Brevet FR2533369A1 — publié le 19840323

La présente invention se rapporte, en général, à des circuits de protection et, plus particulièrement, à des cir- cuits de protection pour des dispositifs à circuit intégré On sait bien qu'un circuit intégré (C I) est souvent endommagé par des tensions transitoires qui surchargent un ou plusieurs dispositifs individuels contenus dans le cir- cuit intégré avec pour résultat une fusion, une mise en court- circuit ou autre destruction du dispositif, Dans le passé, divers dispositifs et circuitsont été employés pour protéger le circuit intégré et empêcher ainsi sa destruction par de tels transitoires Ces dispositifs de protection ont pris la forme soit de diodes ou de circuits à transistors qui ont été incorporés sur une pastille de semi-conducteur pour la protection contre les transitoires internes Tandis que de tels dispositifs offrent une certaine mesure de protection pour le circuit intégré o ils sont incorporés, on a trouvé qu'ils occupaient de grandes zones pouvant autrement être utilisées pour un montage, et amélio- rer ainsi la densité du tassement. Un exemple d'un transitoire est un pic à haute tension qui peut se produire dans un téléviseur qui contient des circuits intégrés à basse tension utilisés par exemple, dans le traitement vidéo et audio typiquement,-l'anode d'un tube-image est polarisée à environ 25 000 volts et, si l'anode à haute tension se décharge rapidement, un tran- sitoireà haute tension apparaît à la source d'alimentation en courant La formation de l'arc dans le tube-image peut également se présenter de façon non prévisible entre l'a- node et une ou plusieurs des électrodes à bas potentiel -. Dans chaque cas, le transitoire à haute tension, qui peut avoir soit un pic positif ou un pic négatif en excèsde 100 volts, est appliqué à la borne du cicuit intégré par la source commune d'alimentation en courant ou par captage électrostatique sur les conducteurs de connexion d'une planche de câblage imprimé. Une autre cause de transitoires à haute tension dans un téléviseur provient de la décharge électrostatique Une accumulation d'une charge électrostatique est usuellement déchargée par l'utilisateur pariles commandes du téléviseur pour produire un transitoire à haute tension qui peut endom- mager les circuits intégrés dans le téléviseur. Tandis qu'il y a de nombreux dispositifs de protection contre les hautes tensions transitoires dont dispose l'in- génieur de conception, il doit faire face au problème de devoir utiliser un espace valable sur la pastille, pour former les dispositifs encombrants de protection Sur des dispositifs contenants un grand nombre de broches on a trouvé que les dispositifs de protection occupaientun espace important et par conséquent, la pastille se trouve trop grande et ainsi non souhaitable. La présente invention est représentée par un circuit de protection pour circuit intégré qui comprend des prem- ière et seconde paires de transistors de conductivité com- plémentaire qui sont formées dans un puitscommun du type N- Dans un mode de réalisation, un élément resistif fait corps avec la structure de semiconducteur pour constituer un élément de détection Dans tous les modes de réalisation décrits,chaque paire de transistorsde conductivité complé- mentaire (et la résistance commune de détection) est agencée dans une région isolée commune, et chaque paire de transis- torsest connectée pour former un dispositif à deux bornes capable de conduire un courant élevé quand la tension tran- sitoire (soit négative ou positive) dépasse une valeur pré- determinée. L'invention sera mieux comprise, et d'autre buts, carac- téristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront 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 un schéma d'un mode de réalisation d'un circuit de protection contre les transitoires à double polarité selon la présente invention; la figure 2 est un schéma d'un autre mode de réali- sation d'un circuit de protection contre les transitoires à double polarité selon la présente invention; la figure 3 est une vue en plan de la structure de protection contre les transitoires à double polarité de la figure 2; la figure 3 A est une vue en coupe transversale de la structure de protection contre les transitoires à double polarité,faite suivant la figure A-A de la figure 3; la figure 3 B est une vue en