JPH05183109A - 静電放電回路 - Google Patents

静電放電回路

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JPH05183109A
JPH05183109A JP4024280A JP2428092A JPH05183109A JP H05183109 A JPH05183109 A JP H05183109A JP 4024280 A JP4024280 A JP 4024280A JP 2428092 A JP2428092 A JP 2428092A JP H05183109 A JPH05183109 A JP H05183109A
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JP
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diode
transistor
semiconductor integrated
integrated circuit
collector
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JP4024280A
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Tyler A Lowrey
タイラー・エイ・ロウリー
Randal W Chance
ランダル・ダブリュー・チャンス
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Micron Technology Inc
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/102Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • H10D62/103Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse-biased devices
    • H10D62/105Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse-biased devices by having particular doping profiles, shapes or arrangements of PN junctions; by having supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE] 
    • H10D62/108Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse-biased devices by having particular doping profiles, shapes or arrangements of PN junctions; by having supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]  having localised breakdown regions, e.g. built-in avalanching regions 
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D8/00Diodes
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D89/00Aspects of integrated devices not covered by groups H10D84/00 - H10D88/00
    • H10D89/60Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD]
    • H10D89/601Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD] for devices having insulated gate electrodes, e.g. for IGFETs or IGBTs

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Microcomputers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は半導体集積回路を静電放電から保護
することを目的とする。 【構成】 本発明においては、静電放電によって生ずる
サージ電圧を分岐するため、集積回路の入力パッド(2
1)にバイポーラトランジスタ(35)とバイポーラダ
イオード(36)を接続する。これは、最小の損傷です
むような均一な電流分布で、損傷を受けやすい領域から
過剰な電流を分流させる、コレクタからベースへの最適
な逆バイアス降伏電圧を有するダイオードクランプとバ
イポーラ回路(25)を利用するものである。電源電圧
SSに正電圧としてかかる静電放電に対するイミュニテ
ィを改善するため、ダイオードと、コレクタ/ベースダ
イオードとして働くトランジスタの逆バイアス降伏電圧
