JPH0522099A - 半導体入力保護回路 - Google Patents

半導体入力保護回路

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JPH0522099A
JPH0522099A JP3197038A JP19703891A JPH0522099A JP H0522099 A JPH0522099 A JP H0522099A JP 3197038 A JP3197038 A JP 3197038A JP 19703891 A JP19703891 A JP 19703891A JP H0522099 A JPH0522099 A JP H0522099A
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zener diode
resistor
ground
power supply
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Koichi Murakami
浩一 村上
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体チップに集積して部品点数を少なくし
ながら必要な容量を得て、電波障害ノイズを十分に減衰
させ、高周波サージによっても誤動作の生じない入力保
護回路とする。 【構成】 入力端１１１に接続した電源側ツエナダイオ
ード１０４と接地側ツエナダイオード１０５とを備え、
保護抵抗１０２と組み合わせるようにしたので、部品点
数削減と小型化を実現しながらツエナダイオードの接合
部に大きな容量が得られる。このため、保護抵抗１０２
をあまり大きくしなくても十分な減衰を行なうことがで
きるとともに、入力チャンネル内の接点の酸化被膜を破
るに十分な接点電流も確保され、苛酷な環境に晒される
自動車搭載用の入力保護装置として極めて有用である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明はデジタル信号を入力と
する電子回路をノイズや高周波サージから保護する入力
保護回路に関し、とくに自動車に搭載される電子回路に
好適な半導体入力保護回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車に搭載される電子回路は、使用環
境が厳しいためその入力保護回路について次のような機
能が要求される。 （１）電子回路に接続された各種の誘電性負荷から発生
するサージを吸収し、電子回路の破壊を防ぐこと。この
サージは数百Ｖに及ぶ。 （２）自動車の内外から発せられる強力な電磁波による
電波障害ノイズや、上記サージによる高周波ノイズパル
スを除去して、電子回路の誤動作を防ぐこと。
【０００３】このため基本的な構成として図５に示すも
のが考えられる。電子回路７には、信号入力スイッチ１
の開閉によるＡ点の電圧変化がデジタル入力信号として
与えられるようになっており、その入力部には、保護抵
抗２、コンデンサ３、電圧クランプ用のダイオード４お
よび５からなる入力保護回路１０が設けられる。この信
号入力スイッチ１としてはリレーなどのメカニカルスイ
ッチやトランジスタ、ＬＳＩの出力バッファなどが使わ
れる。
【０００４】これによって、信号入力スイッチ１からＡ
点までの配線上に、例えば高周波サージや電波障害ノイ
ズあるいはスイッチチャタリングノイズなどが混入する
と、抵抗２とコンデンサ３によって決まる時定数でフィ
ルタリングをかけ、当該ノイズなどを除去する。又ダイ
オード４，５により、高周波サージなどの過電圧入力に
対して抵抗２を介して電流を逃がすことにより、電子回
路７のサージによる破損を防ごうとするものである。な
お８は配線コネクタ、９はプルアップ抵抗である。
【０００５】さらにこの入力保護回路の信頼性確保のた
めに、製品としては構造が簡単であること、併せて製造
時の組み付けコスト低減のためにも、部品数が少ないこ
とが要求される。したがって、図５に示した基本構成を
ＣＭＯＳプロセスを用いてＩＣ化したものに、例えば特
願平２−２２０１号の提案がある。
【０００６】これを図６に説明すると、電子回路７の入
力チャンネルに設けられた破線で囲んだ部分２０がＩＣ
化された半導体入力保護回路の部分で、過電圧を防ぐた
めの保護抵抗１２はＩＣに外付けの構成とされている。
これは、過電圧サージが印加されたときＩＣの入力部に
過電圧が直接加わるのを防止しようとする理由による。
プルアップ抵抗１９はダイオード１４，１５と共に破線
内ＩＣに内蔵して形成され、コンデンサ１３、信号波形
成形用のコンパレータ２２および必要に応じてサンプリ
ング回路２３も内蔵されて部品点数の削減を狙ってい
