JP2010073913A - Protection circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置(IC)の入力端子又は出力端子が外部からサージ電圧の印加を受けたときに内部回路の保護を行う保護回路に関するものである。 The present invention relates to a protection circuit that protects an internal circuit when an input terminal or an output terminal of a semiconductor device (IC) receives an external surge voltage.
従来の入力保護回路30Aの例を図3に示す。この入力保護回路30Aは、半導体装置の入力端子1と内部回路2との間の接続ノードN1とVCCの高電位電源端子3との間にP型クランプダイオード31が図示の極性で接続され、また、接続ノードN1とVEEの低電位電源端子4との間にN型クランプダイオード32が図示の極性で接続されて構成されている。
An example of a conventional input protection circuit 30A is shown in FIG. In this input protection circuit 30A, a P-
これらのダイオード31,32は、そのダイオード31,32のクランプ電圧を1V程度とすると、入力端子1に正のサージ電圧が印加した場合、そのサージ電流をダイオード31を経由して高電位電源端子3に流して、ノードN1を「VCC+1V」程度にクランプする。また、入力端子1に負のサージ電圧が印加した場合、そのサージ電流を低電位電源端子4からダイオード32を経由して入力端子1に流して、ノードN1を「VEE−1V」程度にクランプする。このように、ノードN1の電圧をクランプし、サージ電流が内部回路2へ流れ込むことを防止することによって内部回路2を保護し、静電耐量を向上させている。
These
ところが、この入力保護回路30Aでは、入力端子1に正又は負のサージ電圧が印加された場合に、ダイオード31又はダイオード32を経由して高電位電源端子3又は低電位電源端子4に指数関数的な電流が流れるので、そのサージ電流が大きな場合、ダイオード31,32が破壊される恐れがあり、また電源回路および前段回路等に不具合をもたらす欠点がある。
However, in this input protection circuit 30A, when a positive or negative surge voltage is applied to the input terminal 1, it is exponentially applied to the high potential
そこで、図4に示すような入力保護回路30が提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。この入力保護回路30は、図3の入力保護回路30Aのダイオード31,32の他に、入力端子1とノードN1との間に、ポリシリコンの電流制限抵抗33(数kΩ〜10kΩ程度)を直列接続したものである。
Thus, an
この入力保護回路30では、入力端子1に正又は負のサージ電圧が印加した場合、指数関数的なサージ電流が電流制限抵抗33によって大きく減衰されて、ダイオード31,32に流れるので、そのダイオード31,32の破壊や電源回路および前段回路等に不具合をもたらす問題を解消できる。
ところが、図4の入力保護回路30では、ESD(Electro Static Discharge)等のようにある限度を超えたサージ電圧(数百V)が入力端子1に印加したときは、電流制限抵抗33が破壊され易くなり、これを防止するためにはその電流制限抵抗33のポリシリコンを大きくしなければならないという問題がある。また、その電流制限抵抗33が破壊されない場合であっても、高電位電源端子3や低電位電源端子4に十分なサージ電流を流すことができず、内部回路2が悪影響を受ける恐れがある。
However, in the
本発明の目的は、サージ電圧に対して内部回路が有効に保護される保護回路を提供することである。 An object of the present invention is to provide a protection circuit in which an internal circuit is effectively protected against a surge voltage.
