Brevet FR2079405A1 — publié le 19711112

La présente invention a trait à des circuits protecteurs destinés à des transistors isolés à porte et à effet de champ. Ce genre de transistors est bien connu et trouve de nombreuses applications dans le domaine de l'électronique, mais ils ont l'in-5 convénient que si l'on applique une trop forte tension à l'électrode de porte , celle-ci et l'électrode de source, ainsi que les électrodes de porte et d'utilisation sont court-circuitées, donnant lieu à défaut et par conséquent à panne de fonctionnement. Le problème qu'ils soulèvent est d'une acuité particulière dans le domai-10 ne des circuits intégrés dans lesquels les tensions statiques tendent à s'établir aux bornes de pastilles de circuits intégrés, bornes qui peuvent être connectées à des transistors à effet de champ que comportent de telles pastilles. On a déjà proposé de prévoir un circuit protecteur pour ces 15 transistors isolés à porte et à effet de champ connectés à deux bornes d'une pastille, entre lesquelles des tensions statiques peuvent se former et ce en intercalant une diode entre les deux bornes en question. Cette diode est rendue active pour créer une voie conductrice si la polarité de la tension statique polarise la diode en 20 direct, mais par contre elle n'est pas rendue conductrice si la tension statique est d'une polarité opposée et ce aussi longtemps que la tension statique est suffisante pour que la diode entre en avalanche dans sa zone de rupture, zone dont la valeur est assez élevée (de l'ordre de 50 volts). Pour protéger le transistor contre 25 ces tensions voisinant la zone de rupture, il est nécessaire d'intercaler une résistance relativement grande (d'environ 2000 à 4000 ohms) entre la borne d'entrée de signal et l'électrode de porte du transistor. On se heurte alors à l'inconvénient d'avoir une réponse lente dans le temps, ce qui est dû à la capacitance inhérente au 30 transistor qui ne charge que relativement lentement à travers une résistance élevée. La présente invention concerne plus particulièrement le type de ces transistors à effet de champ à perte dit à "enrichissement" c'est-à-dire un transistor à effet de champ dans lequel il n'existe 35 pratiquement pas de voie conductrice dans le matériau semi-conducteur entre la source et l'utilisation en l'absence d'une tension de polarisation appliquée à la porte et dans lequel une telle voie peut être créée par application d'une polarisation de porte appropriée . 40 Un objet de l'invention est par conséquent de prévoir un cir- 71 04366 2 2079405 suit protecteur dont on munit le type "à enrichissement" de ces transistors à effet de champ, l'invention permettant d'éliminer les inconvénients rappelés plus haut. L'invention fait appel à un genre de transistor isolé à porte 5 et à effet de champ qui est du type "à appauvrissement", c'est-à-dire un transistor dans lequel un circuit conducteur existe dans le matériau semi-conducteur entre la source et l'utilisation ou drain, même lorsqu'il n'y a pas d'application de tension de polarisation à la porte et dans lequel, en appliquant une polarisation de porte 10 ayant une polarité appropriée, la conductivité du circuit se trouve réduite. Conformément à la présente invention, on propose donc un circuit protecteur pour transistors du type à enrichissement de ces transistors isolés à effet de champ et à porte, circuit dans lequel 15 le canal source-drain est connecté entre une borne de polarisation et une borne de référence, ce circuit protecteur étant caractérisé par le fait qu'il comprend tin transistor à effet de champ du type à appauvrissement dont le canal source-drain est relié entre l'électrode de porte et l'électrode de source de ce transistor de type à 20 enrichissement, tandis que son électrode de porte est reliée à ladite borne de polarisation; la disposition étant telle que, en fonctionnement, l'application d'un potentiel de polarisation approprié à cette borne de polarisation, actionne le transistor de type à enrichissement alors que le transistor de type à appauvrissement est 25 rendu non conducteur. On a représenté au dessin ci-joint une forme non limitative de réalisation de l'invention et dans ce dessin: Fig. 1 est un schéma d'un circuit protecteur suivant l'invention et 50 Fig. 2a et 2B sont des graphiques des caractéristiques fonc tionnelles de deux types de transistors utilisés dans le circuit de la Fig. 1. La Fig. 1 vise un circuit 10 qui comprend un- réseau de transistors 12 et un circuit protecteur 14. Le réseau 12 est représenté 35 comme comprenant un seul transistor à canal P du type à enrichissement, semi-conducteur à oxyde métallique (MOS), lequel comprend une électrode de porte 18, une électrode d'utilisation ou de drain 20 et une électrode de source 22. Il existe également un substrat 24 qui est relié directement à l'électrode de source 22. Bien qu'un 40 seul transistor soit