Brevet FR2747246A1 — publié le 19971010

L'invention concerne un circuit de protection contre de l'électricité statique dans un circuit isolé de la polarisation du substrat, de la sorte une caractéristique excellente contre l'électricité statique peut être obtenue par rapport à toutes les impulsions de l'électricité statique qui peuvent être appliquées par toute source comprenant des bornes d'alimentation de celle-ci en construisant le circuit de protection pour chaque borne d'alimentation de celle-ci de sorte qu'un circuit interne peut être protégé de l'électricité statique y circulant à travers des plages de connexion de celui-ci. Dans des circuits analogiques métal-oxyde-semiconducteur complémentaires, une polarisation du substrat et une polarisation de source d'un transistor sont isolées l'une de l'autre en considération de ses caractéristiques de bruit lorsqu'un circuit tampon d'entrée (ou charge) et un circuit de commande de sortie sont construits comme représenté en figure 1. Si l'électricité statique est appliquée à travers les plages de connexion 1 et 2, les circuits analogiques CMOS fonctionnement comme suit. Tout d'abord, dans l'éventualité où une borne d'alimentation de référence Vdd est à la masse et une impulsion positive est appliquée aux plages de connexion 1 et 2, la région entre un drain du type p+ du transistor T1 et un puits du type n est polarisée en direction directe et ainsi les caractéristiques contre l'électricité statique apparaissent excellentes à condition que le transistor PMOS T1 ait assez d'espace de décharge. Par ailleurs, dans l'éventualité où une impulsion négative est appliquée, l'électricité statique sera déchargée à travers soit un transistor de jonction bipolaire du type pnp (BJT) formé entre les régions de source et de drain et une région de puits du type n- du transistor PMOS T1, soit un élément de protection formé entre une borne d'alimentation Vdd et un transistor NMOS T2 couplé à la borne de masse Vss. Dans les deux éventualités ci-dessus, le trajet de décharge est déterminé dépendant du niveau de la tension de fonctionnement de chaque élément. En second lieu, dans l'éventualité où une borne d'alimentation de masse Vss est à la masse comme une polarisation de source du transistor NMOS T2 et une impulsion négative est appliquée, les caractéristiques contre l'électricité statique apparaissent en proportion à la dimension du transistor T2 puisque la polarisation du substrat est couplée à la borne d'alimentation du substrat Vbb et le transistor PMOS T1 ne fonctionne pas comme une diode couplée entre un drain du type n+ et un substrat du type p-, amenant le transistor T2 à activer un BJT latéral du type npn. Par ailleurs, dans l'éventualité où une impulsion positive est appliquée, les caractéristiques contre l'électricité statique apparaissent excellentes puisque le BJT du type npn fonctionne de la même manière que dans un état de sa tension de claquage BVceo, c'est-àdire, dans une condition d'état où la base de celui-ci est en circuit ouvert. En troisième lieu, dans l'éventualité où la borne d'alimentation du substrat Vbb comme la polarisation du substrat est à la masse et de l'électricité statique est appliquée aux plages de liaison 1 et 2, les caractéristiques contre l'électricité statique apparaissent excellentes puisqu'une diode du type n+/pformée entre un drain du type n+ et une région de substrat du type p fonctionne dans un état polarisé en direct. Par ailleurs, dans l'éventualité où une impulsion positive est appliquée, un BJT parasite n'est pas formé car la source du transistor, qui est une région d'émetteur du BJT parasite, est en circuit ouvert. Ainsi, les caractéristiques de l'électricité statique se détériorent puisque l'électricité statique est déchargée par les caractéristiques de la diode n+/p- (voir figure 3) sans utilisation du phénomène de retour brusque qui est le mécanisme fonctionnel principal pour décharger l'électricité statique (voir figure 2). Les figures 4A et 4B illustrent des circuits de protection conventionnels de l'électricité statique qui sont généralement utilisés dans le domaine. Les circuits de protection conventionnels contre l'électricité statique sont prévus à la fois dans le circuit de commande de sortie et le circuit tampon d'entrée, respectivement. Aux figures 4A et 4B, un transistor PMOS T1 agit comme le circuit tampon d'entrée tandis qu'un transistor NMOS T2 agit comme le circuit de commande de sortie. Les transistors NMOS T3, T4 et T5, T6 qui sont reliés