JPH0315375B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体装置を過渡高電圧に原因する
電気的応力に対して保護する回路に関する。

トランジスタ等の半導体接合装置を損傷し得る
過渡高電圧は種々の態様で生じ得るもので、例え
ば映像管を含むテレビジヨン受像機では映像管に
高電圧放電が起つたとき生ずることがある。この
過渡電圧はその受像機の信号処理回路に含まれる
トランジスタの逆耐値以上になりその結果過渡に
高レベルの逆方向接合電流を流して損傷または破
壊するに足る振幅、極性および持続時間を持つこ
とがある。この効果は一般にそのトランジスタの
接続された回路点または端子に過渡高電圧が誘起
されるときに見られ、特に敏感な低レベル信号処
理用トランジスタ回路を含む１つまたはそれ以上
の集積回路を有する装置で問題である。バイポー
ラトランジスタの場合には、過度の逆方向ベー
ス・エミツタ接合電流によつてそのトランジスタ
が破壊されたりその電流利得特性が永久的に劣化
したりすることがある。

このような過渡電圧の効果を抑制するには種々
の保護回路が利用できる。

保護すべき高感度トランジスタ回路から過渡電
圧を側路するには各回路点に適当な極性の半導体
ダイオードを使用すればよいが、このためのダイ
オードは標準の技法や構造を用いずに作られたも
のが必要なことがあり、このようなダイオードは
特に集積回路の場合その製造工程を複雑にするた
め望ましくないことが多い。いずれの場合でもそ
のダイオードが過渡電圧に伴う電気的応力で破壊
されずに耐えられるだけの電力放散能力を持ち、
またそのダイオードが単独でも、またそれに付随
する閾値レベル決定用バイアス回路と共にでも、
保護すべき信号回路の所要インピーダンス特性ま
たは高周波応答特性を害しないように注意すべき
である。

過渡高電圧抑制には特別設計の抵抗器やインピ
ーダンス装置も使用できるが、このような装置は
価格や多くの回路への適用の設計の見地から実用
的でなく、付随する信号処理回路のインピーダン
ス特性や高周波応答特性を害することがある。

保護すべき回路と過渡高電圧の現われそうな回
路点に結合した感知用インピーダンスと能動トラ
ンジスタ保護回路を組み合わせて用いることもあ
る。この回路ではその保護トランジスタが感知用
インピーダンスの両端間に形成される閾値導通電
圧に応じて導通して過渡誘起電流を保護すべき回
路から他へ放流する働らきをする。しかしこの回
路は信号処理回路の保護に用いたとき感知用イン
ピーダンスがその信号処理回路のインピーダンス
を変化させ、また端子に現われる寄生キヤパシタ
ンスと共に低域フイルタを形成してその端子に通
常現われる高周波信号を減衰させることがあるた
め好ましくない。

この発明による過渡保護回路は上述の不都合を
解消し、特に保護すべき回路を含む集積回路の製
作に適する。詳言すれば、ここで述べる保護回路
は最少数の成分しか必要とせず、保護すべき回路
の高周波応答特性やインピーダンス特性に不都合
な影響を与えない。

この発明の回路は半導体装置を不都合な過渡高
電圧による電気的応力破壊から保護するもので、
その半導体装置は過渡電圧の生じ得る回路点に結
合された一つの極性を有するもので、過大な逆方
向接合電流を生じさせるそのような過渡電圧が所
定レベルを超えたとき電気的応力破壊を受け易い
半導体接合を含んでいる。この保護回路は動作電
位点に結合されたコレクタ電極、ベース電極およ
びその回路点に結合されたエミツタ電極を持つ上
記一つの極性の保護トランジスタを含み、そのベ
ース電極に上記半導体装置のバイアスと上記回路
点のバイアスとに関係なくベースバイアスが決ま
るように基準バイアス電圧が印加される。この基
準電圧は無過渡状態において保護トランジスタの
コレクタ・ベース接合を逆バイアスすると共にベ
ース・エミツタ接合を逆バイアスしてその保護ト
ランジスタを常時非導通にするように働くが、所
定レベル以下の閾値レベルを超える過渡電圧に応
じて保護トランジスタのベース・エミツタ接合を
順バイアスしてそのコレクタ・エミツタ電路を導
通させ、過渡電流を半導体装置から逃がすような
レベルを有する。