coupe transversale de la structure de protection contre les transitoires à double polarité,faite suivant la ligne B-B de la figure 3; la figure 3 C est une vue en coupe transversale de la structure-de protection contre les transitoires à double polarité,faite suivant la ligne C-C de la figure 3; et la figure 3 D est une vue en coupe transversale de la structure de protection contre les transitoires à double polarité,faite suivant la ligne D-D de la figure 3. La figure 1 montre un circuit qui est protégé des transitoires négatifs'par un circuit 10 et'des transitoires -positifs par un circuit 12, les circuits de protection contre les transitoires négatifs et positifs 10 et 12 étant formés dans une région isolée commune ou nacelle Le circuit 10 comprend un transistor Q 4 du type NPN dont l'émetteur est connecté à un conducteur qui transporte un signal entre une 2 borne 14 et le circuit protégé (non représenté) Le collecteur du transistor Q 4 est connecté à la base d'un transistor Q 3 du type PNP, tandis que la base du transistor Q 4 est connectée au collecteur du tran- sistor Q 3 L'émetteur du transistor Q 3 est connecté à une source de potentiel de référence comme le substrat ou masse 16 Ainsi, une protection contre les transitoires négatifs estproduite par deux transistors, interconnectés et fonctionnant comme un thyristor (SCR) à deux bornes. Le circuit 12 de protection contre les transitoires positifs comprend un transistor Q 1 du type PNP dont l'é- -metteur est connecté au conducteur qui transporte le signal entre la borne 14 et le circuit protégé Le collecteur du transistor Q 1 est connecté à la base d'un transistor Q 2 du type NPN, tandis que la base du transistor Q 1 est connectée à la fois au collecteur du transistor Q 2 et à la base du transistor Q 3 La base du transistor Q 2 est connectée au substrat 16 par une résistance 18 de faible valeur, et l'é- metteur du transistor Q 2 est également connecté au substrat 16. Le fonctionnement du circuit de protection 10, pour une impulsion transitoire négative apparaissant à la borne 14, est quelque peu semblable à celui d'un thyristor à l'excep- tion que le circuit-10 est construit sous formed'undisposi- tif à deux bornes Cela le distingue d'un thyristor conven- tionnel en raison du fait qu'un thyristor conventionnel est un dispositif à 3 bornes conçu pour éviter un déclenchement basé soit sur la tension entre son anode et sa cathode ou sur l'allure du changement de tension entre son anode et sa cathode Le circuit de protection contre les transitoires négatifs de la présente invention sera déclenché soit par une haute tension = transistoire apparaissant entre les bornes 14 et 16 ou par une allure élevée de changement de tension (dv/dt) entre les deux bornes 14 et 16 Dans la pratique, la borne 16 est une source de potentiel de référence comme le substrat ou le potentiel de la masse, tandis que la borne 14 est connectée au montage à protéger En conséquence, si la borne'14 devient négative par rapport à la masse à une allure rapide, le circuit de protection est mis en circuit (bornes 14 et 16 électriquement ' connectées), forçant le courant en excès à passer vers la masse Pour le distinguer du présent circuit, un thyristor conventionnel aura une résistance de faible valeur connec- tée entre la base et l'émetteur du transistor Q 4 et / ou la base et l'émetteur du transistor Q 3, qui empêchera un tel allumage Dans le cas o il y a un changement lent de ten- sion à la borne 14, un très petit courant, de l'ordre des picoampèress'écoulera à travers le transistor Q 4 sans forcer le circuit à se verrouiller, car le'gain total en boucle a été choisi pour être inférieur à 1 Cependant, quand la tension négative apparaissant à la borne 14 de- vient suffisamoent négative, le transistor Q 4 devient for- tement conducteur pour produire ainsi un gain suffisant en boucle pour garantir que le gain total en boucle sera supérieur à 1 De nouveau, tout le circuit de protec- tion devient conducteur et laisse passer tout courant en excès vers la masse. Le circuit 12 de protection contre les transitoires positifs diffère d'un thyristor conventionnel par le fait que les interconnexions des transistors Q 1 et Q 2 sont telles qu'elles convertissent le thyristor à 3 bornes selon l'art antérieur en un dispositif à 2 bornes qui est rendu conducteur quand la tension entre ses