respectivement au circuit tampon d'entrée et au circuit de commande de sortie, représentent des éléments de protection pour protéger le circuit interne contre de l'électricité statique appliquée par une source de circuit. Les figures 4A et 4B représentent les transistors NMOS T3 et T5, comme l'élément de protection de l'électricité statique, dont les sources sont reliées à la borne d'alimentation de référence Vdd, respectivement, et dont les drains sont reliés respectivement aux plages de connexion 1 et 2. La polarisation du substrat est couplée à la borne d'alimentation du substrat Vbb. De plus, les figures 4A et 4B représentent les transistors NMOS T4 et T6 dont les grilles sont à la masse à la borne de masse Vss et la polarisation du substrat est reliée à la borne d'alimentation du substrat Vbb de la même manière que le circuit tampon. Le fonctionnement du circuit de protection conventionnel sera expliqué. Dans l'éventualité où la borne de masse Vss comme la polarisation de source et la borne d'alimentation du substrat Vbb comme la polarisation du substrat sont à la masse, l'électricité statique sera déchargée de la même manière que décrite ci-dessus. Cependant, dans l'éventualité où la borne d'alimentation de référence Vdd est à la masse, le résultat sera différent. C'est-à-dire, si l'impulsion négative est appliquée, les transistors NMOS T3 et T5 en tant qu'éléments de protection peuvent décharger l'électricité statique par le fonctionnement du BJT parasite. Si l'impulsion positive est appliquée, les fonctionnements des transistors NMOS T3 et T5 sont dans le même état que lorsque leur tension de claquage BVceo est produite. Cependant, le transistor PMOS T1 constituant le circuit tampon forme une diode du type p+/n entre le drain et le puits du type n de celle-ci et ainsi décharge le courant de débordement provoqué par l'électricité statique à une tension inférieure dans le transistor NMOS T2. Ainsi, des caractéristiques excellentes contre l'électricité statique sont obtenues à la condition que la dimension du transistor PMOS en tant que circuit tampon soit assez grande pour décharger le courant de débordement s'appliquant à celui-ci. Au contraire, si la dimension du transistor PMOS est petite, plusieurs problèmes peuvent se produire. De ce fait, l'utilisation des circuits de protection de l'électricité statique comme représenté aux figures 4A et 4B est limitée à la condition que la dimension du transistor PMOS soit assez grande pour satisfaire le standard d'électricité statique (spécification ESD). C'est un objectif de la présente invention de réaliser un circuit de protection contre de l'électricité statique dans un circuit isolé de la polarisation du substrat qui a une bonne caractéristique pour l'électricité statique par rapport à une borne d'alimentation de référence et une polarisation de source ainsi qu'une polarisation du substrat, et qui ainsi peut protéger un circuit interne contre l'électricité statique appliquée à travers des plages de connexion. Afin de réaliser l'objectif ci-dessus, selon la présente invention, un circuit de protection électrostatique d'un circuit tampon d'entrée/sortie d'un dispositif à semi-conducteur, est caractérisé en ce que le circuit tampon d'entrée/sortie comprend un premier transistor qui a une source couplée à une première tension d'alimentation, un drain couplé à un premier noeud commun et une porte couplée à un second noeud commun et un second transistor qui a une source couplée à une seconde tension d'alimentation, un drain couplé audit premier noeud commun, une porte couplée audit second noeud commun et une région de canal couplée à une tension de masse qui est isolée de ladite seconde tension d'alimentation, n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs étant couplé à une plage d'entrée/sortie comprenant un troisième transistor qui a un drain couplé à ladite première tension d'alimentation, une source couplée à n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs, une porte couplée à ladite seconde tension d'alimentation et une région de canal couplée à ladite tension de masse ; un quatrième transistor qui a une source couplée à ladite seconde tension d'alimentation, un drain couplé à n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs, une porte couplée à ladite seconde tension d'alimentation et une région de canal couplée à ladite tension de masse et un cinquième transistor qui a une source couplée à ladite tension de masse, un drain couplé à n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs, la