入力
信号2よりゲート端子ICの電圧が高いときに
MOSトランジスタ1はオンし、逆に入力信号2
よりゲート端子ICの電圧が低いときにオフする。
上述したMOSトランジスタスイツチの特性、
特にひずみ率はMOSトランジスタのオン抵抗の
直線性に依存する。MOSトランジスタ1のオン
抵抗対ゲート電圧の直線性は第3図に示すように
バツク・ゲート電圧|−VBG|に依存する。つま
り小さなゲート制御電圧(VGS)で直線性の良い
領域を得るためには、バツク・ゲート電圧|−
VBG|の電圧が小さい方が良い(第3図中の特性
a)。また当然のことながら入力信号2の振幅レ
ベルが小さい程ひずみ率が良い。
そこでMOSトランジスタ1のひずみ率を良好
にするために入力信号2の振幅レベル|±Vin|
は通常小さくし、また|−VBG|の値は第2図で
示すように入力信号2の振幅レベル|±Vin|よ
りもやや大きい値、つまりソース端子1aとバツ
ク・ゲート端子1dのP−N接合を逆バイアスに
できる電圧に設定する。
しかしながら実際には上述のMOSトランジス
タ1に大入力振幅レベルの入力信号2が印加され
ることがある。そのとき入力信号2の振幅|±
Vin|とバツク・ゲート電圧|−VBG|との関係
が |−Vin|>|−(VBG+VF)| ただし−Vin:入力信号の負側レベル VBG:MOSトランジスタ1のバツク・ゲート電圧 VF:バツク・ゲートとソースのPN接合順方向電
圧 となつた場合、第2図で示したようにMOSトラ
ンジスタ1には大電流が流れ破壊することが生じ
る。つまり第2図においてエピタキシヤル層
(Ep)6とP−WELL層7を絶縁するために必ら
ずEp層6を最も高い電圧にするためEp端子1e
を正極電源5に接続する。よつてMOSトランジ
スタ1は必らずEp層(Ep端子1e)6をコレク
タ、P−WELL層(バツク・ゲート端子1d)
7をベース、ソース拡散層(ソース端子1a)8
をエミツタとする寄生NPNトランジスタ9が生
じる。
上記寄生NPNトランジスタ9において大振幅
の入力信号が印加されると、エミツタ(ソース端
子1a)電圧がベース(バツク・ゲート端子1
d)より低くなり、寄生NPNトランジスタ9は
動作し、コレクタ(Ep層)に接続された正極電
源5より、コレクタ電流がベース端子からは負電
源3よりベース電流が無制限に流れ、ついには寄
生NPNトランジスタ9は破壊を起し、MOSトラ
ンジスタ1も破壊してしまう。
そこで従来のMOSトランジスタスイツチの回
路は第4図で示した方法を用いている。第4図に
おいて、ソース端子1aにバツフア・アンプ10
を接続し、バツク・ゲート端子1dにはスイツチ
回路11を接続し、該スイツチ回路11を制御す
る制御回路12を接続する。正極電圧源5′、負
極電圧源3′はそれぞれ正極電圧源5、負極電圧
源3と同一電圧値である。
MOSトランジスタ1をオンにするときには、
該スイツチ回路11を11a側に倒し、ソース端
子1aとバツク・ゲート端子1dを接続する。
オフにするときには11b側に倒し、バツク・
ゲート端子1dを負電源3に接続する。このとき
負電源3の電圧レベルをもつとも低い電圧にする
つまり負極電源電圧に接続する。
これにより大振幅の入力信号がたとへ印加され
ても該バツフア・アンプにより、その振幅は負極
電源電圧以上に大きくなることはない、よつて該
MOSトランジスタ1に入力する信号レベルは |−Vin|<|−(VBG+VF)| となり、該寄生NPNトランジスタ9には大電流
が流れず、該MOSトランジスタ1が破壊を生じ
ることはない。
上述したように第4図の従来の回路においては
大振幅入力信号が印加されても破壊を生じないが
回路的にはスイツチ回路11、制御回路12が必
要となり、回路が複雑となり、しかも上記の回路
のスイツチング速度およびスイツチングのタイミ
ングが問題となる。よつて回路が単純でしかも破
壊妨止を行なつたMOSトランジスタスイツチ回
路が必要となる。
そこで第5図に示す回路例が考えられる。上述
したようにMOSトランジスタ1を破壊させない
ためには、|±Vin|<|−(VBG+VF)|となるよ
