TWI670911B - 靜電放電防護裝置 - Google Patents

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Abstract

靜電放電防護裝置包含分壓電路、偵測電路以及箝位電路。分壓電路根據第一電壓與第二電壓輸出N-1個偏壓，其中N為大於等於2的一正整數。偵測電路根據關聯於第一電壓與第二電壓的一預定節點之電壓位準偵測一靜電放電事件，並根據第一電壓、第二電壓以及該些N-1個偏壓產生N個控制訊號，其中當該靜電放電事件發生時，N個控制訊號之電壓位準相同於該第一電壓。箝位電路在靜電放電事件發生時根據該些N個控制訊號導通，以提供關聯於靜電放電事件之一電流的一放電路徑。

Description

靜電放電防護裝置
本案是有關於一種靜電放電防護裝置，且特別是有關於可維持元件兩端電壓差的靜電放電防護裝置與其偵測電路。
一般而言，積體電路由一或多個電晶體實現。隨著製程發展，電晶體的尺寸越來越小，使得電晶體的任兩端所能承受的電壓越來越低。為了避免靜電放電所造成的過度電壓應力造成的損壞，通常會使用靜電放電防護電路來保護積體電路免於靜電放電之傷害。
於一些實施例中，靜電放電防護裝置包含分壓電路、偵測電路以及箝位電路。分壓電路用以根據不同的一第一電壓與一第二電壓輸出N-1個偏壓，其中N為大於等於2的一正整數。偵測電路用以根據關聯於該第一電壓與該第二電壓的一預定節點之電壓位準偵測一靜電放電事件，並根據該第一電壓、該第二電壓以及該些N-1個偏壓產生N個控制訊號，其中 當該靜電放電事件發生時，該些N個控制訊號之電壓位準相同於該第一電壓。箝位電路用以在該靜電放電事件發生時根據該些N個控制訊號導通，以提供關聯於該靜電放電事件之一電流的一放電路徑。
綜上所述，本案提供的靜電放電防護裝置與其偵測電路可依據實際需求調整其電路設置，並在任何操作下可避免元件任兩端的電壓差過高，以提高裝置內部元件的可靠度。
100‧‧‧靜電放電防護裝置
110‧‧‧分壓電路
130‧‧‧箝位電路
120‧‧‧偵測電路
VDDH、VSS‧‧‧電壓
101、102‧‧‧電源軌
VC1~VCN‧‧‧控制訊號
VDD、2×VDD‧‧‧偏壓
3×VDD、N×VDD‧‧‧偏壓
IESD‧‧‧電流
111~113、121‧‧‧阻抗元件
121-1~121-3‧‧‧耦合元件
123-1~123-3‧‧‧反相器
M1、M2‧‧‧開關
N1、NC1~NC2‧‧‧節點
T1~T4‧‧‧開關
401-1~401-3‧‧‧多工器
本案所附圖式之說明如下：第1圖為根據本案的一些實施例所繪示的一種靜電放電防護(Electrostatic Discharge,ESD)裝置的示意圖；第2圖為根據本案的一些實施例所繪示第1圖的ESD防護裝置的電路示意圖；第3圖為根據本案的一些實施例所繪示第1圖的ESD防護裝置的電路示意圖；以及第4圖為根據本案的一些實施例所繪示第1圖的ESD防護裝置的電路示意圖。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本案所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本案所涵蓋的範圍。
關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致約』一般通常係指數值之誤差或範圍約百分之二十以內，較好地是約百分之十以內，而更佳地則是約百分五之以內。
另外，關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。
參照第1圖，第1圖為根據本案的一些實施例所繪示的一種靜電放電(Electrostatic Discharge,ESD)防護裝置100的示意圖。