porte couplée à ladite tension de masse et une région de canal couplée à ladite tension de masse. De préférence, chacun des troisième, quatrième et cinquième transistors précités est un transistor NMOS. Selon un autre mode de réalisation, l'invention propose un circuit de protection électrostatique d'un circuit tampon d'entrée/sortie d'un dispositif à semiconducteur, lequel circuit tampon d'entrée/sortie est caractérisé par un premier transistor qui a une source couplée à une première tension d'alimentation, un drain couplé à un premier noeud commun et une porte couplée à un second noeud commun et un second transistor qui a une source couplée à une seconde tension d'alimentation, un drain couplé audit premier noeud commun, une porte couplée audit second noeud commun et une région de canal couplée à une tension de masse qui est isolée de ladite seconde tension d'alimentation, n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs étant couplé à une plage d'entrée/sortie comprenant un troisième transistor qui a une source couplée à ladite première tension d'alimentation, un drain couplé à n importe lequel desdits seconds noeuds communs, une porte couplée à ladite première tension d'alimentation et une région de canal couplée à ladite tension d'alimentation ; un quatrième transistor qui a un drain couplé à ladite seconde tension d'alimentation, une source couplée à n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs, une porte couplée à ladite première tension d'alimentation et une région de canal couplée à ladite première tension et un cinquième transistor qui a une source couplée à ladite première tension d'alimentation, un drain couplé à n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs, une porte couplée à ladite première tension d'alimentation et une région de canal couplée à ladite première tension d'alimentation. De préférence, chacun des troisième, quatrième et cinquième transistors précités est un transistor PMOS. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, 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 - les figures 1A et 1B sont des schémas de circuits illustrant un circuit CMOS conventionnel isolé de la polarisation du substrat, où la figure 1A représente un circuit tampon d'entrée et la figure 1B un circuit de commande de sortie - la figure 2 est une caractéristique couranttension lorsqu'une tension inverse est appliquée à un transistor CMOS - la figure 3 est une caractéristique couranttension lorsqu'une tension inverse est appliquée à une diode de jonction pn - les figures 4A et 4B sont des schémas de circuits illustrant un circuit CMOS conventionnel isolé de la polarisation du substrat lorsqu'un circuit de protection contre de l'électricité statique est inclu, où la figure 4A représente un circuit tampon d'entrée et la figure 4B représente un circuit de commande de sortie - les figures 5A et 5B sont des schémas de circuits illustrant un circuit de protection contre de l'électricité statique comprenant des transistors NMOS selon un mode de réalisation de la présente invention, où la figure 5A représente un circuit tampon d'entrée et la figure 5B représente un circuit de commande de sortie et - les figures 6A et 6B sont des schémas de circuits illustrant un circuit de protection contre de l'électricité statique comprenant des transistors PMOS selon l'autre mode de réalisation de la présente invention, où la figure 6A représente un circuit tampon d'entrée et la figure 6B représente un circuit de commande de sortie. Maintenant, la construction et le fonctionnement de la présente invention configurée comme ci-dessus sont expliqués en détail en liaison aux dessins annexés. Les figures 5A et 5b illustrent un mode de réalisation de la présente invention prévoyant un élément de protection de l'électricité statique consistant en trois transistors NMOS. En se référant aux dessins, un circuit de protection 11 de l'électricité statique de la présente invention comprend des transistors NMOS T7 et T12 en tant qu'éléments de protection pour protéger un circuit interne si une borne d'alimentation de référence Vdd est à la masse et de l'électricité statique est appliquée, des transistors NMOS T8 et T13 en tant qu'éléments de protection lorsqu'une borne de masse Vss est à la masse et des transistors NMOS T9 et T14 pour fonctionner comme éléments de protection lorsqu'une borne d'alimentation du substrat Vbb du transistor NMOS est à la masse. A cet instant, des transistors PMOS T10 et T15 