上記課題を解決するために、請求項1にかかる発明の保護回路は、半導体装置の入力端子又は出力端子にアノードが接続される第1のダイオードと、該第1のダイオードのカソードにコレクタが接続され、ベースが第1のバイアス抵抗を介して前記半導体装置の低電位電源端子に接続され、エミッタが該低電位電源端子に接続される第1のNPN型のトランジスタと、からなることを特徴とする。
請求項2にかかる発明の保護回路は、半導体装置の低電位電源端子にアノードが接続される第2のダイオードと、該第2のダイオードのカソードにコレクタが接続され、ベースが第2のバイアス抵抗を介して前記半導体装置の入力端子又は出力端子に接続され、エミッタが前記入力端子又は出力端子に接続される第2のNPN型のトランジスタと、からなることを特徴とする。
請求項3にかかる発明の保護回路は、半導体装置の入力端子と低電位電源端子との間に接続された請求項1の保護回路を第1の保護回路とし、前記入力端子と前記低電位電源端子との間に接続された請求項2の保護回路を第2の保護回路とし、前記入力端子と前記半導体装置の内部回路の間に接続された電流制限抵抗と、アノードが前記内部回路にカソードが前記半導体装置の高電位電源端子に接続された第3のダイオードと、アノードが前記低電位電源端子にカソードが前記内部回路に接続された第4のダイオードとを有する回路を第3の保護回路とすることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a protection circuit according to a first aspect of the present invention includes a first diode having an anode connected to an input terminal or an output terminal of a semiconductor device, and a collector connected to a cathode of the first diode. And a base connected to the low potential power supply terminal of the semiconductor device via a first bias resistor, and an emitter connected to the low potential power supply terminal. To do.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a protection circuit comprising: a second diode having an anode connected to the low potential power supply terminal of the semiconductor device; a collector connected to the cathode of the second diode; And a second NPN transistor connected to an input terminal or an output terminal of the semiconductor device through an emitter and having an emitter connected to the input terminal or the output terminal.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a protection circuit according to the first aspect, wherein the first protection circuit is connected between an input terminal of a semiconductor device and a low potential power supply terminal, and the input terminal and the low potential power supply are connected. A protection circuit according to
請求項1にかかる発明の保護回路によれば、入力端子又は出力端子にESD等のようにある限度を超えた正のサージ電圧が印加したとき、そのサージ電流が入力端子又は出力端子から低電位電源端子に流れることで回避され、入力端子又は出力端子に接続された内部回路が正のサージ電圧から保護される。
請求項2にかかる発明の保護回路によれば、入力端子又は出力端子にESD等のようにある限度を超えた負のサージ電圧が印加したとき、そのサージ電流が低電位電源端子から入力端子又は出力端子に流れることで回避され、入力端子又は出力端子に接続された内部回路が負のサージ電圧から保護される。
請求項3にかかる発明の保護回路によれば、入力端子にESD等よりも低い正又は負のサージ電圧が印加したときは、そのサージ電流が第3の保護回路で減衰されて正電位電源端子あるいは負電位電源端子に流れることで回避され、内部回路が保護される。入力端子にESD等のようにある限度を超えた正又は負のサージ電圧が印加したときは、そのサージ電流が第1又は第2の保護回路を経由して流れることで回避され、内部回路が保護される。
According to the protection circuit of the first aspect of the present invention, when a positive surge voltage exceeding a certain limit such as ESD is applied to the input terminal or the output terminal, the surge current is low potential from the input terminal or the output terminal. It is avoided by flowing to the power supply terminal, and the internal circuit connected to the input terminal or the output terminal is protected from a positive surge voltage.
According to the protection circuit of the second aspect of the present invention, when a negative surge voltage exceeding a certain limit such as ESD is applied to the input terminal or the output terminal, the surge current is reduced from the low potential power supply terminal to the input terminal or the output terminal. This is avoided by flowing to the output terminal, and the internal circuit connected to the input terminal or the output terminal is protected from a negative surge voltage.
