DE19502731C2 - Schaltungsanordnung zur Verpolsicherung bei integrierten Schaltungen - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Verpolsicherung bei integrierten SchaltungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Der Einsatz integrierter Schaltungen (IC's) wird
derzeit zunehmend auch im Bereich der Kfz-Elektrik zur
Steuerung bspw. von Antiblockier- oder Einspritzsystemen
diskutiert. Dabei ergibt sich das Problem, daß beim
Anschluß der integrierten Schaltungen oder
Ausgangstreiberstufen an die Fahrzeugversorgungsspannung
stets auf die richtige Polung geachtet werden muß.
Andernfalls würde das IC oder die Ausgangstreiberstufe
wegen zu hoher Ströme zerstört. Beispielsweise führt bei
einer auf einem p-Substrat aufgebauten integrierten
Schaltung, die n-Kanal MOS-Transistoren umfaßt, der
Anschluß einer Drainelektrode an negative anstelle der
vorgeschriebenen positiven Versorgungsspannung dazu, daß die
durch das Drain-Gebiet und das Substrat gebildete Diode in
Flußrichtung gepolt wird und durch zu hohen Strom zerstört
wird.
Im Stand der Technik wurde dieses Problem bislang
dadurch gelöst, daß man vor dem Versorgungsanschluß einer
integrierten Schaltung oder einer aus Transistoren
aufgebauten Ausgangstreiberstufe als Verpolschutz eine
pn-Diode vorgesehen hat. Diese Diode ist bei falscher Polung
in Sperrichtung geschaltet und ihre Durchbruchsspanunng
besitzt einen Wert größer als der der Betriebsspannung.
Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß bei richtig
angelegter Betriebsspannung und damit Schaltung der als
Verpolschutz vorgesehenen Diode in Flußrichtung über der
Diode eine Spannung abfällt, die nicht mehr an der
nachfolgenden integrierten Schaltung zur Verfügung steht.
Ein weiterer Nachteil der bisherigen Schaltungsanordnungen
besteht darin, daß die Verpoldiode überwiegend extern
angeordnet ist.
Aus der Literatur "Elektor" 9/91, Seite 75, mit dem
Titel "Universeller Leistungs-MOSFET-Treiber mit optimalen
Schutzfunktionen" ist ein universeller MOSFET-Leistungs
treiber bekannt, der optimale Schutzfunktionen besitzt. Bei
dem Leistungs-MOSFET-Treiber handelt es sich um eine
Schaltungsanordnung, die einen Leistungs-MOSFET dauernd
überprüft und gegen Strom- und Spannungsspitzen sowie gegen
Unterspannungs- und Überstromverhältnisse schützt. Dies
geschieht dadurch, daß die Betriebsbedingungen ständig
überwacht und ein den Betriebsbedingungen entsprechendes
korrigiertes Gate-Treibersignal erzeugt wird. Ein Schutz
gegen eine Verpolung der Betriebsspannung läßt sich auf
diese Weise jedoch nicht erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine
Schaltungsanordnung zur Verpolsicherung bei
Halbleiterschaltungen zur Verfügung zu stellen, die ohne
äußere Diode auskommt, im Verpolungsfall die
Halbleiterschaltung sicher schützt und sich durch niedrigen
Spannungsabfall auszeichnet, wenn die Halbleiterschaltung
richtig gepolt an die Versorgungsspannung angeschlossen
ist.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß ein
MOS-Transistor, der in einem p- oder n-Substrat aufgebaut ist,
mit der zu versorgenden Schaltung in Reihe geschaltet ist,
und daß diejenige Elektrode des MOS-Transistors als
Anschlußelektrode dient, die wenigstens in Höhe der
Betriebsspannung (VB) negativ gegenüber p-Substrat bzw.
positiv gegenüber n-Substrat sein darf.
Unter Substrat wird dabei eine elektrisch
angeschlossene Halbleiterschicht verstanden, in der der
MOS-Transistor bzw. andere Bauteile aufgebaut sind.
Im Verpolungsfall sperrt der erfindungsgemäße
MOS-Transistor und es fließt kein Strom durch die in Reihe
geschaltete Halbleiterschaltung, die dadurch vor Zerstörung
geschützt wird. Im normalen Betrieb, d. h. wenn die
Halbleiterschaltung richtig gepolt an die
Versorgungsspannung angeschlossen ist, kann man durch
Ansteuerung des Gate den Widerstand zwischen Source und
Drain erniedrigen und damit einen niedrigen Spannungsabfall
am MOS-Transistor erreichen.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Besonders kostengünstig ist es, wenn der als
Verpolschutz dienende MOS-Transistor Bestandteil der zu
versorgenden Schaltungsanordnung ist.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann zur
Verpolsicherung vorteilhafterweise mit einer gesamten oder
einem Teil einer integrierten Schaltung, verschiedene
Ausgangstreiberstufen in bipolarer, MOS- oder kombinierter
Technik als zu versorgender Schaltung in Reihe geschaltet
werden.
