FR2499325A1 - Circuit de protection pour dispositifs a circuits integres - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN CIRCUIT DE PROTECTION A SEMI-CONDUCTEUR QUI COMPREND UN SUBSTRAT, UNE COUCHE DE SEMI-CONDUCTEURS D'UN PREMIER TYPE DE CONDUCTIVITE SUR LE SUBSTRAT ET AYANT UNE SURFACE, DES PREMIERE ET SECONDE REGIONS SEPAREES DE SEMI-CONDUCTEUR D'UN SECOND TYPE DE CONDUCTIVITE, CHACUNE FORMANT UNE JONCTION PN AVEC LA COUCHE DE SEMI-CONDUCTEURS; UNE TROISIEME REGION DE SEMI-CONDUCTEUR DU PREMIER TYPE DE CONDUCTIVITE EN JONCTION PN AVEC LA SECONDE REGION; ET UN MOYEN CONDUCTEUR RELIANT LA TROISIEME REGION A LA BORNE D'ALIMENTATION EN COURANT. SELON L'INVENTION, UNE QUATRIEME REGION DE SEMI-CONDUCTEUR 20 EST DISPOSEE DANS LA COUCHE DE SEMI-CONDUCTEUR 12, ET ELLE EST ESPACEE ET ADJACENTE DE LA SECONDE REGION 16 AFIN DE FORMER UN ELEMENT RESISTIF DISPOSE DANS LA COUCHE DE SEMI-CONDUCTEURS ENTRE LES SECONDE ET QUATRIEME REGIONS DE SEMI-CONDUCTEUR; CETTE QUATRIEME REGION EST CONNECTEE A LA BORNE D'ALIMENTATION EN COURANT 30 PAR UN MOYEN CONDUCTEUR. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A LA PROTECTION DES CIRCUITS INTEGRES.
Description
La présente invention se rapporte à des
dispositifs de protection pour circuits intégrés.
De nombreux types d'équipements électriques contiennent des dispositifs à circuits intégrés qu-i sont vulnérables à une dégradation par des hautes tensions transitoires. Par exemple, dans un téléviseur, contenant des circuits intégrés pour le traitement des signaux vidéo et audio, l'anode du tube-image est typiquement polarisée à un potentiel élevé comme 25.000 volts. Des hautes tensions transitoires sont produites par la formation de l'arc dans le tube-image, qui se produit quand l'anode à haute tension du tube-image se décharge rapidement. La formation de l'arc dans le tubeimage peut également se produire de façon non prévisible entre l'anode et une ou plusieurs des autres électrodes à plus faible potentiel dans le tube-image quand le téléviseur est en fonctionnement normal. Dans chaque
cas, la formation de l'arc dans le tube-image a pour résul-
tat des hautes tensions transitoires ayant des crêtes positives et négatives dépassant souvent 100 volts aux bornes des circuits intégrés, et durant de une à plusieurs microsecondes. Une autre cause des hautestensiorstransitoires
dans un téléviseur provient de la décharge électrostatique.
Lbm amumOation dbe dhage elwwettaLique pa!t Are décharge par l'utlisataLr par les commandes du téléviseur,produisant ainsi une haute
tdsicn transitare paxNat endomoeger lm cỉnuts mgs dans le reçteur.
La présente invention concerne un circuit de protection à semiconducteurs pour circuits intégrés, qui comprend deux transistors de conductivité complémentaire et un élément résistif (soit linéaire ou non linéaire) faisant corps avec la structure de semi-conducteur. Les deux transistors de conductivité complémentaire et l'élément résistif sont agencés pour former un dispositif 3'- à deux bornes pouvant être un conducteur d'un courant élevé quand la différence de potentiel entre les deux bornes dépasse un seuil prédéterminé. Le dispositif de protection est cSnnecté,par une borne,à une borne du circuit à protéger et par son autre borne à une source de potentiel de fonctionnement. Quand le potentiel à la borne du circuit protégé dépasse le potentiel d'alimenta- tion d'une quantité égale au seuil prédéterminé, le circuit de protection est rendu conducteur, protégeant ainsi le
circuit intégré d'une dégradation.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts,
caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparal-
tront plus clairement au cours de la description explicative
qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple, illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe tranversale d'un mode de réalisation d'une structure à semi-conducteur pour un circuit de protection selon la présente invention; - la figure 2 est un schéma du mode de réalisatbn du circuit de protection à semiconducteur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe transversale
d'un autre mode de réalisation d'un structure à semi-
conducteur du circuit de protection selon la présente invention; et
- la figure 4 est un schéma du mode de réalisa-
tion du circuit de protection de la figure 3.
