NL8802852A - Geintegreerde halfgeleiderschakeling met ompolingsbeveiliging. - Google Patents

Description

Geïntegreerde halfgeleiderschakeling met ompolingsbeveiliging

De uitvinding heeft betrekking op een schakeling omvattend een geïntegreerde halfgeleiderschakeling en een beveiligingscircuit, welke geïntegreerde halfgeleiderschakeling een aantal op een substraat aangebrachte componenten omvat, welke componenten elk zijn omgeven door een gebied van een bepaald geleidbaarheidstype, en welke geïntegreerde halfgeleiderschakeling is voorzien van tenminste een tweetal voedingsspanningsaansluitklemmen en een aansluitklem die gekoppeld is met het gebied van een bepaald geleidbaarheidstype.

Geïntegreerde halfgeleiderschakelingen, waarvan de componenten bijvoorbeeld zijn vervaardigd met behulp van een epitaxiaal procédé, zijn algemeen bekend en vinden tevens op grote schaal toepassing omdat het epitaxiale procédé eenvoudig, goed reproduceerbaar en goedkoop is.

Indien de componenten epitaxiale n-p-n transis-toren zijn, is het gebied van een bepaald geleidbaarheidstype, dat een n-p-n transistor omgeeft een p-type substraat. In een dergelijke geïntegreerde schakeling is een parasitaire p-n-p transistor aanwezig, gevormd door de p-type basis, de n-type collector en het p-type substraat.

Deze transistor dient altijd in de geblokkeerde toestand te worden gehouden om de normale werking Van het circuit te kunnen garanderen en omdat er anders zodanig hoge stromen kunnen vloeien dat een of meer p-n overgangen doorslaan, hetgeen meestal betekent dat de geïntegreerde schakeling onbruikbaar is geworden. Hiertoe is het bekend om het substraat te verbinden met de meest negatieve spanning in de schakeling.

Een probleem ontstaat echter wanneer de voedings- spanning van de geïntegreerde schakeling per ongeluk verkeerd wordt aangesloten, d.w.z. de plus-klem van de schakeling met de negatieve klem van de voedingsbron en de min-klem van de schakeling met de positieve klem van de voedingsbron. Het substraat is dan ineens met de meest positieve spanning in de schakeling verbonden en de parasitaire p-n-p transistor kan volledig in geleiding komen, hetgeen tot zulke grote stromen zal leiden dat de schakeling defect raakt.

Voor dit probleem zijn reeds diverse oplossingen voorgesteld. Zo is het mogelijk in de geïntegreerde schakeling, tussen de uitwendige voedingsspanningsklemmen en de inwendige voedingsspanningsklemmen voor de schakeling een uit een viertal diodes bestaande brugschakeling op te nemen, waardoor onafhankelijk van de aangesloten voedingsspanningspolariteit altijd een juiste polariteit voor de schakeling en dus ook voor het substraat gegarandeerd kan worden, zodat de schakeling altijd op juiste wijze zal functioneren. Ook is het mogelijk tussen een uitwendige en een inwendige voedingsspanningsklem een enkele diode op te nemen die uitsluitend geleidt als de voedingsspanning op juiste wijze is aangesloten, zodat bij een voedingsspanning met een foutief aangesloten polariteit de schakeling weliswaar niet functioneert maar ook niet defect kan raken.

Een bezwaar van elk van deze oplossingen is dat over een diode in geleidende toestand altijd een spanningsval van jf 0,6 volt optreedt. Indien nu de externe voedingsspanning relatief laag is, bijvoorbeeld een batterijvoeding van 1,5 a 2 volt, is deze spanningsval zo groot dat de feitelijke voedingsspanning voor de schakeling, 0,9 a 1,4 volt, te laag is om een goed functioneren mogelijk te maken. In het bijzonder is deze relatief grote spanningsval nadelig indien de schakeling die wordt gevoed een hoogspanningsvoedingsschakeling is waarbij voor de spanningsvermenigvuldiging gebruik wordt gemaakt van b.v. een diodeladder. De praktisch bereikbare hoogspanning zal dan ten opzichte van de maximaal mogelijke hoogspanning relatief evenveel lager zijn dan de werkelijke voedingsspanning ten opzichte van de door de voedingsbron, zoals een batterij, afgegeven voedings spanning.

