DE2348643A1

DE2348643A1 - Integrierte schutzschaltung fuer einen hauptschaltkreis aus feldeffekttransistoren

Info

Publication number: DE2348643A1
Application number: DE19732348643
Authority: DE
Inventors: Lowell Eugene Clark
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1972-10-02
Filing date: 1973-09-27
Publication date: 1974-04-18
Also published as: FR2201568A1; US3746946A; JPS531136B2; GB1402217A; JPS4973955A

Description

PATENTANWÄLTE

D3PL.*!NG. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH

DIPL.-ING. ERNST RATHMANN . 2348643

München 71, 2% Sept. 1973 Melchloretr. 42

Uneer Zeichen: M098P-1056

Motorola, Inc. 94-01 West Grand Avenue Franklin Bark, Illinois V.St.A.

Integrierte Schutzschaltung für einen Hauptschaltkreis aus Feldeffekttransistoren

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schutzschaltung für einen Hauptschaltkreis mit zumindest einem Oberflächen-Feldeffekttransistor, dessen an einer Eingangsklemme liegendes Gate vor Spannungsstörsignalen hoher Amplitude geschützt werden soll, wobei die Schutzschaltung eine erste Halbleiteranordnung umfasst, deren Drainelektrode mit der Eingangsklemme und deren Sourceelektrode mit einer Bezugspotentialklemme zur Injektion von Trägern aus dem Drainbereich in den Gatebereich verbunden ist, wodurch der Gatebereich mit dem Störsignal in Sperrichtung beaufschlagbar ist.

Bei Schaltkreisen mit Oberflächen-Feldeffekttransistoren werden die Eingangssignale an die Gates dieser Transistoren angelegt. Die isolierende Schicht zwischen dem Gate und dem Substrat ist sehr dünn, so dass das Gate eines Oberflächen-

Fs/wi Feldeffekttransistors

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Feldeffekttransistors dazu benutzt werden kann, in dem Substrat ein Feld zu erzeugen. Die Eingangsschaltung hat eine sehr hohe Impedanz und grundsätzlich keine Shunt-Strecken. Aufgrund der dünnen isolierenden Gateschicht kann eine grosse, über die Eingangsschaltung auf das Gate und durch die isolierende Schicht wirkende' Einschaltspannung einen offenen Schaltkreis oder, was angenommen wird, häufiger einen Kurzschluss auslösen. Derartige unerwünschte Eingangsspannungen können bei dem Herstellungsverfahren auftreten. Es ergeben sich nämlich statische Aufladungen durch die Verwendung von Löteinrichtungen und insbesondere bei der Handhabung durch Personen. Diese statische Aufladung kann sehr grosse Amplituden annehmen, so dass es leicht möglich ist, dass die isolierende Schicht unter dem Gate eines Oberflächen-Feldeffekttransistors, an welche das Eingangssignal angelegt wird, Beschädigungen erfährt. Die Umstände, die zu einer solchen statischen Aufladung führen, sind äusserst schwierig zu beseitigen, und es wurden daher intensive Bemühungen angestellt, um Schaltungen mit Oberflächen-Feldeffekttransistoren gegen derartige Störsignale zu schützen.

In diesem Zusammenhang ist es bekannt, zwischen die Eingangsklemme und das Substrat eine Diode derart zu schalten, dass, wenn Störsignale am Eingang auftreten und die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist, diese unmittelbar zum Substrat abgeleitet werden. Wenn dagegen die Störsignale eine Sperrvorspannung der Diode bewirken, ist es notwendig, dass die Diode einen Sperrstrom bei einem Potential führt, das geringer als das Potential ist, bei welchem die isolierende Schicht unter dem Gate der zu schützenden Halbleiterelemente beschädigt wird. Diese Art der Schutzschaltung ist nicht zufriedenstellend, insbesondere wegen der dem Sperrdurchbruch zugeordneten Diodeneigenschaften, die zu höheren Durchbruchspannungen mit einer zunehmenden Anzahl von Durchbrüchen führen können. Nach einer bestimmten Betriebsdauer heisst das, dass die Durchbruchspannung in Sperrichtung grosser sein kann als die

- 2 - kritische

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kritische Spannung an dem zu schützenden Element.