於一些實施例中，ESD防護裝置100包含分壓電路110、偵測電路120以及箝位電路130。分壓電路110耦接於多個電源軌101以及102之間。多個電源軌101與102分別提供不同的電壓VDDH以及電壓VSS。於一些實施例中，電壓VDDH高於電壓VSS，並為N倍的電壓VDD。於一些實施例中，N為大於等於2的一正整數。分壓電路110根據電壓VDDH以及電壓VSS輸出N-1個偏壓(如後述的電壓VDD、2×VDD)。於一些實施例中，電壓VDD為N-1個偏壓中第N-1個偏壓，並為N-1個偏壓中之最低電壓。
偵測電路120耦接至分壓電路110以及多個電源軌101與102，以接收N-1個偏壓與多個電壓VDDH與VSS。偵測電路120根據N-1個偏壓與多個電壓VDDH與VSS產生至少N個控制訊號VC1~VCN。再者，偵測電路120更根據關聯於電壓VDDH與VSS的一預定節點(如後述的節點N1)的電壓位準偵測ESD事件。當ESD事件發生時，該些至少N個控制訊號 VC1~VCN的電壓位準約相同於電壓VDDH(即N×VDD)。換言之，至少N個控制訊號VC1~VCN的電壓位準可用來表示是否有ESD事件出現。
箝位電路130耦接於電源軌101以及電源軌102之間，並用以根據至少N個控制訊號VC1~VCN導通，以提供關聯於ESD事件的電流IESD的放電路徑。
以下將以N=2為例進行說明。第2圖為根據本案的一些實施例所繪示第1圖的ESD防護裝置100的電路示意圖。為易於理解，第2圖中的類似元件按照第1圖指定為相同標號。
於一些實施例中，分壓電路110包含至少N個串聯耦接的阻抗元件，其用以對電壓VDDH以及電壓VSS分壓來產生N-1個偏壓。如第2圖所示，於N=2的例子中，分壓電路110包含多個阻抗元件111與112。多個阻抗元件111與112串聯耦接，以對電壓VDDH(例如為2×VDD)以及電壓VSS分壓以產生1個偏壓VDD。
於一些實施例中，偵測電路120包含阻抗元件121、N個耦合元件122-1~122-N以及N個反相器123-1~123-N。阻抗元件121之第一端接收電壓VDDH，且阻抗元件121之第二端耦接至預定節點N1。
N個耦合元件122-1~122-N串聯耦接。該串的N個耦合元件122-1~122-N之第一端與阻抗元件121之第二端耦接至預定節點N1，且該串的N個耦合元件122-1~122-N之第二端用以接收電壓VSS。此外，N個耦合元件122-1~122-N之間形成N-1個節點，該些N-1個節點耦接至分壓電路110以分 別接收N-1個偏壓。
具體而言，如第2圖所示之N=2的例子中，耦合元件122-1與耦合元件122-2串聯耦接以於兩者之間形成節點NC1。節點NC1耦接至分壓電路110以接收偏壓VDD。
耦合元件122-1~122-N可由電容性元件實現，以提供耦合交流訊號的路徑。電容性元件可由各種類型的電容結構與/或電晶體結構實現。阻抗元件111、112以及121可由各種主被動元件實現，例如包含被動電阻器、晶片上電阻或電晶體。上述關於各元件之實施方式僅為示例。各種適用於實施上述元件的實施方式皆為本案所涵蓋的範圍。
N個反相器123-1~123-N彼此串列(cascade)耦接。第1個反相器123-1耦接至第1圖中的電源軌101與分壓電路110，以接收電壓VDDH(即N×VDD)以及第1個偏壓(即(N-1)倍的VDD)。第1個反相器123-1操作於電壓VDDH以及第1個偏壓之間，並依據預定節點N1的電壓位準產生第1個控制訊號VC1。
第N個反相器123-N耦接至前一個(即第N-1個)反相器之輸出與電源軌102，以接收第N-1個控制訊號VCN-1以及電壓VSS。第N個反相器123-N操作於第N-1個控制訊號VCN-1以及電壓VSS之間，並耦接至節點NCN-1(於N=2的例子中，即為節點NC1)以依據節點NCN-1之電壓位準產生第N個控制訊號VCN。