De uitvinding beoogt voor dit probleem een oplossing te bieden waardoor ook bij relatief lage externe voedingsspanningen een verkeerde polariteit i van de op een geïntegreerde schakeling aangesloten voedingsspanningsbron niet tot een defect raken van aeze schakeling kan leiden, zonder dat bij een juiste polariteit van deze voedingsspanningsbron de waarde van de externe voedingsspanning en de waarde van de in het inwendige van de geïntegreerde schakeling voor de schakeling feitelijk beschikbare waarde van de voedingsspanning wezenlijk van elkaar verschillen.

De uitvinding voorziet daartoe in een schakeling van voornoemde soort met het kenmerk, dat het beveiligings-circuit een tweetal ingangsklemmen en een uitgangsklem omvat, dat een eerste ingangsklem is gekoppeld met een eerste voedingsspanningsaansluitklem, dat de tweede ingangsklem is gekoppeld met een tweede voedingsspanningsaansluitklem, dat de uitgangsklem van het beveiligingscir-cuit via de aansluitklem is gekoppeld met het gebied van een bepaald geleidbaarheidstype en dat het beveili-gingscircuit een geleidingsbaan verschaft tussen de uitgangsklem en de ingangsklem met de meest extreme potentiaal, welke meest extreme potentiaal de meest positieve is in het geval dat het gebied een n-type geleidbaarheid bezit en de meest negatieve is in het geval dat het gebied een p-type geleidbaarheid bezit.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding omvat het beveiligingscircuit een tweetal transistoren en een tweetal weerstanden, waarbij van de eerste transistor de basis elektrode via een weerstand gekoppeld is met de eerste ingangsklem, de emitter elektrode met tweede ingangsklem en de collector elektrode met de uitgangsklem, en waarbij van de tweede transistor de basiselektrode via de andere weerstand gekoppeld is met de tweede ingangsklem, de emitter elektrode met de eerste ingangsklem en de collector elektrode met de uitgangsklem.

Indien het substraat een p-type substraat is, hetgeen bij epitaxiaal opgebouwde transistoren ) het meest gebruikelijk is, zijn de transistoren van het circuit volgens de uitvinding van het n-p-n type en is de uitgangsklem van het circuit gekoppeld met het substraat.

Door de maatregelen volgens de uitvinding is, zoals onderstaand nader zal worden toegelicht, verzekerd dat het substaat zich altijd op een zodanige voedingspotentiaal bevindt, dat de parasitaire transistoren niet in geleiding kunnen komen.

Bij voorkeur is het beveiligingscircuit van de schakeling volgens de uitvinding opgenomen op hetzelfde substraat als de geïntegreerde halfgeleiderschakeling, zodat de transistoren en weerstanden aan dezelfde tempera-tuursinvloeden e.d. onderhevig zijn als de overige componenten van de schakeling en altijd adequaat zullen f uncti oneren.

Het aan de uitvinding ten grondslag liggende principe kan ook met voordeel worden toegepast indien de geïntegreerde halfgeleiderschakeling als componenten een of meer weerstanden omvat. Dergelijke weerstanden worden in het epitaxiale procédé tegelijk met de basisdiffusie gevormd door in de n-type epitaxiale laag p-type gebieden aan te brengen, elk van welke gebieden op op zich bekende wijze als weerstand kan functioneren. Hierbij is het echter noodzakelijk de n-type epitaxiale laag die de weerstand of weerstanden omgeeft op de meest positieve potentiaal van de schakeling te houden om de p-n overgang altijd gesperd te houden. Ook bij weerstanden zijn immers parasitaire p-n-p transistoren aanwezig, hetzij tussen een tweetal weerstanden hetzij tussen een weerstand, het epitaxiale gebied en het p-type substraat.

Dergelijke parasitaire p-n-p transistoren kunnen in geleiding komen indien de potentiaal van een weerstand hoger wordt dan die van het n-gebied en kunnen tot zodanige hoge kortsluitstromen leiden dat in de schakeling een of meer p-n overgangen doorslaan, waardoor de schakeling defect raakt.

