JPS5990120A - 保護回路 - Google Patents

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】 発明の背景 この発明は広くは保護回路に、詳しくは集積回路装置の
保護回路に関するものである。

集積回路（■Ｃ）は、しばしば、その中に含まれている
１個又はそ九以上の個ノ、の装置が過渡電圧によって過
負荷状態とされ、その結果、装置が溶融したり、短絡１
ツたりあるいは破壊されて、損傷することがあるという
ことは周知である。過去において、ＩＣを保護して過渡
電工による破壊を防ＩＥするために種・々の装置や回路
が用いられていた。

これらの保護装置は、内部過渡現象保護の目的で半導体
チップ上に含められたダイオード又はトランジスタ回路
の形をとっていた。このような装置は、それを含んでい
るＩＣに対しである程度の保護を与えることはできるが
、チップの大きな面積を占めるもので、このような面積
は他の回路のために用いることができ、そうすることに
よって、バンキング密度を高めることが可能である。

過〃ｙ現象の一例は、例えばビデオ及び音声処理で使用
される低電圧■Ｃを備えだテレビジョン受像機で生じる
ような高電圧スパイクである。典型的なものでは、映像
管の陽極は約２５　、０ＯＯＶにバイアスされておシ、
この高圧の陽極が急速に放電すると、電源に高い過渡電
圧が生じる。さらに、映像管の陽極と１つ又はそれ以上
の低電位電極との間で予測不能なアークが生じることも
ある。いずれの場合にも、１００Ｖを超えるような正方
向又は負方向に向うピークを伴う高過渡電圧が、共通の
電源を介して、あるいは、プリント配線板の接続導体に
おける静電ビック−アップによって、　ＩＣの端子に印
加される。

テレビジョン受像機における高過渡電圧の他の原因は静
電、気放電である。蓄積された静電、荷は通常受像機の
制量１つ寸みなどを通して使用者によって放電され、受
像機中のＩＣを損傷させる可能性のある高過渡電圧を発
生させる。

多くの高ｉＭ　ＫＮ　Ｉｆ　保護装置があるが、問題と
なるのは、かさばった保護装置を形成するに（ｄ貴重な
チップ空間を用いねばならないということである。多数
のビンを持った装置では保護装置がかな１）（ｒ）スペ
ースをとって１．７まい、チップが不必要に大きくなっ
て好ましくない。

発明の概要 この発明は共通のＮ−ウェル中に形成された相補導電型
トランジスタの第１の対と第２の対で構成された工Ｃ保
護回路に実施される。１つの実施し１では、抵抗性素子
が半導体構造と一体とされて感知素子を構成している。

ここで説明するすべての実施例において、相補導電型ト
ランジスタの各対（及び共通の感知抵抗）は共通の分離
領域中に配置さり、、各対のトランジスタは、過渡電圧
（正であれ負であれ）が予め定められている値全超過す
る時に高電流を流通させることのできる２端子装置を構
成するように接続されている。

実施例の詳１細な説明 第１図には回路１０により負の過渡型Ｉ［から、まだ回
路１２により正の過渡電、圧からある回路を保護する構
成が示されている。これらの負と正の過渡電圧保護回路
］０と１２は両方共、共通の分離領域すなわち分離ボー
ト中に形成さノｔている。

回路１０は端子１４と保護されるべき回路（図示せず）
との間で信号伝送を行うだめの導体にエミッタが接続さ
れたＮＰＮ　）ランジスタＱ４を備えている。

トランジスタＱ、４のコレクタはＰＮ、Ｐ　）ランジス
タＱ３ノヘースに接続されており、一方、トランジスタ
Ｑ４のベースはトランジスタＱ３のコレクタに接続され
ている。トランジスタＱ３のエミッタは基板又はアース
のような基準劣位源１６に接続されている。

