Brevet FR2782581A1 — publié le 20000225

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES DECHARGES ELECTROSTATIQUES La présente invention concerne un dispositif de protection d'un circuit intégré, contre les décharges électrostatiques. On connaît depuis longtemps la nécessité de protéger les circuits intégrés contre les décharges électrostatiques. Ces décharges électrostatiques se produisent notamment alors que le circuit intégré n'est pas alimenté, notamment lors de manipulations manuelles de ces circuits intégrés, entre deux broches externes. Aussi des dispositifs de protection sont habituellement prévus, placés sur chaque broche d'entrée/sortie du circuit integré, qui permettent à la fois d'écrêter la tension et l'écoulement des charges sans détruire ni dégrader le circuit intégré. Un dispositif de protection bien connu représenté sur la figure 1 comprend, sur chaque broche d'entrée/sortie du circuit intégré, sur la broche Pl dans l'exemple représenté, deux diodes D1 et D2 connectées en série, l'une, Dl, entre un point interne Ni de connexion à la broche et une ligne interne A d'alimentation positive, l'autre, D2, entre une ligne interne B d'alimentation négative ou nulle, et ce même point interne Ni de connexion. Si les potentiels d'alimentation appliqués sur les lignes A et B sont respectivement Vcc, entre 3 et 5 volts par exemple, et Vss, zéro volt, et si on note Vdl et Vd2 la tension de coude des diodes D1 et D2, les tensions appliquées sur la broche P1 sont écrêtées par le dispositif de protection à Vcc+Vdl en positif et Vss- Vd2 en négatif. Cet écrêtage, s'il est satisfaisant dans le cadre de la protection contre les décharges électrostatiques, peut s'avérer très gênant en opérationnel. 2 2782581 En effet, cet écrêtage intervient aussi en opérationnel. Or, dans certaines applications, la tension appliquée en mode de fonctionnement opérationnel sur certaines broches d'entrée/sortie d'un circuit intégré peut dépasser le niveau d'une tension d'alimentation. Un exemple d'une application dans laquelle de tels niveaux de tension dépassant le niveau d'une tension d'alimentation sont utilisés en opérationnel, concerne le domaine des radio-fréquences. Dans certaines applications de radio-fréquence, on utilise en réception un signal référencé par rapport à une masse virtuelle. Pour des raisons de capacité de couplage, cette masse virtuelle peut notamment être choisie égale au niveau de la tension d'alimentation positive, Vcc dans l'exemple. On reçoit alors sur une broche du circuit intégré, un signal dont la valeur continue est calée sur le niveau de la tension d'alimentation positive Vcc et dont la valeur alternative oscille autour de cette valeur continue. En opérationnel, la valeur instantanée de la tension sur la broche associée va donc régulièrement dépasser le niveau de la tension d'alimentation positive Vcc. Si on place sur cette broche le dispositif de protection contre les décharges électrostatiques vu à la figure 1, en opérationnel, ce dispositif va se déclencher. Le circuit intégré ne pourra donc pas assurer sa fonctionnalité. Le dispositif de protection de l'état de la technique n'est donc pas compatible avec ce genre d'applications. Un objet de l'invention est un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques qui n'ait pas ces inconvénients. Une solution a été apportée à ce problème technique, qui consiste à placer entre la diode D1 et 3 2782581 la ligne d'alimentation positive, un transistor de protection et à connecter entre l'électrode de commande de ce transistor et la diode Dl, un empilement de N diodes en série, N au moins égal à un. En pratique, le nombre N de diodes de l'empilage dépend du seuil par rapport à Vcc auquel on veut que le transistor de protection se déclenche. De préférence, le transistor de protection utilisé est de type bipolaire. Telle que revendiquée, l'invention concerne donc un dispositif de protection d'une broche d'entrée/sortie d'un circuit intégré contre des décharges électrostatiques, comprenant une première diode dl entre une ligne d'alimentation positive et un noeud interne de connexion à ladite broche et une deuxième diode entre ledit noeud interne et une deuxième ligne d'alimentation négative ou nulle. Selon l'invention, il comprend en outre un transistor de protection connecté en série entre ladite ligne d'alimentation positive et la première diode et un empilement de N diodes, N au moins égal à un, en série entre l'électrode de commande du transistor de protection et la première diode. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont détaillés dans la description suivante faite à titre indicatif et nullement limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 déjà décrite représente un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques appliqué à une broche de circuit intégré selon l'état de la technique; - les figures 2a et 2b représentent un schéma d'un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques appliqué à une broche de circuit intégré selon l'invention; 4 2782581 - la figure 3 représente un schéma-bloc de principe de la protection d'un circuit intégré contre les décharges électrostatiques et - la figure 4 représente un schéma détaillé d'un mode de réalisation d'un écrêteur utilisé dans le dispositif de la figure 3. La figure 2a représente un dispositif de protection selon l'invention appliqué à une broche d'entrée/sortie P1 de circuit intégré. Il comprend entre le noeud de connexion interne