うに、入力信号2が大振幅レベルであつてもその
振幅を制限する方法である。つまりバツフア・ア
ンプ10の正極電圧源5′と負極電圧源3′の電圧
値を|−(VBG+VF)|以下とすれば、大入力振幅
の入力信号2が入つたとしてもそれは正極電圧源
5′、負極電圧源3′の電圧値以上には成り得ず振
幅制限され、MOSトランジスタ1は破壊は生じ
ない。しかしここで、ひずみ率特性に注目する
と、バツフア・アンプ10の正、負極電圧源5′,
3′の電圧値が低く、バツフア・アンプ10のひ
ずみ率が悪く、実用的な方法でない。そこで、ひ
ずみ率も良好で回路構成が単純な破壊防止を施し
たMOSトランジスタスイツチが必要となる。
そこで本発明の目的は、回路が単純で大振幅入
力信号が印加されても破壊しないMOSトランジ
スタアナログスイツチを提供するにある。
このため本発明は、構造的にはEp層の取り出
し端子1eをP−WELL層7から十分離れた所
より取り出しEp層のもつ抵抗を大きくする方法
をとり、一方回路的にはバツク・ゲート端子1d
に抵抗を接続し、バツク・ゲート負電源3より供
給されるベース電流を制限する方法を用いたこと
にある。
次に本発明の一実施例を第6図、第7図を用い
て詳しく説明する、すでに従来技術で述べたよう
にMOSトランジスタ1には寄生NPNトランジス
タ9が在るために、エミツタ端子1aに規定以上
の入力信号2が印加されると、ベース端子1dに
供給している負電圧源3よりエミツタ電圧が低く
なり寄生NPNトランジスタ9がトランジスタ動
作を行ない、コレクタ1eに接続した正極電圧源
5より電流が流れる。そして破壊に至る。そこで
本発明では第6図に示すようにバツク・ゲート端
子1d(ベース端子)に抵抗13を接続し、該抵
抗13を介して負電圧源3をバツク・ゲート端子
1dに供給する。また第7図の構成図に示すよう
に、寄生NPNトランジスタ9のコレクタ領域で
あるEp層6の取り出し点(コレクタ端子1e)
をベース領域であるP−WELL層7より大きく
離れた位置とする。これにより回路的にはコレク
タ抵抗14を挿入したと等化になる。よつて寄生
NPNトランジスタ9はコレクタ抵抗14を介し
て正極電圧源5に接続される。
以上述べた2つの抵抗13,14を挿入した
MOSトランジスタスイツチ回路の大入力信号時
の動作を述べる。大入力振幅レベルの入力信号2
がエミツタ端子1aに入力する。そして|±Vin
|>|−(VBG+VF)|となると寄生NPNトラン
ジスタ9はトランジスタ動作を開始する。
しかし、ベース端子1dには抵抗13が挿入さ
れているために負電圧源3から供給されるベース
電流は制限される。しかもコレクタにはコレクタ
抵抗14があるために正極電圧源5より供給され
るコレクタ電流も制限される。以上2つの制限抵
抗13,14により寄生NPNトランジスタ9に
流れる電流は制限されるため、MOSトランジス
タ1は破壊されることがない。
次に第8図、第9図においてPチヤネルMOS
トランジスタの場合について述べる。第9図の構
成図で示すようにN形シリコンウエハー上にPチ
ヤネルMOSトランジスタ15を構成した場合に
は、N−WELL層18に拡散した第1のP形拡
散層21をエミツタ領域とし、該N−WELL1
8をベース領域、P形エピタキシヤル層19をコ
レクタ領域とする寄生PNPトランジスタ17が
形成される。よつて上述したように該第1のP形
拡散層21の電極端子15aに大振幅入力信号が
入力し、該N−WELL層の電極端子15dに接
続されている正極電圧源(VBG)16の電圧値よ
り大きい場合に上記寄生PNPトランジスタ17
はトランジスタ動作を生じ、上記寄生PNPトラ
ンジスタ17には大電流が流れ破壊する。
よつて防止対策として第8図、第9図で示すよ
うにPチヤネルMOSトランジスタ17のバツ
ク・ゲート端子15dに第1の抵抗13を介して
正極電圧源16に接続し、また該PNPトランジ
スタ17のコレクタ領域であるP形エピタキシヤ
ル層19の取り出し点(コレクタ端子15e)を
ベース領域である該N−WELL層18より大き
く離れた位置とする。これにより回路的にはコレ
