Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schutzschaltung gegen Überspannung, insbesondere gegen elektrostatische Entladung gemäß Patentanspruch 1 und 2.

Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von verschiedenen Schutzschaltungen für elektronische Bausteine, z. B. integrierte Schaltungen gegen elektrostatische Entladungen bekannt. Integrierte Schaltungen werden zunehmend empfindlicher gegen elektrostatische Entladungen, da die Integrationsdichte, insbesondere bei Speicher- und Logikbausteinen zunimmt und dadurch die Dicke der Leitungsstrukturen und der Isolationsschichten weiter abnehmen.

Als Lösung gegen elektrostatische Entladungen werden auf den Bauelementen Strukturen integriert, die im Normalbetrieb nichtleitend sind und im Fall einer elektrostatischen Entladung leiten und die Ladung abführen, um eine Beschädigung des Bausteins zu vermeiden. Dazu werden beispielsweise Dioden, Thyristoren oder MOSFET-Schaltungen verwendet. Ebenso werden Transistoren, wie z.B. MOSFETs oder Thyristoren eingesetzt, die im Fall einer elektrostatischen Entladung durch eine entsprechende Ansteuerschaltung leitend geschaltet werden, um die elektrostatische Ladung abzuführen.

Eine elektrostatische Entladung dauert in der Regel einige 100 ns. Zur Unterscheidung einer elektrostatischen Entladung von einem normalen Einschaltvorgang, wie z. B. dem Anlegen der Versorgungsspannung werden in der Regel RC-Glieder verwendet. Beispielsweise wird, wenn sich die Spannung zwischen zwei Versorgungsnetzen (VDD-VSS) sehr schnell ändert, ein Transistor, der zwischen die Versorgungsnetze geschaltet ist, leitend geschaltet, und so ein Entladepfad kontrolliert. Ändert sich die Versorgungsspannung vergleichsweise langsam, wie bei einem normalen Einschaltvorgang, so bleibt der Transistor nicht leitend geschaltet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Schutzschaltung, insbesondere für eine elektrostatische Entladung bereitzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Schutzschaltung gemäß Anspruch 2 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der Schutzschaltung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein Vorteil der Schutzschaltung besteht darin, ein einfaches Verfahren und eine einfach aufgebaute Halteschaltung zur Erkennung einer erhöhten Spannung, insbesondere einer elektrostatischen Entladung zu verwenden. Dadurch wird zum einen ein einfach aufgebautes Bauteil verwendet, das zudem eine geringe Fläche, beispielsweise bei der Integrierung in eine integrierte Schaltung, wie z. B. einem Speicherbaustein aufweist. Die Halteschaltung und die Steuerschaltung werden von der zu schützenden Leitung mit Spannung versorgt, wobei die Halteschaltung nach dem Anlegen einer Spannung innerhalb einer Haltezeit von einem ersten auf einen zweiten Zustand übergeht. Die Steuerschaltung geht innerhalb einer Startzeit von einem Ruhezustand in einen Betriebszustand über, in dem die Steuerschaltung mit ausreichend Spannung versorgt wird, um das Schutzelement zu schalten. Je schneller die Spannung auf der Leitung ansteigt, umso kürzer ist die Startzeit. Im Betriebszustand steuert die Steuerschaltung das Schutzelement an, wenn sich die Halteschaltung noch im ersten Zustand befindet. Die Steuerschaltung ist in der Weise ausgebildet, dass bei einem normalen Einschaltvorgang die Startzeit länger ist als die Haltezeit. Somit wird bei einem normalen Anstieg der Spannung auf der Leitung das Schutzelement nicht angesteuert. Tritt ein starker Spannungsanstieg auf, so wird die Startzeit kürzer als die Haltezeit.

In einer Weiterbildung ist die Steuerschaltung in der Weise ausgebildet, dass die Startzeit mit steigender zeitlicher Änderung der Spannung auf der Leitung abnimmt und ab einem Schwellwert der zeitlichen Änderung der Spannung der Betriebszustand vor dem Ende der Haltezeit erreicht wird. Dadurch wird ab einem festgelegten Schwellwert für die zeitliche Änderung der Spannung auf der Leitung von der Steuerschaltung ein erster Zustand der Halteschaltung erkannt und ein Ansteuersignal an das Schutzelement ausgegeben, um die Leitung mit einem Entladepfad zu verbinden und vor Überspannung zu schützen.

In einer weiteren Ausbildungsform ist die Halteschaltung in Form einer Halteschaltung ausgebildet, die beim Anlegen einer Spannung innerhalb der Haltezeit von einem instabilen Zustand in einen stabilen Zustand übergeht, wobei die Halteschaltung im stabilen und im instabilen Zustand unterschiedliche Ausgangssignale an die Steuerschaltung abgibt.

In einer weiteren Ausbildungsform ist die Halteschaltung in Form von zwei miteinander gekoppelten Inverterschaltungen ausgebildet. Der Aufbau von zwei Inverterschaltungen bietet mit einfachen Mitteln die gewünschte Funktion der bistabilen Halteschaltung.

