Elektronische
Schaltungen reagieren empfindlich auf Überspannungen und müssen deshalb vor
solchen geschützt
werden. Eine häufige
Ursache von Überspannungen
sind elektrostatische Entladungen. Um eine an einem externen Kontakt
angeschlossene elektronische Schaltung vor ESD-Schäden (ESD;
ESD = Electrostatic discharge) zu schützen, werden ESD-Schutzvorrichtung
eingesetzt, die beim Auftreten von elektrostatischen Spannungsspitzen
schalten und die, für
die Überspannung
verantwortlichen, elektrostatischen Ladungen von dem Kontakt abführen.
Insbesondere
bei elektronischen Schaltungen mit niedrigen Betriebsspannungen
ist es wichtig, daß eine
ESD-Schutzvorrichtung
im Normalbetrieb eine sehr geringe Verlustleistung aufweist. Dies
ist zum einen erforderlich, um die Nutzspannung, wie beispielsweise
eine Signalspannung, nicht zu verfälschen und zum anderen um die
Verlustleistung der gesamten elektronischen Schaltung nicht unnötigerweise
zu erhöhen.
Herkömmlicherweise
werden ESD-Dioden als Schutzvorrichtung eingesetzt. Eine solche ESD-Diode
weist in Sperrrichtung eine Sperrspannung und in Flußrichtung
eine Einsatzspannung auf. Die Einsatzspannung ist dabei deutlich
niedriger als die Sperrspannung. Für den Normalbetrieb der Schaltung
sind die Dioden in Sperrrichtung gepolt. Im ESD-Fall, bei hohen
Spannungen in Sperrichtung, wird ein Lawinen-Durchbruch in der Diode
ausgelöst und
die für
die Überspannung
verantwortlichen Ladungen werden abgeleitet.
Der
Lawinen-Durchbruch tritt dabei ab Spannungen von ca. 7 V auf. Elektronische
Schaltungen weisen heutzutage Betriebsspannungen auf, die deutlich
niedriger als die Lawinen-Durchbruchsspannung
einer ESD-Diode sind. Die zum Lawinen-Durchbruch notwendigen hohen Spannungen reichen
daher häufig
bereits aus, um nennenswerte Schäden
an der elektronischen Schaltung zu bewirken. Dies ist insbesondere
bei MOS-Schaltungen
mit dünnen
Gateoxiden der Fall.
Gemäß dem Stand
der Technik werden auch Transistoren oder eine Kombination aus einem
Transistor und einer Diode als ESD-Schutzvorrichtung verwendet. Die
DE 100 02 241 A1 beschreibt
eine solche Kombination, in der eine Diode, bezogen auf eine Nutzspannung,
in Sperrichtung eingesetzt wird.
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexible und zuverlässige ESD-Schutzvorrichtung
zu schaffen.
Diese
Aufgabe wird durch eine ESD-Schutzvorrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst.
Die
vorliegende Erfindung schafft eine ESD-Schutzvorrichtung zum Begrenzen
einer, einer elektrischen Nutzspannung überlagerten Spannung, auf eine
zulässige
Spannung, mit folgenden Merkmalen: Einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten,
bezogen auf eine Nutzspannung in Flußrichtung gepolten Dioden,
wobei jede in Flußrichtung
gepolte Diode eine Einsatzspannung aufweist, und wobei die Summe
der Einsatzspannungen der Dioden der zulässigen Spannung entspricht.
Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Serienschaltung von
in Flussrichtung gepolten Dioden vorteilhaft als ESD-Schutzvorrichtung eingesetzt
werden kann.
Der
besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine
im ESD-Fall in Durchlassrichtung gepolte Diode eine erheblich niedrigere Einsatzspannung
aufweist, als eine in Sperrrichtung gepolte Diode.
Der
Vorteil einer ESD-Schutzvorrichtung, bestehend aus einer Kadkade
von Dioden, die im ESD-Fall in Durchlassrichtung geschaltet besteht
somit darin, daß elektronische
Schaltungen zuverlässig auch
vor Überspannungen
geschützt
werden können,
die nur geringfügig über der
Nutzspannung liegen. Außerdem
weist der erfindungsgemäße Ansatz eine
hohe Flexibilität
auf, da ESD-Schutzschaltungen mit anwendungsspezifischen Schaltschwellen
und Verlustleistungen geschaffen werden können.
Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer ESD-Schutzvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
2 eine Darstellung einer
Kennlinie der ESD-Schutzvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
1 zeigt ein Schaltbild einer
ESD-Schutzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die
ESD-Schutzvorrichtung 100 ist zwischen einem ersten Kontakt 102 und
einem zweiten Kontakt 104 angeordnet.
In
diesem Ausführungsbeispiel
weist die ESD-Schutzvorrichtung 100 eine Reihenschaltung bestehend
aus fünf
Dioden 106 auf und begrenzt eine Überspannung, die eine gleiche
Polarität wie eine
Nutzspannung einer elektrischen Schaltung (nicht gezeigt) aufweist,
auf eine zulässige
Spannung.
