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JP3196422B2 - 入出力保護回路 - Google Patents
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JP3196422B2 - 入出力保護回路 - Google Patents

入出力保護回路

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JP3196422B2
JP3196422B2 JP12806893A JP12806893A JP3196422B2 JP 3196422 B2 JP3196422 B2 JP 3196422B2 JP 12806893 A JP12806893 A JP 12806893A JP 12806893 A JP12806893 A JP 12806893A JP 3196422 B2 JP3196422 B2 JP 3196422B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本願の発明は、半導体装置等の内
部回路を静電破壊から保護するための入出力保護回路に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体装置等における入出力保護素子と
して、ドレインを入出力端子に接続し、ソース及びゲー
トを接地したNMOSトランジスタがある。このNMO
Sトランジスタでは、そのチャネル幅が広いほど、放電
時の電流密度が小さく、静電破壊電圧が高くて、静電破
壊耐量が優れている。しかし、チャネル幅が例えば12
00μmと広いと、このNMOSトランジスタは非常に
細長くなり、半導体装置そのものを大きくする必要等が
生じる。
【0003】そこで、例えばチャネル幅が200μmの
NMOSトランジスタを6個並列に接続し、全体として
のチャネル幅を広くした入出力保護回路が考えられてい
る。図4は、この様な入出力保護回路の一従来例を示し
ている。この一従来例では、入出力端子11と内部回路
12との間で、6個のNMOSトランジスタ13のドレ
イン14同士及びソース15同士が同一のノードとして
並列に接続された状態で、ドレイン14が入出力端子1
1に接続されており、ソース15、ゲート16及び基板
17が接地されている。
【0004】この一従来例で、入出力端子11に高電圧
が印加されると、NMOSトランジスタ13において、
そのドレイン14がコレクタに、ソース15がエミッタ
に、基板17がベースに夫々相当する寄生バイポーラト
ランジスタが動作し、NMOSトランジスタ13を通し
て放電が行われる。このため、高電圧がそのまま内部回
路12に印加されることがなく、内部回路12が保護さ
れる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図4に示した
一従来例の様に複数個のNMOSトランジスタ13が並
列に接続されている場合、必ずしも総てのNMOSトラ
ンジスタ13で寄生バイポーラトランジスタが動作して
放電が行われる訳ではない。そして、寄生バイポーラト
ランジスタが動作するNMOSトランジスタ13の数が
少ないほど、有効なチャネル幅が狭くなり、放電時の電
流密度が大きくなる。
【0006】このため、発熱によってNMOSトランジ
スタ13自体が破壊に至り易く、静電破壊電圧が期待し
ていた値よりも低くなっていた。しかも、NMOSトラ
ンジスタ13がLDD構造やサリサイド構造である場合
は、シングルドレイン構造である場合に比べて更に静電
破壊電圧が低いことが知られている。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1の入出力保護回
路では、複数のNMOSトランジスタ13の各々のドレ
イン14が互いに並列に入出力端子11に接続されてお
り、前記複数のNMOSトランジスタ13の各々のソー
ス15が接地されており、前記複数のNMOSトランジ
スタ13の各々のゲート16が抵抗素子21を直列に介
して接地されている。
【0008】請求項2の入出力保護回路では、請求項1
の入出力保護回路において、前記ドレイン14と前記ゲ
ート16との間または前記ソース15と前記ゲート16
との間の少なくとも一方に容量素子24、25が接続さ
れている。
【0009】請求項3の入出力保護回路では、請求項1
または2の入出力保護回路において、前記入出力端子側
11から電源側に対して順方向となる非線型素子31が
前記入出力端子11に接続されている。
【0010】
【作用】請求項1の入出力保護回路では、NMOSトラ
ンジスタ13のゲート16が抵抗素子21を直列に介し
て接地されているので、立ち上がり時間の非常に短い正
の高電圧パルスが入出力端子11に印加されると、ゲー
ト16−ドレイン14間の寄生容量22とゲート16−
ソース15間の寄生容量23とでドレイン14−ソース