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし自動車の厳しい
走行環境下では、電子回路７と信号入力スイッチ１とを
結ぶ配線コネクタ８などの接点が、酸化によって導通不
良を招き誤動作に陥りやすいため、接点の酸化被膜を破
るに十分な接点電流を確保する必要がある。通常このた
めには１〜２ｍＡ以上が必要とされる。したがって保護
抵抗１２の抵抗値をあまり大きくすることができない。
【０００８】これを補完するためには、コンデンサ１３
の容量を大きくすることにより電波障害サージを減衰さ
せる必要があるが、内蔵コンデンサ１３をゲート酸化膜
容量で形成する場合には、大きな容量のコンデンサを形
成することはできないため、ＥＳＤなどから保護するた
めに入力抵抗２５を設けなければならず、このため高周
波サージによる誤動作の恐れを残している。
【０００９】これを図７により説明すると、ＶA は図６
の保護抵抗１２の直前Ｂ点の入力電圧、ＶinはＩＣ部入
力端Ｄの電圧、Ｖin’はコンパレータ２２の入力端Ｅの
電圧である。信号入力スイッチ１をオンからオフに切り
替えて（ａ）のようにＶA がＬからＨへ変化した後、高
周波サージが印加されると、該高周波サージは電源側ダ
イオード１４および接地側ダイオード１５によりＨ電位
と接地電位との間にクランプされ、Ｖinは（ｂ）のよう
になる。ここでクランプされたサージ入力は、入力抵抗
２５とコンデンサ１３からなるフィルタによって減衰さ
れ、サージの周波数が高ければ高いほど減衰量が大き
く、（ｃ）に示すように電圧はクランプされた時間領域
においては略１／２ＶDDとなる。
【００１０】一方信号入力スイッチ１がオン時の入力電
圧Ｖinは、プルアップ抵抗１９と保護抵抗１２との分圧
比で決まる値であり、コンパレータ２２の判定電圧ＶRE
F はこの分圧比で決まったＶinとＶDDの略中間電位に設
定されることになるから、１／２ＶDDより大きくなる。
この結果入力信号がＨであるにもかかわらず、高周波サ
ージの直流再生が生じ、信号レベルをＬと認識して誤動
作する場合が起きる。しかも減衰用の容量を通常の入力
保護ダイオードの接合容量で賄おうとすると、非常に大
面積のダイオードとする必要があって現実的でないう
え、従来電源側ダイオード１４と接地側ダイオード１５
の単位面積当りの容量値およびそれらの電圧依存性が異
なり、いわゆるフィルタ特性がばらつく問題があった。
【００１１】したがってこの発明は、部品点数を少なく
しながら必要な容量を得て、電波障害ノイズを十分に減
衰させ、高周波サージによっても誤動作の生じない半導
体入力保護回路を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、一端
が入力端に接続され、他端がそれぞれ電源側、接地側に
接続された電源側ツエナダイオードおよび接地側ツエナ
ダイオードと、前記入力端と電源側または接地側との間
に接続されたプルアップ抵抗またはプルダウン抵抗と、
入力端の電圧と基準電圧とを比較するコンパレータとが
半導体チップに形成されて、デジタル信号を入力とする
電子回路の入力チャンネルに直列に設けられた保護抵抗
の前記電子回路側に接続された半導体入力保護回路とし
た。
【００１３】両ツエナダイオードが高周波サージをクラ
ンプするとともに、ツエナダイオードのそれぞれの接合
部に大容量の接合容量が得られるから、この大容量と保
護抵抗とにより、電波障害などのノイズが混入しても十
分減衰させる。またツエナダイオードの後にフィルタも
ないので、高周波サージによる直流再生も生じない。
【００１４】
【実施例】図１は本発明の実施例を示す。破線部１００
は半導体チップに形成されたＩＣ部を示し、電源側ツエ
ナダイオード１０４、接地側ツエナダイオード１０５、
プルアップ抵抗１０９、コンパレータ１２２、ゲート保
護用の入力抵抗１２５およびサンプリング回路１２３を
含む。ＩＣ部の入力端１１１は保護抵抗１０２を介して
信号入力スイッチ１０１に接続して入力ラインをなし、
出力端１１２は電子回路１０７の入力に接続されてい
る。電子回路１０７の他の入力についても同様の構成と
され、ＩＣ部分が同一チップに集積形成される。１０８
は配線コネクタである。
【００１５】図２は、電源側ツエナダイオードおよび接
地側ダイオードの断面構造を示す。Ｎ形半導体基板１７
０の表面部に第１Ｐウエル領域１５１および第２Ｐウエ
ル領域１６１が形成され、第１Ｐウエル領域１５１中に
は、Ｐ* 高濃度拡散領域１５２と該高濃度領域１５２に
底面が接するようにＮ+ 拡散領域１５３が設けられ、第
２Ｐウエル領域１６１中には、Ｐ* 高濃度拡散領域１６