Eine besonders kompakte Schaltungsanordnung mit
niedrigem Widerstand wird erzielt, wenn in einer
bevorzugten Ausführungsform vorgesehen ist, den
MOS-Transistor zur Verpolsicherung zusammen mit weiteren
MOS-Transistoren oder anderen Bauteilen in derselben Wanne oder
Insel anzuordnen.
Wegen der gegenüber herkömmlichen MOS-Transistoren
höheren Durchbruchspannungen und weiterer Vorteile ist der
in der Schaltungsanordnung zur Verpolsicherung eingesetzte
MOS-Transistor zweckmäßigerweise als D-MOS (double diffused
mataloxide semiconductor) Transistor ausgeführt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispieles und der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Verpolsicherung nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein in einer Schaltungsanordnung zur Verpolsicherung
eingesetzter D-MOS-Transistor,
Fig. 3 das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Verpolsicherung unter Einsatz eines
D-MOS-Transistors gemäß Fig. 2,
Fig. 4 das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Verpolsicherung unter Einsatz eines
D-MOS-Transistors in Reihenschaltung mit einem
Treibertransistor,
Fig. 5 ein zur Verpolsicherung eingesetzter
D-MOS-Transistor, der zusammen mit anderen Bauelementen
der integrierten Schaltung beispielsweise einem
Treibertransistor, in derselben Wanne angeordnet
ist.
Bei der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1
ist eine (externe) Diode 1 zur Verpolsicherung eines
integrierten Ausgangstreibern angeschaltet. Das p-Substrat
BT liegt mit dem Sourceanschluß ST des Transistors auf
gleichem Potential. Die Gateelektrode GT wird über eine
nicht gezeigte Einrichtung angesteuert. Ist die
Versorgungsspannung positiv gegenüber dem
Substratpotential, so ist die Diode 1 in Durchflußrichtung
geschaltet, der n-Kanal-D-MOS-Transistor befindet sich im
Betriebszustand und kann durch die Gatespannung gesteuert
werden. An der Diode fällt in diesem Fall die
Diodenspannung UD in Flußrichtung ab. Wird eine negative
Versorgungsspannung gegenüber dem Substratpotential an die
Schaltungsanordnung angelegt, so befindet sich die Diode im
Sperrzustand und verhindert einen Stromfluß durch den in
Reihe nachgeschalteten D-MOS-Transistor, der dadurch vor
Zerstörung geschützt wird.
Um den unerwünschten Spannungsabfall UD der Diode
in Durchflußrichtung zu verringern, wird anstelle der Diode
erfindungsgemäß ein Transistor mit den Eigenschaften des
kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 verwandt.
Beispielhaft für einen solchen Transistor ist in Fig. 2 ein
D-MOS-Transistor gezeigt. Der D-MOS-Transistor 8 gemäß
Fig. 2 ist auf einem p-Substrat 10 in einer n-dotierten
Insel bzw. Wanne 12 aufgebaut. An der Unterseite der
n-dotierten Insel befindet sich zur Verringerung des
Leitungswiderstandes am Übergang zum p-Substrat ein
hochdotierter n⁺-Bereich 13. Der Drainanschluß D ist im
Bereich der n-dotierten Wanne 12 angeordnet. Unterhalb des
Sourceanschlusses S ist in die n-dotierte Wanne ein
p-dotiertes Bulk-Gebiet 14 mit den n-dotierten
Source-Elektroden 16 eindiffundiert. Direkt neben der
Sourceelektrode befindet sich das Gateoxid, das sich aus
einem dünnen Bereich 18 und einem dickeren Bereich 20
zusammensetzt. Auf das Gateoxid 18, 20 ist eine
Gatemetallschicht oder Polysiliziumschicht 22 aufgebracht.
Durch Ansteuerung des Gates G mit einer positiven
Gatespannung UG, wird ein gesteuerter n-Kanal 24 im Bereich
des p-Bulk-Gebietes 14 gebildet, so daß ein gesteuerter
Elektrodenstrom I1 von der Source S zum Drain D entlang des
Weges mit dem geringsten Widerstand durch den n⁺-Bereich
fließt. Wird der dargestellte Transistor erfindungsgemäß
zum Verpolschutz eingesetzt, so wird die Sourceelektrode
als externer Anschluß verwendet. Legt man anstelle einer
positiven Sourcespannung gegenüber dem p-Substrat eine
negative Sourcespannung an, so wird der pn-Übergang
zwischen dem p-Gebiet 14 und der n-dotierten Wanne 12 in
Sperrichtung betrieben. Zwischen dem p-Substrat 10 und der
Drainelektrode D kann kein größerer Strom fließen, womit
sowohl der Verpolschutztransistors 8 als auch die an den
Drainanschluß D in Reihe angeschalteten Elemente eines
integrierten Schaltkreises 30 (siehe Fig. 3) vor Zerstörung
geschützt werden.
