KR20080066153A - 정전기 방지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디스플레이 패널에 연결되는 회로, 또는 기타 전자 회로의 정전기 방지 장치에 관한 것으로서, 전원부 쪽에서 발생하는 정전기를 방지하고자 하는 소위 정전기 클램프 회로를 개선하여 정전기에 대해 보다 빠른 속도로, 보다 안정적으로 동작할 수 있는 정전기 방지 장치에 관한 것이다.

정전기, 보호, 회로, 클램프, ESD

Description

정전기 방지 장치{Device for protecting static}

도1은 종래의 PN 접합다이오드를 이용한 정전기 보호 회로를 나타낸다.

도2는 종래의 파워 레일 ESD 클램프 회로를 장착한 회로를 나타낸다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 보호장치의 블록도이다.

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전기 보호장치의 블록도이다.

※도면의 주요 부분에 대한 설명※

17 : 트리거부 18 : 인버터

19 : 클램핑부 20 : 비동작 스위치 소자

21 : 동작 스위치 소자 22 : 인버터

23,24 : 인버터 25 : 저항 성분

본 발명은 정전기 방지 장치에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 디스플레이 패널에 연결되는 회로, 또는 기타 전자 회로의 정전기 방지 장치에 관한 것으로서, 전원부 쪽에서 발생하는 정전기를 방지하고자 하는 소위 정전기 클램프 회로를 개선하여 정전기에 대해 보다 빠른 속도, 보다 안정적으로 동작할 수 있는 정전기 방지 장치에 관한 것이다.

두개의 서로 다른 물질을 서로 접촉하여 마찰을 일으키면 상대적인 전위차가 생기면서 수백 내지 수천 볼트의 정전하(Electrostatic charge)가 발생하게 된다. 일반적인 반도체 장치의 경우, 이러한 정전하의 방전(ESD, Electro-Static Discharge)에 의하여 패시베이션 파열, 열전자 이동 현상, 순간적인 열에 의한 알루미늄 손상, 접촉 스파이크, 유전체 손상 등의 손실을 입을 수 있다. 그러한 이유로 최근에는 일정 수준 이상의 정전기 대응 성능을 갖춘 제품을 요구하고 있고 정전기로 인해 축적된 전하를 될 수 있는 한 조속하게 완화시키도록 하는 정전기 보호 회로에 대한 연구의 중요성 및 심각성이 대두되고 있다.

도1은 종래의 정전기 보호 회로를 나타내는 것으로서, 반도체 소자들이 포함된 내부회로(15)와 외부의 인터페이스를 위한 금속 핀들로 구성된 IO 패드(11)에 PN-접합 다이오드(12,13)를 연결하는 방식으로 주로 구성되어 있다. IO 패드(11)를 통해 외부에서 발생하는 정전기가 인가되어 내부회로(15)에 영향을 주게 되며, PN-접합 다이오드(12,13)가 소정 전압 이상 또는 이하의 전압을 걸러줌으로써 정전기가 내부회로(15)에 영향을 주는 것을 방지하는 역할을 한다. 저항 소자(14)는 정전기에 의한 전압을 블로킹해주는 역할을 한다.

하지만, 최근 생산 단가 절약 및 시스템온칩(SoC, System-on-Chip) 구현을 목표로 IO 패드(11)로부터 인가되는 정전기 외에도, VDD 전원으로부터 인가되는 정전기를 방지하기 위해 도2와 같은 파워 레일 ESD 클램프 회로(15)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

각각의 IO 패드(11)에 정전기 보호 회로를 부착하면 어느 정도 내부 회로(15)를 외부 정전기로부터 보호할 수 있지만, VDD 전원 쪽으로부터 인가되는 정전기 보호를 위해서는 별도의 파워 레일 ESD 클램프 회로(15)가 요구된다.

그런데 파워 레일 ESD 클램프 회로(15)의 경우, 정상적인 전원 전압 인가 시에도 전원전압을 정전기로 인지하여 이를 방전시킴으로써, 전원 전압을 원하는 수준에 도달하지 못하게 하고 클램프 트랜지스터를 계속 켜 놓아 누설 전류가 생기는 오류가 발생하기도 한다. 이는 정전기 보호 회로뿐만 아니라, 이를 사용하고 있는 내부 회로(15)의 기본적인 동작을 저해하는 심각한 문제이다.

빠른 동작속도로 전원 전압에 의해 정전기를 효과적으로 방지하면서도 전원 전압의 누설을 방지할 수 있는 장치가 요구된다.

