JPH03136376A - 半導体集積回路 - Google Patents

半導体集積回路

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JPH03136376A
JPH03136376A JP1275417A JP27541789A JPH03136376A JP H03136376 A JPH03136376 A JP H03136376A JP 1275417 A JP1275417 A JP 1275417A JP 27541789 A JP27541789 A JP 27541789A JP H03136376 A JPH03136376 A JP H03136376A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は半導体集積回路に関し、特に高耐圧MO8ト
ランジスタにより構成される出力回路のサージ耐量を向
上させるのに適した半導体集積回路に・関する。
〔従来の技術〕
近年、V F D (Vacuum Fluoresc
ent Display蛍光表示管)等をMCU(旧e
ro ControllerUnit)やコントローラ
の出力で直接駆動することが多くなり、それらを駆動す
るための出力回路として高耐圧MO3hランジスタリス
蔵した半導体集積回路が多く使用されるようになってき
ている。
第6図はVFDを駆動するための従来の出力回路を示す
。同図に示すように、この出力回路は、高耐圧pチャネ
ルMOSトランジスタ1と、負荷としてのプルダウン抵
抗2を備えている。pチャネルMO5トランジスタ1は
、そのソースとバルクが一方の電源端子3に接続される
とともに、ゲートが入力端子INに接続され、ドレイン
が出力端子OUTに接続される。また、プルダウン抵抗
2が、pチャネルMOSトランジスタ1のドレインと他
方の電源端子4の間に接続される。通常、一方の電源端
子3には高電位電源より例えば5Vの正電位V。0が印
加される一方、他方の電源端子4には低電位電源より例
えば−35Vの負電圧V、が印加される。また、入力端
子INには、制御信号として0〜5v系の電圧が印加さ
れる。そして、出力端子OUTにVFDのデジットある
いはセグメントが接梗される。
この出力回路において、入力端子INに“H”(5V)
の制御信号が入力されると、pチャネルMO3トランジ
スタ1がオフし、出力端子OUTに電源端子4側の負電
位VP (−35V)が与えられて、出力端子OUTは
“L”となる。したがって、VFDは点灯しない。一方
、入力端子INに“L” (OV)の制御信号が入力さ
れると、pチャネルMOSトランジスタ1がオンし、出
力端子OUTに電源端子3側の正電位Vcc(5V)が
与えられて、出力端子OUTは“H”となる。これによ
り、VFDが点灯する。
第7図は、第6図の出力回路を実現する半導体デバイス
の概略断面図を示す。同図に示すように、p 基板5の
一方の主面側にpチャネルMOSトランジスタ1のバル
クとなるn ウェル6が形成される。n ウェル6の表
面側には、pチャネルMOSトランジスタ1のソースと
なるP+拡散領域7とドレインとなるP+拡散領域8が
相互に離して設けられる。また、一方のP+拡散領域7
の隣りにはn+拡散領域9が設けられるとともに、他方
のP+拡散領域8の隣りにはフィールド酸化膜10を介
してプルダウン抵抗2として機能するP+拡散領域11
が形成される。さらに、n−ウェル6上において、上記
2つのP+拡散領域7゜8で挟まれた領域に、絶縁層1
2を介してゲート電極13が形成される。こうして、n
−ウェル6゜P+拡散領域7.8、絶縁層12およびゲ
ート電極13によりpチャネルMOSトランジスタ1が
構成される。そして、n 拡散領域9とP+拡散領域7
が、正電位V。0の印加される一方の電源端子3に接続
されるとともに、ゲート電極13が入力端子INに接続
される。また、P+拡散領域8とp 拡散領域11の一
端とが出力端子OUTに接続されるとともに、p 拡散
領域11の他端が、負電位V、の印加される他方の電源
端子4に接続される。この半導体装置の動作は、第6図
の出力回路で説明したように行わ′れるため、ここでは
その説明を省略する。
なお、第7図においては、説明の便宜上、高耐圧pチャ
ネルM OS ”トランジスタ1を通常のトランジスタ
の構造で示しているが、高耐圧構造としては二重拡散法
など種々の技術が従来より知られており、実際のデバイ
スにおいてはそのような高耐圧構造が適宜選択して使用
される。もっとも、耐圧の点を除けば、高耐圧構造と通
常構造の間でpチャネルMO8トランジスタ1の動作に
本質的な相違が認められないため、ここでは第7図に示