Ook dit probleem kan op de bekende wijze met behulp van een brugschakeling van diodes of met behulp van een enkele diode worden ondervangen, maar deze bekende oplossingen hebben bij relatief lage externe voedingsspanningen opnieuw het bezwaar dat ten gevolge van de spanningsval * ver een in geleiding gebrachte diode de feitelijk votr de schakeling beschikbare voedingsspanning te laag wordt. De uitvinding beoogt voor dit probleem ook een oplossing te bieden in het geval gebruik gemaakt wordt van relatief lage voedingsspanningen.

Bij een geïntegreerde halfgeleiderschakeling waarbij de componenten in een n-type geleidbaarheidsgebied door diffusie gevormde p-type weerstanden omvatten zijn de transistoren van het beveiligingscircuit van het p-n-p type.

Door deze maatregelen is, zoals tevens onderstaand zal worden toegelicht, verzekerd dat het epitaxiale gebied dat de p-type weerstandgebieden omgeeft, zich altijd op een’ zodanige voedingsspanning bevindt dat de aanwezige parasitaire transistoren niet in geleiding kunnen komen.

De uitvinding zal in het hiernavolgende nader worden toegelicht aan de hand van een tweetal uitvoerings-voorbeelden onder verwijzing naar de tekening. Hierin toont: fig. 1 een schematische doorsnede van een volgens het epitaxiale procédé gevormde n-p-n transistor; fig. 2 het schema van een circuit volgens de uitvinding voor het verzekeren van de juiste potentiaal voor het substraat waarop de transistor volgens fig. 1 gevormd is; fig. 3 een schematische doorsnede van een tweetal in een n-type epitaxiaal gebied gevormde weerstanden; en fig. 4 het schema van een circuit volgens de uitvinding voor het verzekeren van de juiste polariteit voor het epitaxiale gebied waarin de weerstanden volgens fig. 3 zijn gevormd.

Fig. 1 toont een op op zich bekende wijze volgens een epitaxiaal procédé op een p-type substraat 1 gevormde n-p-n transistor bestaande uit een n-type collectorgebied 2, dat gevormd is uit een gedeelte van een n-type epitaxiale laag, een p-type basisgebied 3, dat gevormd is door een p-type diffusie in het collector-gebied 2 en een n-type emittergebied 4 dat gevormd is door een n-type diffusie in het basisgebied 3. Elk van de gebieden 2, 3 en 4 is voorzien van respectieve aansluitklemmen, die zijn aangeduid met c, b en e. Daarnaast is voorzien in een aansluitklem 5 voor het substraat.

Zoals uit fig. 1 blijkt, wordt door het p-type substraat 1, het n-type collectorgebied 2 en het p-type basisgebied 3 een parasitaire p-n-p transistor gevormd.

Om te voorkomen dat deze parasitaire transistor in geleiding komt is het noodzakelijk dat het substraat 1 altijd verbonden is met de meest negatieve potentiaal die in de geïntegreerde schakeling, waarvan de getoonde transistor deel uitmaakt, aanwezig is. Hiertoe wordt meestal de aansluitklem 5 voor het substraat intern in de geïntegreerde schakeling doorverbonden met de voedingsspanningsaansluitklem voor de meest negatieve voedingspanning van een externe voedingsspanningsbron.

Bij het bij vergissing ompolen van de externe voedings-spanningsbron, waardoor de voedingsspanningsaansluitklem van de geïntegreerde schakeling voor de meest negatieve voedingsspanning wordt verbonden met een hogere of de hoogste voedingsspanning, kan echter de parasitaire p-n-p transistor wel in geleiding komen en in het bijzonder wanneer de op genoemde aansluitklem aangesloten spanning de hoogste voedingsspanning is kunnen ongecontroleerd hoge stromen vloeien die een of meer van de p-n overgangen doen doorslaan.

Volgens de uitvinding is voor dit probleem een oplossing gevonden waarbij altijd verzekerd is dat het substraat is aangesloten op de meest negatieve potentiaal zonder dat hierbij een spanningsval optreedt die de voor de geïntegreerde schakeling beschikbare voedingsspanning lager doet zijn dan de door de externe spanningsbron geleverde voedingsspanning.