Comme on peut le voir sur la figure 3, un circuit à semi-conducteur est fabriqué sur un substrat qui peut se composer d'un matériau de silicium du type P. Une couche épitaxiée 12 qui peut être de
conductivité du type N-, est disposée sur le substrat 10.
Une région 14 du type P est formée dans la couche épitaxiée 12 du type N-, pour former une jonction PN avec cette couche 12. Une autre région 16 du type P est formée dans la couche épitaxiée 12 du type N-, pour former une jonction PN avec la couche 12. Une région 18 du type N+ est formée dans la région 16 du type P. et elle forme une jonction PN avec la région 16 du type P. Une autre région 20 du type N+ est formée dans la couche épitaxiée 12 du type N-. Une poche noyée 11 du type N+ se trouve en dessous des régions 14 et 16 du type P. Une couche isolante 22, qui peut être un bioxyde de silicium, recouvre la surface de la couche épitaxiée 12 du type N-. Des ouvertures sont formées dans la couche isolante 22 au dessus des régions 14, 18 et 20 afin d'y former des contacts électriques respectifs. Une couche conductrice 26, qui peut par exemple être en aluminium, recouvre la couche isolante 22 et vient en contact avec les régions 18 et 20. La couche conductrice 26 est de plus connectée à une borne 30 qui reçoit un potentiel positif d'alimentation V+. Une couche conductrice 24, qui peut également être en aluminium, s'étend à travers une ouverture, à travers la couche isolante 22 pour venir en contact avec la région 14. Un plot de liaison 28 est connecté à la région 14 par la couche conductrice 24. Le plot 28 est de plus connecté à une borne d'entrée ou de sortie d'un circuit d'utilisation (non représenté), ailleurs sur le circuit intégré. Une région 32 du type P+ s'étend de la
surface de la couche épitaxiée 12 jusqu'au substrat 10.
La région 32 entoure la couche épitaxiée 12, isolant le circuit de protection des autres circuits sur le
substrat 12.
La figure 2 donne un schéma de circuit de la structure illustrée sur la figure 1 o l'élément résistif
est linéaire. Le circuit de protection comprend un transis-
tor QI du type NPN, un transistor Q2 du type PNP et un élément résistif linéaire désigné par la résistance R. l'émetteur 118, la base 116 et le collecteur 112 du transistor QI correspondent aux régions 18, 16 et 12 respectivement de la figure 1. L'émetteur 114, la base 112 et le collecteur 116 du transistor Q2 correspondent
aux régions 14, 12 et 16 respectivement sur la figurel.
La résistance R, désignée par 120, est connectée entre la base 112 de Q2 et l'émetteur 118 de Q1 et correspond à la région de la couche épitaxiée 12 du type N- qui se trouve entre la région 16 du type P et la région 20 du type N+ surlafigure 1. Un conducteur 126, entre l'émetteur du transistor Ql et la résistance R, correspond à la couche
conductrice 26 de la figure 1.
La valeur de la résistance R est déterminée par la résistivité de la couche épitaxiée 12 du type N- et la géométrie de la couche 12 située entre la région 16 du type P et la région 20 du type N+ (figure 1). Par exemple, la valeur de la résistance R peut être accrue en plaçant la région 20 du type N+ plus loin de la région 16 du type P. De même, la région noyée 11 du type N+ abaisse de façon importante la résistivité de la couche épitaxiée 12 du type N-. Par conséquent la région 11, si elle est disposée directement en dessous des régions 14 et 16 du type P, ne s'étend pas en dessous de la partie de la couche épitaxiée 12 du type Nentre la région 16 du type P et la région 20
du type N+.
Sur la figure 2, les transistors Q1 et Q2 sont connectés pour former un thyristor. Plus particulièrement, la base de Q1 est connectée au collecteur de Q2 et la base de Q2 est connectée au collecteur de Q1. La résistance R est effectivement connectée en parallèle avec le trajet
de conduction collecteur-émetteur du transistor Q1.