す通常構造のデバイスを用いて以下説明する。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の半導体集積回路は、以上のように構成されており
、第7図から分るように、出力端子OUTと正電位V。
0の印加される電源端子3との間に、p 拡散領域8と
n″″″ウエル6−n接合による寄生ダイオード14(
第6図参照)が形成される。このため、以下に述べるよ
うなサージ対策を考慮する必要が生じる。
いま、出力端子OUTに(+)サージか与えられた場合
を考える。この場合、サージ電流は、出力端子0UT−
寄生ダイオード14(P+拡散領域8→n−ウェル6→
n+拡散領域9)→電源端子3の経路で抜けるため、大
きなサージ耐量が確保される。
次に、出力端子OUTに(−)サージが与えられた場合
を考える。このとき、nチャネルMOSトランジスタ1
がオンしていると、サージ電流は、電源端子3→MOS
hランジスタ1→出力端子OUTの経路で抜けるため、
問題はない。しかしながら、nチャネルMOSトランジ
スタ1がオフしていると、プルダウン抵抗2のインピー
ダンスは消費電力を下げるために通常数十にΩと高く設
定されているため、サージ電流が抜ける電路が無くなる
。その結果、nチャネルMOSトランジスタ1がブレー
クダウンし、サージ電流は、電源端子3→MO3)ラン
ジメタ1→出力端子OUTの電路で抜けることになる。
そのため、この半導体デバイスでは、(−)サージに対
して、非常に弱い破壊耐量になってしまう。
なお、例えばn ウェル6内にp−nダイオードを新た
に形成し、上記サージ電流を出力嵯子OUTからそのp
−nダイオードを介し電流端子4に抜くように構成する
ことも考えられる。しかしながら、p−基板5はトラン
ジスタの動作を安定させるためにGND電位に接続され
ており、nウェル6をGND以下の電位にできないため
、上記p−nダイオードを形成するようなことはできな
い。
そこで、従来はnチャネルMOSトランジスタ1のゲー
ト幅を広げ、トランジスタ動作により発生する熱を分散
させるようにして、サージ耐量を高めている。
第8図は、コンデンサチャージ法を利用した一般的なサ
ージ耐量測定回路を示す。この測定回路では、まず同図
に示すように、スイッチ15を一方の切換接点15a側
に切換えて電源16の電圧をキャパシタ17に印加し、
キャパシタ17を充電する。その後、スイッチ15を他
方の切換接点15b側に切換えてキャパシタ17の電荷
を抵抗18を介しデバイス19に放電させ、デバイス1
9の破壊状態を調べる。こうして、上記キャパシタ17
に印加される電圧を順次変化させながらそのときのデバ
イス19の破壊状態を調べることにより、デバイス19
の破壊耐量を検出できる。
実際に、第8図に示される測定回路において、キャパシ
タ17の容量をC−20hF、抵抗18の抵抗値をR−
0Ωに設定し、第6図に示される出力回路の破壊耐量を
測定したところ、第9図に示す結果が得られた。同図に
おいて、縦軸は破壊電圧を示し、横軸はpチャネルMO
Sトランジスタ1のゲート幅を表わしている。同図から
分るように、ゲート幅を大きくするとサージ耐量が増大
する。トランジスタサイズは、ゲート幅に比例して大き
くなるため、大きなサージ耐量を得るには大きなトラン
ジスタサイズが必要になる。例えば、サージ耐量として
一300Vを確保するには、ゲート幅が2000μmと
いう非常に大きなトランジスタサイズが必要になる。ま
た、ゲート幅を広げるとそれに伴いトランジスタを流れ
る電流が増大するが、通常VFDのセグメントドライブ
等では数mA程度の電流しか必要でなく、電流の増加分
は利用されずに°無駄に消費されることになる。
この発明は、上記問題を解決するためになされたもので
、チップサイズを大形化することなくサージ耐量を向上
でき、しかも通常動作に支障をきたさない半導体集積回
路を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明の第1の態様としての半導体集積回路は、上記
目的を達成するために、制御信号を入力するための入力
端子と、一方電極とバルクが高電位電源に接続されると
ともに制御電極が前記入力端子に接続された第1のpチ
ャネルMOSトランジスタと、前記第1のpチャネルM
OSトランジスタの他方電極と低電位電源との間に接続
された負荷と、前記第1のpチャネルMOSトランジス
タの他方電極に、接続された出力端子と、一方電極と制
御電極が前記出力端子に接続されるとともに他方電極が
前記低電位電源に接続されてバルクが前記高電位電源に
接続された第2のpチャネルMOSトランジスタとを備
える。