Wegen dieser Schwierigkeiten iat es auch bekannt, antiparallel geschaltete Dioden zu benutzen bzw. Dioden zu entwickeln, die eine niedrige Durchbruchspannung in Sperrichtung aufweisen. -

Es ist auch bekannt, an die Eingangsschaltung des zu schützenden Hauptschaltkreises einen weiteren Feldeffekttransistor, und zwar einen Oberflächen-Feldeffekttransistor anzuschliessen. Dabei wird die Drainelektrode an die Eingangsklemme und die Sourceelektrode an Massepotential gelegt, wogegen das Gate mit der Drainelektrode verbunden ist. Diese als diodengeschalteter Oberflächen-Feldeffekttransistor bezeichnete Schaltung erfordert aussergewöhnlich grosse Kanalbereiche, verglichen mit dem Oberflächen-Feldeffekttransistor, der geschützt werden soll. Dieser grossflächige Kanalbereich stellt einen wesentlichen Nachteil dar.

Es ist auch bekannt, den zum Schutz des Hauptschaltkreises vorgesehenen Oberflächen-Feldeffekttransistor mit der Drainelektrode an die Eingangsschaltung und mit der Sourceelektrode an Masse anzuschliessen, wobei das Gate über einen Widerstand an Masse angeschlossen ist. Diese Schutzschaltung geht in einen Avalanchebetrieb über, wenn die eingangsseitigen Spannungsstörsignale eine Sperrspannung anlegen. Der Widerstand leitet einen sehr grossen Anteil der Störsignale ab und schützt das isolierende Material unter dem Gate des in der Schutzschaltung verwendeten Oberflächen-Feldeffekttransistors. Sowohl die physikalische Grosse des Transistors als auch die Schwierigkeit bei der Herstellung, insbesondere beim Reproduzieren des ohmischen Wertes stellen Nachteile dar, die überwunden werden sollen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde,' eine integrierte Schutzschaltung für einen Hauptschaltkreis mit Ober-

- 3 - flächen-

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flächen-Feldeffekttransistoren zu schaffen, die die Nachteile bekannter Schaltungen überwindet und insbesondere das Herstellungsverfahren wesentlich vereinfacht.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs erwähnten Schaltung, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine zweite Halbleiteranordnung vorhanden ist, die mit einer Elektrode mit dem Gate der ersten Halbleiteranordnung verbunden ist, und deren weitere Elektrode an der Bezugspotentialklemme liegt, wobei die Steuerelektrode der zweiten Halbleiteranordnung mit einer Entladeklemme verbunden ist, über welche die zweite Halbleiteranordnung in den leitenden Zustand steuerbar ist.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus weiteren Ansprüchen.

Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise für Schaltungen mit Oberflächen-Feldeffekttransistoren allgemein und insbesondere bei Metalloxyd-Silicium-Feldeffekttransistoren (MOS) Verwendung finden, wobei die Schaltung aus komplementären Elementen (CMOS) aufgebaut sein kann. Die Schaltung ist sehr leicht herzustellen, da in der Regel in der Schutzschaltung derselbe Halbleitertyp wie in der Hauptschaltung benutzt wird, d.h. die Schutzschaltung und die Hauptschaltung können in demselben Herstellungsverfahren ohne weitere Herstellungsschritte erstellt werden.

Im Betrieb ergibt sich in vorteilhafter Weise der Schutz der Hauptschaltung dadurch, dass die Halbleiteranordnungen in der Schutzschaltung einen Avalanchestrom führen, wenn sie durch die Störsignale hoher Spannung in Sperrichtung vorgespannt werden. Dabei werden Träger in den Torbereich injiziert und dieser aufgeladen, wodurch der erste Halbleiter der Schutzschaltung leitend wird und den Strom über die Sourceelektrode

— 4- - nach

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nach Masse ableitet. Dieser Strom fliesst zusätzlich zu dem in das Substrat fliessendei Avalanchestrom. Wenn die Spannung der Störsignale an dem ersten Halbleiter der Schutzschaltung unter einen Wert absinkt, bei dem der Avalanchestrom nicht mehr aufrechterhalten werden kann, hört dieser auf zu fliessen, jedoch bleibt die Leitung am Gate des ersten Halbleiters der Schutzschaltung erhalten. Die Ladung kann über die Drain-Substratgrenzschicht des zweiten Halbleiters der Schutzschaltung in Form eines Leckstromes abfliessen. Wenn jedoch die Ladung noch am Gate des ersten Halbleiters der Schutzschaltung vorhanden ist, wenn die Schaltung überprüft wird, findet die Entladung über die Testeinrichtung statt, wenn diese angeschlossen wird. Die Testeinrichtung liefert eine Spannung über die Entladeklemme an das Gate des zweiten Halbleiters der Schutzschaltung und macht diese leitend, wodurch jegliche an dem Gate des ersten Halbleiters der Schutzschaltung befindliche Ladung nach Masse abgeleitet wird. Damit wird der erste Halbleiter der Schutzschaltung nicht leitend, womit an der Eingangsklemme zur Hauptschaltung die normalen Schaltungsbedingungen wirksam sind. Wenn die Störsignale von einer entgegengesetzten Polarität sind, wird die erste Halbleiterschutz schaltung in Durchlassrichtung vorgespannt und damit die Störsignale unmittelbar nach dem Substrat abgeleitet.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine MOS-Halbleiteranordnung mit einer Schutzschaltung;

Fig. 2 e^ne Draufsicht auf einen Halbleiterträger, in dem die Schutzschaltung gemäss Fig. 1 angebracht ist.