をそれぞれ(38,39)の領域で低減させる。この回
路は、最も標準的なCMOS製造工程において、他に工
程を付け加えなくても静電放電保護を達成する簡単で低
コストの技術を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路(I
C)、およびIC内で静電放電(Electrostatic Discha
rge;ESD)によって引き起こされる過剰な電圧のスパイク
によってICが損傷するのを防ぐ回路に関する。この回
路は、ICの入力パッドおよび出力パッドに接続するた
めのものである。
【0002】
【従来の技術】静電放電は、ICの多くは25ボルト未
満の電圧で動作するが、静電放電はこの電圧をはるかに
越える電圧をICに与える。損傷は高電圧がIC内で絶
縁障壁を破壊したときに生ずると考えられ、その結果発
生する電流は絶縁物を永久に破壊する。しかし、ICの
動作特性にかかわらず、静電放電によって生ずる高電圧
は、そのような損傷が起こる前に放散されることが好ま
しい。
【0003】従来は、ICを突発的な静電放電による損
傷から保護するためには、ダイオードとトランジスタを
使って、電流を内部回路の損傷しやすい節点を避けて進
むよう、分流させていた。これらの装置は電源電圧
SS、コレクタ電圧VCCまたはこの両方をクランプする
ことができる。実際の使用に当たっては、入力がコレク
タ電圧VCCを越えてその先にあるバイアスをかけたダイ
オードドロップを上回るときは、クランプ装置は電源電
圧VSSだけに適用するのが望ましい。またこの場合は、
クランプを一つの電源装置だけに接続すればよいため、
その配置にかかる領域を節約できる。さらにこの構成
は、いくつかの手段により偶発的にトリガ信号が発生し
たとき、破壊的なラッチ電流となるおそれのあるNPN
Pサイリスタ構造を除去することができる。電源電圧V
SSに正電圧の静電放電が生じるときは、電源電圧VSS
みをクランプするだけで、十分静電放電からの保護を達
成することができる。しかし、この条件だとクランプ装
置の破壊を招くような逆バイアス降伏電圧になってしま
うおそれがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本明細書においては、
「n」という記号は、シリコンに負の極性の多数キャリ
アを導入する、ヒ素など価電子が4個を越える原子(第
V族もしくはこれより高次の族)がドープされたシリコ
ンを指す。一方、「p」という記号は、シリコンに正の
極性の多数キャリアを導入する、ホウ素、リンなど価電
子が4個より少ない原子(第 III族もしくはこれより低
次の族)がドープされたシリコンを指す。多数キャリア
の極性は、また電気伝導の型を決定する。「n」または
「p」に付した「+」もしくは「−」の上添え記号は、
それぞれドーピング(不純物添加)の程度が多いものと
少ないものを示す。
【0005】本発明の好ましい態様としてはシリコンを
用いたが、半導体の製造に携わる当業者にはよく理解さ
れることと思うが、本発明はドーピングを行った他の半
導体材料にも適用することができる。「n」は、4より
多い価電子を有する不純物のために生じた、半導体材料
中を動き回る負極性のキャリア(電子)を示す。一方、
「p」は、4より少ない価電子を有する不純物(ドーパ
ント)のために生じた、半導体材料中を動き回る正極性
のキャリア(正孔)を示す。
【0006】例えば、従来技術には、回路の入力にpチ
ャネル装置を用いるものがある。しかし、この場合は
「電圧バンピング」として知られる現象による、外部導
入型のラッチ電流の増加が生ずるという欠点がある。も
し入力電圧の増加、もしくは「バンプアップ」が生じる
と、pチャネル装置はラッチ電流の増加を引き起こし、
かつもしラッチ電流の増加が多くの電流を消費すると、
このpチャネル装置は破壊される。
【0007】ただし、ICを静電放電から保護する場合
でも、この保護のための回路は半導体ダイ中であまり大
きな面積を占めない方が望ましい。また、この保護のた
めの回路は、ICの動作に大きな遅れを生じさせたり、
ICの性能を低下させることがないということが重要で
ある。
【0008】
【課題を解決するための手段および作用】本発明によれ
ば、MOSとバイポーラ型ICへの入力において静電放
電による損傷に対する耐性を改善する技術が提供され
る。本発明においては、コレクタからベースに対しての
最適な逆バイアス降伏を有するバイポーラおよびダイオ
ードクランプを利用する。この最適な逆バイアス降伏
は、ICの損傷を最小にするような電流分布で、過剰な
電流を分流させ、損傷を受けやすい領域に過剰な電流を
送るのを阻止する。
【0009】本発明においては、所望のIC保護を得る
ため、トランジスタおよびダイオードによるクランプを
行う。放電回路の部分は通常のパワー供給と送信には利
用されないため、この放電回路によってICの性能が著
しく低下するということはない。
【0010】本発明の種々の態様のうち、p形基板を用
いた製品に適用可能なものにおいては、入力パッドと残
りのIC部分からクランプ装置を隔離するため、低抵抗
の抵抗対を用いる。この場合、水平NPNトランジスタ
は接地され、NPNトランジスタのベースと垂直ダイオ
ードのカソードが基板に接続される。他方、n形基板を
用いた製品に適用可能なものにおいては、水平PNPト