２と該高濃度領域１６２に底面が接するようにＮ+ 拡散
領域１６３が設けられている。
【００１６】第１Ｐウエル領域１５１はＰ+ 拡散領域１
５４を介して入力ラインとしての入力端に接続され、Ｎ
+ 拡散領域１５３は電源ＶDDに接続されている。また第
２ウエル領域１６１はＰ+ 拡散領域を介して接地される
とともに、そのＮ+ 拡散領域１６３は入力ラインに接続
されている。これにより、第１Ｐウエル領域１５１内の
Ｎ+ およびＰ* 拡散領域の接合部に電源側ツエナダイオ
ード１０４が形成され、第２ウエル領域１６１内のＮ+
およびＰ* 拡散領域の接合部に接地側ツエナダイオード
１０５が形成されている。
【００１７】以上の構成によれば、電源側ツエナダイオ
ード１０４および接地側ツエナダイオード１０５のそれ
ぞれの接合部に形成される接合容量１３１，１３２が、
通常の拡散ダイオードの接合容量に比較して単位面積当
りの容量値は３〜５倍程度得られるから、この大容量と
保護抵抗１０２とにより、電波障害などのノイズが混入
しても十分減衰させることができる。
【００１８】また高電圧の高周波サージが印加された場
合にも、電源側ツエナダイオード１０４および接地側ツ
エナダイオード１０５によってクランプされたサージ波
形は、このクランプ用ツエナダイオードより後にフィル
タがないため、直流再生が生じることなくしたがって誤
動作も発生しない。この後必要に応じてサンプリング回
路１２３などを用い、短時間のノイズなどを除去する。
【００１９】さらに図２の断面構成によれば、電源側ツ
エナダイオード１０４と接地側ツエナダイオード１０５
は同時プロセスで形成されるから、両者の特性すなわち
ツエナ電圧、単位面積当りの接合容量あるいは接合容量
の電圧依存性などが同一のものが得られる利点があり、
性能設計およびその管理上効果が大きい。
【００２０】次に図３は、信号入力スイッチ２０１が電
源ＶDD側となっている入力チャンネルの場合の、入力保
護回路の実施例を示し、この場合ＩＣ部２００において
は図１の実施例におけるプルアップ抵抗１０９に代え
て、プルダウン抵抗２０９が設けられる。その他は図１
のものと同様である。複数の入力チャンネルに関して、
それぞれの入力保護回路を集積して設ける場合の実施例
を図４に示す。
【００２１】第１の入力チャンネル３００用にそれぞれ
前述の実施例と同様の断面構成に形成された電源側ツエ
ナダイオード３０４と接地側ツエナダイオード３０５、
第２の入力チャンネル４００用に同様に形成された電源
側ツエナダイオード４０４と接地側ツエナダイオード４
０５とが、同一の半導体基板２７０のチップ上に設けら
れる。
【００２２】ここで第１の入力チャンネル３００では、
電源側ツエナダイオード３０４と接地側ツエナダイオー
ド３０５の間に入力端の具体例としての第１の入力パッ
ド３１１が配設され、第２の入力チャンネル４００の電
源側ツエナダイオード４０４と接地側ツエナダイオード
４０５の間に同じく第２の入力パッド４１１が配設され
るとともに、第１と第２の入力チャンネル３００，４０
０の間では、一方の接地側ツエナダイオード３０５と他
方の電源側ツエナダイオード４０４とが、あるいは４０
５と３０４とが、隣接するように配置される。同様に第
３以降の入力チャンネル用のツエナダイオードについて
も、接地側ツエナダイオードが隣の入力チャンネル用の
電源側ツエナダイオードと隣接するように設けられる。
【００２３】この配置構成によれば、プラス（＋）の極
性のサージが印加されたとき、例えば第１の入力チャン
ネルの電源側ツエナダイオードが順バイアスされて半導
体基板に電流が流れ込んでも、隣接した第２の入力チャ
ンネルの入力ラインに接続されたＰ+ 領域は接地されて
いるから、該Ｐ領域を介してプルダウン抵抗に前記サー
ジ電流が流れ込んで誤動作を引き起こす恐れもない。し
たがってこの入力保護回路は、多数の入力チャンネルに
対して同一チップ上に密に形成することができ、部品点
数の削減、小型化に便である。
【００２４】上記実施例ではＩＣ部にＮ形基板を用いた
もので説明したが、これに限定されることなく、Ｐ形基
板を用いて、例えば図２においてＮとＰを相互に極性を
入れ替えて実施することができる。
【００２５】
【発明の効果】以上のとおり、本発明は半導体チップに
形成した電源側ツエナダイオードと接地側ツエナダイオ
ードとを備え、保護抵抗と組み合わせるようにしたの
で、部品点数削減と小型化を実現しながらツエナダイオ
ードの接合部に大きな容量が得られる。このため、保護
抵抗をあまり大きくしなくても十分な減衰を行なうこと
ができるとともに、接点の酸化被膜を破るに十分な接点
電流も確保され、苛酷な環境に晒される自動車搭載用の
入力保護装置として極めて有用である。