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In Fig.. 1 ist eine Schutzschaltung 10 für eine MOS-Halbleiteranordnung 20 dargestellt, deren Gate 21 mit einer Eingangsklemme 11 verbunden ist. Mit der Eingangsklemme 11 können eine Vielzahl von MOS- bzw. CMOS-Halbleiteranordnungen verbunden sein. Die Schutzschaltung umfasst einen ersten MOS-Halbleiter 30 und einen zweiten MOS-Halbleiter 40 mit Kanalstrecken vom jeweils gleichen Leitfähigkeitstyp. Die Drainelektrode 31 des ersten MOS-Halbleiters 30 ist mit der Eingangsklemme 11 verbunden, wogegen die Sourceelektrode 32· an einer gemeinsamen Bezugspotentialklemme 13 liegt. Die Sourceelektrode 31 des zweiten MOS-Halbleiters 4-0 ist mit dem Gate 33 des ersten MOS-Halbleiters 3o verbunden, wogegen die Sourceelektrode 4-2 des zweiten MOS-Halbleiters 40 ebenfalls an der Bezugspotentialklemme 13 liegt. Das Gate 43 ist pit einer Entladeklemme 12 verbunden. Die Schutzschaltung kann auch aus CMOS-Halblei— tern aufgebaut sein. In diesem Fall könnte z.B. der erste Halbleiter eine P-leitende Kanalstrecke und der zweite Halbleiter eine N-leitende Kanalstrecke aufweisen, wobei die Sourceelektrode mit der Entladeklemme 12 verbunden und die Gateelektrode an die Bezugspotentialklemme 13 angeschlossen wären. Die Drainelektrode des zweiten Halbleiters wäre mit dem Gate 33 des ersten Halbleiters 30 zu verbinden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden MOS-Halbleiter mit B-leitender Kanalstrecke verwendet, obwohl die Kanalstrecke auch N-leitend sein könnte. Obwohl bei der Beschreibung von der Source- und der Drainelektrode der Halbleiter gesprochen wird, ist es offensichtlich, dass im allgemeinen diese Elektrodenanschlüsse gegeneinander vertauschbar sind. Bei dem speziellen für die Beschreibung ausgewählten Ausführungsbeispiel ist die Sourceelektrode der beiden Halbleiter wegen der speziellen, in Fig. 2 dargestellten Anwendungsform zus ammenge fasst.

- 5 - In

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In Fig. 2 ist die auf einem Halbleiterträger 14 angebrachte Schutzschaltung 10 in Draufsicht dargestellt. Die Gates 33 und 4-3 sind jeweils unter einer Metallisation 23 bzw. 24 liegend gezeigt. Die Sourceelektroden 32 und 42 sind in einem Diffusionsbereich zusammengefasst und mit der Bezugspotentialklemme 13 verbunden. Der Anschluss 16 ist speziell gezeigt und entsprechend Fig. 1 vorgesehen, um daran die zu schützende Schaltung anzuschliessen. Der Anschluss 17 führt zu der Entladeklemme 12 gemäss Fig. 1.

Der in Fig. 2 dargestellte Halbleiteraufbau aus MOS-Halbleitern könnte auch aus Sperrschicht-Feldeffekttransistoren aufgebaut sein. Dies würde Änderungen im Aufbau gegenüber der Ausführungsform gemäss Fig. 2 bedürfen, die jedoch für den Fachmann selbstverständlich sind.