このように、負の過渡電圧からの保護は、相互接続され
、２端子シリコン制御整流器（ＳＣＦｌ）として働く一
対のトランジスタによって与えられる３、正の過渡電圧
保護回路１２は、端子１４と被保護回路間で信号伝送を
行うだめの土建した導体にエミッタが接続されているＰ
ＮＰトランジスタＱ工を備えている７、トランジスタＱ
工のコレクタけＮＰＮ　トランジスタＱ２のベースに、
捷だ、ベースはトランジスタＱ、のコレクタとトランジ
スタＱ３のベースとに接続されている１、トランジスタ
Ｑ、２の−く−スは抵折４を値の抵抗１８を介して基板
１６に接続されており、そのエミッタも基板１６に接続
されている。

端子１４に負の過渡パルスが発生し７だ時の回路１０の
動作は、回路１０が２端子装置として構成されているこ
とを除けば、ＳＣＲの動作と類似している。

従来のＳＣＲは陽極−陰極間の電圧により、あるいは、
その陽極−陰極間電圧の変動に基づいてトリガされるこ
とがないように設計された３端子装置であるという点に
おいて異なる。この発明の過渡電工保護回路は端子１４
と１６の間に現われる高過渡電圧か、あるいは、これら
の両端子間の電圧の高変化率（ｄ、ｖ　／　ｄ、ｆ；　
）の変化によってトリガされる。

実際には、端子１６は基板あるいはアースのような基準
電位源であり、端子１４は保護されるべき回路に接続さ
れている。従って、端子１４がアースに対して高速度で
負方向に変化すると、保護回路１０がターンオンされ（
端子１４と１６が電気的に接続され）過剰電流をアース
に流がす。この発明の回路とは異なり、従来のＳＯＲで
は、トランジスタＱ４のベース・エミッタ間及び／又は
トランジスタＱ３のベース・エミッタ間に接続された低
抵抗を持っており、それが上記のようなターンオンを阻
止する。端子１４における電圧変化の速度が低い場合は
、ピコアンペア化の非常に小さな電流がトランジスタＱ
４を流れるが、全体のループ利得が１以下に選ばれてい
るだめに、回路はラッチされない。しかし、端子１４に
現われる負方向電圧が充分負になると、トランジスタＱ
、４が深い導通状態となり、それによって充分なループ
利得が与えられて、全体のループ利得が１以−Ｌになる
。保護回路全体が再び導通状態となって過剰電流をアー
スへ流す。

正過渡電圧保護回路１２は、トランジスタＱ１、とｑ、
２の相仏接続が、従来の３端子ＳＣＲ装置を２端子間の
電圧が所定の正の閾［直を超えた時に導通状態にされる
２端子装置に変換するようなもの七されている点におい
て、従来のＳＣＲと異なる。その動作においては、トラ
ンジスタ味工とＱ２は初め非導通状態にある。抵抗１８
は電気的雑音及び熱的雑音が誤ってトランジスタＱ１と
Ｑ２を導通状態にすることがないようにする。基本的に
は、保護回路１２の動作は、正方向の過渡電圧の振れの
期間中の抵抗］８の両端間に電圧降丁を生じさ伊るトラ
ンジスタＱ２のコレクタ・ベース降伏によってトリガさ
れる。抵抗１８の電圧降丁がｌ　ＶＢＥ　（約０．７　
Ｖ　）を超えると、トランジスタＱ２が導通する。これ
によって、トランジスタ味工を導通状態に駆動して両方
のトランジスタＱ工とＱ２を飽和させて端Ｔ−１４を実
効的にアースにクランプする正帰効果を生じさせるに充
分なベース電流が与えられる。