représenté dans ce réseau, il va de soi qu'en 71 04366 3 2079405 pratique on peut envisager autant de transistors que l'on désire pour cette portion du circuit. Comme cela est bien connu, un transistor de type MOS comporte une capacité interne, ce qui est dû à sa construction. Cette capaci-5 té est représentée ici par un condensateur 25, ici en pointillé car il fait partie inhérente de la structure du transistor 16 et n'est pas en fait un composant du circuit 10. Le transistor 16 ne peut pas être rendu conducteur jusqu'à ce qu'une polarisation convenable ait été appliquée à ses électrodes d'utilisation 20 et de source 22 10 et en outre jusqu'à ce que le condensateur 25 ait été chargé. L'électrode d*utilisation ou de drain 20 du transistor 16 est couplée à une borne 26 d'une pastille de circuit intégré et l'électrode de source 22 est connectée à une autre borne 28. Lorsqu'on désire utiliser le circuit 10, il est nécessaire d'appliquer une 15 tension entre les bornes 26 et 28, cette dernière étant au potentiel de terre, alors que la borne 26 est à un potentiel négatif, par exemple - 55 volts. Ensuite, il suffit d'appliquer un signal d' entrée négatif à la porte 1S du transistor 16 pour que le fonctionnement désiré se déroule. Le signal d'entrée est appliqué à la por-■20 te 18 du circuit 10 par une borne 30, par l'intermédiaire de résistances 32, 34 qui déterminent la rapidité de charge du condensateur 25 et par suite la rapidité de réponse du transistor 16 au signal d'entrée. Les résistances 32, 34 constituent line partie du circuit de 25 protection 14. Celui-ci comprend en outre une paire de transistors 36 et 38 de type à appauvrissement et à canal N. Le transistor 36 comprend une électrode d'utilisation 40, une électrode de source 42 et xme électrode de porte 44, ainsi qu'un substrat 46 qui est relié à l'électrode de source 42. Le transistor 38 comprend de son côté 30 une électrode d'utilisation 48, une électrode de source 50, une é-leetrode de porte 52 et un substrat 54, lequel est connecté à l'électrode de source 50. L'électrode d'utilisation 40 du transistor 36 est reliée entre la jonction de la résistance 34 et l'électrode de porte 18 du transistor 16, et l'électrode de source 42 du tran-35 sistor 36 est connectée à la borne 28. L'électrode de porte 44 du transistor 36 est reliée à la borne 26. L'électrode d'utilisation du transistor 38 est connectée à la jonction des résistances 32 et 34 et l'électrode de source 50 du transistor 38 est reliée à la borne 28. L'électrode de porte 52 du transistor 38 est reliée à la 40 borne 26. Une diode 56 est connectée par son anode à la borne 30 71 04366 4 2079405 et par sa cathode à la borne 28• En se référant à la Fig® 2A, on voit la représentation d'un courant d'utilisation 1^ par rapport à la tension utilisation-à-source Y 25 Le fonctionnement du circuit 10 est le suivant. On suppose tout d'abord qu'une tension statique s'établit avec une valeur positive à la borne 28 et ave.c une valeur négative à la borne 30. Cette tension statique est donnée par une batterie 58 que l'on insère entre les bornes 28 et 30 (en pointillé, car elle ne constitue 30 pas un composant du circuit, mais est seulement prévue pour créer la tension statique). Comme précédemment expliqué, les transistors 36 et 38 conduisent avant qu'une tension négative soit appliquée entre les bornes S8 et 38, si une tension, telle que la tension statique 58 s est appliquée entre leurs électrodes d'utilisation et 35 de source» Dans ce cas, les bornes 26 et 30 seront couplées ensemble par une voie de faible résistance en courant continu qui comprend les résistances 32 et 34. Ainsi, la tension statique 58 ne sera jamais capable de se former au-dessus d'une valeur négligeable. Ceci est beaucoup plus souhaitable que dans la technique ac-40 tuellement connue selon laquelle la tension statique peut s'établir 71 04366 5 2079405 jusqu'à la valeur de rupture de la diode de type connu. Etant donné la tension statique très faible qui peut se former dans le circuit 10, il n'est pas nécessaire de prévoir des fortes résistances dans le circuit d'entrée, de sorte que les résistances 32 et 34 peuvent 5 être beaucoup plus petites. Dans ce circuit 10, les valeurs spécifiques que l'on peut admettre pour les résistances 32 et 34 sont de l'ordre de 100 à 200 ohms, tandis que dans les systèmes connus, il aurait fallu prévoir au moins 2000 ohms et même davantage. Comme les résistances 32 et 34 sont beaucoup plus faibles que précédem-10 ment, le temps de charge du condensateur 25 sera donc aussi beaucoup plus court, ce qui permet d'atteindre une vitesse de fonctionnement plus rapide pour les éléments constituant le réseau de transistors 12. Si la tension statique établie est dans le sens contraire à la 15 tension 58 (c'est-à-dire avec une valeur positive à la borne- 30 et une valeur négative ou de terre à la borne 28, par la batterie 