ランジスタのエミッタが電源装置電位に接続され、他方
PNPトランジスタのベースとダイオードのエミッタが
基板電位に接続される。
【0011】電源電圧VSSに正電圧としてかかる静電放
電に対するイミュニティを改善するためには、ダイオー
ド、およびコレクタ/ベースダイオードとして作用する
トランジスタの逆バイアス降伏をイオン注入(イオンイ
ンプランテーション)によって低減させる。p形基板に
対しては、n+/p接合領域にp形種(例えばホウ素)
のイオン注入を行う。通常p形インプランテーション
は、内部作動節点に好ましくない寄生ダイオード容量が
発生するのを防ぐため、マスクをして行う。n形基板の
場合は、同様にマスクを用いながらn形種(典型的には
リン、ヒ素もしくはアンチモン)をイオン注入する。
【0012】このイオン注入法は、非常に性能のすぐれ
たDRAM(ダイナミックRAM)やSRAM(スタテ
ィックRAM)の半導体メモリ製造プロセスを含む多く
の半導体の製造プロセスにおいて、特定の節点(例えば
記憶ビット節点)の内部で拡大接合容量を与えるのにす
でに用いられている。クランプの逆バイアス降伏の低減
は、静電放電のときに内部節点に展開する電圧を減少さ
せる。また、同じ量の電流を電圧降下の少ない状態で分
流させることにより、静電放電時に生ずる電力を抑えて
熱の発生を抑制する。この構成は、n形・p形どちらの
基板においても用いられる。
【0013】本発明に係る入力保護のメカニズムの利点
は、簡単かつ低コストの構成で対静電放電特性を改善で
きること、および一般的なCMOSの製造プロセスにお
いてほとんど新たな工程を加えずに回路を製造できるこ
とである。また本発明の放電回路は、信頼性のある静電
放電イミュニティ(耐性)を得るのに最小限の領域で足
り、入力にはpチャネル装置は不必要である。よって、
外部導入型のラッチ電流の増加に対する電位を最小にで
きる。また電源電圧VSSのみをクランプするため、入力
がコレクタ電圧VCCをダイオードのドロップ分もしくは
それ以上越えた場合でも入力の漏れを避けることができ
る。
【0014】この放電回路は、種々の分野での適用およ
び種々の電源電圧に対応できるよう、BVCEOとダイ
オード降伏電圧は容易に調節できる。そして本発明の放
電回路を使用しても、装置の動作速度に大きな影響はな
く、入力容量が若干増えるだけである。
【0015】
【実施例】パッケージに納められた集積回路において
は、半導体ダイは、ハウジング内のリードフレームもし
くはリードに、リードワイヤを介して接続される。リー
ドワイヤはリードおよび半導体ダイ上のボンドパッドに
接合される。
【0016】図1と図2は、集積半導体チップ上の入出
力回路を示す。通常半導体チップ内で大きな領域を占め
るボンドパッド(入力パッド)21は金属製で、半導体
ダイ13をリードフレームもしくは外部回路と接続する
のに用いる。したがって、ボンドパッド21は、ワイヤ
ボンドパッド、バンプ、もしくは半導体ダイ上の回路と
外部回路とを接続する他の手段でもよい。
【0017】静電放電(Electrostatic Discharge;ESD)
からの保護を達成するため、ボンドパッド21と内部回
路27の間に、トランジスタで表される放電回路25が
設置される。この放電回路25は、抵抗対31,32と
電流放電素子35,36を含む。電流放電素子35,3
6は、上記抵抗対31,32間の接続によって定義され
る節点で過剰な電圧が生じたときに、電流を、図示のよ
うに地面(接地している)、もしくは他の給電節点に放
電させる。抵抗31と32は連続してボンドパッド21
と内部回路27に連なり、回路素子(電流放電素子)3
5と36は電流を抵抗31と32の間から放電させる。
【0018】放電素子はバイポーラダイオード35とバ
イポーラトランジスタ36である。これらはそれぞれ、
破線38と39で示される局部で低減された接合降伏電
圧を有する。この降伏電圧は、内部回路27の通常の作
動範囲を越える電圧に設定されるが、内部回路27に損
失を与える電位よりは低く設定される。
【0019】局部的に低減された降伏電圧とは、接合の
インピーダンスが減少する、低減された逆バイアス電位
のことである。このインピーダンスの減少効果は、アバ
ランシ(キャリアのなだれ現象)として知られ、従来の
ツェナーダイオードにおいて見られるアバランシ効果に
似ている。通常バイポーラトランシスタにおける2つの
接合は互いに反対方向にバイアスがかけられているた
め、接合にかけられる逆バイアスは、トランジスタにか
けられる逆バイアスと必ずしも一致する必要はない。好
ましい態様においては、この局部的に低減される降伏電
圧は約5Vである。
【0020】電源電圧VSSに対して正電圧としてかかる
静電放電に対するイミュニティを改善するためには、ダ
イオード35とコレクタ/ベースダイオードとして機能
するトランジスタ36の逆バイアス降伏電圧は、p形イ
オン(例えばホウ素)のn+/p接合領域に対するイン
プランテーション(イオン注入)によって減じられる。
こうして、局部的に降伏電圧が減じられた領域38と3
9ができる。図2に示すように、n+/p接合における
p形の濃縮は、5〜20Vの逆バイアス降伏電圧に対応
する、1E16から1E18領域のドーピング濃度を与
えるように調整される。通常p形インプランテーション