bornes dé- passe un seuil positif prédéterminé En fonctionnement, on suppose que les transistors Q 1 et Q 2 sont initialement non-conducteurs La résistance 18 empêche le bruit élec- trique et thermique de rendre conducteurr,-par inadvertance, les transistors Q 1 et Q 2 A la base le fonctionnement du circuit de protection 12 est déclenché par la rupture col- lecteur-base du transistor Q 2 pendant une excursion d'un transitoire positif provoquant une chute de tension dans la résistance 18 Quand cette chute de tension dépasse 1 VBE (environ 0,7 volt), le transistor Q 2 est mis en cir- cuit Cela produit suffisamment de courant de base pour que le transistor Q 1 soit mis en conduction, provoquant un effet de contre-réaction positive mettant les deux transistors Q 1 et Q 2 à la saturation, bloquant efficacement le plot 14 à la masse. La figure 2 montre des circuits 10 et 12 de protection contre les transitoires négatifs et positifs Il faut noter que des éléments semblables portent des chiffres de réfé- rence identiques De ce point de vue,le circuit 10 de pro- tection contre les transitoires négatifs de cette figure est interconnecté d'une façon semblable au circuit 10 de protection contre les transitoires négatifs de la figure 1, tandis que le circuit 12 de protection contre les transi- toires positifs a des transistors Q 1 et Q 2 qui sont inter- connectés d'une façon semblable à ce qui a été précedem- ment décrit pour le circuit 12 de protection contre les transitoires positifs de la figure 1 Cependant, dans ce mode de réalisation est incorporée une résistance 20 de détection en série entre la borne 14 et le circuit à pro- téger, avec l'émetteur du transistor Q 4 du type NPN dans le circuit 10 de protection contre les transitoires négatifs et l'émetteur du transistor Q 1 du type PNP du circuit 12 de protection contre les transitoires positifs connectés à l'extrémité de la résistance 20 qui est connectée à la borne 14 tandis que les bases des transistors Q 1 et Q 3 sont connectées, avec les collecteurs des transistors Q 2 et Q 4, au côté de la résistance 20 qui est connecté au circuit protégé De plus, on peut voir une diode 22 qui est connectée entre le circuit protégé et la masse 16 qui est inhérente à la structure. En fonctionnement, une haute tension transitoire négative apparaissant à la borine 14 force le courant à s' écouler à travers la résistance-20 et la diode 22 dans une direction telle qu'il polarise la diode 22 en direct Ce potentiel de polarisation est appliqué à la jonction émetteur-base du transistor Q 3 par la connexion commune de la base du transistor Q 1 et de la basedu transistor Q 3. Par conséquent, la combinaison de la diode 22 et du transi- stor Q 3 forme efficacement un miroir de courant Le courant de base du transistor Q 3 force le courant de collecteur à s'écouler dans le transistor Q 3, lequel courant de collec- teur s'écoule alors dans la base du transistor Q 4 Cela force le courant de collecteur à s'écouler dans le transis- tor Q 4, augmentant le courant de base du transistor Q 3. Cela a pour résultat net un circuit de contre-réaction positive qui met les transistors Q 3 et Q 4 en saturation pour bloquer efficacement la borne 14 au potentiel de la masse par l'action de thyristor des transistors Q 3 et Q 4. Quand le transitoire est terminé, ou-tombe en dessous - d'une valeur prédéterminée, le'potentiel à la borne 14 re- tour-ne à son potentiel normal de fonctionnement et le cou- rant à travers la diode 22 et le circuit 10 de protection contre les transitoires négatifs cesse et le circuit 10 retourne à son état ouvert. Une haute tension transitoire positive forcera le courant à s'écouler à travers-la résistance 20, soit dans le circuit protégé ou vers la masse, selon la tension de rupture collecteur-base du transistor Q 2 Quand le courants'écou- lant à travers la résistance 20 provoque l'apparition de un VBE (environ 0,7 volt) à travers ses bornes, le transistor Q 1 est mis en circuit car cette tension est efficacement appliquée entre la base et l'émetteur du transistor Q 1 Le courant de collecteur du transistor Q 1 s'écoule à travers la résistance 18 et y développe une tension et, lorsque cette tension dépasse un VBE (environ 0,7 volt), le tran- -sistor Q 2 est mis en circuit Le courant de collecteur dans le transistor Q 2 augmente alors le courant initial de base du