Enoe référant maintenant à la figure 3, on peut y voir un circuit semiconducteur fabriqué sur un substrat quitypiquement,peut se composer d'un matériau de
silicium du type P ayant une région noyée 11 de conducti-
vité du type N+. Une couche épitaxiée 12 de conductivité du type N- est disposée sur le substrat 10. Une région 14 du type P est formée dans la couche épitaxiée 12 du
type N-, pour former une jonction PN avec la couche 12.
Une autre région 16 du type P est formée dans la couche épitaxiée 12 du type N-, pour former une jonction PN avec la couche 12. Une région 18 du type N+ est formée dans la région 16 du type P pour former une jonction PN avec la région 16. La combinaison des régions 12, 16 et 18 représente respectivement le collecteur, la base et l'émetteur du transistor Q1.Dans èmode d réalisation, une région 38 du type P est formé dans la couche épitaxiée 12 du type N- et une région 20 du type N+ est formée dans la région 38 du type P. Les régions 20 et 38 avec la
région 36 du type N+ formée dans la couche 12 du type N-
à proximité de la région 38 du type P représentent respectivement l'émetteur, la base et le collecteur du transistor Q3. Une poche 11 noyée du type N+ se trouve en dessous des régions 14, 16 et 38 du type P. Une couche isolante 22, qui peut être en dioxyde de silicium, recouvre la surface de la couche épitaxiée 12 du type N-. Des ouvertures sont formées dans la couche isolante 22 au-dessus des régions 14, 18, 36, 38 et 20 afin de former des contacts électriques respectifs avec elles. Un contact conducteur 26, qui peut par exemple être en aluminium, s'étend à travers la couche isolante 22 et vient en contact ohmique avec la région 18. Un contact conducteur 34, qui peut être en aluminium, est en contact ohmique avec les régions 36 et 38 pour mettre en cout-circuit les régions de base et de collecteur de Q3 pour former une diode. Le contact conducteur 26 est de plus connecté, au moyen d'un conducteur 42, à une borne 30 qui reçoit un potentiel positif d'alimentation V+. Une
couche conductrice 24, qui peut également être en alumi-
nium, traverse une ouverture de la couche isolante 22 pour venir en contact avec la région 14. Un plot de liaison 28 est connecté à la région 14 par la couche conductrice 24 Le plot 28 est de plus connecté à une borne d'entrée ou de sortie d'un circuit d'utilisation (non représenté), ailleurs sur le circuit intégré. Une région d'isolement 32 du type P+ s'étend de la surface de la couche épitaxiée 12 jusqu'au substrat 10 et elle entoure également la couche épitaxiée 12 afin d'isoler le circuit de protection d'autres circuits sur le substrat 10. Il faut noter ici, quand la région d'isolement 32 est formée, qu'une région 40 du type P+ peut également être formée dans la région 14.Cetterégion supplémentaire 40 a tendance à améliorer l'efficacité d'injection d'émetteur et à abaisser la résistance de contact ou résistance "à la
fermeture" de Q2.
La figure 4 est un schéma de circuit de la struc-
ture illustréesur la figure 3 o l'élément résistif est
un élément résistif non linéaire sous forme d'une diode.
Le circuit de protection comprend un transistor Ql du type NPN, un transistor Q2-du type PNP et un élément résistif non linéaire formé d'un transistor Q3 du type NPN connecté en diode. L'émetteur 118, la base 116 et le collecteur 112 du transistor QI correspondent aux régions 18, 16 et 12 respectivement de la figure 3. L'émetteur 114, la base 112 et le collecteur 116 du transistor Q2 correspondent aux régions 14, 12 et 16 respectivement de la figure 3. Q3, connecté en diode, est connecté entre la base de Q2 et une source de potentiel de fonctionnement 30. La région de base 138 et la région de collecteur 136 de Q3 sont mises en courtcircuit pour former une diode par le contact 34 (figure 3) tandis que la région d'émetteur 120 (région 20, figure 3) est connectée à la source de potentiel de fonctionnement 30 au moyen du conducteur 144 (44 sur la figure 3). Pour compléter le dispositif, un conducteur 142 relie l'émetteur 120 de Q3 et l'émetteur 118 de QI ( par le contact 126) à la source
30.