この発明の第2の態様としての半導体集積回路は、上記
目的を達成するために、制御信号を入力するための入力
端子と、一方電極とバルクが低電位電源に接続されると
ともに制御電極が前記入力端子に接続された第1のnチ
ャネルMOSトランジスタと、前記第1のnチャネルM
OSトランジスタの他方電極と高電位電源との間に接続
された負荷と、前記第1のnチャネルMOSトランジス
タの他方電極と接続された出力端子と、一方電極と制御
電極が前記出力端子に接続されるとともに他方電極が前
記高電位電源に接続されてバルクが前記低電位電源に接
続された第2のnチャネルMOSトランジスタとを備え
る。
〔作用〕
第1の態様の半導体集積回路によれば、出力端子に(−
)サージが印加された時のみ第2のpチャネルMO5L
ランジスタがオンし、サージ電流が低電位電源より第2
のnチャネルMOSトランジスタを介し出力端子に抜け
てサージ耐量を向上できる。その他の状態では、第2の
nチャネルMOSトランジスタが常にオフ状態にあって
、回路本来の通常動作が保障される。
また、第2の態様の半導体集積回路によれば、出力端子
に(+)サージが印加された時のみ第2のnチャネルM
OSトランジスタがオンし、サージ電流が出力端子より
第2のnチャネルMOSトランジスタを介し高電位電源
側に抜けてサージ耐量を向上できる。その他の状態では
、第2のnチャネルMOSトランジスタが常にオフ状態
にあって、回路本来の通常動作が保障される。
〔実施例〕
第1図は、VFDドライバ用の出力回路として構成され
たこの発明の一実施例である半導体集積回路を示す。同
図に示すように、この出力回路では、出力端子OUTと
、負電位■ が印加される電源端子4との間に、別の高
耐圧nチャネルMOSトランジスタ20がさらに接続さ
れる。すなわち、nチャネルMOSトランジスタ20の
ドレインとゲートが出力端子OUTに接続されるととも
に、ソースが電源端子4に接続され、バルクが正電位V
。0の印加される電源端子3に接続される。
その他の構成は、第6図の出力回路と同一であるため、
同一部分に同一符号を付してその説明を省略する。
第2図は、第1図の出力回路を実現する半導体デバイス
の概略断面図を示す。同図に示すように、p 基板5の
一方の主面側に、n−ウェル6に隣接するようにしてp
チャネルMOSトランジスタ20のバルクとなる別のn
 ウェル21が形成される。n ウェル21の表面側に
はnチャネルMOSトランジスタ20のドレインとなる
p 拡散領域22とソースとなるp+拡散領域23が相
互に離して設けられる。また、p′″拡散領域23の隣
りにはフィールド酸化膜10を介してn 拡散領域24
が設けられる。さらに、n ウェル21上において、上
記2つのp 拡散領域22.23で挟まれた領域に、絶
縁層25を介してゲート電極26が形成される。こうし
て、n クーエル21p+拡散領域22.23.絶縁層
25およびゲート電極26によりpチャネルMOSトラ
ンジスタ20が構成される。そして、一方のp 拡散領
域22とゲート電極26が出力端子OUTに接続される
とともに、他方のp+拡散領域23が電源端子4に接続
される。また、n+拡散領域24が電源端子3に接続さ
れる。なお、第2図から分るように、出力端子OUTと
電源端子3の間に、p+拡散領域22とn ウェル21
のI)  n 11 合1:: ヨる寄生ダイオード1
4(第1図参照)が形成されるとともに、電源端子4と
電源端子3の間に、p+拡散領域23とn ウェル21
のp−n接合による寄生ダイオード27(第1図参照)
が形成される。
なお、第2図においては、説明の便宜上、高耐圧pチャ
ネルトランジスタ1,20をそれぞれ通常のトランジス
タ構造で示しているが、高耐圧構造としては二重拡散法
など種々の技術が従来より知られており、実際のデバイ
スにおいてはそのような高耐圧構造が適宜選択して使用
される。例えば、二重拡散法により高耐圧構造を実現す
る場合には、第3図に示すように、pチャネルMOSト
ランジスタ1のソースをp−拡散領域7aとp+拡散領
域7bの二重拡散構造に仕上げる一方、ドレインを同じ
くp−拡散領域8aとp+拡散領域8bの二重拡散構造
に仕上げる。また、n+拡散領域9をフィールド酸化膜
10を介し上記ソースから離すようにして形成する。他
のnチャネルMOSトランジスタ20についても、上記
と同様にそのソースとドレインをそれぞれ二重拡散′法
により形成する。もっとも、耐圧の点を除けば高耐圧構
造と通常構造との間でpチャネルMOSトランジスタ1
.20の動作に本質的な相違が認められないため、ここ
では第2図に示す通常構造のデバイスを用いて以下に説
明する。
上記出力回路の動作は次のとおりである。まず、通常動