この発明の１特徴によれば、保護トランジスタ
のエミツタが、半導体装置と前述の回路点との間
のオフセツト電圧が実質的に零になるようにその
半導体装置に接続されている。

この発明の他の特徴によれば、保護される半導
体装置は、過大な逆方向入力接合電流が流れるこ
とがないように保護されるバイポーラトランジス
タより成り、このトランジスタは保護トランジス
タと同様な形式のものである。

次に添付図面を参照しつつこの発明をその実施
例についてさらに詳細に説明する。

第１図において、信号源１０からの輝度信号と
他の信号源１２からのクロミナンス信号とがカラ
ーテレビジヨン受像機の輝度クロミナンス信号処
理回路１５の各別の信号入力端子T_iに供給され、
この入力輝度クロミナンス信号に応じて処理回路
（例えば集積回路）１５が公知のようにＲ、Ｇ、
Ｂのカラー画像信号を生成し、これらのカラー信
号がビデオ出力段（図示せず）を介してカラー映
像管１８の各別の強度制御陰極に供給される。動
作電圧源１９はこの映像管１８用の複数の動作電
圧を生成するが、これらの電圧には映像管１８の
陽極バイアス用の25000V程度の高電圧と、他の
電極（例えば陰極、遮蔽グリツド、集束電極）の
バイアス用の数100V程度の電圧とが含まれる。

処理回路１５は入力端子T_iに結合された入力回
路を含み、処理回路の各端子に高電圧が生成した
ときこれが損壊することがある。テレビジヨン受
像機におけるこのような高電圧の主因は映像管の
放電による過渡現象である。例えば受像機の調整
中等にそのシヤーシと映像管の高電圧陽極との間
に放電が発生することがあり、また受像機の正常
動作中でもその陽極と他の（電位の低い）電極と
の間でも予測不能の放電が生じ得る。どの場合に
もその放電から振動性で正負の電圧ピークが各回
路端子で100Vを超え、１ないし数μ秒も持続す
る過渡高電圧が発生する。

この過渡高電圧による損傷から処理回路１５
（第１図）内の各回路を保護する回路を第２図に
示す。

第２図の信号処理回路２０は小信号増幅用
NPNトランジスタ２２と付属のベースバイアス
抵抗２４とを含んでいる。増幅すべき入力信号は
端子T_iを介してトランジスタ２２のベース電極に
印加され、増幅された信号はトランジスタ２２の
コレクタ出力に現れてここから次の信号変換段
（図示せず）に供給される。

第２図の回路はまたエミツタ電極を端子T_iに直
結され、ベース電極をバイアス基準電圧（例えば
大地電位）に結合され、コレクタ電極を正の動作
電圧＋V_ccに結合されたNPNトランジスタ２８を
含む保護回路２５を有する。この実施例ではトラ
ンジスタ２８はトランジスタ２２と同様な形式と
同一極性を有するもので、トランジスタ２８のコ
レクタ回路の抵抗２９はトランジスタ２８のコレ
クタ領域の分布抵抗を示す。トランジスタ２８は
常時非導通であつて、この実施例では信号処理装
置として働かず、信号処理径路に含まれない。回
路２０，２５を共に単一の集積回路に製作するこ
とは容易で、その場合端子T_iがその集積回路の外
部接続端子になる。