Vorzugsweise sind die zwei Inverterschaltungen identisch ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform sind die Eingänge der Inverterschaltungen über je zwei Kondensatoren mit einer Referenzleitung und mit einer zu schützenden elektrischen Leitung verbunden.

Weiterhin kann die Steuerschaltung eine Treiberschaltung zur Verstärkung des Ausgangssignals aufweisen.

Im Entladepfad kann ein Feldeffekttransistor oder ein Thyristor vorgesehen sein, der mit der zu überwachenden elektrischen Leitung und einer Masseleitung verbunden ist und im Fall einer erhöhten elektrischen Ladung die elektrische Leitung mit einem Entladepfad leitend verbindet.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Schutzschaltung in einer integrierten Schaltung, beispielsweise einem Speicherbaustein, angeordnet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Speicherbausteins mit einer Schutzschaltung,

2 eine erste Ausführungsform einer bistabilen Halteschaltung,

3 eine weitere Ausführungsform mit einer Steuerschaltung, einer Treiberschaltung und einem Entladepfad,

4 eine weitere Ausführungsform der Schutzschaltung mit einem Thyristor im Entladepfad,

5 ein Diagramm für Ströme und Spannungen der Schutzschaltung für einen normalen Einschaltvorgang,

6 ein Diagramm für Ströme und Spannungen der Schutzschaltung für einen ersten Anwendungsfall, und

7 ein Diagramm für Ströme und Spannungen der Schutzschaltung für einen zweiten Anwendungsfall.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Schaltung 1, die beispielsweise in Form eines elektronischen Bausteins ausgebildet sein kann. Ein elektronischer Baustein kann beispielsweise eine integrierte Schaltung, wie Z. B. eine Speicherschaltung enthalten. Die Speicherschaltung kann beispielsweise in Form eines DRAM oder SRAM oder eines Flashspeichers ausgebildet sein.

Die elektrische Schaltung 1 weist eine Vielzahl von elektrischen Leitungen 2 auf, wobei nur eine elektrische Leitung 2 dargestellt ist und die elektrische Leitung 2 mit einer Schutzschaltung 3 verbunden ist. Die Schutzschaltung 3 weist eine Halteschaltung 4, eine Steuerschaltung 5 und ein Schutzelement 6 auf. Die Halteschaltung 4 ist mit einem ersten Anschluss, die Steuerschaltung 5 mit einem zweiten Anschluss und das Schutzelement 6 mit einem dritten Anschluss mit der Leitung 2 verbinden. Die Schutzschaltung 3 dient zum Schutz der elektrischen Leitung 2 vor einer Überspannung, insbesondere vor einer elektrostatischen Entladung.

Die Funktion der Schutzschaltung 3 besteht darin, die Spannung auf der elektrischen Leitung 2 mit der Halteschaltung zu überwachen und bei Erkennen einer unerwünschten Spannungssteigerung mit der Steuerschaltung 5 ein Schutzelement 6 in der Weise zu schalten, dass elektrische Ladung von der elektrischen Leitung 2 über einen Entladepfad abgeführt wird und somit einer weiteren Spannungszunahme auf der elektrischen Leitung 2entgegengewirkt wird. Dazu wird der dritte Anschluss über einen Entladeanschluss mit dem Entladepfad verbunden.

Die Halteschaltung 4 weist einen ersten und einen zweiten Ausgang 7, 8 auf, die mit der Steuerschaltung 5 verbunden sind. Die Steuerschaltung 5 wertet die Signale, insbesondere die Spannungen auf dem ersten und zweiten Ausgang 7, 8 aus und gibt bei Erkennen von festgelegten Signalen oder Spannungen auf dem ersten und zweiten Ausgang 7, 8 und bei einer ausreichenden Spannungsversorgung durch die Leitung 2 ein Steuersignal über einen dritten Ausgang 9 an das Schutzelement 6. Bei Erhalt des Steuersignals wird das Schutzelement 6 in der Weise angesteuert, dass elektrische Ladung von der elektrischen Leitung 2 über einen Entladepfad abgeführt wird und auf diese Weise einer weiteren Zunahme der Spannung auf der elektrischen Leitung 2 entgegengewirkt wird. Die Halteschaltung 4, die Steuerschaltung 5 und das Schutzelement 6 können in einer Schaltung in einem Bauteil oder in Form von mehreren Schaltungen und/oder mehreren Bauteilen realisiert sein. Die Steuerschaltung und die Halteschaltung sind in der Weise aufgebaut, dass bei Anlegen einer Versorgungsspannung auf der Leitung 2 die Halteschaltung 4 unter normalen Bedingungen den metastabilen Zustand verlassen hat, bevor die Steuerschaltung 5 eine ausreichende Versorgungsspannung aufweist, um das Schutzelement schalten zu können. Tritt eine elektrostatische Entladung beim Einschaltvorgang auf, dann erreicht die Steuerschaltung 5 die ausreichende Versorgungsspannung bevor die Halteschaltung 4 den metastabilen Zustand verlassen hat. Folglich wird über das Schutzelement von der Steuerschaltung 5 die Leitung 2 mit dem Entladepfad verbunden.