La valeur de la résistance R (figure 1) a été déterminée uniquement par la résistivité de la couche épitaxiée 12 et la géométrie de cette couche 12 entre la région 16 du type P et la région 20 du type N+. Par exemple, la valeur de la résistance R peut être accrue en plaçant la région 20 du type Ni plus loin de la région 16 du type P. Comme dans le circuit de la figure 2, un courant de base est nécessaire pour déclencher Q2 afin de permettre qu'une action régénérative ait lieu, forçant la combinaison des transistors Q1/Q2 à se verrouiller. Dans le schéma de circuit de la figure 4, la présence de Q3 (élément résistif non linéaire), quand il est polarisé en direct, ajoute une chute de tension supplémentaire de l'ordre de 0,6 volt qui doit être
surmontée avant que l'action de déclenchement n'ait lieu.
Cependant, la présence de Q3 ajoute une tension de rupture en polarisation inverse de l'ordre de 7 volts, qui est inhérente à la diode, ainsi qu'une rupture en polarisation inverse de l'ordre de 8 volts qui est attribuée à la présence de la région profonde de diffusion 40 en contact avec la poche 11 du type N+. Ainsi, on peut obtenir une tension de rupbxe en polarisation inverse totalede l'ordre de 15 volts qui est nécessaire quand on utilise une
alimentation en courant de l'ordre de 12 volts.
Comme sur la figure 2, les transistors QI et Q2
de la figure 4 sont connectés pour former un thyristor.
Plus particulièrement, la base de Ql est connectée au collecteur de Q2 et la base de Q2 est connectée au
collecteur de QI. Q3 connecté en diode est effica-
cement connecté en parallèle avec le trajet de conduction
collecteur-émetteur du transistor Q1.
Le circuit de protection résultant diffère d'un dispositif à thyristor traditionnel parce que l'élément résistif (la résistance linéaire R de la figure 2 ou le transistor connecté en diode de la figure 4)convertit le thyristor traditionnel à trois bornes en un dispositif à deux bornes qui est rendu conducteur quand la tension entre ses bornes dépasse un seuil prédéterminé. Par ailleurs, contrairement à un thyristor traditionnel, la présente invention ne nécessite aucune résistance entre
la base et l'émetteur de chaque transistor QI ou Q2.
Le circuit de protection de chaque mode de réalisation (figures 2 et 4) est connecté à la borne 30 par le conducteur 126 qui reçoit un potentiel positif d'alimentation V+. Le circuit de protection est également connecté à un plot de liaison 28 à l'émetteur de Q2, auquel est connecté un circuit d'utilisation à protéger. En fonctionnement, le signal au plot de liaison
28 fluctue normalement à des potentiels en dessous de V+.
Tant que le potentiel au plot de liaison 28 est inférieur à V+, la jonction base-émetteur du transistor Q2 est en polarisation inverse, et les transistors Qi et Q2 sont non conducteurs. Une haute tension transitoire apparaissant au plot de liaison 28 forcera le potentiel à ce plot 28 à devenir plus positif que V+. Quand la différence de
potentiel entre le plot de liaison 28 et la borne d'alimen-
tation en courant 30 est supérieure aux tensions combinées base-émetteur en polarisation directe (VBE) des transistors Q2 et Q3, le transistor Q2 commence à être conducteur d'un courant de collecteur. La conduction à travers le collecteur de transistor Q2 applique un courant de base au transistor QI pour le rendre conducteur. La conduction à travers le collecteur du transistor QI applique à son tour un courant de base au transistor Q2, mettant ainsi les transistors Q2 et QI en forte conduction. Quand le courant fourni par la haute tension transitoire au plot de liaison 28 à la borne d'alimentation en courant 30 tombe en dessous d'un courant-minimum d'entretien, le transistor Q2 passe à l'ouverture, ce qui arrête le
courant de base du transistor QI et le circuit de protec-
tion devient non conducteur. De cette façon l'énergie d'une haute tension transitoire produisant une tension positive au plot de liaison 28 se dissipe par conduction des transistors QI et Q2 vers la borne d'alimentation en courant 30, protégeant ainsi le circuit d'utilisation
d'une dégradation.