According to the protection circuit of the invention according to
図1に本発明の1つの実施例の入力保護回路を示す。1は入力端子、2は内部回路、3は高電位電源端子、4は低電位電源端子、10は第1の保護回路、20は第2の保護回路、30は第3の保護回路である。これらはすべて半導体装置内に構成される。第1〜第3の保護回路10〜30によって入力保護回路が構成される。
FIG. 1 shows an input protection circuit according to one embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes an input terminal, 2 denotes an internal circuit, 3 denotes a high potential power supply terminal, 4 denotes a low potential power supply terminal, 10 denotes a first protection circuit, 20 denotes a second protection circuit, and 30 denotes a third protection circuit. These are all configured in a semiconductor device. The first to
第1の保護回路10は、入力端子1と低電位電源端子4との間に接続される。すなわち、アノードが入力端子1に接続されたP型クランプダイオード11、そのダイオード11のカソードにコレクタが接続され、エミッタが低電位電源端子4に接続され、ベースがポリシリコンのバイアス抵抗12(数kΩ〜数十kΩ)を介して低電位電源端子4に接続されたNPN型のトランジスタ13からなる。
The
第2の保護回路20も、入力端子1と低電位電源端子4との間に接続される。すなわちアノードが低電位電源端子4に接続されたN型クランプダイオード21、そのダイオード21のカソードにコレクタが接続され、エミッタが入力端子1に接続され、ベースがポリシリコンのバイアス抵抗22(数kΩ〜数十kΩ)を介して入力端子1に接続されたNPN型のトランジスタ23からなる。
The
第3の保護回路30は、図4で説明したものと同じ構成であり、アノードがノードN1にカソードが高電位電源端子3に接続されたP型クランプダイオード31、アノードが低電位電源端子4にカソードがノードN1に接続されたN型クランプダイオード32、および入力端子1とノードN1との間に直列接続されたポリシリコンの電流制限抵抗33からなる。
The
図2は半導体装置内に構成した第1および第2の保護回路10,20の断面図である。図2において、41は低濃度P型の基板、42〜45は高濃度N型の埋込領域、46〜49は低濃度N型のエピタキシャル成長領域、50〜52は高濃度P型の拡散等による島、53〜58は高濃度N型の取出領域である。第1の保護回路10のダイオード11は島50とエピタキシャル成長領域46の境界に形成される。トランジスタ13はエピタキシャル成長領域47がコレクタ、島51がベース、取出領域55がエミッタとなる。また、第2の保護回路20のダイオード21は基板41とエピタキシャル成長領域49との境界に形成される。トランジスタ23はエピタキシャル成長領域48がコレクタ、島52がベース、取出領域56がエミッタとなる。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the first and
さて、入力端子1に、高電位電源端子3の電圧VCCより高い正のサージ電圧(数十V)、あるいは低電位電源端子4の電圧VEEより低い負のサージ電圧(−数十V)、が印加したときは、第3の保護回路30が、サージ電流を電流制限抵抗33によって抑制して、ダイオード31又は32を経由して高電位電源端子3又は低電位電源端子4に流すので、ダイオード31,32の保護および電源回路や前段回路の保護が効果的に行われる。また、内部回路2(ノードN1)には素子耐圧以下(VCC+1V、又はVEE−1V程度)の電圧しか印加されないため、内部回路2の保護も完全となる。
Now, a positive surge voltage (several tens of volts) higher than the voltage VCC of the high potential
次に、入力端子1に素子耐圧を超えるESD等の限度を超えた正のサージ電圧(数百V)が印加されたときは、第1の保護回路10において、入力端子1からダイオード11とトランジスタ13のコレタタ・ベース間寄生ダイオード14(図2参照)を介して抵抗12にアバランシェ電流が流れ低電位電源端子4に至るので、その抵抗12の両端に電位差が発生する。この電圧によりトランジスタ13のベース・エミッタ間に順方向バイアス電圧がかかり、スナップバック現象によって、そのトランジスタ13が導通状態になり、入力端子1と低電位電源端子4間に電荷の回避経路(ダイオード11とトランジス13)が形成され、そこに十分なサージ電流が流れる。これによって、内部回路2側にかかる電圧を素子耐圧以下に降圧させることができ、静電耐量を十分に向上させることができる。スナップバック現象の発生する電圧は、抵抗12の値によって設定できる。
Next, when a positive surge voltage (several hundred volts) exceeding the limit of ESD or the like exceeding the element withstand voltage is applied to the input terminal 1, the