2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Halteschaltung 4 in Form einer ersten und einer zweiten Inverterschaltung 10, 11 realisiert ist. Ein Ausgang der ersten Inverterschaltung 10ist mit einem Eingang der zweiten Inverterschaltung 11 verbunden. Ein Ausgang der zweiten Inverterschaltung 11 ist mit einem Eingang der ersten Inverterschaltung 10 verbunden. Eine Verbindungsleitung 12 zwischen dem Ausgang der zweiten Inverterschaltung 11 und dem Eingang der ersten Inverterschaltung 10 ist über einen ersten Kondensator 13 mit einer weiteren Verbindungsleitung 17 verbunden, die an die elektrische Leitung 2 angeschlossen ist.

Eine zweite Verbindungsleitung 18, über die der Ausgang der ersten Inverterschaltung 10 mit dem Eingang der zweiten Inverterschaltung 11 verbunden ist, steht über einen dritten Kondensator 15 mit der weiteren Verbindungsleitung 17 in Verbindung. Zudem ist die zweite Verbindungsleitung 18 über einen vierten Kondensator 16 an eine zweite weitere Verbindungsleitung 19 angeschlossen, die mit einer Referenzleitung 20 verbunden ist. Die Referenzleitung 20 kann mit einem Massepotential oder einer anderen Art von Entladepfad verbunden sein. Weiterhin ist die Verbindungsleitung 12 über einen zweiten Kondensator 14 mit der zweiten weiteren Verbindungsleitung 19 verbunden. An die Verbindungsleitung 12 ist der zweite Ausgang 8 und an die Verbindungsleitung 18 ist der erste Ausgang 7 angeschlossen. Durch die zwei rückgekoppelten Inverter 10, 11 ist ein bistabiles Halteglied 4 realisiert. Die zwei Inverter 10, 11 sind vorzugsweise identisch ausgebildet oder weisen vorzugsweise eine gleiche elektrische Funktion auf. Aufgrund des bistabilen Haltegliedes 4 und durch die entsprechende Ausbildung des ersten, zweiten, dritten und vierten Kondensators 13, 14, 15, 16 wird erreicht, dass beim Anlegen oder Ändern einer Spannung zwischen der elektrischen Leitung 2 und der Referenzleitung 20, die mit der zweiten weiteren Verbindungsleitung 19 verbunden ist, das Halteglied in einen metastabilen Zustand übergeht und damit die Spannungspegel auf dem ersten und zweiten Ausgang 7, 8 sich in einen mittleren Bereich befinden und annähernd gleich groß sind. Der mittlere Bereich liegt zwischen der Spannung auf der Leitung 2 und der Spannung auf der Referenzleitung 20.

Die Schutzschaltung 3 der 1 schützt gegen Überspannung, insbesondere gegen elektrostatische Entladung bei einem Einschaltvorgang für eine elektrische Schaltung 1 mit wenigstens einer elektrischen Leitung 2. Beim Einschalten einer Spannung, beispielsweise einer Versorgungsspannung auf die Leitung 2 geht die Haltschaltung 4 innerhalb einer Haltezeit ausgehend von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand über. Die Halteschaltung 4 ändert beim Übergang vom ersten Zustand in den zweiten Zustand ein Ausgangssignal, das an die Steuerschaltung weiter geleitet wird.

Die Steuerschaltung 5 ist ebenfalls mit der Leitung 2 verbunden und wird von der Leitung mit Spannung versorgt. Beim Anlegen der Spannung auf die Leitung 2 steigt die Spannung an der Steuerschaltung innerhalb einer Startzeit auf eine ausreichende Versorgungsspannung, um das Schutzelement 6 ansteuern zu können. Dabei geht die Steuerschaltung von einem Ruhezustand in einen Betriebszustand über. Die Startzeit nimmt mit steigender zeitlicher Änderung der Spannung ab, so dass ab einem Schwellwert für die zeitliche Änderung der Spannung auf der Leitung 2 die Startzeit kürzer als die Haltezeit wird. Dies ist bei einer elektrostatischen Entladung immer der Fall. Erkennt die Steuerschaltung 5 im Betriebszustand einen ersten Zustand der Halteschaltung 4, d.h. einen metastabilen Zustand, so steuert die Steuerschaltung 5 das Schutzelement 6 in der Weise an, dass die Leitung 2 über das Schutzelement mit dem Entladepfad verbunden wird.

Erkennt die Steuerschaltung 5 im Betriebszustand einen zweiten Zustand der Halteschaltung 4, d.h. einen der zwei stabilen Zustände, so steuert die Steuerschaltung 5 das Schutzelement 6 in der Weise an, dass die Leitung 2 über das Schutzelement mit dem Entladepfad nicht verbunden wird.