N1 de la broche Pi et la ligne d'alimentation négative ou nulle B, une diode D2. Cette diode est normalement polarisée en inverse. Elle a sa cathode reliée au noeud N1 et son anode reliée à la ligne B. Le dispositif comprend en outre un transistor de protection T1 et une diode D1 connectés en série entre la ligne d'alimentation positive A et le noeud de connexion interne Ni. De préférence, et comme représenté, le transistor de protection T1 est un transistor bipolaire, dans l'exemple de type NPN. Son collecteur est connecté à la ligne d'alimentation positive A et son émetteur est connecté à la cathode de la diode D1. La diode D1 est normalement polarisée en inverse. Son anode est connectée au noeud interne Ni. Un empilement 1 de N diodes Di, Dj, Dz en série est connecté entre la diode Di et l'électrode de commande 2. Ces N diodes sont, comme la diode D1, normalement polarisées en inverse. La première diode Di a son anode connectée à la cathode de la diode Dl tandis que la dernière diode Dz a sa cathode connectée à l'électrode de commande 2 du transistor de protection. Dans l'exemple, s'agissant d'un transistor bipolaire, cette électrode de commande est la base. 2782581 Une résistance 3 est prévue entre la ligne d'alimentation positive A et l'électrode de commande 2. Les diodes de l'empilement 1 sont en pratique identiques, avec une tension de coude notée Vd. En fonctionnement normal, tant que la tension sur la broche P1 est inférieure à Vcc+Vdl+N.Vd, aucun courant ne passe dans le circuit série formé par la résistance 2, l'empilement 1 et la diode D1. Le transistor T1 est bloqué. En cas de décharge électrostatique sur la broche d'entrée/sortie Pl, la tension sur cette broche dépasse le niveau Vcc+Vdl+N.Vd. L'empilement 1 des N diodes et la diode D1 laissent alors passer le courant, ce qui entraîne des conditions sur l'électrode de commande 2 suffisantes à déclencher le transistor de protection T1. Le courant de décharge passe alors par ce transistor de protection T1, qui offre une résistance très faible et la diode D1. En pratique, le transistor T1 est dimensionné pour supporter un courant de décharge typique. Dans un perfectionnement, on prévoit un condensateur 4 connecté en parallèle sur la résistance 3. En cas de décharge, il aide au déclenchement de la structure formée par les diodes et le transistor. En pratique, les diodes Dl, D2 et les N diodes de l'empilement ne sont pas nécessairement réalisées dans la même technologie. En ce qui concerne les diodes D1 et D2, on choisit de préférence une technologie qui offre une capacité équivalente la plus faible possible, de manière à minimiser la capacité équivalente de la broche P1 vue de la circuiterie interne du circuit integré. Cette exigence se retrouve par exemple dans des applications de radio-fréquence. on pourra par exemple réaliser la diode D2 par une jonction PN de type base de transistor bipolaire. La diode D1 pourra être réalisée selon une technique semblable. 6 2782581 Pour les diodes de l'empilement, on n'a pas les mêmes exigences. En pratique, on peut les réaliser à partir de transistors bipolaires, comme représenté sur la figure 2b, chaque diode étant constituée par un transistor bipolaire dont la base et l'émetteur sont court-circuités. La figure 2b montre aussi une variante de réalisation du dispositif de protection dans laquelle on prévoit une résistance de limitation du courant, RE, placée entre la broche et le noeud interne de connexion N1. La figure 3 représente le principe général de protection d'un circuit intégré contre les décharges électrostatiques. Une décharge se produit entre deux bornes d'entrée/sortie du circuit intégré. Si on prend les bornes d'entrée/sortie Pl et P2, on adjoint à chacune un dispositif de protection associé, identique à celui de la figure 2a. On a ainsi le dispositif DP1 pour la broche P1 et le dispositif DP2 pour la broche P2. On prévoit en outre un dispositif écréteur DP3, connecté entre les deux lignes d'alimentation A et B. Le rôle de cet écrêteur est de fournir un chemin de plus faible résistance dans le circuit intégré, en cas de décharge électrostatique. Ainsi, on est certain que le courant de décharge va passer par ce chemin de plus faible résistance et ne pas endommager le circuit intégré. Par exemple, si la décharge électrostatique se traduit par une surtension positive sur la broche P1 et une surtension négative sur la broche P2, le courant de décharge va passer par la diode D1 et le transistor T1 du dispositif DP1, par l'écrêteur DP3 puis par la diode D2 du dispositif DP2, comme indiqué par les flèches sur la figure 3, sans endommager le circuit intégré. Le dispositif de protection associé à chaque broche d'entrée/sortie du circuit intégré selon l'invention 7 2782581 permet ainsi de régler le seuil d'écrêtage en tension, en choisissant pour l'empilement 1, un nombre N de diodes approprié, au moins égal à un, tout en imposant un chemin de passage pour le courant de décharge avec seulement un transistor et une diode. Enfin, la capacité équivalente vue par la circuiterie interne est seulement celle dues aux diodes D1 et D2, et aux métaux pour réaliser le contact sur la broche, le reste de la circuiterie (transistor T1, empilement 1 de N diodes) étant en série avec la diode D1. Ainsi, le dispositif de protection selon l'invention, ne change rien à la capacité vue par la circuiterie interne, et ne dégrade donc pas les caractéristiques du circuit intégré. On garde donc une très faible capacité équivalente, ce qui est très important pour des applications dans le domaine des radio-fréquences. La figure 4 représente un exemple d'un mode de réalisation de l'écrêteur DP3 de la figure 3. La fonction de l'écrêteur est de se déclencher au franchissement d'un seuil de tension, le déclenchement correspondant à une mise en court- circuit des deux lignes d'alimentation A et B. De cette manière le courant de décharge passe nécessairement par ce court- circuit, ce qui permet d'éviter d'endommager le circuit intégré par un fort courant dans le substrat. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, il s'agit d'un écrêteur dynamique, c'est à dire d'un écrêteur qui ne va se déclencher que sur une variation très rapide de tension. On peut aussi recourir aux écrêteurs statiques bien connus. L'avantage d'utiliser un écrêteur dynamique tient dans sa rapidité de déclenchement. L'écrêteur dynamique représenté sur la figure 4 comprend ainsi un étage de déclenchement, comprenant un condensateur Cl et une résistance R1, en série entre 8 2782581 les deux lignes d'alimentation A et B, le point de connexion NCl entre le condensateur et la résistance fournissant un signal de déclenchement à une structure cascade de transistors. Dans l'exemple, cette structure cascade comprend trois transistors T2, T3 et T4. Un premier transistor T2 est connecté en série avec une résistance R2 entre les deux lignes d'alimentation A et B. Son électrode de commande est connecté au point de connexion NC1. Un deuxième transistor T3 est connecté en série avec une résistance R3 entre les deux lignes d'alimentation A et B. Son électrode de commande est connecté au point de connexion NC2 entre le premier transistor T2 et la résistance R2. Un troisième transistor T4 est connecté entre les deux lignes d'alimentation A et B. Son électrode de commande est connecté au point de connexion NC3 entre le deuxième transistor T3 et la résistance R3. En pratique, le dernier transistor de la structure cascade, T4 dans l'exemple est très large. C'est lui qui, quand il est passant, offre la résistance la plus faible et qui va donc principalement supporter le courant de décharge. Dans l'exemple, et comme représenté sur la figure, ces transistors sont des transistors bipolaires de type NPN. Le condensateur Cl a alors une broche reliée à la tension d'alimentation positive, l'autre broche étant reliée à une broche de la résistance R1, l'autre broche R1 étant reliée à la ligne d'alimentation négative ou nulle, B. De même, les transistors T2, T3, T4 ont chacun leur émetteur connecté à la ligne d'alimentation positive et leur collecteur relié à la tension d'alimentation négative, par une résistance le cas échéant. Avec des transistors de type MOS, on obtient une structure identique fonctionnant de la même façon. Cette structure est particulièrement efficace en terme de court-circuit, le signal de déclenchement 9 2782581 fournit par le point de connexion NCl entre le condensateur C1 et la résistance Ri déclenchant presque instantanément tous les transistors en cascade. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection d'une broche d'entrée/sortie (Pi) d'un circuit intégré contre des décharges électrostatiques, comprenant une première diode (D1) entre une ligne d'alimentation positive (A) et un noeud interne (N1) de connexion à ladite broche et une deuxième diode (D2) entre ledit noeud interne et une deuxième ligne d'alimentation négative ou nulle (B), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un transistor de protection (T1) connecté en série entre ladite ligne d'alimentation positive et la première diode (D1), et un empilement (1) de N diodes, N au moins égal à un, en série entre l'électrode de commande (2) du transistor de protection (T1) et la première diode (Di). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une résistance (3) est prévue entre la ligne d'alimentation positive et ladite électrode de commande (2). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un condensateur (4) est en outre prévu, connecté en parallèle sur la dite résistance. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transistor de protection est en technologie bipolaire. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance de limitation du courant (RE) entre ladite broche (Pl) et ledit noeud interne (N1). 6. Circuit intégré caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de protection (DP1, DP2) selon l'une quelconque des revendications précédentes sur chaque broche d'entrée/sortie (P1, P2) du circuit intégré. 7. Circuit intégré selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif écrêteur (DP3) connecté entre les deux lignes d'alimentation (A et B) du circuit intégré. 8. Circuit intégré selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif écrêteur (DP3) est de type dynamique. 9. Circuit intégré selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif écrêteur (DP3) comprend un condensateur (Cl) et une résistance (Rl) connectés en série entre les deux lignes d'alimentation (A et B), le point de connexion (NC1) entre ce condensateur et cette résistance fournissant un signal de déclenchement d'une structure cascade de transistors (T2, T3, T4) connectés entre les deux lignes d'alimentation. 10. Circuit intégré selon la revendication 9, caractérisé en ce que les transistors sont en technologie bipolaire. 11. Circuit intégré selon la revendication 9, caractérisé en ce que les transistors sont en technologie MOS.