Fig. 2 toont het circuit volgens de uitvinding opgenomen tussen een voedingsspanningsbron 26 met een negatieve aansluitklem 25 en een positieve aansluitklem 24 en een schematisch getoonde geïntregreerde schakeling 20 met een aansluitklem 21 voor de positieve voedingsspanning en een aansluitklem 22 voor de negatieve voedingsspanning, welke geïntegreerde schakeling tevens is voorzien van een aansluitklem 23 voor het substraat, welke klem dus intern in de geïntegreerde schakeling is doorverbonden met aansluitklem 5.

Het ompolingsbeveiligingscircuit volgens de uitvinding bezit een tweetal ingangsklemmen 31 en 32 en een uitgangsklem 33, die gekoppeld is met de aansluitklem 23 voor het substraat.

Het circuit omvat een tweetal n-p-n transistoren 27 en 28 en een tweetal weerstanden 29 en 30. De weerstand 29 is gekoppeld tussen de ingangsklem 31 en de basis van de transistor 27 en de weerstand 30 is gekoppeld tussen de ingangsklem 32 en de basis van transistor 28. De emitters van de transistoren 27 en 28 zijn respectievelijk verbonden met de ingangsklemmen 32 en 31 en de collectoren van de transistoren 27 en 28 zijn met elkaar en met de uitgangsklem 33 gekoppeld.

De werking van het ompolingsbeveiligingscircuit is als volgt. Wanneer de voedingsspanningsbron 26 op juiste wijze is aangesloten, zoals in fig. 2 in doorgetrokken lijnen is getoond, d.w.z. met de positieve aansluitklem 24 met de aansluitklem 21 van de geïntegreerde schakeling 20 en met de negatieve aansluitklem 25 met de aansluitklem 27 van de geïntegreerde schakeling, is ingangsklem 31 ook met de positieve voedingsspanning verbonden en ingangsklem 32 met de negatieve voedingsspanning. Hierdoor zal n-p-n transistor 27 volledig in geleiding komen en n-p-n transistor 28 blokkeren.

Doordat transistor 27 volledig in geleiding komt ontstaat een geleidingsbaan tussen ingangsklem 32 en uitgangsklem 33, waardoor op uitgangsklem 33 de negatieve voedingsspanning voor het substraat beschikbaar is. Doordat over de volledig geleidende transistor 27 geen spannings-val optreedt, is het verzekerd dat de substraatspanning ook gelijk is aan de meest negatieve beschikbare potentiaal. Daarnaast treedt geen spanningsverlies op tussen de klemmen 24 en 21 enerzijds en de klemmen 25 en 22 anderzijds, zodat over de geïntegreerde schakeling de volle spanning van voedingsspanningsbron 26 beschikbaar is, hetgeen vooral bij lage voedingsspanningen van groot belang is.

Wanneer bij vergissing de voedingsspanningsbron 26 verkeerd wordt aangesloten, d.w.z. met de negatieve aansluitklem 25 aan de aansluitklem 21 van de geïntegreerde schakeling 20 en met de positieve aansluitklem 24 met de aansluitklem 22, zal de geïntegreerde schakeling niet kunnen functioneren, maar dankzij het beveiligings-circuit volgens de uitvinding ook niet defect kunnen raken. Bij een op deze wijze foutief aangesloten voedings- spanning zal immers transistor 27 blokkeren en transistor 28 nu volledig geleiden. Hierdoor ontstaat nu een gelei-dingsbaan tussen uitgangsklem 32 en de ingangsklem 31, waardoor opnieuw het substraat met de meest negatieve beschikbare potentiaal is verbonden, zodat parasitaire p-n-p transistoren in de geïntegreerde schakeling niet in geleiding kunnen komen.

Fig. 3 toont schematisch de op zich bekende wijze waarop op het p-type substraat met daarop een epitaxiaal gebied 6 van het n-type een p-type weerstand-gebied 8 met aansluitklemmen 9 en 9' en een p-type weerstandsgebied 10 met aansluitklemmen 11 en 11' is gevormd. Het epitaxiale gebied 6, dat is voorzien van een aansluitklem 7, maakt deel uit van dezelfde epitaxiale laag als waaruit het collectorgebied 2 van de transistor volgens fig. 1 is gevormd. Voor het overige zijn in de figuren 1 en 3 gelijke onderdelen aangeduid met gelijke verwijzingscijfers. In de in fig. 3 getoonde configuratie zijn parasitaire p-n-p transistoren aanwezig bestaande uit de twee p-type weerstanden 8 en 10 en het tussengelegen epitaxiale n-type gebied 6 en ook uit één van de p-type weerstandengebieden, het n-type epitaxiale gebied 6 en het p-type substraat 1. Om te voorkomen dat één van deze parasitaire transistoren in geleiding komt met opnieuw alle bovenstaand beschreven desastreuze gevolgen is het gebruikelijk het n-type epitaxiale gebied 6 intern in de geïntegreerde schakeling te verbinden met de aansluitklem voor de meest positieve potentiaal, waardoor in principe verzekerd is dat een p-n overgang waarvan het n-type epitaxiale gebied 6 deel uitmaakt, nooit in geleiding kan komen.