Folglich wird die Leitung 2 immer dann mit dem Entladepfad verbunden, wenn die Startzeit der Steuerschaltung 5 zum Erreichen des Betriebszustandes kürzer ist als die Haltezeit der Halteschaltung. Dies ist immer dann der Fall, wenn eine zeitliche Spannungsänderung beim Anlegen einer Spannung auf der Leitung 2 über einem festgelegten Schwellwert liegt. Dies ist beispielsweise bei einer elektrostatischen Entladung der Fall. Die Steuerschaltung und die Halteschaltung werden in der Weise aufgebaut, dass die Haltezeit für normale Einschaltvorgänge oder normale Spannungssprünge kürzer ist als die Startzeit. Ab einer festgelegten zeitlichen Spannungsänderung ist die Haltezeit länger als die Startzeit und das Schutzelement wird aktiviert.

Die in 2 dargestellten ersten, zweiten, dritten und vierten Kondensatoren 13, 14, 15 16 können auch durch parasitäre Kondensatoreffekte auf elektrischen Leitungen realisiert sein, so dass es nicht erforderlich ist, tatsächliche Kondensatoren vorzusehen. Folglich können anstelle des ersten, zweiten, dritten und weiteren Kondensators auch elektrische Leitungen vorgesehen sein.

Nach einer Haltezeit geht das Halteglied von dem metastabilen ersten Zustand in einen von zwei möglichen stabilen Zuständen über, in denen entweder die Spannung am ersten Ausgang 7 auf einem High-Pegel liegt und die Spannung auf dem zweiten Ausgang 8 auf einem Low-Pegel liegt oder die Spannung auf dem ersten Ausgang 7 auf einem Low-Pegel und die Spannung auf dem zweiten Ausgang 8 auf einem High-Pegel liegt.

Das Halteglied verlässt den metastabilen Zustand aufgrund von zufälligen oder beabsichtigten Asymmetrien in der Schaltung. Durch eine geeignete Dimensionierung der frequenzabhängigen Schleifenverstärkung des Haltegliedes und der Symmetrien kann die Haltezeit, während der sich das Halteglied im metastabilden Zustand befindet, gezielt verkürzt oder verlängert werden. Auf diese Weise kann die Schaltungsanordnung auf eine entsprechende Reaktionszeit der Steuerschaltung 5 eingestellt werden.

Vorzugsweise kann eine lange Haltezeit des Haltegliedes im metastabilen Zustand erreicht werden, indem die Schleifenverstärkung bei höheren Frequenzen gezielt niedrig gehalten wird.

Die Halteschaltung mit den zwei rückgekoppelten Inverterschaltungen 10, 11 funktioniert bei einer Spannungserhöhung zwischen der elektrischen Leitung 2 und der Referenzleitung 20 in der Weise, dass aufgrund der Rückkopplungen zwischen den zwei Inverterschaltungen 10, 11 die Spannungspegel auf dem ersten und dem zweiten Ausgang 7, 8 während der Haltezeit annährend gleich groß sind. Sind jedoch die zwei Inverterschaltungen 10, 11 in der Treiberstärke unterschiedlich ausgebildet und/oder sind der ersten, der zweite, der dritte und der vierte Kondensator 13, 14, 15, 16 nicht gleich groß und ergibt sich dadurch ein Ungleichgewicht, so wird sich mit der Zeit auf dem ersten oder dem zweiten Ausgang 7, 8 ein hohes Spannungspotential und auf dem anderen Ausgang 7, 8 ein niedriges Spannungspotential ausbilden. Auf welchem der beiden Ausgänge 7, 8 sich ein hohes und auf welchem der zwei Ausgänge 7, 8 sich ein niedriges Spannungspotential ausbildet, hängt von der Unsymmetrie der Schaltungsanordnung ab. Auf alle Fälle wird sich nach der Haltezeit eindeutig ein stabiler Zustand der Halteschaltung ergeben, bei dem der erste oder der zweite Ausgang 7, 8 ein hohes oder ein niedriges Spannungspotential im Vergleich zum anderen, d. h. zum zweiten bzw. zum ersten Ausgang 7, 8 aufweist.

Die Steuerschaltung 5 erkennt beim annährend gleichen Spannungspotential und/oder bei mittleren Spannungen auf dem ersten und zweiten Ausgang 7, 8 den metastabilen Zustand der Halteschaltung. Der mittlere Bereich der Spannungen liegt zwischen den Spannungen der Leitung 2 und der Referenzleitung 20. Bei einem hohen Spannungspotential auf einem der zwei Ausgänge 7, 8 und einem niedrigen Spannungspotential auf dem anderen Ausgang 7, 8 erkennt die Steuerschaltung einen stabilen Zustand der Halteschaltung 4. Somit unterscheidet die Steuerschaltung 5 drei Zustände der Halteschaltung 4, nämlich den metastabilen und zwei stabile Zustände. Der metastabile Zustand ist ein Signal für eine starke Spannungsänderung auf der elektrischen Leitung 2, die beispielsweise durch eine elektrostatische Entladung verursacht wurde.