作時において、入力端子INに“L”の制御信号が入力
されたときは、pチャネルMO8トランジスタ1がオン
して出力端子OUTが“H″< v cc = 5 ”
 )の電位となる一方、入力端子INに“H“の制御信
号が入力されたときは、pチャネルMOSトランジスタ
1がオフして出力端子OUTが’L”  (VP−−3
5V)(7)電位となる。
このように、通常動作時には、出力端子OUTはVo、
(5V) 〜V、(−35V)の間の電位を取り、pチ
ャネルMO8トランジスタ2oはソースに比ベゲートが
高電位もしくは同電位にあるため、オフ状態を続ける。
この場合、nチャネルMOSトランジスタ20は、pチ
ャネルMO3トランジスタ1と同様、既述した二重拡散
法等による高耐圧構造を採用しているため、充分な耐圧
を有し、通常動作に悪影響を及ぼすことはない。
また、出力端子OUTに(+)サージが印加された場合
もpチャネル¥osトランジスタ2oはオフ状態を続け
るが、サージ電流は、出力端子0UT=寄生ダイオード
14(p+拡散領域8−n−ウェル5−h (1+拡散
領域9およびp+拡散領域22−n−ウェル21−n 
拡散領域24)−電源端子3の経路で抜けるため、大き
なサージ耐量が確保される。
一方、出力端子OUTに(−)サージが印加された場合
には、サージ電圧値は負電位Vpに比べ充分低い値とな
る。これにより、nチャネルMOSトランジスタ20は
、ゲートの電圧がソースの電圧よりも低くなるのでオン
状態となり、サージ電流は電源端子4→pチャネルMO
sトランジスタ20→出力端子OUTの経路で抜けるこ
とになる。その結果、pチャネルMOSトランジスタ1
は破壊モードに至らず、(−)サージに対するサージ耐
量が高くなる。
このように、nチャネルMOSトランジスタ20を付加
することにより、通常動作に悪影響を与えずにサージ耐
量を高めることができ、従来のようにサージ対策のため
にpチャネルMO8トランジスタ1のゲート幅を広げる
必要がなくなるため、チップサイズを小型化できる。
第4図はVFDドライバ用の出力回路として構成された
この発明の他の実施例である半導体集積回路を示す。
同図に示すように、この出力回路では、一方の電源端子
3に高電位電源より高電圧v11が印加される一方、他
方の電源端子4がGND (低電位電源)に接続される
。また、出力トランジスタとして高耐圧nチャネルMO
Sトランジスタ28が用いられるとともに、サージ電流
を逃がすためのトランジスタとして高耐圧nチャネルM
OSトランジスタ29が使用される。そして、nチャネ
ルMOSトランジスタ28が電源端子4と出力端子OU
Tの間に接続される一方、nチャネルMOSトランジス
タ29およびプルダウン抵抗2が電源端子3と出力端子
OUTの間にそれぞれ接続される。
その他の構成は、第1図の出力回路と同一であるため、
同一または相当部分に部分に同一符号を付してその説明
を省略する。
第5図は、第4図の出力回路を実現する半導体デバイス
の概略断面図を示す。この半導体デバイスは、第2図の
半導体デバイスに比べてp−nの極性が反転しており、
また電源端子3.4が相互に入れ替わっている。その他
の構成は、第2図のそれと同一であるため、同二又は相
当部分に同一符号を付してその説明を省略する。この場
合、p ウェル6とn 拡散領域8のp−n接合および
p−ウェル21とn+拡散領域22のp−n接合により
寄生ダイオード30(第4図参照)が形成され、p−ウ
ェル21とn+拡散領域23のp−n接合により寄生ダ
イオード31(第4図参照)が形成される。
上記出力回路の動作は次のとおりである。ます、通常動
作時において、入力端子INに“H”の制御信号が入力
されたときは、nチャネルMOSトランジスタ28がオ
ンして出力端子OUTが“L“(GND電位)となる一
方、入力端子INに“L”の制御信号が人力されたとき
は、nチャネルMOSトランジスタ28がオフして出力
端子OUTが“H” (V、、)の電位となる。このよ
うに、通常動作時には、出力端子OUTはG N D 
−V 、、の間の電位をとり、nチャネルMOSトラン
ジスタ29はソースに比ベケートか低電位もしくは同電
位にあるため、オフ状態を続ける。したがって、nチャ
ネルMOSトランジスタ2つが通常動作に悪影響を及は
すことはない。
また、出力端子OUTに(−)サージが印加された場合
もnチャネルMO3トランジスタ29はオフ状態を続け
るが、サージ電流は、電源端子゛4−寄生ダイオード3
〇−出力端子OUTの経路で抜けるため、大きなサージ
耐mが確保される。
一方、出力端子OUTに(+)サージが印加された場合
は、仮にnチャネルMOSトランジスタ29がなければ
、nチャネルMOSトランジスタ28のブレークダウン