は、内部作動節点に好ましくない寄生ダイオード容量が
発生するのを防ぐため、マスクをして行う。
【0021】このイオン注入法は、非常に性能のすぐれ
たDRAM(ダイナミックRAM)やSRAM(スタテ
ィックRAM)の半導体メモリ製造プロセスを含む多く
の半導体の製造プロセスにおいて、特定の節点(例えば
記憶ビット節点)の内部で拡大接合容量を与えるのにす
でに用いられている。クランプ(装置35と36)の逆
バイアス降伏電圧の低減は、静電放電のときに内部節点
に展開する電圧を減少させる。また、同じ量の電流を電
圧降下の少ない分流させることにより、静電放電時に生
ずる電力を抑えて熱の発生を抑制する。
【0022】図3と図4は、非接地型のp形基板を用い
た製品における同様の放電回路を示したものである。こ
の放電回路の特徴は、降伏電圧が入力クランプ装置にお
いて局部的、選択的に減じられるという点で、先の例と
同じである。バイポーラダイオードとバイポーラトラン
ジスタはそれぞれ、図2のダイオード35およびトラン
ジスタ36と同様に、局所的に低減された接合降伏電圧
を有する。この降伏電圧も先の例と同様、内部回路27
の通常の作動範囲を越える電圧であって、かつ内部回路
27に損失を与える電位よりは低いものに設定される。
【0023】図3と図4においては、トランジスタ45
のエミッタは接地される。しかし、垂直ダイオード46
のカソードとトランジスタ45のベースはともに基板電
位に接続される。
【0024】この構成は、正のサージ電圧を局部的に低
減された接合降伏電圧の助けを借りて、NPNダイオー
ド45から接地電位へ優先的に放電させることを可能に
する。
【0025】同様に、この構成は図5と図6に示したn
形基板にも用いることができる。この例においては、ト
ランジスタ65とダイオード66はコレクタ電圧VCC
けをクランプするために用いる。この構成によれば、均
質な静電放電イミュニティが得られ、比較的簡単な製造
プロセスおよび素子レイアウトの調整が可能になる。図
5は、コレクタ電圧VCCに接続するn形基板を用いる製
品において適用可能な構成の一例を示すものである。抵
抗51と52は、0〜500オームの低い抵抗値である
ことが好ましい。トランジスタ65は、垂直ダイオード
であるダイオード66と並んでクランプ機能を果たす水
平PNPトランジスタである。
【0026】コレクタ電圧VCCに対して負電圧としてか
かる静電放電に対するイミュニティを改善するために
は、コレクタ/ベースダイオードとして表されるトラン
ジスタ65の逆バイアス降伏電圧、およびダイオード6
6の逆バイアス降伏電圧は、p+/n接合領域へのn形
イオン(例えばリンやヒ素)の注入によって低減され
る。トランジスタ65のp+/n接合領域におけるn形
の濃縮は、5〜20Vの逆バイアス降伏電圧に対応す
る、1E16から1E18領域のドーピング濃度を与え
るように調整される。通常n形インプランテーション
は、内部作動節点に好ましくない寄生ダイオード容量が
発生するのを防ぐため、マスクをして行う。このイオン
注入法は、非常に性能のすぐれたDRAM(ダイナミッ
クRAM)やSRAM(スタティックRAM)の半導体
メモリ製造プロセスを含む多くの半導体の製造プロセス
において、特定の節点(例えば記憶ビット節点)の内部
で拡大接合容量を与えるのにすでに用いられている。ク
ランプ(装置35と36)の逆バイアス降伏電圧の低減
は、静電放電の際に内部節点に展開する電圧を減少させ
る。また、同じ量の電流を電圧降下を少なくして分流さ
せることにより、静電放電時に生ずる電力を抑えて熱の
発生を抑制する。
【0027】図7と図8は、コレクタ電圧VCCに接続し
ないn形基板を用いた製品による同様の放電回路を示し
たものである。この放電回路の特徴は、降伏電圧が入力
クランプ装置において局部的、選択的に減じされるとい
う点で、先の各例と同じである。この例においては、ダ
イオード76とトランジスタ75のベースはベース電圧
BBに接続する。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
クランプ装置やpチャネル装置を破壊するおそれなく、
かつICの性能低下を招かずに、ICを静電放電から保
護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】p形基板を用いた、本発明の好ましい態様を示
す回路図である。
【図2】図1の回路における基板の断面図である。
【図3】非接地型の基板を用いた、図1の回路の変形例
を示す図である。
【図4】図3の回路における基板の断面図である。
【図5】電源装置に接続し、n形基板を用いた本発明の
一態様を示す回路図である。
【図6】図5の回路における基板の断面図である。
【図7】電源装置とは違う電位VBBに接続し、n形基板
を用いた本発明の一態様を示す回路図である。
【図8】図7の回路における基板の断面図である。
【符号の説明】
21 入力パッド 25 放電回路 27 内部回路 31,32 抵抗 35 バイポーラトランジスタ 36 バイポーラダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/784 (72)発明者 ランダル・ダブリュー・チャンス アメリカ合衆国、83702 アイダホ州、ボ イーズ、ラフォンタナ・ウェイ 3813