3 zeigt eine Ausführungsform einer weiteren Halteschaltung 50, die in Form von miteinander gekoppelten Transistoren 21, 22, 23, 24 realisiert ist. Die Funktionsweise der weiteren Halteschaltung 50 entspricht der Funktionsweise der Halteschaltung 4. Zudem ist in 3 ein Ausführungsbeispiel für die Steuerschaltung 5 dargestellt.

Die weitere Halteschaltung 50 weist zwei Serienschaltungen von jeweils zwei Transistoren auf. Eine erste Serienschaltung weist einen ersten Transistor 21 auf, der mit einem zweiten Transistor 22 zwischen die weitere Verbindungsleitung 17 und die zweite weitere Verbindungsleitung 19 in Serie geschaltet ist. Die Steueranschlüsse des ersten und des zweiten Transistors 21, 22 sind miteinander über eine vierte Verbindungsleitung 26 verbunden. Der erste Transistor weist eine im Gegensatz im zweiten Transistor invertierte Dotierung auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Transistor 21 in Form eines P-MOS-Transistors realisiert. Der zweite Transistor 22 ist in Form eines N-MOS-Transistors realisiert. Der Quellenanschluss des ersten Transistors 21 ist an die weitere Verbindungsleitung 17 und der Senkenanschluss des ersten Transistors 21 ist an den Senkenanschluss des zweiten Transistors 22 angeschlossen. Der Quellenanschluss des zweiten Transistors 22 ist an die zweite weitere Verbindungsleitung 19 angeschlossen. Zwischen den Senkenanschlüssen des ersten und des zweiten Transistors 21, 22 ist somit eine dritte Verbindungsleitung 25 ausgebildet.

Die zweite Serienschaltung umfasst einen dritten und einen vierten Transistor 23, 24, die zwischen der weiteren Verbindungsleitung 17 und der zweiten weiteren Verbindungsleitung 19 geschaltet sind. Der dritte und der vierten Transistor weisen invertierte Dotierungen auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der dritte Transistor 23 in Form eines P-MOS-Transistors und der vierte Transistor 24 in Form eines N-MOS-Transistors ausgebildet. Der Quellenanschluss des dritten Transistors 23 ist mit der weiteren Verbindungsleitung 17 verbunden. Der Senkenanschluss des dritten Transistors 23 ist mit dem Senkenanschluss des vierten Transistors 24 über eine fünfte Verbindungsleitung 27 verbunden. Der Quellenanschluss des vierten Transistors 24 ist an die zweite weitere Verbindungsleitung 19 angeschlossen. Die Steueranschlüsse des dritten und des vierten Transistors 23, 24 sind über eine sechste Verbindungsleitung 28 miteinander verbunden. Der erste Ausgang 7 ist an die fünfte Verbindungsleitung 27 angeschlossen. Der zweite Ausgang 8 ist an die dritte Verbindungsleitung 25 angeschlossen. Zudem ist die sechste Verbindungsleitung 28 über einen ersten Widerstand 29 mit der dritten Verbindungsleitung 25 verbunden. Weiterhin ist die fünfte Verbindungsleitung 27 über einen zweiten Widerstand 30 mit der vierten Verbindungsleitung 26 verbunden.

Abhängig von der gewählten Ausführungsform können sich zwischen der ersten und der zweiten Verbindungsleitung 25, 26 und der fünften und der sechsten Verbindungsleitung 27, 28 eine fünfte und sechste Kapazität 31, 32 ausbilden. Der erste und der zweite Widerstand 29, 30 und die fünfte und die sechste Kapazität 31, 32 können auch in Form von MOS-Transistoren realisiert sein.

Eine gezielte Asymmetrie der Halteschaltung der 3 kann dadurch erreicht werden, indem einer der vier Transistoren 21, 22, 23, 24 einer Serienschaltung etwas schwächer oder stärker als das jeweilige Pendant der anderen Serienschaltung dimensioniert wird. Beispielsweise der erste und der dritte Transistor 21, 23 oder der zweite und der vierte Transistor 22, 24 unterschiedlich stark ausgebildet werden. Auf diese Weise wird eine bessere Reproduzierbarkeit der Verweildauer, d. h. der Haltezeit der weiteren Halteschaltung 50 im metastabilen Zustand bei einem starken Spannungsanstieg zwischen der elektrischen Leitung und der Referenzleitung 20 erreicht. Weiterhin weist die weitere Halteschaltung 50 der 3 den Vorteil auf, dass die Schleifenverstärkung bei höheren Frequenzen niedrig ausgebildet ist und dadurch eine lange Verweildauer der Halteschaltung 50 im metastabilen Zustand, d.h. eine lange Haltezeit erreicht wird.