クタ抵抗14を挿入したと等価となる。よつて該
寄生PNPトランジスタ17のコレクタはコレク
タ抵抗14を介して負極電圧源20に接続され
る。
以上述べた抵抗13,14を挿入することで、
該PチヤネルMOSトランジスタ15は大振幅入
力信号が入力されたとしても、該抵抗13,14
で電流制限され破壊しない。
第10図は本発明のMOSトランジスタ1をサ
ンプル・ホールド回路に適用した実施例である。
第10図において、入力信号2はバツフア・アン
プ10を介してMOSトランジスタ1のソース端
子1aに入力され、ドレイン端子1bはホールド
容量16がアース間とに接続され、またバツフア
アンプ15に接続される。上記サンプル・ホール
ド回路の動作については周知の通りである。
以上述べたように本発明によればMOSトラン
ジスタだけによる簡単な構成で、ひずみ率の良好
なスイツチ回路を得るときに生じる寄生NPNト
ランジスタによる大入力振幅時のMOSトランジ
スタの破壊を防止する簡単な方法を実現すること
ができ便利なものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はMOSトランジスタスイツチの基本回
路図、第2図はMOSトランジスタのIC構成図、
第3図はMOSトランジスタの内部抵抗の特性図、
第4図は従来の回路図、第5図はIC構成図、第
6図は本発明の実施例を示す回路図、第7図は
IC構成図、第8図は本発明の他の実施例を示す
回路図、第9図はIC構成図、第10図は本発明
のスイツチ回路をサンプル・ホールド回路に適用
した具体回路図を示す。 1a……ソース端子、1b……ドレイン端子、
1c……ゲート端子、1d……バツク・ゲート端
子、1e……エピタキシヤル(Ep)端子、3…
…負電源、5……正電源、6……エピタキシヤル
層、7……P−WELL層、8,8……拡散層、
13,14……抵抗。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 第1導電形シリコンウエハー上に第2導電形
    シリコンのエピタキシヤル層を成長させ該エピタ
    キシヤル層に第1導電形シリコンを拡散して第1
    導電−WELL層を形成し、該第1導電−WELL
    層に第1の第1導電形シリコン拡散、第2の第2
    導電形シリコン拡散を行ない、該第1、第2の第
    2導電形拡散層にまたがつてシリコン酸化膜
    (SiO2)を形成し、第1、第2の拡散層に電極を
    設け、それぞれ第1の端子、第2の端子とし、該
    シリコン酸化膜上にも電極を設けて第3の端子と
    し、該第1導電−WELL層にも電極を設け第4
    の端子とし、また該エピタキシヤル層に電極を設
    け第5の端子を構成したMOSトランジスタにお
    いて、第1の端子を入力端子、第2の端子を出力
    端子、第3の端子を制御端子とし、第4の端子を
    第1の抵抗を介して第1極性電源に接続し、該エ
    ピタキシヤル層の電極を該第1導電−WELL層
    より離れた位置に電極を設け、等価的に該第1導
    電−WELL層と第5の端子間に第2の抵抗を介
    して第2極性電源に接続したことを特徴とする
    MOSトランジスタアナログスイツチ。
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JPS5758362A JPS5758362A (en) 1982-04-08
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JP2733796B2 (ja) * 1990-02-13 1998-03-30 セイコーインスツルメンツ株式会社 スイッチ回路
JP2012054694A (ja) * 2010-08-31 2012-03-15 On Semiconductor Trading Ltd 双方向スイッチおよびそれを用いたスイッチ回路

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