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内部回路(27)が、その一部を構成す
    る母線を介してダイ接合部位(21)と参照電位を有す
    る給電節点を通じて外部回路に接続し、前記ダイ接合部
    位(21)は静電放電から保護されながら内部回路(2
    7)に接続する半導体集積回路装置であって、 a)コレクタ、エミッタおよびベースが接合し、かつコ
    レクタは前記母線に接続し、他方エミッタとベースは前
    記参照電位を有する給電節点に接続したバイポーラトラ
    ンジスタ(35)と、 b)前記母線と制御電位に接続したバイポーラダイオー
    ド(36)を備え、 c)前記トランジスタとダイオードの少なくとも一方が
    局部的に低減された内部降伏電圧を有し、 d)前記トランジスタとダイオードはp+/n接合領域
    への伝導イオン(38,39)の注入によって低減され
    た逆バイアス降伏電圧を有し、 e)前記母線は前記ダイ接合部位と内部回路との間に連
    続した抵抗(31,32)を備えることを特徴とする半
    導体集積回路装置。
  2. 【請求項2】 a)前記伝導イオン(38,39)のp
    +/n接合領域への注入はp形イオンの注入であり、 b)前記イオンのp+/n接合領域への濃縮は1E16
    ないし1E18の範囲のドーピング濃度を与え、これに
    よって5ないし20Vの逆バイアス降伏電圧を得ること
    を特徴とする請求項1記載の半導体集積回路装置。
  3. 【請求項3】 a)前記伝導イオン(38,39)のp
    +/n接合領域への注入はn形イオンの注入であり、 b)前記イオンのp+/n接合領域への濃縮は1E16
    ないし1E18の範囲のドーピング濃度を与え、これに
    よって5ないし20Vの逆バイアス降伏電圧を得ること
    を特徴とする請求項1記載の半導体集積回路装置。
  4. 【請求項4】 内部回路(27)が、その一部を構成す
    る母線を介してダイ接合部位(21)と参照電位を有す
    る給電節点を通じて外部回路に接続し、前記ダイ接合部
    位(21)は静電放電から保護されながら内部回路(2
    7)に接続する半導体集積回路装置であって、 a)コレクタ、エミッタおよびベースが接合し、かつコ
    レクタは前記母線に接続し、他方エミッタとベースは前
    記参照電位を有する給電節点に接続したバイポーラトラ
    ンジスタ(35)と、 b)前記母線と制御電位に接続したバイポーラダイオー
    ド(36)を備え、 c)前記トランジスタとダイオードの少なくとも一方が
    局部的に低減された内部降伏電圧を有し、 d)前記トランジスタとダイオードは、1E16ないし
    1E18の範囲のドーピング濃度を与えるように調節さ
    れた、p+/n接合領域への伝導イオン(38,39)
    の注入によって低減された逆バイアス降伏電圧を有し、 e)前記母線は前記ダイ接合部位と内部回路との間に連
    続した抵抗(31,32)を備えることを特徴とする半
    導体集積回路装置。
  5. 【請求項5】 a)トランジスタは接地電位に接続され
    たコレクタと基板電位に接続されたベースを有し、 b)前記ダイオードは基板電位に接続され、電圧のサー
    ジはダイオードを通じて放電され、トランジスタはサー
    ジを検知し、検知したサージに応じて接地を介して放電
    することを特徴とする請求項1または4記載の半導体集
    積回路装置。
  6. 【請求項6】 a)前記トランジスタはコレクタ/ベー
    スダイオードとして配置され、 b)前記伝導イオン(38,39)のp+/n接合領域
    への注入はp形イオンの注入であることを特徴とする請
    求項1または4記載の半導体集積回路装置。
  7. 【請求項7】 a)前記トランジスタは水平PNPトラ
    ンジスタであり、 b)前記ダイオードは水平ダイオードで、前記トランジ
    スタはこのダイオードと共働してクランプ機能を果たす
    ことを特徴とする請求項1または4記載の半導体集積回
    路装置。
  8. 【請求項8】 前記トランジスタは前記制御電位と接続
    するベースを有する請求項1ないし7のいずれか一項記
    載の半導体集積回路装置。
JP4024280A 1991-01-16 1992-01-16 静電放電回路 Pending JPH05183109A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US64209691A 1991-01-16 1991-01-16
US07/642096 1991-01-16

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ID=24575194

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JP4024280A Pending JPH05183109A (ja) 1991-01-16 1992-01-16 静電放電回路

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US (1) US5581104A (ja)
JP (1) JPH05183109A (ja)
DE (1) DE4200884A1 (ja)

Cited By (4)

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