Zwischen der zweiten weiteren Verbindungsleitung 19 und dem zweiten Ausgang 8 bildet sich eine erste Spannung U1 aus. Zwischen der zweiten weiteren Verbindungsleitung 19 und dem zweiten Ausgang 7 bildet sich eine zweite Spannung U2 und zwischen der zweiten weiteren Verbindungsleitung 19 und der weiteren Verbindungsleitung 17 bildet sich eine dritte Spannung U0 aus.

3 zeigt eine Realisierung der Steuerschaltung 5 in Form eines asymmetrisch dimensionierten NDR-Gatters. Anstelle des asymmetrisch dimensionierten NDR-Gatters kann auch ein asymmetrisch dimensioniertes NAND-Gatter verwendet werden. In einer Ausführungsform erzeugt die Steuerschaltung im Betriebszustand am dritten Ausgang 9 dann ein Ausgangssignal, das ein Aktivieren des Schutzelementes bewirkt, wenn am ersten und am zweiten Eingang 33, 34 der Steuerschaltung 5, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Ausgang 7, 8 verbunden sind, ein Potential etwa in der Mitte zwischen den Potenzialen der elektrischen Leitung 2 und der Referenzleitung 20 liegt. Somit kann jede Steuerschaltung verwendet werden, die diese Funktion bereitstellt. Wenn am ersten und zweiten Ausgang 7, 8 ein annähernd gleiches Potential anliegt, würden von der Steuerschaltung Low-Signale am ersten und zweiten Ausgang 7, 8 erkannt.

In einer weiteren Ausführungsform erzeugt die Steuerschaltung im Betriebszustand am dritten Ausgang 9 dann ein Ausgangssignal, wenn am ersten und zweiten Eingang 33, 34 annähernd gleich große Spannungen anliegen.

Das NDR-Gatter weist einen fünften Transistor 35, einen sechsten Transistor 36 und einen siebten Transistor 37 auf, die in Serie geschaltet sind. Der fünfte Transistor 35 ist in dieser Ausführungsform als PMOS-Transistor ausgebildet, dessen Quellenanschluss an die weitere Verbindungsleitung 17 angeschlossen ist. Der Senkenanschluss des fünften Transistors 35 ist mit einem Quellenanschluss des sechsten Transistors 36 verbunden. Der sechste Transistor 36 ist ebenfalls als PMOS-Transistor ausgebildet. Der Senkenanschluss des sechsten Transistors 36 ist über eine achte Verbindungsleitung 40 mit dem Senkenanschluss des siebten Transistors 37 verbunden, der als NMOS-Transistor ausgebildet ist. Der Quellenanschluss des siebten Transistors 37 ist an die zweite weitere Verbindungsleitung 19 angeschlossen. Ein erster Eingang 33 der Steuerschaltung 5, der mit dem ersten Ausgang 7 verbunden ist, ist an eine siebte Verbindungsleitung 39 angeschlossen, die mit den Steueranschlüssen des sechsten und des siebten Transistors 36, 37 verbunden ist. Die achte Verbindungsleitung 40 ist an den dritten Ausgang 9 angeschlossen. Weiterhin ist ein achter Transistor 38 angeordnet, der als NMOS-Transistor ausgebildet ist und mit einem Quellenanschluss an die zweite weitere Verbindungsleitung 19 und einem Senkenanschluss an den dritten Ausgang 9 angeschlossen ist. Der Steueranschluss des achten Transistors 38 steht mit einer neunten Verbindungsleitung 42 in Verbindung, die ebenfalls an den Steueranschluss des ersten Transistors 35 angeschlossen ist und zudem über einen zweiten Eingang 34 mit dem zweiten Ausgang 8 verbunden ist.

Annähernd gleiche Spannungen oder mittlere Spannungen, d.h. weder ein Low noch ein High-Potential am ersten und am zweiten Ausgang 7, 8 sind ein Zeichen für einen metastabilen Zustand des Halteglieds. Die Steuerschaltung 5 ist in der Weise ausgebildet, dass mittlere Spannungen, die am ersten und am zweiten Eingang 33, 34 zu einem anderen Ausgangssignal am dritten Ausgang 9 führen, als eine hohe und eine niedrige Spannung (High bzw. Low-Potential), am ersten und zweiten Ausgang 7,8 unterschiedliche Spannungen. Dies wird in der dargestellten Beispielschaltung dadurch erreicht, dass der erste und der zweite Transistor 35, 36 als PMOS-Transistoren mit einer großen Verstärkungsleistung und der siebte und der achte Transistor 37, 38 als NMOS-Transistoren mit einer schwachen Verstärkungsleistung ausgebildet sind.