第２図は別の負方向過渡電圧保護回路１０と正方向過渡
電工保護回路１２を示す。第１図と同じ素子には同じ参
照符号を付けである。第２図の負方向過渡電圧保護回路
１０は第１図の回路１０と同様の回路接続であり、正方
向過渡′電圧保護回路１２においては、トランジスタ味
工とＱ２は第１図と同じように接続されている。しかし
、この実施例においては、端子１４と被保護回路の間に
感知抵抗２．０が直列に接続されており、負方向過渡電
圧保護回路１０のトランジスタＱ４のエミッタと正方向
過渡電圧保護回路１２のトランジスタ味工のエミッタと
が抵抗２０の端子１４への接続端に接続されている。一
方、トランジスタ味工とＱ、３０ベースはトランジスタ
Ｑ２とＱ４のコレクタと共に抵抗２０の被保護回路側端
部に接続されている。さらに、ダイオード２２が被保護
回路と本構造に特有の基準電位点１６との間に接続され
ているＯ 動作を説明すると、端子１４に現われる負方向の過渡高
電圧によって、抵抗２０とダイオード２２全通してダイ
オード２２を順バイアスする方向に電流が流れる。この
バイアス電位はトランジスタ味工とＱ３のベースの共通
接続点を介してトランジスタＱ３のエミッタ・ベース接
合に結合される。従って、ダイオード２２とトランジス
タＱ３の組合わせは実効的に電流ミラーを形成すること
になる。ｌ・ランジスタＱ３のベース電流はトランジス
タＱ、３にコレクタを流′ｆ：流れさせ、そのコレクタ
電流はトランジスタＱ、４のベースに流れ込む。これに
より、トランジスタＱ４ニコレクタ電流が流れ、トラン
ジスタＱ３のベース電流を増大させる。これらのことの
結果、トランジスタＱ３とＱ４を飽和させて、これらの
トランジスタＱ３とＱ４のＳＣＲ機能によって端子１４
をアース電位に実効的にクランプする正帰還回路が出来
ることになる。過渡電圧が消えるかあるいは所定値より
小さくなるかすると、端子１４の電位はその通常動作電
位に帰えり、ダイオード２２と負方向過渡電圧保護回路
１０とを流れていた電流が停止して、回路１０は開放状
態に復帰する。

正向きの過渡高電圧が生じると、抵抗２０を通って電流
が被保護回路の方向かアースの方向かに流れる。どちら
の方向に流れるかはトランジスタＱ２のコレクタ・ベー
ス間降伏電圧によって決まる。

抵抗２０を流れる電流によつ−Ｃその端子間にＩ　ＶＢ
Ｋ（約０，７　Ｖ　）の電圧が発生すると、その電圧が
実効的にトランジスタ味工のベース・エミッタ間に加え
られるために、トランジスタ味工はターンオンされる。

トランジスタ味工のコレクタ電流は抵抗１８を流れてそ
の両端間に電圧を生じさせる。この電圧がｌ　ＶＢＥ　
（約０．７　Ｖ　）を超えるとトランジスタＱ２が導通
する。トランジスタＱ２のコレクタ電流はトランジスタ
味工の初めのベース電流を増大させ−Ｃ正帰還効果を生
じさぜる。それによって、トランジスタＱ１とＱ２が飽
和状態に駆動されて端子１４がトランジスタ味工とＱ２
のＳＯＲ動作によってアース電位に実効的にクランプさ
れる。正方向の電圧過渡が終わるかあるいは所定レベル
以下になると、トランジスタｑ９、に対するＩＶ□を維
持するに充分な電流が抵抗２０に流れないために、回路
１２は非導通とな注意すべきは、回路１２は端子１４か
ら保護されるべき回路へ電流が流れる時にはクランプ動
作を行うが、電流が保護される回路から端子１４に向け
て流れる時は抵抗２０の両端間に現われる電圧の極性が
トランジスタ９．１のエミッタ・ベース接合を逆ノくイ
アスしてトランジスタＱ工を非導通とするような極性と
なるだめに、クランプ動作は生じないことである。

このことは従来のＢＣＦ保護回路に比して大きな利点と
なる。なぜなら、この発明によって保護されるＮＰＮエ
ミッタホロワ出力回路は、この発明の保護回路にラッチ
アップを生じさせる過渡現象がある間は、アースにクラ
ンプされ、それによって過大電流が被保護エミッタホロ
ワを流れてそれに損傷を与えることが防１］二できるか
らである。