Der dargestellte D-MOS Transistor ist symmetrisch
um die Source mit beiderseitiger Gate- und Drainelektrode
aufgebaut. In anderen Ausführungsformen ist es denkbar, daß
der D-MOS Transistor mit anders ausgestalteten Elektroden
ausgestattet ist und sowohl in vertikaler als auch
horizontaler Richtung aufgebaut sein kann.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines D-MOS
Transistor als Verpolschutztransistor 8 in einer
Reihenschaltung mit einem IC ist beispielhaft in Fig. 3
dargestellt.
Der Sourceanschluß S und der Substratanschluß B des
n-Kanal-Verpolschutztransistors 8 liegen an der
Versorgungsspannung VB an und der Gateanschluß G auf
Potential UG. Der Drainanschluß D des
Verpolschutztransistors 8 wiederum ist in Reihe mit einer
integrierte Schaltung 30 geschaltet. Liegt an dieser
Schaltungsanordnung eine negative Versorgungsspannung VB
an, so sperrt der n-Kanal Verpolschutztransistor 8 den
Stromfluß durch die in Schaltung 30 abhängig vom
Potential UG. Ist die Versorgungsspannung VB positiv, so
befindet sich der Verpolschutztransistor 8 im
Betriebszustand und wirkt als Flußdiode, an der eine
Diodenspannung abfällt. Durch geeignete Ansteuerung des
Gates G über das Potential VB hinaus, erreicht man, daß der
Spannungsabfall am Verpolschutztransistor 8 nicht mehr
durch die Diode gegeben ist, sondern allein vom
Einschaltwiderstand RDS-on des nunmehr aktiven Transistors
bestimmt wird. Hierdurch wird gegenüber den bisherigen
Schaltungsanordnungen (s. auch Fig. 1) der Spannungsabfall
am Verpolschutzelement deutlich herabgesetzt.
Fig. 4 zeigt das Schaltbild einer besonderen
Ausführungsform der zuvor beschriebenen
Verpolschutzschaltung, bei der Verpolschutztransistor 8 in
Reihe mit einem Treibertransistor 40 geschaltet wird.
Besonders vorteilhaft ist es, den
Verpolschutztransistor 8 mit der zu versorgenden
integrierten Halbleiterschaltung, die bespielsweise wie in
Fig. 4 gezeigt ein Treibertransistor 40 sein kann, auf
demselben Substrat und in derselben n-Insel oder Wanne 12
zu realisieren.
Fig. 5 zeigt einen solchen Aufbau, der neben der
Platzersparnis den Vorteil hat, daß der Einschaltwiderstand
RDS-on niedriger als bei Verwendung eines isolierten
Verpolschutztransistor 8 ist. In der in Fig. 5
dargestellten speziellen Anordnung fließt im normalen
Betriebszustand der Strom 12 von der Source des
Verpolschutztransistors 8 durch den gesteuerten n-Kanal 24
und das n-dotierte Gebiet der Wanne 12 direkt zum
gesteuerten n-Kanal 44 des Treibertransistors 40 und von
dort zum Sourceanschluß STR, nur in geringem Maße über das
hochdotierte n⁺-Gebiet 13 zu fließen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht
es somit erstmals, eine Halbleiterschaltung, die in
beliebiger Technik (bipolare Technik, MOS-Technik)
ausgeführt sein kann, mit integrierten Bauelementen gegen
Verpolung zu sichern, wobei im Betriebsfall nur ein
minimaler Spannungsabfall am Verpolschutzelement auftritt.
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung zur Verpolsicherung bei
Halbleiterschaltungen
dadurch gekennzeichnet,
daß ein MOS-Transistor (8), der in einem p- oder
n-Substrat (10) aufgebaut ist, mit der zu versorgenden
Schaltung (30, 40), in Reihe geschaltet ist, und
daß diejenige Elektrode (S) des MOS-Transistors als
äußere Anschlußelektrode dient, die wenigstens in Höhe
der Betriebsspannung (VB) negativ gegenüber einem
p-Substrat bzw. positiv gegenüber einem n-Substrat sein
darf.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zu versorgende Schaltungsanordnung ein
Ausgangstreiber (40) ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zu versorgende Schaltungsanordnung eine
integrierte Schaltung (30) oder ein Teil einer
integrierten Schaltung ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der MOS-Transistor Bestandteil der zu versorgenden
Schaltungsanordnung ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der MOS-Transistor in der gleichen Wanne (12) der
integrierten Schaltung (30, 40) zusammen mit weiteren
MOS-Transistoren oder anderen Teilen der integrierten
Schaltung angeordnet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der MOS-Transistor ein D-MOS-Transistor ist.
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