본 발명은 반도체 소자 등으로 구성된 내부회로의 성능을 개선하기 위해 사용되는 정전기 방지회로에서, 동작 스위치 소자의 저항값을 불균형하게 함으로써, 전원 전압을 정전기로 오인하여 발생하는 오동작률을 개선시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 정전기 방지 장치의 동작 속도를 저해하지 않으면서도 오동작률이 개선된 정전기 방지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 보호장치는, 소정 전압 이상이 입력되면 턴온되어 정전기를 방전시키는 클램핑부; 저항 크기가 상이한 2개의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 소정 전압 이상의 정전기가 입력되면 상기 클램핑부를 턴온시키는 스위칭 부; 및 상기 클램핑부가 턴온된 후 소정 시간후에 상기 클램핑부를 턴오프시키는 트리거부를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 정전기 보호장치는, 소정 전압 이상이 입력되면 턴온되어 정전기를 방전시키는 클램핑부; 2개의 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자와 직렬로 연결된 저항 성분을 포함하며, 상기 소정 전압 이상의 정전기가 입력되면 상기 클램핑부를 턴온시키는 스위칭 부; 및 상기 클램핑부가 턴온된 후 소정 시간후에 상기 클램핑부를 턴오프시키는 트리거부를 포함한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 보호장치의 블록도이다. 도3에 도시된 정전기 보호장치는 도2의 전원 전압 레일 ESD 전압 회로(16)로 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 정전기 보호장치는, 소정 전압 이상이 입력되면 턴온되어 정 전기를 방전시키는 클램핑부(19), 저항 크기가 상이한 2개의 스위칭 소자(20,21)로 구성되어 상기 소정 전압 이상의 정전기가 입력되면 상기 클램핑부(19)를 턴온시키는 스위칭부(18), 상기 클램핑부(19)가 턴온된 후 소정 시간후에 상기 클램핑부(19)를 턴오프시키는 트리거부(17)를 포함한다.

트리거부(17)는 정전기에 ESD 스트레스가 인가되어 턴온되는 클램핑부(19)를 소정 시간 후에 턴오프시켜주는 소자로서, 저항소자(R)와 직렬로 연결된 캐패시터(C)로 구성될 수 있다.

상기 스위칭부(18)는 정전기 발생시 상기 트리거부(17)에 의해 턴온되는 동작 스위치 소자(21)와 정전기 발생시 상기 트리거부(17)에 의해 턴오프되며, 상기 동작 스위치 소자(21) 보다 저항값이 작은 비동작 스위치 소자(20)로 구성된다.

동작 스위치 소자(21)와 비동작 스위치 소자(20)의 게이트 단자에는 인버터(22)가 연결되어 있어, 동작 스위치 소자(21)의 입력에는 트리거부(17)로부터의 입력신호 RCIN의 신호가 그대로 전달되고, 비동작 스위치 소자(20)의 입력에는 반전된 RCIN 신호가 입력된다. 즉, 동작 스위치 소자(21)와 비동작 스위치 소자(20)의 입력단자, 또는 게이트 단자에는 항상 서로 반전된 신호가 입력되게 된다.

래치부(18)는 2개의 병렬연결된 인버터들(23,24)로 구성되며, 클램핑부(19)의 입력 신호, 즉 클램핑부(19)를 구성하는 트랜지스터의 게이트 전압값(VG)과 그 반전된 값(VGB)을 정전기 인가 또는 전원 전압 인가 등의 변화가 있을 때까지 저장 또는 홀드시켜준다.

도3에 도시된 본 발명에 따른 정전기 방지 회로의 동작을 살펴본다.

초기에 VDD 전원이 턴오프(turn-off)되어 있다고 가정하면, 트리거부(17)의 출력인 RCIN 신호의 초기값은 로우(low)이고, PMOS로 구성된 동작 스위치 소자(21)는 턴온(turn-on)되어 전원 전압 레벨을 VG 노드로 전달한다.

VDD 전원 쪽에서 일순간 갑자기 정전기에 의해 수천볼트 이상의 ESD 스트레스가 인가되면, 클램핑부(19)의 게이트 전압인 VG 노드의 전압은 정전기에 의한 전압 상승 레벨을 좇아 올라가게 되고, 이는 클램핑부(19)를 구성하는 트랜지스터를 턴온시켜서 내부회로(15)에 영향없이 정전기를 접지(GND)로 방전시키는 회로로 동작하게 된다.

정전기가 인가되면 트리거부(17)에도 수천볼트 이상의 전압이 인가되는데, 트리거부(17) 내부의 캐패시터에 순간적으로 전하가 충전되었다가, 서서히 방전이 발생하며, 방전되는 속도는 RC 시정수 값에 따라 달라진다.

캐패시터에 의해 순간적으로 전하가 충전되면, 동작 스위치 소자(21)는 턴오프가 되고 클램핑부(19)는 턴온되어 정전기를 방전시키고, 방전에 의해 RCIN이 동작 스위치 소자(21)의 턴온 전압 이하가 되면, 동작 스위치 소자(21)는 다시 턴온되고, 클램핑부(19)는 턴오프되어 다시 정상적인 상태로 돌아오게 되고, VDD 전원이 내부회로(도2의 15)에 인가될 수 있다.

즉, 정전기에 의한 ESD 스트레스 인가 후에 잠시 동안 동작 스위치 소자(21)가 턴오프되었다가, 소정 시간 후에 다시 턴온되고, 클램핑부(19)가 전류를 당기는 역할을 해 준 후 턴오프 된다. 클램핑부(19)가 턴온되어 있는 시간은 트리거 부(17)의 RC 시정수 값을 변경하므로써 조절할 수 있다.