transistor Qjproduisant un effet de contre-réaction positive qui met les deux transistors Q 1 et Q 2 en satu- ration pour bloquer efficacement la borife 14 au potentiel de la masse par l'action de thyristor des transistors Q 1 et Q 2 Quand le transitoire positif est terminé et/ ou albaissé en dessous d'un niveau prédéterminé, le circuit 12 est rendu non conducteur car il y a un écoulement inap- proprié de courant à travers la résistance 20 pour main- tenir un VBE pour le transistor Q 1. Il faut noter que le circuit 12 produira une action de blocage lors d'un écoulement de courant de la borne 14 au circuit à proteger,mais aucune action de blocage ne se produira avec un écoulement de courant de circuit protégé à la borne 14 car la polarité du potentiel appa- raissant dans la résistance 20 polarisera en inverse la jonction émetteurbase de transistor Q 1, le faisant ainsi passer à l'ouverture. Cela représente un avantage considérable par rapport aux circuits de protection par thyristor selon l'art antérieur car un circuit de sortie en émetteur suiveur du type NPN, qui est protégé par la présente invention, est bloqué à la masse pendant les transitoires qui pro- duisent un verrouillage dans le circuit de protection de la présente invention, empêchant ainsi un courant exces- sifs de traverser et d'endommager l'émetteur suiveur pro- tégé. La figure 3 est une vue en plan du mode de réalisa- tion de la figure 2 et elle montre que le circuit 10 de protection contre les transitoires négatifs (figuresl et 2) et le circuit 12 de protection contreles transitoires positifs (figures 1 et 2) sont tous deux formés dans une région isolée commune 26 du type N aves le plot de jonction ou borne de signaux 14 Sur la figure 3, les lignes 44 en pointillé tracent le contour de la couche de métal qui forme la surface du plot de jonction d'entrée 14 ainsi les connexions des émetteurs des transistors Q 1 et Q 4 au plot 14 est à une extrémité de la résistance 20 La ligne en trait plein marquée 26 trace le contour d'une région isolée commune 26 du type N-, tandis que la ligne marquée 24 indique les limites d'une poche ou région noyée 24 du type N+ Le chiffre de référence 28 représente un isole- ment du type P+ entourant la région 26 du type N-, tandis que les lignes en pointillé représentent diverses régions du type P comme 30,34,36, et 20 Les lignes en trait' plein dans les lignes en pointillé indiquent dés régions de diffu- sion du type N+ qui sont formées-dans les régions de diffusion du type P et son illustrées ici, par exemple, comme la région 32 du type N+ formée dans la région 30 du type P, la région 38 N+ foriée dans une partie de la région 36 du type P Les parties marquées par des X représentent des ouvertures de contact dans la couche d'isolement 42 et sont illustrées ici en 40,47,48,56 et 58. Les figures 3 et 3 A à 3 D montrent la façon dont les divers éléments de la présente invention sont formés sur et dans une seule nacelle ou région isolée pour acomplir la fonction d'une protection contre les transitoires né- gatifs et positifs Par exemple, le circuit 10 de protec- tion contre les transitoires négatifs des figures 1 et 2, comprenant le transistor Q 3 du type NPN et le transistor Q 4 du type NPN, est représenté sur les figures 3, 3 A et 3 C o la région 32 du type N+est l' émetteur, la région 30 du type P est la base, la région 26 du type N est le collecteur Cela représente les éléments du transistor Q 4 De même, le transistor Q 3 est illustré sur les figures 3 et 3 C o la région 36 du type P est l'émetteur, la région 26 du type N est la base et la région 30 du type P est le collecteur Ainsi, comme la région 26 du type N est commune à la base du transistor Q 3 et au collecteur du transistor Q 4, ont peut les consi- dérer comme étant électriquement connectés De même, comme la région 30 du type P est commune au collecteur du transistor Q 3 et à la base du transistor Q 4 ils sont également connec- tés Comme l'émetteur du transistor Q 4 (région 32 type N+) est connecté au plot de jonction 14 par l'ouverture de contact 48 dans la couche d'isolement 42 et comme l'é- metteur du transistor Q 3 (région 36 du type P) est connec- té à la masse par le moyen de la métallisation 46, les conditions de circuit sont remplies pour former le circuit de protection contre les transitoires négatifs (figures 1 et 2), Les figures 3, 3 A