Liegen am ersten und am zweiten Eingang 33, 34 mittlere Spannungen oder annähernd gleiche Spannungen an, d.h. befindet sich die weitere Halteschaltung 50 in einem metastabilen Zustand, so liegt am dritten Ausgang 9 der Steuerschaltung typischerweise für einige hundert Nanosekunden ein Steuersignal an, das anzeigt, dass eine schnelle zeitliche Änderung der Spannung zwischen der elektrischen Leitung 2 und der Referenzleitung 20 auftritt. Dabei können auch Spannungsänderungen erfasst werden, die durch eine elektrostatische Entladung erzeugt werden. Zudem erkennt die Steuerschaltung, ob ein langsamer Schaltvorgang wie bei einem normalen Anliegen der Versorgungsspannung an der elektrischen Leitung 2 vorliegt. Dies ist dann der Fall, wenn sich die weitere Halteschaltung 50 in einem stabilen Zustand befindet und die Spannungen am ersten und zweiten Ausgang 7, 8 unterschiedlich hoch sind.

Das Ausgangssignal am dritten Ausgang 9 steuert nun das Schutzelement 6, das beispielsweise einen MOS-FET oder einen Thyristor aufweist, und verbindet bei Erkennen einer schnellen zeitlichen Spannungsänderung zwischen der elektrischen Leitung 2 und der Referenzleitung 20, die elektrische Leitung 2 über das Schutzelement 6 mit einem Entladepotential, beispielsweise einem Massepotential. Das Schutzelement 6 kann in der Weise ausgebildet sein, dass es bei Erkennen einer elektrostatischen Entladung aktiviert wird oder bei Fehlen einer elektrostatischen Entladung deaktiviert wird, um eine unbeabsichtigte Aktivierung eines sich selbst aufsteuernden Schutzelements zu verhindern.

Der dritte Ausgang 9 steht mit dem Schutzelement 6 in Verbindung, das in 3 in Form eines NMOS-Transistors ausgebildet ist. Vorzugsweise ist zwischen dem dritten Ausgang 9 und dem Steueranschluss des NMOS-Transistors des Schutzelements 6 eine Verstärkerschaltung 43 vorgesehen, die einen dritten und vierten Inverter 44, 45 aufweist, die in Serie geschaltet sind. Ein Quellenanschluss des NMOS-Transistors der Schutzschaltung 6 ist mit der zweiten weiteren Verbindungsleitung 19 und der Senkenanschluss des NMOS-Transistors des Schutzelements 6 ist mit der weiteren Verbindungsleitung 17 verbunden.

Anstelle des NMOS-Transistors kann auch jede andere Art von Schalter verwendet werden, mit dem bei Erkennen einer elektrostatischen Entladung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der weiteren Verbindungsleitung 17 und der Referenzleitung 20 möglich ist. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der Quellenanschluss des NMOS-Transistors des Schutzelements 6 auch mit einer anderen Leitung verbunden sein, die mit dem Massepotential verbunden ist.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schutzschaltung, bei der ein weiteres Schutzelement 46 vorgesehen ist, das mit dem dritten Ausgang 9 der Steuerschaltung 5 verbunden ist. Das weitere Schutzelement 46 weist eine Thyristor-Schaltung 47 auf, die als Schutzelement wirkt. Parallel zur Thyristor-Schaltung ist eine Diodenschaltung 48 vorgesehen. Zudem ist ein Ausgangstransistor 49 vorgesehen, der in der gewählten Ausführungsform als NMOS-Transistor ausgebildet ist.

Der Steueranschluss des Ausgangstransistors 49 ist an den dritten Ausgang 9 der Steuerschaltung 5 bzw. an den Ausgang der Verstärkerschaltung 43 angeschlossen, wenn diese vorgesehen ist. Die Diodenschaltung 48 besteht aus einer Serienschaltung von vier Dioden, die zwischen dem Quellen- und dem Senkenanschluss des Ausgangstransistors 49 geschaltet sind. Die Thyristor-Schaltung 47 weist einen Widerstand auf, der ein unbeabsichtigtes Triggern verhindert.

5 zeigt Ströme und Spannung, die bei einem normalen Einschaltvorgang, d. h. das Anlegen einer Versorgungsspannung an die elektrische Leitung 2 auftreten. Im obersten Diagramm ist der Stromfluss auf der elektrischen Leitung 2 über der Zeit dargestellt. Im mittleren Diagramm ist die Steuerspannung S am dritten Ausgang 9 der Steuerschaltung 5, das Ansteuersignal A am Steuereingang des Schutzelements 6, und das zwischen dem dritten und vierten Inverter 44, 45 vorliegende Spannungssignal I dargestellt. Im untersten Diagramm sind über die Zeit die dritte Spannung U0, d. h. die Spannungsdifferenz zwischen der elektrischen Leitung 2 und der Referenzleitung 20, das erste Ausgangssignal H1 des ersten Ausgangs 7 der weiteren Halteschaltung 50, und das zweite Ausgangssignal H2 des zweiten Ausgangs 8 der weiteren Halteschaltung 50 dargestellt.