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Claims (14)
1. Circuit de protection à semi-conducteur du type comprenant: un substrat une couche de semi-conducteur d'un premiortype de conductivité disposéesur ledit substrat, ladite couche a ayant une surface; des première et seconde régions séparées de semi-conducteur d'un second type de conductivité, chacune étant disposée en relation de formation d'une jonction PN avec la couche de semi-conducteur; une troisième région de semi-conducteur du premier type de conductivité disposée en relation de formation d'une jonction PN avec ladite seconde région;et un moyen conducteur pour connecter ladite troisième région à la borne d'alimentation en courant, caractérisé en ce que: une quatrième région de semi-conducteur (20) est disposée dans ladite couche de semi-conducteur (12) ladite quatrième région étant espacée de ladite seconde région (16) afin de former un élément résistif disposé dans la couche de semi- conducteur entre les seconde (16) et quatrième (20) régions de semi- conducteur; ladite quatrième région étant connectée à la
borne d'alimentation en courant par un moyen conducteur.
2. Circuit selon la revendication 1, caracté-
risé en ce qu'il comprend de plus une cinquième région de semi-conducteur (11) du même type de conductivité que la couche de semi-conducteur précitée, ladite cinquième région étant disposée en dessous des première et seconde régions précitées et disposée entre ladite couche de semiconducteur. et le substrat précité, ladite cinquième région ayant une plus faible résistivité
que ladite couche.
3. Circuit selon la revendication 2,caractérisé
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en ce qu'il comprend de plus: un plot de liaison (28); un circuit d'utilisation comprenant une borne de signaux connectée audit plot; et un moyen (24) pour connecter ledit plot à la
première région de semi-conducteur précitée.
4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé
en ce qu'il comprend de plus une sixième région de semi-
conducteur (32) du second type de conductivité, qui s'étend de la surface de la couche de semi-conducteur précitée au substrat précité, ladite sixième région
entourant ladite couche.
5. Circuit selon la revendication 4,caractérisé en ce que le matériau du substrat précité est du silicium de conductivité du type P.
6. Circuit selon la revendication 5,caractérisé en ce que la couche précitée est une couche épitaxiée de conductivité du type N.
7. Circuit selon la revendication 6,caractérisé en ce qu'il comprend de plus: une septième région de semi-conducteur (38) du second type de conductivité, qui s'étend de la surface de la couche de semi-conducteur; ladite septième région entourant totalement la quatrième région précitée; une huitième région de semi-conducteur (36) du premier type de conductivité, qui s'étend de la surface de la couche de semi-conducteur précitée à proximité et en aboutement avec ladite septième région; et un moyen conducteur (34) pour connecter lesdites septième et huitième régions afin de former ainsi un
transistor connecté en diode.
8. Circuit selon la revendication 6,caractérisé en ce que la quatrième région précitée est disposée en relation de formation de jonctionPN avec la couche de semi-conducteur précitée, ladite quatrième région étant espacée et adjacente de la seconde région précitée pour
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former une résistance comprenant la partie de la couche de semiconducteur qui est disposée entre lesdites
seconde et quatrième régions de semi-conducteur.
9. Circuit de protection du type comprenant: des premier et second transistors d'un type de conductivité opposé qui sont formés dans un corps d'un matériau semi-conducteur, chaque transistor ayant respectivement un émetteur, une base et un collecteur; un moyen pour connecter lesdits premier et second transistors en thyristor, comprenant un moyen pour connecter la base dudit premier transistor au collecteur du second transistor et un moyen pour connecter la base dudit second transistor au collecteur dudit premier transistor; une borne d'alimentation en courant pour recevoir une source de potentiel de fonctionnement;
un moyen pour connecter ladite borne d'alimenta-
tion en courant à l'émetteur dudit premier transistor; une borne de signaux pour connexion à un circuit d'utilisation; et un moyen pour connecter l'émetteur dudit second transistor à la borne de signaux; caractérisé en ce que: un élément résistif (120) est connecté entre la base du second transistor (Q2) et la borne d'alimentation
en courant (30).
10. Circuit selon la revendication 9,caractérisé en ce que l'élément résistif précité est un dispositif
à fonctionnement linéaire.
11. Circuit selon la revendication 10,caractérisé en ce que l'élément résistif à fonctionnement linéaire
précitéest la résistance de la partie du corps d'un maté-
riau semi-conducteur entre la base du second transistor
et l'émetteur du premier.
12. Circuit selon la revendication 9,caractérisé en ce que l'élément résistif précité est un dispositif à
fonctionnement non linéaire.
13. Circuit selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément résistif à fonctionnement non linéaire précité est une diode (Q3) formée dans la partie du corps semi-conducteur et plac& entre la base du second transistor précité et l'émetteur du premier.
14. Circuit selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'élément résistif non linéaire
précité est un transistor connecté en diode.
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