이 때, ESD 스트레스에 민감하게 반응하여 클램핑부(19)를 구성하는 트랜지스터를 빠르게 턴온시키려면 동작 스위치 소자(21)의 저항 성분이 작아야 하고, 정상적인 전원인가 시에도 오동작으로 인해 클램핑부(19)가 턴온 되는 것을 방지하려면 동작 스위치 소자(21)의 저항 성분이 커야 한다. 상반되는 결과를 가져오는 딜레마에 빠질 수 있다.

본 발명에 따른 정전기 방지 회로(16)에서는 동작 스위치 소자(21)와 비동작 스위치 소자(20)로서 서로 저항성분이 상이한 트랜지스터 소자를 사용한다. 동작 스위치 소자(21)의 저항 성분은 크게 하고, 비동작 스위치 소자(20)의 저항 성분은 줄임으로써, ESD 스트레스에 민감하게 반응하면서도 정상적인 전원인가 시에 오동작을 방지할 수 있다.

동작 스위치 소자(21)를 구성하는 트랜지스터의 W값(폭 사이즈)은 작게하고, 비동작 스위치 소자(20)를 구성하는 트랜지스터의 W값은 크게함으로써, 저항 성분을 조절할 수 있다.

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전기 방지 장치의 블록도이다.

도4의 정전기 방지 장치의 구성 및 동작은 도3에 도시된 실시예에 동일하며, 동작 스위치 소자(21)와 VDD 전원 사이에 저항 성분(25)을 추가로 연결한 것만 다르다. 저항 성분(25)을 추가로 연결함으로써 결과적으로 동작 스위치 소자(21)의 저항 성분이 커지는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 경우에는 동작 스위치 소자(21)와 비동작 스위치 소자(20)의 저항 성분 값이 동일해도 결과적으로 도3에 도시된 정전기 방지 장치와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

저항 성분(25)으로는 도4에 도시된 바와 같이 드레인 단자와 게이트 단자를 연결한 PMOS를 사용할 수 있다. 드레인 단자와 게이트 단자를 연결한 PMOS는 PMOS의 동작 영역에서 하나의 저항 소자와 같은 역할을 하게 된다.

도5a 및 도5b는 각각 종래 기술에 따른 정전기 방지회로와 본 발명에 따른 정전기 방지 회로의 동작 특성을 나타내는 그래프이다.

도5a의 종래 기술에 따른 정전기 방지회로에서는 외부 인가 전원 전압(VDD)이 인가되어도 정전기 방지회로의 오동작으로 인해 실제로 내부 회로에 인가되는 전원 전압은 VDD에 미치지 못하고, VG 노드 전압이 정상 동작시에도 소정 값을 갖지만, 도5b와 같이, 본 발명에 따른 정전기 방지회로에 따르면 외부 인가 전원 전압(VDD)와 내부 회로에 인가되는 전압의 크기가 거의 동일하고, VG 노드 전압도 거의 0으로 되어, 안정된 정전기 방지 특성을 보여준다.

본 발명에 따르면, 반도체 소자 등으로 구성된 내부회로의 성능을 개선하기 위해 사용되는 정전기 방지회로에서, 동작 스위치 소자의 저항값을 불균형하게 함으로써, 전원 전압을 정전기로 오인하여 발생하는 정전기 방지 장치의 오동작률을 개선시키고, 전원 전압의 효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 정전기 방지 장치에 따르면 정전기 인가에 따른 동작 속도가 저해되지 않으면서도 오동작률이 개선된 정전기 방지 장치를 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 소정 전압 이상이 입력되면 턴온되어 정전기를 방전시키는 클램핑부;

   저항 크기가 상이한 2개의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 소정 전압 이상의 정전기가 입력되면 상기 클램핑부를 턴온시키는 스위칭 부; 및

   상기 클램핑부가 턴온된 후 소정 시간후에 상기 클램핑부를 턴오프시키는 트리거부;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 보호장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스위칭부는,

   정전기 발생시 상기 트리거부에 의해 턴온되는 동작 스위치 소자; 및

   정전기 발생시 상기 트리거부에 의해 턴오프되며, 상기 동작 스위치 소자 보다 저항값이 작은 비동작 스위치 소자;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 보호장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 스위칭부는 상기 동작 스위치 소자와 직렬로 연결된 저항부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 보호장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 클래핑부의 입력 신호를 홀드(hold)하는 래치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 보호장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 트리거부는 RC 직렬 회로인 것을 특징으로 하는 정전기 보호장치.
6. 소정 전압 이상이 입력되면 턴온되어 정전기를 방전시키는 클램핑부;

   2개의 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자와 직렬로 연결된 저항 성분을 포함하며, 상기 소정 전압 이상의 정전기가 입력되면 상기 클램핑부를 턴온시키는 스위칭 부; 및

   상기 클램핑부가 턴온된 후 소정 시간후에 상기 클램핑부를 턴오프시키는 트리거부;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 보호장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 클래핑부의 입력 신호를 홀드(hold)하는 래치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 보호장치.
8. 제6항에 있어서,

   상기 트리거부는 RC 직렬 회로인 것을 특징으로 하는 정전기 보호장치.

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