如第2圖所示之N=2的例子中，第1個反相器123-1操作於電壓VDDH以及偏壓VDD之間，並根據預定節點 N1的電壓位準輸出第1個控制訊號。第2個反相器123-2操作於第1個控制訊號VC1以及電壓VSS之間，並根據節點N1之電壓位準產生第2個控制訊號VC2。
於一些實施例中，每一個反相器123-1~123-N可包含由P型電晶體實現的開關M1以及由N型電晶體實現的開關M2。以第1個反相器123-1為例，開關M1的第一端用以接收電壓VDDH，開關M1的第二端耦接至開關M2的第一端以輸出第1個控制訊號VC1，開關M1與開關M2的控制端耦接至預定節點N1，且開關M2的第二端用以接收偏壓VDD。如此，當預定節點N1之電壓位準為高電壓時，開關M1被關斷，且開關M2為導通。於此條件下，反相器123-1輸出具有約相同於偏壓VDD的控制訊號VC1。或者，當預定節點N1之電壓位準為低電壓時，開關M2被關斷，且開關M1為導通。於此條件下，反相器123-1輸出具有約相同於電壓VDDH的控制訊號VC1。其餘的反相器123-2~123-N之設置方式可依此類推，於此不再贅述。
箝位電路130包含至少N個串聯耦接的開關(此例為T1~TN+1，且N=2)。於一些實施例中，多個開關T1~TN+1(在N=2的例子中，即為T1~T3)可由N型電晶體實現。開關T1的第一端與控制端耦接於電源軌101，且開關T1的第二端耦接於開關T2的第一端。開關T2的第二端耦接於開關T3的第一端，且開關T2的控制端耦接第1個反相器123-1之輸出以接收第1個控制訊號VC1。換言之，開關T2根據控制訊號VC1選擇性地導通。依此類推，開關TN的控制端耦接至第N-1個反 相器123-(N-1)之輸出以接收第N-1個控制訊號VCN-1。開關TN根據控制訊號VCN-1選擇性地導通。開關TN+1的第一端耦接至開關TN的第二端，開關TN+1的第二端耦接至第1圖的電源軌102以接收電壓VSS，且開關TN+1的控制端耦接至第N個反相器123-N之輸出以接收第N個控制訊號VCN。開關TN+1根據控制訊號VCN選擇性地導通。
具體而言，如第2圖所示之N=2的例子中，開關T1耦接至第1圖的電源軌101，並設置為二極體型式(diode-connected)的電晶體。開關T2耦接至開關T1以及反相器123-1之輸出，並根據控制訊號VC1選擇性地導通。開關T3耦接至開關T2、反相器123-2之輸出以及第1圖的電源軌102。開關T3根據控制訊號VC2選擇性地導通。
以下說明第2圖中的ESD防護裝置100的相關操作。於正常操作時，耦合元件122-1與122-2為開路而無法傳遞訊號。於此條件下，預定節點N1之電壓位準經由阻抗元件121上拉至電壓VDDH(於此例中，為2倍的VDD)，且節點NC1的電壓位準維持於偏壓VDD。據此，反相器123-1輸出具有約相同於偏壓VDD的電壓位準之控制訊號VC1，且反相器123-2輸出具有約相同於電壓VSS的電壓位準之控制訊號VC2。如此一來，開關T3被關斷。於一些實施例中，開關T1為常通，而開關T2依據實際開關的臨界值而可以被導通或關斷。不論開關T2導通與否，於此例中，箝位電路130所提供的放電路徑仍透過開關T3切斷。換言之，當正常操作(亦即ESD事件未發生)時，箝位電路130不導通。如此一來，在正常操作下，可避免 漏電流自電源軌101流至電源軌102。
當ESD事件發生時，耦合元件122-1與122-2為短路。於此條件下，預定節點N1以及N-1個節點NC1~NCN-1(於此例中，為節點NC1)的電壓位準下拉至電壓VSS。據此，反相器123-1輸出具有約相同於電壓VDDH的電壓位準(於此例中為2×VDD)之控制訊號VC1，且反相器123-2輸出具有約相同於電壓VDDH之控制訊號VC2。如此一來，開關T2~T3皆被導通。換言之，當ESD事件發生時，所有的控制訊號VC1~VC2的電壓位準皆約為電壓VDDH，以導通箝位電路130。如此，在ESD事件發生時，箝位電路130可提供電流IESD的放電路徑。電流IESD可從電源軌101經由箝位電路130旁路至電源軌102。如此一來，ESD事件所引起的暫態電壓可被降低，以提高裝置內部元件的可靠度。