In
diesem Ausführungsbeispiel
ist der Kontakt 102 mit der zu schützenden elektronischen Schaltung
verbunden. Um die elektronische Schaltung vor, durch eine Überspannungen
hervorgerufene Schäden
zu schützen,
ist der Kontakt 102 über
die ESD-Schutzvorrichtung 100 mit
dem zweiten Kontakt 104 verbunden. Der zweite Kontakt 104 liegt
auf einem elektrischen Potential, das eine Ableitung von Ladungen,
die auf den ersten Kontakt 102 eine Überspannung hervorrufen, über die
ESD-Schutzvorrichtung 100 ermöglicht.
Während des
Betriebes der elektronischen Schaltung liegt an dem ersten Kontakt 102 eine
Nutzspannung an. Die ESD-Schutzvorrichtung 100 ist
so angeordnet, daß die
Dioden 106 bezüglich
der Nutzspannung in Flußrichtung
gepolt sind. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Dioden 106 ist
dabei so gewählt,
daß die
Summe der Einsatzspannungen der in Reihe geschalteten Dioden 106 größer als
die Nutzspannung und geringer oder gleich der zulässigen Spannung
der elektronischen Schaltung ist. Die Summe der Einsatzspannungen,
der in Reihe geschalteten Dioden 106, entspricht damit
einer zulässigen
Spannung auf die eine an dem ersten Kontakt 102 anliegende Überspannung
begrenzt wird.
Bevorzugterweise
sind die Dioden 106 als pn-Übergänge ausgeführt, die bereits innerhalb
des technologischen Prozesses vorhanden sind. Dadurch sind für die ESD-Schutzvorrichtung 100 keine zusätzlichen
Prozeßschritte
erforderlich. Als pn-Übergänge kommen
Source/Drain-Implantationen in der zu einem Transistortyp gehörigen Wannenimplantation,
Source/Drain-Diffusionen
in der zu einem Transistortyp gehörigen Wannendiffusion oder eine
Wannenimplantation beziehungsweise eine n/p-Wannendiffusion in einem
p/n-Substrat in Frage.
2 zeigt simulierte Kennlinien 200, 202 der
in 1 gezeigten ESD-Schutzvorrichtung.
Die Kennlinien 200, 202 zeigen einen Stromverbrauch 204 der
ESD-Schutzvorrichtung in Abhängigkeit
einer anliegenden Spannung 206. Die Kennlinie 200 zeigt
den Stromverbrauch 204 in einem Spannungsbereich zwischen
0,1 V und 10 V und die Kennlinie 202 den Stromverbrauch 204 in
einem Spannungsbereich 206 von 10 V bis 1 kV.
Eine
Einsatzspannung einer Diode ist durch einen Spannungswert definiert,
bei dem die Diode einen gewünschten
Innenwiderstand aufweist. Der gewünschte Innenwiderstand kann
für unterschiedlichen
Anwendungen einen unterschiedlichen Wert aufweisen und damit unterschiedliche
Einsatzspannungen der Diode definieren. Dementsprechend wird die
erfindungsgemäße ESD-Schutzvorrichtung
so spezifiziert, dass sie bei einer zulässigen Spannung einen gewünschten
Innenwiderstand aufweist, der es ermöglicht, eine Überspannung
abzubauen, bevor ein Schaden an der elektronischen Schaltung entsteht.
Andererseits soll die ESD-Schutzvorrichtung bei einer Betriebsspannung
einen entsprechend hohen Widerstand aufweisen, um die Verlustleistung der
ESD-Schutzvorrichtung im Normalbetrieb möglichst gering zu halten.
In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist
eine einzelne Diode eine Einsatzspannung von 0,7 V auf. Die Betriebsspannung
der elektrischen Schaltung, die von der ESD-Schutzvorrichtung gegen Überspannungen
geschützt
wird, liegt bei 2,7 V und der erlaubte Stromverbrauch im Normalbetrieb bei
1 μA. Aus
einer bekannten Kennlinie einer einzelnen Diode läßt sich
die in 2 gezeigte simulierte Kennlinie 200, 202 einer
ESD-Schutzvorrichtung berechnen, die die geforderten Merkmale aufweist.
Aus der Kennlinie 200 ist zu entnehmen, daß die ESD-Schutzvorrichtung,
bestehend aus fünf
in Serie geschalteten Dioden bei einer Betriebsspannung von 2,7
V den spezifizierten Stromverbrauch von 1 μA aufweist. Bei einer zulässigen Spannung
von 3,5 V leitet die ESD-Schutzvorrichtung
einen Strom von 1 mA ab. Die zulässige Spannung
ist ein Vielfaches der einfachen Einsatzspannung von 0,7 V einer
einzelnen Diode, liegt jedoch unterhalb der Sperrspannung einer
einzelnen Diode.
Obwohl
oben ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert wurde,
ist offensichtlich, daß die
vorliegende Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
Insbesondere ist die Anzahl der Dioden sowie die Art der Dioden
nicht auf das vorliegende Ausbührungsbeispiel
beschränkt,
sondern wird durch die Anforderungen an die ESD-Schutzvorrichtung definiert.
Ferner bieten die ESD-Schutzvorrichtungen sowohl Schutz gegen elektrostatische
Entladungen als auch Schutz gegen jede andere Form von Überspannung,
die einer Nutzspannung einer elektrischen Schaltung überlagert
ist, und deren Polarität aufweist.
Dabei kann die Nutzspannung eine festgelegte Spannung, wie eine
Betriebsspannung sein, oder eine sich ändernde Spannung in Form eines elektrischen
Signals.