第２図の説明をさらに進める前に第６図につい
て述べる。

第６図は第２図のトランジスタ２２，２８に利
用し得る半導体トランジスタ装置の断面図であ
る。この半導体装置はＰ型半導体材料で形成され
た接地基板と、この基板上に拡散されたＮ型材料
から成るコレクタ領域と、このコレクタ領域のＮ
型材料中に拡散されたＰ型材料から成るベース領
域と、このベース領域中に拡散されたＮ＋型材料
から成るエミツタ領域とを含み、そのベース、エ
ミツタおよびコレクタの各領域には導電性外部接
触端子が設けられ、半導体材料上には絶縁層が設
けられている。抵抗r_cはコレクタ領域に付随する
分布半導体抵抗を示す。

第６図を第２図と合わせ考えると、映像管のア
ーク放電により入力端子T_iに誘起され得るような
大振幅負極性の過渡電圧が存在するとき信号処理
トランジスタ２２が損壊され易いことがわかる。
このような負極性の過渡電圧（しばしばピーク・
ピーク振幅が100V以上）は、トランジスタ２２
の逆方向エミツタ・ベース降伏電圧を超えると、
そのエミツタ・ベース接合が短時間に過大な電力
消費をするため破壊し易い。すなわち大きな負極
性過渡電圧に応じ、その過渡電圧が約7Vの逆方
向エミツタ・ベース降伏電圧を超える量に比例し
て、トランジスタ２２がエミツタからベースへ逆
向きに大きく導通する。第６図の実施例では高密
度の逆方向エミツタ・ベース電流がそれによる強
い発熱を伴つて主にエミツタ・ベース接合の部分
ｄに現われ、保護手段を用いなければこの部分で
接合の熱破壊が生じる。同じ集積回路内にトラン
ジスタ２２とベースバイアス抵抗２４を形成した
ときは、一般に小面積の集積抵抗が大きな過渡誘
起電流に起因するような大量の熱エネルギを迅速
に放散することはできないため、この抵抗２４も
破壊されることがある。

信号トランジスタ２２の負極性過渡電圧による
破壊は保護トランジスタ２８によつて防がれる。
トランジスタ２８の主電流路（コレクタ・エミツ
タ電路）は正の直流電位源＋V_ccと入力端子T_iと
の間に、この実施例では介在素子を伴なわず直結
されている（抵抗２９は前述のように第６図の抵
抗r_cで示すコレクタ領域の分布抵抗である）。所
定の大きさの基準電圧が、トランジスタ２８のコ
レクタ・ベース接合を逆バイアスし、また保護ト
ランジスタ２８のベース電極をバイアスしてトラ
ンジスタ２８の所要閾値導通レベルを設定する働
らきをする。

このトランジスタ２８に印加されたバイアス基
準電圧が例えば大地電位（零Ｖ）に相当する場合
は、トランジスタ２８はそのエミツタ電圧がこの
バイアス基準電圧とそのベース・エミツタ接合の
オフセツト電圧（約0.7V）の和に等しいかそれ
以下のとき導通する。従つて端子T_iに現われる−
0.7Vを超える負の過渡電圧によつてトランジス
タ２８が導通する。トランジスタ２８は導通する
とその過渡に伴う電流を信号トランジスタ２２か
ら外す電路を与える。この電路の電流は動作電位
源＋V_ccからトランジスタ２８のコレクタ・エミ
ツタ電路と端子T_iを通つて過渡電圧源に流れる。
集積回路ではこのような動作電圧源からの電流は
共通の基板を介して集積回路の他の部分に破壊的
過渡効果を生じる確率を最小にするので有利であ
る。

この実施例では、トランジスタ２８は、入力電
圧が信号トランジスタ２２の逆方向エミツタ・ベ
ース接合降伏電圧約7V）に達する以前に導通す
るようにバイアスされている。信号トランジスタ
２２ではこの逆方向降伏電圧に達するまで逆方向
エミツタ・ベース電流が流れ得ないから、保護ト
ランジスタ２８の導通中は信号トランジスタ２２
が過渡誘起電流を通すこてはない。保護トランジ
スタ２８が導通すると、端子T_iの電圧従つて信号
トランジスタ２２のベース電圧がトランジスタ２
８のベースバイアス基準電圧よりこのトランジス
タのベース・エミツタ接合のオフセツト電圧だけ
低い電圧レベルにクランプされることに注意され
たい。トランジスタ２８に印加されるバイアス基
準電圧のレベルは、信号トランジスタ２２に損傷
を発生するレベルの逆電流が生成する前に保護ト
ランジスタの動作を開始させるように、各方式の
条件を満たすよう調節することができる。