agissent comme circuits tampon d'entrée/sortie tandis que des transistors NMOS T11 et T16 agissent comme circuits de commande d'entrée/sortie. Comme représenté en figure 5A, le circuit de protection 11 consistant des trois transistors NMOS T7 à T9, étant reliés entre la plage de connexion 1 et le circuit tampon d'entrée 10, est relié à la borne d'alimentation de référence Vdd, la borne de masse Vss et la borne d'alimentation du substrat Vbb, respectivement, pour protéger le circuit tampon d'entrée de l'électricité statique appliquée à travers la plage de connexion 1. Par ailleurs, comme représenté en figure 5B, un circuit de protection 21 consistant en trois transistors NMOS T12 à T14, étant reliés entre la plage de connexion 2 et le circuit de commande de sortie, est relié à la borne d'alimentation de référence Vdd, la borne de masse Vas et la borne d'alimentation du substrat Vbb, respectivement, pour protéger le circuit de commande de sortie de l'électricité statique appliquée à travers la plage de connexion 2. Les figures 6A et 6b illustrent un autre mode de réalisation de la présente invention réalisant un circuit de protection contre de l'électricité statique consistant en trois transistors pMOS. En se référant aux figures 6A et 6B, un circuit de protection 12 consistant en trois transistors PMOS T17 à T19, étant reliés entre une plage de connexion et un circuit tampon d'entrée 10, est relié à chaque borne d'alimentation VD, Vas et Vdd, respectivement. Un circuit de protection 22 de l'électricité statique consistant en trois transistors PMOS T20 à T22, étant reliés entre une plage de connexion 2 et un circuit de commande de sortie 20, est relié à chaque borne d'alimentation VD, Vas, Vbb, respectivement. On souhaite que la polarisation du substrat des trois transistors PMOS ou des trois transistors NMOS soit isolée et reliée à une borne d'alimentation du substrat indépendante Vbb dans les circuits de protection représentés aux figures 5A, 5B, 6A et 6B. De plus, bien que cela ne soit pas représenté aux figures, on souhaite également qu'une résistance soit reliée en série entre la plage de connexion 1 et un circuit tampon d'entrée 10 auxquels les circuits de protection 11, 12, 21 et 22 sont reliés, ou entre une plage de connexion 2 et un circuit de commande de sortie 20. Le fonctionnement du circuit de protection comme décrit ci-dessus est expliqué en détail. Le circuit de protection contre l'électricité statique a le même mécanisme opérationnel pour les bornes d'entrée et de sortie, ainsi le fonctionnement de la borne d'entrée sera complètement expliqué. Tout d'abord, dans l'éventualité où la borne d'alimentation de référence VD est à la masse et une impulsion négative est appliquée à la plage de connexion 1, les transistors NMOS T7 et T12 déchargent l'électricité statique de la même manière que le mécanisme opérationnel pour la tension de claquage BVeco du BJT parasite. Ainsi, les caractéristiques contre l'électricité statique seront obtenues selon la dimension du transistor. Par ailleurs, si une impulsion positive est appliquée, la décharge de l'électricité statique est accomplie doucement parce que les transistors NMOS T7 et T12 fonctionnent dans le même état que leurs tensions de claquage BVceo. En second lieu, dans l'éventualité où la borne de masse Vas est à la masse et une impulsion négative est appliquée à la plage de connexion 1, les caractéristiques de résistance contre l'électricité apparaissent excellentes puisque les transistors NMOS T8 et T13 fonctionnent de la même manière que les transistors NMOS T7 et T12. En troisième lieu, dans l'éventualité où la borne d'alimentation du substrat Vbb de la masse et une impulsion négative est appliquée à la plage de connexion 1, des caractéristiques excellentes contre l'électricité statique seront obtenues si il y a un espace de décharge suffisant parce qu'une diode n+/p- formée entre les drains et le substrat des transistors NMOS T9 et T14 est polarisée dans la direction directe. Par ailleurs, si une impulsion positive est appliquée, des caractéristiques excellentes contre l'électricité statique seront obtenues à la condition d'appliquer la meilleure règle de conception parce qu'un BJT npn est formé dans une région contenant les drains, les sources et les transistors NMOS T9 et T14 fonctionnent de la même manière que l'état opérationnel de la tension de claquage BVEco. Comme décrit ci-dessus, selon la présente invention, un circuit de protection contre l'électricité statique est prévu