於各個實施例中，電壓VDD不大於電晶體所能承受的標稱(nominal)電壓(或稱額定電壓)。在上述各個操作中，所有元件的任兩端之間的電壓差皆為電壓VDD。換言之，藉由上述的設置方式，所有元件的任兩端之間的電壓差皆不會大於標稱電壓，以避免過電壓對電晶體造成損害。
在一些實施例中，至少N個控制訊號的個數可大於N個，如K個，K大於N。在一些實施例中，K個控制訊號其中一者可直接根據電壓VDDH產生。在一些實施例中，N-1個偏壓的其中一者可用來產生複數個的控制訊號，以控制箝位電路130，舉例來說，偵測電路120包含K個反相器，K個反相器的其中兩者同時接收N-1個偏壓訊號的其中一者，並用以輸出 給箝位電路130中的不同開關(於本例中，箝位電路130可包含K個串聯耦接的開關)，但本案並不以此為限。
上述僅以N=2為例說明，但本案並不以此為限。依據實際應用，ESD防護裝置100可更改為操作於N倍的電壓VDD(即電壓VDDH)。參照第3圖，第3圖為根據本案的一些實施例所繪示第1圖的ESD防護裝置100的電路示意圖。為易於理解，第3圖中的類似元件按照第1~2圖指定為相同標號。
如第3圖所示之例子，N設置為3。相較於第2圖，分壓電路110更包含阻抗元件113，以對電壓VDDH(於此例中，為3倍的VDD)以及電壓VSS分壓以產生第1個偏壓2×VDD與第2個偏壓VDD。相較於第2圖，偵測電路120包含3個耦合元件122-1~122-3以及3個反相器123-1~123-N。3個耦合元件122-1~122-3串聯耦接，以形成2個節點NC1以及NC2。此些節點NC1以及NC2耦接至分壓電路110以分別接收第1個偏壓2×VDD與第2個偏壓VDD。
於一些實施例中，第n個反相器123-n耦接至第n-1個反相器之輸出以及分壓電路110，以接收第n-1個控制訊號VCn-1以及第n個偏壓，其中n為大於等於2且小於N的正整數。第n個反相器123-n操作於第n-1個控制訊號VCn-1以及第n個偏壓之間，並耦接至N個節點中第n-1個節點NCn-1(於n=2的例子中，即為節點NC1)，以依據節點NCn-1的電壓位準產生第n個控制訊號VCn。
以第3圖而言，N=3且n=2。反相器123-2操作於控制訊號VC1以及第2個偏壓VDD之間，並根據節點NC1之電 壓位準產生控制訊號VC2。
相較於第2圖，箝位電路130更包含開關T4。開關T4用以根據第3個反相器123-3所輸出的控制訊號VC3選擇性導通。當ESD事件發生時，所有的控制訊號VC1~VC3之電壓位準約相同電壓VDDH(於此例中，為3×VDD)。於此條件下，開關T2~T4為導通，以提供放電路徑。
依此類推，ESD防護裝置100可依據實際應用採用不同級數的電路，以避免過電壓造成內部電晶體的損害。
參照第4圖，第4圖為根據本案的一些實施例所繪示第1圖的ESD防護裝置100的電路示意圖。於此例中，偵測電路120包含N個多工器401-1~401-N。N個多工器401-1~401-N根據預定節點N1之電壓位準，以輸出電壓VDDH，或分別輸出分壓電路110產生的N-1個偏壓以及電壓VSS，以作為N個控制訊號VC1~VCN。
具體而言，於第4圖的例子中，N=3。第1個多工器401-1之輸入接收電壓VDDH(即3×VDD)以及第1個偏壓2×VDD，第2個多工器401-2之輸入接收電壓VDDH與第2個偏壓VDD(即第n個偏壓)，且第3個多工器401-3之輸入接收電壓VDDH與電壓VSS。當ESD事件發生時，預定節點N1之電壓位準約相同於電壓VSS。於此條件下，多工器401-1~401-3皆輸出電壓VDDH為多個控制訊號VC1~VC3，以導通箝位電路130。於正常操作下，預定節點N1之電壓位準約相同於電壓VDDH。於此條件下，多工器401-1輸出偏壓2×VDD為控制訊號VC1，多工器401-2輸出偏壓VDD為控制訊號VC2，且多工 器401-3輸出電壓VSS為控制訊號VC3。據此，開關T4將根據控制訊號VC3而關斷箝位電路130。