によってサージ電流が抜けるため、サージ耐量は低くな
る。しかしながら、この実施例では、nチャネルMOS
トランジスタ2つを設けているため、(+)サージが印
加されると、nチャネルMOSトランジスタ2つはソー
スに比ベゲートが高電位となってオン状態になる。
これにより、サージ電流が、出力端子OU T −1−
nチャネルMOSトランジスタ2つ一電源端子3の経路
で抜けるため、nチャネルMOSトランジスタ28は破
壊モードに至らず、(+)サージに対するサージ耐量が
高くなる。
しかも、第1図および第4図に示すMOSトランジスタ
20.29は、いずれもオン状態でサージ電流を抜くた
め、オン抵抗値か低く、トランジスタサイズをさほど大
きくしなくてもサージ電流を充分に抜くことができる。
なお、上記実施例では、抵抗2により負荷を構成してい
るが、この負荷は、例えばリレー等の抵抗以外の負荷で
ももちろんよい。
また、上記実施例では、蛍光表示管のドライバ用の出力
回路として説明したが、この発明はプラズマデイスプレ
ィのドライバ等、百V以上の高耐圧性能が要求される出
力回路にも応用できる。
また、この発明は、CM OS 、  p M OS 
、  n MO3Bi−CMO3等、MOSトランジス
タを含む全てのウェハプロセスに適用できることは言う
までもない。
〔発明の効果〕
請求項1記載の半導体集積回路によれば、(−)サージ
が印加された時のみ動作する第2のpチャネルMOSト
ランジスタをサージ保護に利用し、通常動作において何
ら悪影響を与えずにサージ耐量を高めることができる。
これにより出力トランジスタとして機能する第1のpチ
ャネルMO3トランジスタのゲート幅を大きくする必要
がなくなり、チップサイズをかなり小さくできる。
また、請求項2記載の半導体集積回路によれば、(+)
サージが印加された時のみ動作する第2のnチャネルM
O9トランジスタをサージ保護に利用し、通常動作にお
いて何ら影響を与えずにサージ耐量を高めることができ
る。これにより、出力トランジスタとして機能する第1
のnチャネルMOSトランジスタのゲート幅を大きくす
る必要がなくなり、チップサイズをかなり小さくてきる
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例である半導体集積回路を示
す図、第2図は第1図の回路を実現する半導体デバイス
の概略断面図、第3図は高耐圧構造の一例を示す半導体
デバイスの要部断面図、第4図はこの発明の他の実施例
である半導体集積回路を示す図、第5図は第4図の回路
を実現する半導体デバイスの概略断面図、第6図はVF
Dを駆動するための従来の出力回路を示す図、第7図は
第6図の回路を実現する半導体デバイスの概略断面図、
第8図はサージ耐量測定回路を示す図、第9図はMOS
トランジスタのゲート幅と破壊電圧の関係を示す図であ
る。 図において、1.20はpチャネルMOSトランジスタ
、2はプルダウン抵抗、3.4は電源端子、28.29
はnチャネルMOSトランジスタ、INは入力端子、O
UTは出力端子である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)制御信号を入力するための入力端子と、一方電極
    とバルクが高電位電源に接続されるとともに、制御電極
    が前記入力端子に接続された第1のpチャネルMOSト
    ランジスタと、 前記第1のpチャネルMOSトランジスタの他方電極と
    低電位電源との間に接続された負荷と、前記第1のpチ
    ャネルMOSトランジスタの他方電極に接続された出力
    端子と、 一方電極と制御電極が前記出力端子に接続されるととも
    に他方電極が前記低電位電源に接続されてバルクが前記
    高電位電源に接続された第2のpチャネルMOSトラン
    ジスタとを備えた半導体集積回路。
  2. (2)制御信号を入力するための入力端子と、一方電極
    とバルクが低電位電源に接続されるとともに、制御電極
    が前記入力端子に接続された第1のnチャネルMOSト
    ランジスタと、 前記第1のnチャネルMOSトランジスタの他方電極と
    高電位電源との間に接続された負荷と、前記第1のnチ
    ャネルMOSトランジスタの他方電極と接続された出力
    端子と、 一方電極と制御電極が前記出力端子に接続されるととも
    に他方電極が前記高電位電源に接続されて、バルクが前
    記低電位電源に接続された第2のnチャネルMOSトラ
    ンジスタとを備えた半導体集積回路。
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