Indien echter de externe voedingsspanningsbron bij vergissing foutief wordt aangesloten is het n-type gebied 6 met een lagere of zelfs met de meest negatieve potentiaal verbonden, waardoor een of meer van de parasitaire p-n-p transistoren wel in geleiding kan komen en er zodanig grote stromen kunnen vloeien dat een of meer p-n overgangen doorslaan. De aan de hand van fig. 2 toegelichte, aan de uitvinding ten grondslag liggende gedachte kan ook in dit geval uitkomst bieden.

Het hiertoe benodigde ompolingsbeveiligingscircuit volgens de uitvinding is getoond in fig. 4, in welke figuur alle overeenkomstige onderdelen dezelfde verwij-zingscijfers hebben als in fig. 2, echter met 20 verhoogd. In feite is de schakeling volgens fig. 4 volledig identiek ) aan die volgens fig. 2 met uitzondering van aansluitklem 43 die is verbonden met het epitaxiale gebied 6 in de geïntegreerde schakeling 40, dus met de aansluitklem 7 volgens fig. 3, en de transistoren 47 en 48 die nu van het p-n-p type zijn.

i Bij een juiste aansluiting van de voedingsspan- ningsbron 46, zoals in de figuur in een doorgetrokken lijn is getoond, is p-n-p transistor 48 volledig in geleiding en blokkeert transistor 47, zodat de uitgangs-klem 53, en dus het n-type epitaxiale gebied 6 gekoppeld is met de hoogste potentiaal. Wanneer de voedingsspanningsbron 46 foutief is aangesloten, zoals in een stippellijn is getoond, functioneert de geïntegreerde schakeling 40 niet, maar deze raakt ook niet defect. Immers, transistor 47 geleidt nu en transistor 48 blokkeert, zodat de uitgangsklem 53, en dus het n-type epitaxiale gebied met de meest positieve potentiaal verbonden blijft en de parasitaire p-n-p transistoren niet in geleiding kunnen komen.

Het beveiligingscircuit volgens fig. 4 heeft vanzelfsprekend dezelfde voordelen als dat volgens fig. 2, in het bijzonder dat er geen verlies in de voor de geïntegreerde schakeling beschikbare voedingsspanning optreedt.

Alhoewel de in de figuren 2 en 4 getoonde beveiligingscircuits buiten de geïntegreerde schakeling kunnen worden geplaatst, zal het duidelijk zijn dat deze bij voorkeur worden opgenomen in de geïntegreerde schakeling zelf. Hierdoor worden mogelijke vergissingen bij het aansluiten van het beveiligingscircuit, zoals het verwisselen van in- en uitgangsklemmen, voorkomen, en zijn de componenten van het circuit aan precies dezelfde omgevingsinvloeden en verouderingsverschijnselen onderhevig als de componenten van de geïntegreerde schakeling zelf, waardoor een optimaal betrouwbaar functioneren verzekerd wordt.

Het is vanzelfsprekend mogelijk om in een geïntegreerde schakeling één van beide circuits volgens fig. 2 of fig. 4 op te nemen, maar wanneer in de geïntegreerde schakeling transistoren van het in fig. 1 getoonde type en weerstanden van het in fig. 3 getoonde type aanwezig zijn, is bij voorkeur voorzien in beide circuits, één voor het substraat en één voor het epitaxiale gebied waarin weerstanden gevormd zijn. Wanneer echter weerstanden worden toegepast die niet volgens een epitaxiaal procédé zijn vervaardigd en die volledig geïsoleerd zijn van de rest van het circuit, zoals bijvoorbeeld op de S1O2 toplaag van een geïntegreerde schakeling gevormde Ni-Cr weerstanden, kan worden volstaan met het circuit volgens fig. 2.