Wenn an der Eingangsklemme 11 Störspannungssignale mit grosser Amplitude wirksam werden, wirken diese auch auf die Drainelektrode 31 des ersten MOS-Halbleiters 30 ein. Wenn die Polarität des Störsignäls den MOS-Halbleiter 30 in Sperrrichtung vorspannt, werden Träger von der Drainelektrode 31 in das Gate 33 injiziert. Wenn das Störsignal jedoch entgegengesetzter Polarität ist, entsteht eine Vorspannung in Durchlassrichtung, so· dass das Störsignal zum Substrat 14 abgeleitet wird. Im Sperrspannungszustand wird durch die von der Drainelektrode 31 in clas Gate 33 injizierten Träger der MOS-Halbleiter 30 derart beeinflusst, dass er in einen Avalanche-Betrieb übergeht. Dabei wird das Gate 33 aufgeladen und der MOS-Halbleiter 30 leitend gemacht. Damit fliesst ein lawinenartiger Strom zum Substrat und ebenfalls von der Drainelektrode 31 über die Sourceelektrode 32 nach Masse. Wenn das Störspannungssignal an der Drainelektrode 31 unter einen Wert sinkt, der notwendig ist, um den Avalanche-Effekt aufrechtzuerhalten, hört der lawinenartige Strom auf zu fliessen, jedoch bleibt die Ladung an dem Gate 33 erhalten. Es kann ein gewisser

- 7 - Ladungsabfluss'

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Ladungsabfluss durch Leckströme über die Diode erfolgen, die zwischen derj Drainelektrode 41 und dem Substrat 14 bestehen.

Um sicherzustellen, dass an dem Gate 33 keine Ladung zurückbleibt, wird eine Spannung über die Entladeklemme 12 zugeführt, Wenn die Schaltung überprüft wird. Diese an die Entladeklemme 12 angelegte Spannung reicht aus, um den MOS-HaIbleiter 40 einzuschalten, der jegliche Restladung am Gate 33
über die Drainelektrode 41 und die Sourceelektrode 42 nach
Masse ableitet. Damit wird der MOS-Halbleiter 30 abgeschaltet, so dass, wenn ein Prüf-Eingangssignal an die Eingangsklemme angelegt wird, die zu schützende Schaltung richtig arbeitet. Wenn also der MOS-Halbleiter 30 an seinem Gate eine Restladung hat, würde der Halbleiter während des PrüfVorgangs
leitend sein und einen Kurzschluss darstellen, wodurch eine
Fehlerhaftigkeit der zu schützenden Schaltung angezeigt wird. Wenn dagegen der MOS-Halbleiter 30 abgeschaltet isb, ist kein Kurzschluss vorhanden, so dass während des Prüfverfahrens
positive Ergebnisse erzielt werden.

- 8 - Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

l.y Integrierte Schutzschaltung für einen Hauptschaltkreis mit zumindest einem Oberflächen-Feldeffekttransistor, dessen an einer Eingangsklemme liegendes Gate vor Spannungsstör signal en hoher Amplitude geschützt werden soll, wobei die Schutzschaltung eine erste Halbleiteranordnung umfasst, deren Drainelektrode mit der Eingangsklemme und deren Sourceelektrode mit einer Bezugspotentialklemme zur Injektion von Trägern aus dem Drainbereich in den Gatebereich verbunden ist, wodurch der Gatebereich mit dem Störsignal in Sperrichtung beaufschlagbar ist, dadurch gekennze ichnet, dass eine zweite Halbleiteranordnung (40) vorhanden ist, die mit einer Elektrode (41) mit dem Gate (33) der ersten Halbleiteranordnung (30) verbunden ist, und deren weitere Elektrode (42) an der Bezugspotentialklemme (13) liegt, wobei die Steuerelektrode (43) der zweiten Halbleiteranordnung mit einer Entladeklemme (12) verbunden ist, über welche die zweite Halbleiteranordnung (40) in den leitenden Zustand steuerbar ist.
2. Integrierte Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichne.t, dass die zweite Halbleiteranordnung (40) aus einem Oberflächen-Feldeffekttransistor «besteht, dessen Kanalstrecke eine zur Kanalstrecke der aus einem Oberflächen-Feldeffekttransistor bestehenden ersten Halbleiteranordnung komplementäre Leitfähigkeit hat, und dass die Drainelektrode (41) des

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zweiten Oberflächen-Feldeffekttransistors (4-0) mit dem Gate (33) des ersten Oberflächen-Feldeffekttransistors (30) verbunden ist, wogegen die Sourceelektrode (4-2) an der Bezugspotentialklemme und die Gateelektrode (4-3) an der Entladeklemme (12) liegen.
3· Integrierte Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstrecke der ersten und zweiten Halbleiteranordnung vom gleichen Leitfähigkeitstyp ist, und dass Oberflächen-Feldeffekttransistoren für die Schutzschaltung Verwendung finden.
4. Integrierte Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekenn ze ichnet, dass die Kanalstrecke P-leitend ist.
5. Integrierte Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennz eichnet, dass sowohl für den Hauptschaltkreis als auch für die Schutzschaltung MOS-FeIdeffekttransistoren Verwendung finden.
6. Integrierte Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für den Hauptschaltkreis als auch für die Schutzschaltung CMOS-Feldeffekttransistoren Verwendung finden.

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