et 3 D montrent la façon dont letran- sistor Q 1 du -type PNP et le transistor Q 2 du type NPN du circuit 12 de protection contre les transitoires positifs (figures 1 et 2) sont interconnectés Sur les figures 3 A et 3 D, la région 34 du type P est l'émetteur, la région 26 du type N est la base et la région 36 du type P est le collecteur, représentant les éléments du transistor Q 1 du type PNP De même, le transistor Q 2 du type NPN est illustré sur les figures 3 A et 3 D o la région 38 du type N+ est l'émetteur, la région 36 du type P est la base et la région 26 du type N est le collecteur Ainsi,comme la région 26 du type N est commune à la base du transistor Q 1 et au collecteur du transistor Q 21 ils sont électri- quement connectés De même, comme la région 36 du type P est commune au collecteur du transistor Q 1 et à la base du transistor Q 2 ' ces éléments sont interconnectés Pour compléter les connexions pour le de contact 47. La région 24 de poche de type N+ forme une inter- connexion à basse résistance pour la connexion commune entre les bases des transitors Q 1 et Q 3 et les collecteurs des transistors Q 2 et Q 4, et forme un contact électrique avec la couche épi 26 du type N- Ces connexions, qui viennent d'être indiquées, compléteront le dispositif re- présenté sur la figure 1. Pour le mode de réalisation de la figure 2, une dif- fusion supplémentaire 20 du type P est prévue entre le plot de jonction 14 et la métallisation de connexion de sortie 54 Dans ce dernier mode de réalisation, comme le montrent les figures 3, 3 B et 3 D, l'émetteur du transistor Q 1 et l'émetteur du transistor Q 4 sont connectés au plot de liai- son 14 qui est connecté à un côté de la région 20 du type P par l'ouverture de contact 58 La diffusion 20 du type P représente la résistance des détection 20 (figure 2). La région 24 de poche du type N+, la connexion commune en- tre la base du transistor Ql, le collecteur du transistor Q 21 la base du transistor Q 3 et le collecteur du transistor Q 4 est connectée à la diffusion 20 du type P (l'autre ex- trémité de la résistance de détection 20) par une région - 52 de diffusion du type N+ et la métallisation 54 La con- nexion au circuit protégé est-faite par la métallisation 54 à travers l'ouverture 56. Pour compléter la description de la présente nouvelle structure, ont peut voir que la-diode 22 est formée entre la diffustion 52 du type N et l'isolement 28 du type P+ (figure 3 B), tandis que la résistance 18 est forméeedans la région 36 du type P entre la métallisation de la masse 46 et la partie de la région 36 du type P qui se trouve entre la région 38 du type N+ et la-région épi 26 du type N-. Ainsi, un mode de réalisation d'une nouvelle struc- ture de semi-conducteur a été décrit o l'on obtient une protection contre les transitoires négatifs et positifs par une seule région isolée avec un plot de liaison pour conserver l'espace sur la pastille Dans un autre monde de réalisation, une résistance de détection est également in- corporee. R E V E N D I C A T I O N S 1 Circuit de protection d'un circuit intégré contre les tensions transitoires, du type comprenant: un moyen conducteur pour connecter une borne au circuit intégré à protéger, ladite borne étant formée sur une seule région isolée dans un corps semi-conducteur; Un premier moyen formant circuit connecté entre le moyen conducteur et une source *de potentiel de référence, pour protéger le circuit intégré contre des tensions tran- sitoires négatives; et un second moyen formant circuit connecté entre le mo- yen conducteur et la source de potentiel de référence pour protéger le circuit intégré contre des tensions transitoires positives; caractérisé en ce que lesdits premier et second moyens formant circuits( 10,12) sont formés dans ladite seule région isolée. 