Opgemerkt wordt dat in geval van toepassing van een n-type substraat en een p-type epitaxiale laag het circuit volgens fig. 2 geschikt is voor het tegen ompoling beveiligen van een p-type epitaxiaal gebied waarin n-type weerstanden zijn gevormd en het circuit volgens fig. 4 voor het beveiligen van een n-type substraat waarop p-n-p transistoren gevormd zijn.

Tenslotte wordt nog opgemerkt, dat de externe voedingsspanning bij de circuits volgens fig, 2 en 4 niet hoger mag zijn dan de basis-emitter Zener spanning van de transistoren 27, 28 respectievelijk 47, 48. Dit hoeft echter zeker bij lagere externe voedingsspanningen geen probleem te zijn.

Het zal verder duidelijk zijn dat er equivalenten bestaan van de beveiligingscircuits volgens de fig.

2 en 4, bijvoorbeeld circuits waarin in plaats van transistoren thyristoren worden toegepast, welke circuits op dezelfde wijze functioneren als de getoonde circuits en derhalve ook geacht worden onder de uitvinding, zoals omschreven in de conclusies, te vallen.

Claims (5)

1. Schakeling omvattend een geïntegreerde halfgeleider schakeling en een beveiligingscircuit, welke geïntegreerde halfgeleiderschakeling, een aantal op een substraat aangebrachte componenten omvat, welke componenten elk zijn omgeven door een gebied van een bepaald geleidbaarheidstype, en welke geïntegreerde halfgeieiderschakeling is voorzien van tenminste een tweetal voedingsspanningsaansluitklemmen en een aansluit-klem die gekoppeld is met het gebied van een bepaald geleidbaarheidstype, met het kenmerk, dat het beveiligingscircuit een tweetal ingangsklemmen (31, 32; 51, 52) en een uitgangsklem (33? 53) omvat, dat een eerste ingangsklem (31? 51) is gekoppeld met een eerste voedings-spanningsaansluitklem (21? 41), dat de tweede ingangsklem (32; 52) is gekoppeld met een tweede voedingsspanningsaan-sluitklem (22? 42), dat de uitgangsklem (33? 53) van het beveiligingscircuit via de aansluitklem (23; 43) is gekoppeld met het gebied van een bepaald geleidbaarheidstype en dat het beveiligingscircuit een geleidingsbaan verschaft tussen de uitgangsklem (23? 43) en de ingangsklem met de meest extreme potentiaal, welke meest extreme potentiaal de meest positieve is in het geval dat het gebied een n-type geleidbaarheid bezit en de meest negatieve is in het geval dat het gebied een p-type geleidbaarheid bezit.

2. Schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het beveiligingscircuit een tweetal transistoren (27; 28? 47, 48) en een tweetal weerstanden (29, 30? 49, 50) omvat, waarbij van de eerste transistor (27? 47. de basiselektrode via de ene weerstand (29? 49) is gekoppeld met de eerste ingangsklem (31; 51), de emitterelektrode met de tweede ingangsklem (32? 52) en de collectorelektrode met de uitgangsklem (33? 53) en waarbij van de tweede transistor (28? 48) de basiselektrode via de andere weerstand (30; 50) is gekoppeld met de tweede ingangsklem (32; 52), de emitterelektrode met de eerste ingangsklem (31; 51) en de collectorelek-trode met de uitgangsklem (33; 53).

3. Schakeling volgens conclusie 2, waarin de componenten van de geïntegreerde schakeling n-p-n transis-toren omvatten en waarbij het gebied van een bepaald geleidbaarheidstype het substraat is en een p-type geleidbaarheid bezit, met het kenmerk, dat de eerste en de tweede transistor van het n-p-n type zijn.

4. Schakeling volgens conclusie 2, waarbij de componenten p-type weerstanden omvatten welke zijn omgeven door een gebied van n-type geleidbaarheid, met het kenmerk, dat de eerste en de tweede transistor van het p-n-p type zijn.

5. Schakeling volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat het beveiligingscircuit op het substraat van de geïntegreerde schakeling is gevormd.