第３図は第２図の実施例の平面図で、負方向過渡電圧保
護回路１０（第１図と第２図）と正方向過渡電圧保護回
路１２（第１図と第２図）とが、ボンドパッドすなわち
信号端子１４と共に共通のＮ−分離領域２６中に形成さ
れている。第３図において、破線４４は、入力ボンドバ
ッド１４の表面を形成する金属層とトランジスタ味工と
Ｑ４のエミッタをパッド１４及び抵抗２０の一端に接続
している接続体との輪郭を示す。実線２６は共通Ｎ−の
分離された領域２６め輪郭であり、線２４はＮ十埋込ポ
ケットすなわちＮ十埋込領域２４の境界を示す。２８は
Ｎ−領域２６を囲むＰ十分離領域で、点線は種々のＰ領
域３０．３４．３６．２０等を表わしている。点線内の
実線はＰ拡散領域中に形成されたＮ十拡散領域を示し、
例えば、Ｎ十領域３２はＰ領域３０内に形成されておＩ
ｉ、Ｎ＋領域３８はＰ領域３６の一部分中に形成されて
いる。

図中「×」印を施しだ部分４０．４７．４８．５６及び
５８は絶縁層４２中に設けられた接触相開１］を示す。

第３図、第３Ａ図〜第３Ｄ図に、負及び正の過渡電圧保
護機能を行うこの発明の種々の構成素子を単一の分離さ
れたボート即ち分離領域上及びその中に形成する方法を
示す。例えば、第１図と第２図に示すＰＮＰ　）ランジ
スタＱ３とＮＰＮ　）ランジスタＱ４で構成された負の
過渡電圧保護回路１０は第３図、第３Ａ図及び第３Ｃ図
に示されており、Ｎ十領賊３２はトランジスタＱ、４の
エミッタ、Ｐ領域３０はベース。

Ｎ−領域２６はコレクタである。一方、トランジスタＱ
３は第３図と第３Ｃ図に示されたＰ領域３６をエミッタ
とし、Ｎ−領域２６をベースに、まだ、Ｐ領域３０をコ
レクタとしている。Ｎ−領域２６はトランジスタＱ３の
ベースとトランジスタＱ４のコレクタとして共通に使用
されているので、これらのベースとコレクタは電気的に
接続されたものと考えられる。

同様に、Ｐ領域３０はトランジスタＱ３のコレクタとト
ランジスタＱ４のベースとして共通であるから、とｈら
のコレクタとベースも互いに接続されている。トランジ
スタＱ、４のエミッタ（Ｎ十領域３２）は絶縁層４２中
の接触間Ｉコ４８を介してボントノくラド１４に接続さ
れており、まだ、トランジスタＱ、３のエミッタ（Ｐ領
域３６）は金属化層４６を介してアースされているから
、負方向過渡電圧保護回路１０（第１図と第２図示）を
形成するだめの回路条件はすべて満足される。

第３図、第３Ａ図及び第３Ｄ図には、正の過渡電圧保護
回路１２（第１図、第２図）を構成しているＰＮＰ　）
ランジスタＱ工及びＮＰＮ　）ランジスタＱ２の相互接
続関係が示されている。第３Ａ図と第３Ｄ図において、
Ｐ領域３４はエミッタ、Ｎ−領域２６はベース、Ｐ領域
３６はコレクタで、これらはＰＮＰ　）ランジスタｑ１
□の構成要素である。同じ（、ＮＰＮ）ランジスタＱ２
が第３Ａ図と第３Ｄ図に示されており、Ｎ十　領域３８
がエミッタ、Ｐ領域３６がベース、Ｎ−領域２６がその
コレクタである。従って、Ｎ−領域２６がトランジスタ
Ｑ□のベースとトランジスタＱ２のコレクタとして共通
に使用されているので、これらのベースとコレクタは電
気的に接続されていることになる、・同様に、Ｐ領域３
６はトランジスタＱ工のコレクタとトランジスタＱ２の
ベースに共通に使用されているから、これらも互いに接
続されていることになる。正過渡電田保護回路１２の接
続は、トランジスタＱ１のエミッタを接触開口４０を介
してボンドパッド１４に接続し、トランジスタＱ２のエ
ミッタを接触開口４７を介して接地金属化層４６に接続
して完成する。