【００２６】また本発明による電源側ツエナダイオード
と接地側ツエナダイオードは、同一断面構造をもち同時
プロセスで形成されるから、両者のツエナ電圧、単位面
積当りの接合容量あるいは接合容量の電圧依存性などが
同一のものが得られる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図である。
【図２】ツエナダイオードの断面図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す図である。
【図４】ツエナダイオードの集積配置例を示す図であ
る。
【図５】従来例を示す図である。
【図６】ＩＣ化された従来例を示す図である。
【図７】直流再生の説明図である。
【符号の説明】
１００、２００ ＩＣ部 １０１、２０１ 信号入力スイッチ １０２ 保護抵抗 １０４、３０４、４０４ 電源側ツエナダイオード １０５、３０５、４０５ 接地側ツエナダイオード １０７ 電子回路 １０８ 配線コネクタ １０９ プルアップ抵抗 １１１ 入力端 １２２ コンパレータ １２３ サンプリング回路 １２５ 入力抵抗 １３１、１３２ 接合容量 １５１、１６１ Ｐウエル領域 １５２、１６２ Ｐ* 高濃度拡散領域 １５３、１６３ Ｎ+ 拡散領域 １５４、１６４ Ｐ+ 拡散領域 １７０ Ｎ形半導体基板 ２０９ プルダウン抵抗 ２７０ 半導体基板 ３１１、４１１ 入力パッド

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一端が入力端に接続され、他端がそれぞれ
    電源側、接地側に接続された電源側ツエナダイオードお
    よび接地側ツエナダイオードと、前記入力端と電源側ま
    たは接地側との間に接続されたプルアップ抵抗またはプ
    ルダウン抵抗と、入力端の電圧と基準電圧とを比較する
    コンパレータとが半導体チップに形成されて、デジタル
    信号を入力とする電子回路の入力チャンネルに直列に設
    けられた保護抵抗の前記電子回路側に接続されることを
    特徴とする半導体入力保護回路。
  2. 【請求項２】前記電源側ツエナダイオードと接地側ツエ
    ナダイオードは、それぞれ第１導電型の半導体基板に形
    成された第２導電型のウエル領域内に、第２導電型の高
    濃度拡散領域と、該第２導電型の高濃度拡散領域に底面
    を接する第１導電型拡散領域とを設け、該第１導電型拡
    散領域を電源側に接続し、ウエル領域を入力端に接続し
    て電源側ツエナダイオードとし、第１導電型拡散領域を
    入力端に接続し、ウエル領域を接地側に接続して接地側
    ツエナダイオードとしたことを特徴とする請求項１記載
    の半導体入力保護回路。
  3. 【請求項３】前記電源側ツエナダイオードと接地側ツエ
    ナダイオードの、対応する各領域は同一のプロセスで形
    成されたものであることを特徴とする請求項２記載の半
    導体入力保護回路。
  4. 【請求項４】複数のデジタル入力チャンネルを持つ電子
    回路の入力保護装置であって、各チャンネル毎に、一端
    が入力端に接続され他端がそれぞれ電源側、接地側に接
    続された電源側ツエナダイオードおよび接地側ツエナダ
    イオードと、前記入力端と電源側または接地側との間に
    接続されたプルアップ抵抗またはプルダウン抵抗と、入
    力端の電圧と基準電圧とを比較するコンパレータとから
    なる回路が半導体チップに集積形成され、各入力チャン
    ネルに直列に設けられた保護抵抗の電子回路側に接続さ
    れるとともに、１の入力チャンネルは、前記プルアップ
    抵抗またはプルダウン抵抗の内プルダウン抵抗を有し、
    各入力チャンネルの前記電源側ツエナダイオードと接地
    側ツエナダイオードは、それぞれ前記半導体の第１導電
    型基板に形成された第２導電型のウエル領域内に、第２
    導電型の高濃度拡散領域と、該第２導電型の高濃度拡散
    領域に底面を接する第１導電型拡散領域を設け、該第１
    導電型拡散領域を電源側に接続しウエルを入力端に接続
    して電源側ツエナダイオードとされ、第１導電型拡散領
    域を入力端に接続しウエルを接地側に接続して接地側ツ
    エナダイオードとされ、前記１の入力チャンネルと隣の
    入力チャンネルとは、互いに一方の電源側ツエナダイオ
    ードと他方の接地側ツエナダイオードとが隣接するよう
    に配置されていることを特徴とする半導体入力保護回
    路。
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