par lequel des caractéristiques excellentes contre l'électricité statique peuvent être obtenues par rapport à toutes les impulsions d'électricité statique qui peuvent être appliquées par toute source comprenant des bornes d'alimentation de celle-ci de sorte qu'un circuit interne peut être protégé de l'électricité statique y circulant à travers des plages de connexion de celui-ci. Bien que la présente invention ait été décrite et illustrée ici en référence aux modes de réalisation préférés de celle-ci, ceux de l'art comprendront que divers changements en forme et détail peuvent être effectués dans celle-ci sans se démarquer de l'esprit et de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit de protection électrostatique d'un circuit tampon d'entrée/sortie d'un dispositif à semiconducteur, caractérisé en ce que ledit circuit tampon d'entrée/sortie comprend un premier transistor (T10 ; T15) qui a une source couplée à une première tension d'alimentation (Vdd), un drain couplé à un premier noeud commun et une porte couplée à un second noeud commun ; et un second transistor (T11 ; T16) qui a une source couplée à une seconde tension d'alimentation (Vss), un drain couplé audit premier noeud commun, une porte couplée audit second noeud commun et une région de canal couplée à une tension de masse (Vbb) qui est isolée à ladite seconde tension d'alimentation (Vss), n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs étant couplé à une plage dentree/sortie (1 ; 2) comprenant un troisième transistor (T9 ; T12) qui a un drain couplé à ladite première tension d'alimentation (Vdd), une source couplée à n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs, une porte couplée à ladite seconde tension d'alimentation (Vss) et une région de canal couplée à ladite tension de masse (Vbb) ; un quatrième transistor (T8 ; T13) qui a une source couplée à ladite seconde tension d'alimentation (Vss), un drain couplé à n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs, une porte couplée à ladite seconde tension d'alimentation (Vss) et une région de canal couplée à ladite tension de masse (Vbb) et un cinquième transistor (T7 ; T14) qui a une source couplée à ladite tension de masse (Vbb), un drain couplé à n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs, une porte couplée à ladite tension de masse et une région de canal couplée à ladite tension de masse (Vbb). 2. Circuit de protection électrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des troisième, quatrième et cinquième transistors précités est un transistor NMOS. 3. Circuit de protection électrostatique d'un circuit tampon d'entrée/sortie d'un dispositif à semiconducteur, caractérisé en ce que ledit circuit tampon d'entrée/sortie comprend un premier transistor (T10 ; T15) qui a une source couplée à une première tension d'alimentation (Vdd), un drain couplé à un premier noeud commun et une porte couplée à un second noeud commun ; et un second transistor (T11 ; T16) qui a une source couplée à une seconde tension d'alimentation (Vss), un drain couplé audit premier noeud commun, une porte couplée audit second noeud commun et une région de canal couplée à une tension de masse (Vbb) qui est isolée de ladite seconde tension d'alimentation (Vss), n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs étant couplé à une plage d'entrée/sortie (1 ; 2) comprenant un troisième transistor (T19 ; T20) qui a une source couplée à ladite première tension d'alimentation (Vdd), un drain couplé à un n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs, une porte couplée à ladite première tension d'alimentation (Vdd) et une région de canal couplée à ladite première tension d'alimentation (Vdd) un quatrième transistor (T18 ; T21) qui a un drain couplé à ladite seconde tension d'alimentation (Vss), une source couplée à n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs, une porte couplée à ladite première tension d'alimentation (Vdd) et une région de canal couplée à ladite première tension (Vdd) un cinquième transistor (T17 ; T22) qui a une source couplée à ladite première tension d'alimentation (Vdd), un drain couplé à n'importe lequel desdits premier et second noeuds communs1 une porte couplée à ladite première tension d'alimentation (Vdd) et une région de canal couplée à ladite première tension d'alimentation (Vdd). 4. Circuit de protection électrostatique selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacun des troisième, quatrième et cinquième transistors précités est un transistor PMOS.