上述僅以反相器與/或多工器實現偵測電路120為例。其他各種可實現相同功能的電路設置方式皆為本案所涵蓋的範圍。
綜上所述，本案提供的ESD防護裝置與其偵測電路可依據實際需求調整其電路設置，並在任何操作下可避免元件任兩端的電壓差過高，以提高裝置內部元件的可靠度。
雖然本案已以實施方式揭露如上，然其並非限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

  1. 一種靜電放電防護裝置，包含：一分壓電路，用以根據不同的一第一電壓與一第二電壓輸出N-1個偏壓，其中N為大於等於2的一正整數；一偵測電路，用以根據關聯於該第一電壓與該第二電壓的一預定節點之電壓位準偵測一靜電放電事件，並根據該第一電壓、該第二電壓以及該些N-1個偏壓產生N個控制訊號，其中當該靜電放電事件發生時，該些N個控制訊號之電壓位準相同於該第一電壓；以及一箝位電路，用以在該靜電放電事件發生時根據該些N個控制訊號導通，以提供關聯於該靜電放電事件之一電流的一放電路徑，其中該偵測電路包含：一阻抗元件，用以接收該第一電壓；以及N個耦合元件，用以接收該第二電壓，其中該些N個耦合元件串聯耦接，並與該阻抗元件耦接於該預定節點，且該些N個耦合元件之間的N-1個節點用以分別接收該些N-1個偏壓。
  2. 如請求項1所述的靜電放電防護裝置，其中當該靜電放電事件發生時，該預定節點之電壓位準以及該些N-1個節點之電壓位準經該些N個耦合元件下拉至該第二電壓。
  3. 如請求項1所述的靜電放電防護裝置，其中當該靜電放電事件未發生時，該預定節點之電壓位準經該阻抗元件上拉至該第一電壓。
  4. 如請求項1所述的靜電放電防護裝置，其中該偵測電路更包含：N個反相器，用以分別輸出該些N個控制訊號，其中該些N個反相器中之一第N個反相器操作於該些N個控制訊號中之一第N-1個控制訊號與該第二電壓之間，並用以根據該些N-1個節點中之一第N-1個節點的電壓位準產生該些N個控制訊號中之一第N個控制訊號。
  5. 如請求項4所述的靜電放電防護裝置，其中該些N個反相器中之一第1個反相器操作於該第一電壓與該些N-1個偏壓中之最大者之間，並用以根據該預定節點之電壓位準產生該些N個控制訊號中之一第1個控制訊號。
  6. 如請求項4所述的靜電放電防護裝置，其中該些N個反相器中之一第n個反相器操作於該些N個控制訊號中之一第n-1個控制訊號以及該些N-1個偏壓中之一第n個偏壓之間，並用以根據該些N-1個節點中之一第n-1個節點的電壓位準產生該些N個控制訊號中之一第n個控制訊號，其中n為大於等於2且小於N的正整數。
  7. 如請求項1所述的靜電放電防護裝置，其中該第一電壓為N倍的該些N-1個偏壓中之一第N-1個偏壓，且該第N-1個偏壓為該些N-1個偏壓中之最低電壓。
  8. 如請求項1所述的靜電放電防護裝置，其中該偵測電路更包含：N個多工器，用以根據該預定節點之電壓位準而輸出該第一電壓或分別輸出該第二電壓與該些N-1個偏壓，以作為該些N個控制訊號。
  9. 如請求項8所述的靜電放電防護裝置，其中該些N個多工器包含：一第1個多工器，用以根據該預定節點之電壓位準輸出該些N-1個偏壓中之一第1個偏壓與該第一電壓中之一者，以作為該些N個控制訊號中之一第1個控制訊號，其中該第1個偏壓為該些N-1個偏壓中之最高電壓；以及一第N個多工器，用以根據該預定節點之電壓位準輸出該第一電壓與該第二電壓中之一者，以作為該些N個控制訊號中之一第N個控制訊號。
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