第２図の保護回路は幾つかの利点を有する。

この保護回路は僅か１個のトランジスタしか必
要としないので、構成要素の数が最小である。そ
のトランジスタは大型または大電力の装置である
必要はなく、小さな信号トランジスタ２２と同じ
型のものでよい。従つてこの保護回路は利用可能
の面積の制限される集積回路に利用するのに都合
がよい。この点について、保護トランジスタ２８
は過渡高電圧に応じて飽和状態または非飽和状態
で導通するとき固有の自己限定性過渡電流を示す
ことが知られ、このような固有の制限を持つ過渡
電流はトランジスタ２８の分布コレクタ抵抗（第
６図の抵抗r_c）に起因し、これによつて通常のエ
ミツタ・ベース面積構成を持つ保護トランジスタ
を用いることができる。しかし必要に応じて他の
限流コレクタ抵抗を使用することもできる。

さらに、保護トランジスタ２８の閾値導通レベ
ルを決定するベースバイアス基準電圧が保護され
る回路から離れた保護回路に印加され、この実施
例では保護されるトランジスタ２２のベースバイ
アスと別に決定し得ることが判る。従つて、保護
トランジスタ２８の閾値基準電圧レベルは、保護
される回路のバイアス条件と関係なく決定するこ
とができる。

さらにまた、保護回路２５は信号回路２０の高
周波（入力）応答特性を変えず、また信号処理用
の信号回路２０の入力インピーダンスを変えない
ことが判る。保護回路２５は保護トランジスタ２
８が非導通の正常状態で端子T_iと保護される回路
とに適度に高いインピーダンスが与えられるよう
に構成されている。このインピーダンスはトラン
ジスタ２８の（寄生コレクタキヤパシタンスに比
して）極めて小さい寄生エミツタキヤパシタンス
を含むトランジスタ２８の逆バイアスベース・エ
ミツタ接合に伴うインピーダンスを含んでいる。
この保護回路は端子T_iと回路２０の間に付加イン
ピーダンスを導入することはなく、従つて上述の
保護回路は回路２０の入力に関連するインピーダ
ンスを変えるようなインピーダンスを導入せず、
また端子T_iに付随し得る（一般に付随する）寄生
キヤパシタンスと共に低域フイルタを形成するよ
うなインピーダンスを導入することもない。

上述の第２図の回路の動作と特徴は第３図ない
し第５図の実施例にも実質的に当てはまる。

第３図は信号処理回路３０に含まれるPNP信
号増幅トランジスタ３２と、保護回路３５に含ま
れるPNP保護トランジスタ３８の構成を示す。
この構成は端子T_iに現われる、逆方向エミツタ・
ベース接合電流降伏を生じ得る大きさの正の過渡
高電圧が生じたときPNP信号トランジスタ３２
をその降伏破壊から保護する働きをする。

第４図は正負両方の過渡高電圧による破壊に対
して保護されるNPN信号トランジスタ４２を含
む信号処理回路４０を示す。第４図の回路にはこ
のために信号トランジスタ４２を負の過渡電圧に
よる破壊から保護するNPN保護トランジスタ４
６を含む第１の保護回路４５と、信号トランジス
タ４２を正の過渡電圧から保護するNPN保護ト
ランジスタ４９を含む第２の保護回路４８とが含
まれている。保護回路４５，４８は第２図、第３
図の保護回路２５，３５に相当する。