2. Circuit de protection selon la revendication 1 caractérisé ce que le premier moyen'formant circuit-précité comprend: un premier transistor (Q 4) du type NPN ayant un émet- teur, une base et un collecteur; un premier transistor(Q 3) du type PNP ayant un émet- teur, une base et un collecteur; un moyen reliant la base du transistor du type NPN au collecteur du transistor du type PNP; un moyen reliant la base du transistor-du type PNP au collecteur du transistor du type NPN; un moyen reliant l'émetteur du transistor NPN au moyen conducteur; et un moyen reliant l'émetteur du transistor du type PNP à la source de potentiel de référence; -1.3 3 Circuit de protection selon la revendication 2 caractérisé en ce que le second moyen formant circuit pré- cité comprend un second transistor (Q 1) du type PNP ayant un émetteur, une base et un collecteur; un second transistor (Q 2) du type NPN ayant un émetteur, une base et un collecteur; un moyen reliant la base du second transistor du type NPN au collecteur du second transistor du type PNP et à la source de potentiel de référence; un moyen reliant le collecteur du second transistor du type NPN aux bases des premier et second transistors du type PNP; un moyen reliant l'émetteur du second transistor du type PNP au moyen conducteur; et un moyen reliant l'émetteur du second transistor du type NPN à la source de potentiel de référence 4 Circuit de protection selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comprend de plus: une résistance de détection ( 20) reliée en série au moyen conducteur entre la borne ( 14) et le circuit intégré protégé; l'émetteur du premier transistor du type NPN et l'émet- teur du second transistor du type PNP étant connectés à l'extrémité de la résistance de détection qui est connectée à la borne; et les bases des premier et second transistors du type PNP et les collecteurs des premier et second transistors du type NPN étant-connoemts à l'autre extrémité de la résistance de détection. Structure de semi-conducteur pour protéger un cir- cuit intégré de transitoires négatifs et positifs, du type comprenant un moyen conducteur pour connecter une borne au circuit intégré>ladite borne étant formée adjacente à une surface d'une région de semi-conducteur d'un premier type de conduc- tivité se trouvant à une surface d'un substrat d'un matériel semiconducteur d'un second type de conductivité; une première paire de transistorsde conductivité oppo- sée reliés entre le moyen conducteur et une source de poten- tiel de référence, pour une protection contre les transi- toires négatifs; une seconde paire de transistorsde conductivité oppo- sée, reliés entre le moyen conducteur et la source de poten- tiel de référence, pour une protection contre les transi- toires positifs, caractérisée en ce que: lesdites première et seconde paires de transistors(Q 3, Q 4 et Q 1 i Q 2) de conductivité opposée sont formées dans la région du premier type de conductivité. 6 Structure de semi-conducteur selon la revendica- tion 5 caractériséeen ce que la première paire de transistors comprend: un premier transistor (Q 4)du type NPN et un premier transistor (Q 3) du type PNP, chacun ayant un émetteur, une base et un collecteur, la base du premier transistor du type NPN étant connec- téeau collecteur du premier transistor du type PNP; la base du premier transistor du type PNP étant connec- téeau collecteur du premier transistor du type NPN; l'émetteur du premier transistor du type NPN étant connecté au moyen conducteur; et l'émetteur du premier transistor du type PNP étant connecté à la source de potentiel de référence. 7 Structure de semi-conducteur selon la revendica- tion 6 caractériséeen ce que la seconde paire de transistors comprend: un second transistor (Q 1) du type NPN et un second transistor (Q 2) du type PNP, chacun ayant un émetteur, une base et un collecteur; -la base du second transistor du type NPN étant connec- t Cbau collecteur du second transistor du type PNP et à la source de potentiel de référence; le collecteur du second transistor du type NPN étant connecté à la base du premier transistor du type PNP et à la base du second transistor du type PNP; l'émetteur du second transistor du type PNP étant connecté au moyen conducteur; et l'émetteur' du second transistor du type NPN étant connecté à la source de potentiel de référence. 8 Structure de semi-conducteur selon la revendica- tion 7 çaractériséeen ce qu'elle comprend de plus une résistance de détection ( 20 > connectée en série au moyen conducteur entre la borne et le circuit intégré protégé; l'émetteur du premier transistor du type NPN et l'é- metteur du second transistor du type PNP étant connectés à l'extrémité de la résistance de détection connectée à la borne; et les bases du premier et second transistors du type PNP et les collecteur des premier et second transistors du type NPN étant connectés à l'autre extrémité de la résistance de détection.