15間の電圧を分圧した電圧まで、ゲート電圧が上昇す
る。このため、放電時に、NMOSトランジスタ13が
導通状態かそれに近い状態になり、多くのNMOSトラ
ンジスタ13において寄生バイポーラトランジスタが動
作し易くなる。
【0011】しかも、NMOSトランジスタ13のゲー
ト電圧が上述の電圧まで上昇しても、ゲート16−ドレ
イン14間及びゲート16−ソース15間の寄生容量2
2、23と抵抗素子21との時定数によって、ゲート電
圧は0Vまで減衰する。このため、NMOSトランジス
タ13において寄生バイポーラトランジスタが動作し
同時にNMOSトランジスタ13のチャネル電流が流れ
たとしても、このチャネル電流が流れ続けることはな
い。これによって、NMOSトランジスタ13の破壊が
防止される。
【0012】請求項2の入出力保護回路では、NMOS
トランジスタ13のゲート16に印加される電圧を容量
素子24、25で制御して適正化することができるの
で、放電時にNMOSトランジスタ13のチャネルを電
流が過大に流れるのを防止することができる。
【0013】請求項3の入出力保護回路では、非線型素
子31によって、放電時に入出力端子11の電圧をNM
OSトランジスタ13のスナップバック電圧程度に保持
することなく速やかに低下させることができる。
【0014】
【実施例】以下、本願の発明の第1〜第3実施例を、図
1〜3を参照しながら説明する。なお、図4に示した一
従来例と対応する構成部分には、同一の符号を付してあ
る。
【0015】図1が、第1実施例を示している。この第
1実施例は、ゲート16同士も同一のノードとして並列
に接続されており、且つこのノードが抵抗素子21を直
列に介して接地されていることを除いて、図4に示した
一従来例と実質的に同様の構成を有している。
【0016】NMOSトランジスタ13のゲート16と
ドレイン14との間及びゲート16とソース15との間
には、オーバラップ容量等の寄生容量22、23が夫々
存在している。そして、ゲート16が抵抗素子21を直
列に介して接地されている。このため、立ち上がり時間
の非常に短い正の高電圧パルスが入出力端子11に印加
されると、ドレイン14とソース15との間の電圧を寄
生容量22、23で分圧した電圧まで、ゲート16の電
圧が上昇する。
【0017】この様に、入出力端子11に高電圧が印加
された直後は、各NMOSトランジスタ13のゲート1
6に同じ正の電圧が印加されるので、各NMOSトラン
ジスタ13が導通状態かそれに近い状態になり、多くの
NMOSトランジスタ13において寄生バイポーラトラ
ンジスタが動作し易くなる。このため、並列に接続され
ている6個のNMOSトランジスタ13全体の有効なチ
ャネル幅が広く、放電時の電流密度が小さい。
【0018】一方、NMOSトランジスタ13が導通状
態であり続けると、そのチャネルを流れる電流が過大に
なり、NMOSトランジスタ13が破壊に至り易い。N
MOSトランジスタ13が破壊されると、この破壊され
たNMOSトランジスタ13を通してリーク電流が流れ
る原因にもなる。
【0019】しかし、この第1実施例では、抵抗素子2
1の抵抗値をRとし、寄生容量22、23の容量値を夫
々c1 、c2 とし、各NMOSトランジスタ13のサイ
ズが同一でC1 =c1 ×6、C2 =c2 ×6とすると、
τ=(C1 +C2 )Rの時定数で、ゲート16の電圧が
0Vまで減衰する。このため、NMOSトランジスタ1
3が導通状態であり続けることはない。
【0020】この様に、並列に接続されている6個のN
MOSトランジスタ13全体の有効なチャネル幅が広く
て放電時の電流密度が小さく、しかもNMOSトランジ
スタ13が導通状態であり続けてそのチャネルを流れる
電流が過大になることもないので、発熱によってNMO
Sトランジスタ13が破壊に至ることが少なく、静電破
壊電圧が高い。
【0021】なお、この第1実施例ではゲート16同士
を同一のノードとして並列に接続してから抵抗素子21
を直列に介して接地しているので、各NMOSトランジ
スタ13のゲート16の各々が抵抗素子21を直列に介
して接地している構造に比べて、等しいバイアス電圧を
ゲート16に印加することができる。
【0022】図2が、第2実施例を示している。この第
2実施例は、ドレイン14とゲート16との間またはソ
ース15とゲート16との間の少なくとも一方に容量素
子24、25が接続されていることを除いて、図1に示
した第1実施例と実質的に同様の構成を有している。
【0023】ところで、放電時にNMOSトランジスタ
13のゲート16に印加される電圧は閾値電圧よりも少
し高い程度でよく、高すぎると、NMOSトランジスタ
13のチャネルを電流が過大に流れることもあり得る。
しかし、上述の第1実施例では、ゲート16に印加され
る電圧が寄生容量22、23によって決定されるので、
この印加電圧を適正な値に制御することが困難である。
これに対して、この第2実施例では、印加電圧を容量素