また、入力端子1に素子耐圧を超えるESD等の限度を超えた負のサージ電圧(数百V)が印加されたときは、第2の保護回路20において、低電位電源端子4からダイオード21とトランジスタ23のコレタタ・ベース間寄生ダイオード24(図2参照)を介して抵抗22にアバランシェ電流が流れ入力端子1に至るので、その抵抗22の両端に電位差が発生する。この電圧によりトランジスタ23のベース・エミッタ間に順方向バイアス電圧がかかり、スナップバック現象によって、そのトランジスタ23が導通状態になり、入力端子1と低電位電源端子4間に電荷の回避経路(ダイオード21とトランジスタ23)が形成され、そこに十分なサージ電流が流れる。これによって、内部回路2側にかかる電圧を素子耐圧以下に降圧させることができ、静電耐量を十分に向上させることができる。スナップバック現象の発生する電圧は、抵抗22の値によって設定できる。
Further, when a negative surge voltage (several hundreds V) exceeding the limit of ESD or the like exceeding the element withstand voltage is applied to the input terminal 1, the
なお、第1の保護回路10のダイオード11および第2の保護回路20のダイオード21は必須である。例えば、ダイオード11を削除すると、入力端子1に負のサージ電圧が印加したとき、トランジスタ13のコレクタ47と低電位電源端子4に接続される基板41との間の寄生ダイオード15(図2参照)を経由してサージ電流が流れ、低電位電源端子4側へのサージ電流が過大となり、電源回路の保護が不十分となる。
Note that the
また、ダイオード21を削除すると、入力端子1に正のサージ電圧が印加したとき、抵抗22とトランジスタ23のベース・コレクタ間のダイオード24(図2参照)をサージ電流が流れるので、そのサージ電流が抑制され、十分なサージ電流を流すことができなくなり、その分だけ内部回路2へのサージ電流が増えてその保護が不十分となる。
If the
なお、以上では入力端子1の保護について説明したが、出力端子についても同様に保護回路10,20を接続することで、その保護を行うことができることは勿論である。ただし、出力端子を保護するとき、第3の保護回路30の抵抗33が通常動作に悪影響を及ぼす恐れがある場合は、その第3の保護回路30を使用することは好ましくない。
Although the protection of the input terminal 1 has been described above, the output terminal can be protected by connecting the
1:入力端子、2:内部回路、3:高電位電源端子、4:低電位電源端子
10:第1の保護回路、11:ダイオード、12:バイアス抵抗、13:トランジスタ、14,15:寄生ダイオード
20:第2の保護回路、21:ダイオード、22:バイアス抵抗、23:トランジスタ、24:寄生ダイオード
30:第3の保護回路、31,32:ダイオード、33:電流制限抵抗
1: input terminal, 2: internal circuit, 3: high potential power supply terminal, 4: low potential power supply terminal, 10: first protection circuit, 11: diode, 12: bias resistor, 13: transistor, 14, 15: parasitic diode 20: second protection circuit, 21: diode, 22: bias resistor, 23: transistor, 24: parasitic diode 30: third protection circuit, 31, 32: diode, 33: current limiting resistor
Claims (3)
前記入力端子と前記低電位電源端子との間に接続された請求項2の保護回路を第2の保護回路とし、
前記入力端子と前記半導体装置の内部回路の間に接続された電流制限抵抗と、アノードが前記内部回路にカソードが前記半導体装置の高電位電源端子に接続された第3のダイオードと、アノードが前記低電位電源端子にカソードが前記内部回路に接続された第4のダイオードとを有する回路を第3の保護回路とすることを特徴とする保護回路。 The protection circuit of claim 1 connected between the input terminal of the semiconductor device and the low-potential power supply terminal is a first protection circuit,
The protection circuit according to claim 2 connected between the input terminal and the low potential power supply terminal as a second protection circuit,
A current limiting resistor connected between the input terminal and the internal circuit of the semiconductor device; a third diode whose anode is connected to the internal circuit; and a cathode is connected to the high potential power supply terminal of the semiconductor device; A circuit having a low-potential power supply terminal and a fourth diode having a cathode connected to the internal circuit is defined as a third protection circuit.
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