60), la diode 56 conduira lorsque la tension 60 aura atteint approximativement 0,65 volt et, de même, les bornes 28 et 30 seront reliées ensemble par une voie de faible résistance de courant continu. £n-20 core une fois, comme la diode 56 sera conductrice dès qu'une faible tension statique apparaîtra, les valeurs des résistances 32 et 34 n'auront pas besoin d'être aussi grandes eue dans le cas des systèmes connus. Lorsqu'un signal d'entrée est appliqué à la borne 30, il sera à une tension négative par rapport à la borne 28, de sorte 25 que la diode 56 sera polarisée en sens inverse et apparaîtra conme un circuit ouvert. En conséquence, lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre les bornes 26 et 228, il y aura une faible impédance entre les bornes 28 et 30, donc une tension statique négligeable se formera. Une 30 fois que le circuit 10 sera à même de fonctionner par application d'une tension entre les bornes 26 et 28 et qu'un signal d'entrée négatif est appliqué à la borne 30, la diode 56 sera polarisée en sens inverse et les transistors 36 et 38 seront bloqués; ils n'affectent donc pas le circuit. 3n outre, concie la résistance qui re-35 lie la borne 30 à la porte 18 du transistor 13 est beaucoup plus faible que dans le cas des circuits protecteurs connus, la vitesse de fonctionnement sera augmentée. Il y a lieu de noter que l'on utilise dans le circuit 10 des transistors à enrichissement à canal P et des transistors à appau-40 vrissement à canal lï. Toutefois, on peut obtenir un fonctionnement 71 04366 6 2079405 analogue (sauf si toutes les polarités de tension et de courant sont inverses) en utilisant des transistors de type à enrichissement à canal N et des transistors de type à appauvrissement à canal S*. Un outre, au lisu de transistors de tj^pe lùOS, on pourrait très 5 bien utiliser d'autres types de transistors dont les caractéristiques se rapprochent de celles que l'on a exposées dans ce qui précède. On notera également que, puisque les"électrodes de porte 44 et 52 des transistors 36 et 38 sont reliées directement à la borne 10 26 et que la tension de polarisation appliquée à la borne 26 est de l'ordre de - 35 volts, les transistors 36 et 38 peuvent être conçus de façon que leur tension de pincement soit aussi élevée que - 32 ou - 33 volts, ce qui permet d'avoir des couches d'oxyde d'une é-paisseur de l'ordre de 10.000 à 12.000 angstroms. Ainsi, la tension 15 de rupture de ces dispositifs peut être de plusieurs milliers de volts sans avoir besoin d'être protégés. Ceci constitue un contraste par rapport à la situation du transistor 16 pour lequel une réponse à une faible tension est souhaitable; de sorte que la couche d'oxyde peut dans ce cas être de 1.000 à 1.200 angstroms. Un consé-20 quence, la tension de rupture sera plus basse et le transistor 16 nécessite la protection assurée par. le circuit 14. 71 04366 7 2079405 RgVMDICATIONS 1. Circuit protecteur pour transistors du type à enrichissement pour transistors isolés à effet de champ et à porte, circuit dans lequel le canal source-utilisation est connecté entre une bor-5 ne de polarisation et une borne de référence, caractérisé par le fait qu'il comprend un transistor (36) à effet de champ du type à appauvrissement dont le canal source-utilisation est relié entre 1' électrode de porte (18) et l'électrode de source (22) de ce transis tor de type à enrichissement (16), tandis que son électrode de por-10 te (44) est reliée à ladite borne de polarisation (26); la disposition étant telle que, en fonctionnement, l'application d'un potentiel de polarisation approprié à la borne de polarisation (26) actionne le transistor à enrichissement (16) alors que le transistor de type à appauvrissement (36) est rendu non conducteur. 15" . 2. Circuit protecteur selon la revendication 1, caractérisé par une borne d'entrée de signal (30) connectée par une résistance (34) a une 'électrode de porte (18) du type en question à enrichisse ment de transistor à effet de champ (16). 3. Circuit protecteur selon la revendication 2, caractérisé 80 par une diode reliée entre la borne d'entrée de signal et la borne de ï'éférence en question. 4. Circuit protecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 prises séparément, caractérisé par un second transistor de type à appauvrissement (38), les voies source-à-utilisation des 25 transistors de ce type (36,38) étant connectées en parallèle l'une avec l'autre, tandis que le second transistor de ce type à appauvrissement (38) a son électrode de porte (52) connectée à la borne de polarisation (26) • 5. Pastille de circuit intégré caractérisâapar le fait qu' 50 elle comporte un circuit protecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 considérées séparément. 6. Pastille de circuit intégré caractérisée par le fait qu' elle comporte un circuit protecteur selon les revendications 1 à 4 prises dans leur ensemble.