第５図は信号処理回路５０のNPNトランジス
タ５２の利得制御のために電位差計５９（例えば
可変利得制御用電位差計）の接片を端子T_iに接続
した構成を示す。この構成では電位差計の可動接
片電圧がこの電位差計に印加される動作電圧の全
範囲すなわち零Ｖ（大地電位）から＋12Vまでの
間で調整可能であることが望ましい。この型のま
たは同等の制御回路がしばしばテレビジヨン受像
機の信号処理回路に用いられる。

この場合NPNトランジスタ５６，５７を含む
保護回路５５が回路５０と端子T_iに結合され、そ
のトランジスタ５６，５７のベース・エミツタ接
合が零Ｖ（大地電位）のバイアス基準電位と端子
T_iの間に直列に接続され、またそのコレクタが互
いに接続されて動作電圧源＋V_ccに結合される。

保護回路５５はこの構成によつてその存在に妨
げられることなく端子T_iに所要範囲（０〜＋
12V）の制御電圧を電位差計５９から引出し得る
ようにする。この点で、トランジスタ５６，５７
がそれぞれ約7Vのエミツタ・ベース逆耐電圧を
持つため、両者の組合わせに対する綜合逆耐電圧
は約14Vになる。従つて正常動作状態（すなわち
無過渡状態）では、電位差計５９の可動接片が
（最大の）正の制御電位＋12Vを呈するときもそ
の逆耐電圧を超えないので、トランジスタ５６，
５７が逆方向に導通することはない。

上述の保護回路は任意の半導体接合装置（例え
ばトランジスタ、ダイオード、特に集積回路用抵
抗）の過渡高電圧等によつて発生する大量のエネ
ルギを安全に放散または制御し得ない比較的に小
型のものの保護に適する。さらにこの回路は入出
力回路点と各端子の双方の保護に利用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を実施した保護回路を含むテ
レビジヨン受像機の一部のブロツク回路図、第２
図ないし第５図はこの発明を実施した種々の保護
回路と保護される回路とを示す回路図、第６図は
第２図ないし第５図の回路の動作の説明に用いる
半導体装置の断面図である。 ２０，３０，４０，５０……信号処理回路、２
２，３２，４２，５２……信号トランジスタ、２
５，３５，４５，５５……保護回路、２８，３
８，４８，５８……保護トランジスタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 不要な過渡高電圧が現われる可能性のある回
   路点に接続され、その過渡電圧が所定レベルを超
   えると電気的応力により損傷を受け易い半導体接
   合を備えた一極性をもつ半導体装置を、過大な逆
   方向半導体接合電流を生成するその過渡電圧によ
   る電気的応力による損傷から保護する回路であつ
   て、動作電位に接続されたコレクタ電極と、上記
   回路点に接続されたエミツタ電極と、ベース電極
   とを持つ上記極性と同一極性の保護トランジスタ
   と、この保護トランジスタのベース電極にそのバ
   イアスを上記半導体装置のバイアスと上記回路点
   のバイアスとに関係なく決定し得るような方法で
   基準バイアス電圧を印加する手段とを含み、 上記基準バイアス電圧が、上記回路点に印加さ
   れる上記バイアスと上記所定の電圧レベルとに関
   連する値の或る範囲内にある所定レベルを有し、
   上記基準バイアス電圧の所定レベルは上記回路点
   に印加される上記バイアスに対して、上記過渡電
   圧が存在しないときは上記保護トランジスタのコ
   レクタ・ベース接合を逆バイアスすると共にベー
   ス・エミツタ接合を逆バイアスしてその保護トラ
   ンジスタを常時非導通として上記回路点における
   上記バイアスに応じて上記半導体装置の正常な動
   作を可能とする、ように選ばれており、また、上
   記基準バイアス電圧の所定レベルは上記所定の電
   圧レベルに対して、上記所定の電圧レベルに足り
   ない大きさをもつ閾値レベルを超える過渡電圧に
   応じて上記保護トランジスタのベース・エミツタ
   接合を順バイアスしてそのエミツタ・コレクタ電
   路を導通させることにより過渡電流を上記半導体
   装置から他方へそらすようなレベルに選ばれてい
   る、半導体装置の保護回路。