子24、25で制御して適正化することができる。
【0024】図3が、第3実施例を示している。この第
3実施例は、PMOSトランジスタ31のソース32が
入出力端子11に接続されており、ドレイン33、ゲー
ト34及び基板35が電源に接続されていることを除い
て、図2に示した第2実施例と実質的に同様の構成を有
している。
【0025】この様な第3実施例では、入出力端子11
に印加されている電圧が電源電圧よりも低ければ、PM
OSトランジスタ31のソース32と基板35とが逆バ
イアスされているので、これらのソース32と基板35
との間には電流が流れない。しかし、電源電圧よりも高
い電圧が入出力端子11に印加されると、ソース32と
基板35とが順バイアスされるので、これらのソース3
2と基板35との間に電流が流れる。従って、PMOS
トランジスタ31のソース32と基板35とは非線型素
子であるダイオードとして機能する。
【0026】また、電源電圧よりも高い電圧が入出力端
子11に印加されると、電源に接続されているゲート3
4の電圧よりもソース32の電圧が高くなるので、PM
OSトランジスタ31が導通状態になって、PMOSト
ランジスタ31としてのチャネルにも電流が流れる。
【0027】ところで、上述の第1及び第2実施例で
、正の高電圧パルスが入出力端子11に印加された
、ドレイン14とソース15との間の電圧は、NMO
Sトランジスタ13のスナップバック電圧程度に保持さ
れる。しかし、この第3実施例では、上述の様にPMO
Sトランジスタ31に電流が流れるので、入出力端子1
1の電圧をNMOSトランジスタ13のスナップバック
電圧程度に保持することなく速やかに低下させることが
できる。
【0028】なお、上述の様に、PMOSトランジスタ
31のソース32と基板35とがダイオードとして機能
するが、このPMOSトランジスタ31の代わりにダイ
オードを作成するよりもPMOSトランジスタ31を作
成する方が、半導体装置の製造プロセスの全体をMOS
トランジスタの製造プロセスで統一することができて好
ましい。
【0029】
【発明の効果】請求項1の入出力保護回路では、放電時
に多くのNMOSトランジスタにおいて寄生バイポーラ
トランジスタが動作し易いので、各NMOSトランジス
タにおける電流密度が小さく、しかも、NMOSトラン
ジスタにおいて寄生バイポーラトランジスタが動作し続
けることもない。このため、放電時に発熱によってNM
OSトランジスタが破壊に至ることが少なく、静電破壊
電圧が高い。
【0030】請求項2の入出力保護回路では、放電時に
NMOSトランジスタのチャネルを電流が過大に流れる
のを防止することができるので、放電時に発熱によって
NMOSトランジスタが破壊に至ることが更に少なく、
静電破壊電圧が更に高い。
【0031】請求項3の入出力保護回路では、放電時に
入出力端子の電圧をNMOSトランジスタのスナップバ
ック電圧程度に保持することなく速やかに低下させるこ
とができるので、放電時に発熱によってNMOSトラン
ジスタが破壊に至ることが更に少なく、静電破壊電圧が
更に高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願の発明の第1実施例の等価回路図である。
【図2】第2実施例の等価回路図である。
【図3】第3実施例の等価回路図である。
【図4】本願の発明の一従来例を示しており、(a)は
等価回路図、(b)は平面図である。
【符号の説明】
11 入出力端子 13 NMOSトランジスタ 14 ドレイン 15 ソース 16 ゲート 21 抵抗素子 24 容量素子 25 容量素子 31 PMOSトランジスタ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のNMOSトランジスタの各々のド
    レインが互いに並列に入出力端子に接続されており、 前記複数のNMOSトランジスタの各々のソースが接地
    されており、 前記複数のNMOSトランジスタの各々のゲートが抵抗
    素子を直列に介して接地されていることを特徴とする入
    出力保護回路。
  2. 【請求項2】 前記ドレインと前記ゲートとの間または
    前記ソースと前記ゲートとの間の少なくとも一方に容量
    素子が接続されていることを特徴とする請求項1記載の
    入出力保護回路。
  3. 【請求項3】 前記入出力端子側から電源側に対して順
    方向となる非線型素子が前記入出力端子に接続されてい
    ることを特徴とする請求項1または2記載の入出力保護
    回路。
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JP3237110B2 (ja) 1998-03-24 2001-12-10 日本電気株式会社 半導体装置
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