Ｎ＋ポケット領域２４はトランジスタＱ１、とＱ３のベ
ースとトランジスタＱ２とＱ４のコレクタを共通に接続
するだめの低抵抗接続体を形成１７ており、Ｎ−０９１
層２６と電気接触している。以−ヒの接続によって第１
図の装置が完成する０ 第２図の実栴例について言えば、ボンド・ζノド１４と
出力接続金属化層５４の間に更に別のＰ拡散層２０が設
けられる。第３図、第：４Ｂ図及び第３Ｄ図に示すよう
に、第２図の実癩例の場合は、トランジスタＱ工のエミ
ッタとトランジスタＱ１４のエミッタとが接触量１：１
５８を介してＰ領域２０の一方の側に接続されているボ
ンドパッド１４に接続されている。このＰ拡散領１ｉ２
ｏは第２図に示した感知抵抗２０である。

Ｎ＋ポケット領域２４、即ち、トランジスタＱ１□のベ
ース、トランジスタＱ２のコレクタ１．トランジスタＱ
３のベース及びトランジスタＱ４のコレクタのそれぞれ
を共通接続する接続体がＰ拡散領域２Ｏ（感知抵抗２０
の他方の側）にＮ十拡散領域５２と金属化部分５４とを
介して接続されている。保護されるべき回路への接続は
開［１５６を通して金属化部分５４によって行わ九る。

この発明の新規な構造の説明を閉じるにあたって、ダイ
オード２２について述べると、このダイオード２２はＮ
拡散領域５２とＰ十分前領域２８（第３Ｂ図）との間に
形成され、抵抗１８はＰ領域３６中の接地金属層４６と
、Ｎ十領域３８とＮ　−ｅｐｉ領域２６との間のＰ領域
３６の部分上の間に形成されている。

上述のように、この発明の一実施例によれば、負及び正
の過渡電圧保護回路の双方をボンドパッドと共に単一の
分離領域中に形成してチップにスペースを残すことがで
きる。また、もう一つの実施例では感知抵抗もあわせて
形成される。

【図面の簡単な説明】

第１１図はこの発明の一実殉である２極性過渡電圧保護
回路の概略図、第２図はこの発明の別の実施例による２
極性過渡電圧保護回路の概略図、第３図は第２図の２極
性過渡電圧保護回路の構造を示す平面図、第３Ａ図は第
３図の線ｐ、　−Ａ　Ｋ沿う断面図、第３Ｂ図は第３図
の＃Ｂ−Ｂに沿う断面図、第３Ｃ図は第３図の線０　＝
　Ｃに沿う断面図、第３Ｄ図は第３図の線Ｄ−Ｄに沿う
断面図である。 １４・・・端子、１０・・・負方向過渡電圧保護回路（
第１の回路手段）、１２・・・正方向過渡電圧保護回路
（第２の回路手段）、２６・・・第１の半導体領域、Ｑ
、３、Ｑ４・・・第１の対のトランジスタ、Ｑｌ、Ｑ、
２・・・第２の対のトランジスタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （］）半導体基体の牟−の分離領域上に形成された端子
   を過渡電圧から保護すべき集積回路に接続するだめの導
   電性手段と； この導電性手段と基準電位点との間に接続されて上記集
   積回路を負の電圧過渡から保護するだめの第１の回路手
   段と； 上記導電性手段と基準電位点との間に接続されて上記集
   積回路を正の電圧過渡から保護するだめの第２の回路手
   段と； から成シ、 上記第１と第２の回路手段は共に上記単一の分離領域中
   に形成されている、 集積回路を過渡電圧から保護するだめの保護回路０ （２）集積回路を負方向及び正方向の過渡電圧から保護
   するための半導体構造であって、 第２の導電型の半導体材料の基板の表面に設けられた第
   １の導電型の半導体領域の表面に隣接して形成された端
   子を上記集積回路に接続する導電性手段と； この導電性手段と基準電位点との間に接続されていて負
   の電圧過渡に対する保護を行うだめの第１の対の互いに
   逆の導電型のトランジスタと；上記導電性手段と基準電
   位点との間１て接続されていて正の電圧過渡に対する保
   護を行うだめの第２の対の互いに逆の導電型のトランジ
   スタと；から成り、 上記互いに逆の導電型のトランジスタからなる第１と第
   ２の対は共に上記第１の導電型の半導体領域中に形成さ
   れている半導体構造。