Aus dem untersten Diagramm ist erkennbar, dass die Einschaltspannung, d.h. die dritte Spannung U0 mit der Zeit stetig ansteigt und bei einem zweiten Zeitpunkt T2 von 10 &mgr;s die maximale Spannung von 2 V erreicht. Die weitere Halteschaltung 50 befindet sich zwischen dem nullten Zeitpunkt T0 bei 0 &mgr;s und einem ersten Zeitpunkt T1, der ungefähr bei 4,5 &mgr;s liegt, in einem metastabilen Zustand, in dem die Spannungen des ersten und des zweiten Ausgangssignals H1, H2 auf dem ersten und zweiten Ausgang 7, 8 annähernd gleich groß sind und langsam ansteigen. Ab dem ersten Zeitpunkt T1 bei ungefähr 4,5 &mgr;sec trennen sich die Ausgangssignale aufgrund der Unsymmetrie der weiteren Halteschaltung 50, wobei das zweite Ausgangssignal H2 weiter ansteigt und im Laufe der Zeit parallel zur dritten Spannung U0 verläuft. Das erste Ausgangssignal H1 sinkt im Laufe der Zeit auf den Wert 0 Volt ab.

In dieser Anfangsphase steigt das Spannungssignal I mit der Zeit langsam an und erreicht zu dem zweiten Zeitpunkt T2 den maximalen Wert von 2V. Aus dem mittleren Diagramm ist deutlich zu erkennen, dass das Ansteuersignal A zur Steuerung des Schutzelements 6 in der Anfangsphase nur langsam ansteigt, aber insgesamt im Wert unter 0,2 V bleibt und nach einer Einschwingzeit schon vor dem ersten Zeitpunkt T1 auf 0 Volt fällt. Dadurch wird ein Leitendschalten des Schutzelements 6 nicht erreicht. Somit wird unter diesen Spannungsverhältnissen die elektrische Leitung 2 nicht mit dem Entladepfad verbunden. Die Steuerspannung 6 am dritten Ausgang 9 steigt anfangs etwas an und fällt aber nach kurzer Zeit auf 0 Volt ab.

Zu dem zweiten, einem dritten und einem vierten Zeitpunkt T2, T3, T4 kommt es auf der elektrischen Leitung 2 zu Schwankungen, die sich in Stromspitzen auf der elektrischen Leitung 2 im obersten Diagramm zeigen. Entsprechend gibt es leichte Anstiege des Spannungssignals I oder Abfälle des Spannungssignals I zu den entsprechenden Zeitpunkten. Diese führen jedoch nicht dazu, dass das Ansteuersignal A entsprechend steigt, um die Schutzschaltung 6 zu aktivieren. Somit wird bei diesem Einschaltvorgang keine Ladung über das Schutzelement von der elektrischen Leitung 2 über das Schutzelement 6 abgeführt.

6 zeigt eine Einschaltsituation, bei der ein schneller zeitlicher Anstieg der Spannung auf der elektrischen Leitung 2 beispielsweise durch eine elektrostatische Entladung auftritt und zu einem Einschalten des Schutzelements 6 führt. In 6 ist die Zeitachse T in Nanosekunden dargestellt. Im obersten Diagramm ist wieder der Strom auf der elektrischen Leitung 2 dargestellt, der zu einem Startzeitpunkt TStart von dem Wert 0 innerhalb von 5 ns mit einem sehr starken Anstieg auf den Wert 1,8 A steigt. Im mittleren Diagramm ist die Steuerspannung S am dritten Ausgang 9 der Steuerschaltung 5 dargestellt, die nach dem Startzeitpunkt TStart sehr stark ansteigt und innerhalb von 1 ns den Spannungswert von über 2 V erreicht. Entsprechend steigt auch das Ansteuersignal A des Schutzelements 5 an und steuert das Schutzelement 6 leitend. Das Schutzelement leitet ungefähr bei einer Spannung von 1,0 V, die kurz vor dem Zeitpunkt von 16 ns erreicht wird. Im untersten Diagramm ist die dritte Spannung U0, d.h. die Spannungsdifferenz zwischen der elektrischen Leitung 2 und der Referenzleitung 20 dargestellt. Diese steigt nach dem Startzeitpunkt bei 15 ns sehr stark an und überschreitet vor dem Zeitpunkt von 16 ns den Wert von 2 V. Gleichzeitig steigen das erste und das zweite Ausgangssignal H1, H2 am ersten und am zweiten Ausgang 7, 8 der Halteschaltung 4 auf einen Wert von 1V, wobei die Spannungen auf dem ersten und dem zweiten Ausgang 7, 8 annähernd gleich groß sind. Durch das schnelle Ansteigen der Spannung U0 weist die Steuerschaltung 5 eine ausreichende Spannungsversorgung auf, um am dritten Ausgang 9 ein entsprechendes Steuersignal zum Leitendschalten des Schutzelements 6 bereitzustellen. Das Leitendschalten bewirkt, dass die dritte Spannung U0 nach dem Erreichen eines Maximalwerts wieder absinkt, um nach dem Erreichen eines lokalen Minimums kurz nach dem Zeitpunkt von 16 ns wieder langsam auf einen Wert von 2,5V anzusteigen. Auf diese Weise wird ein zu starker Anstieg der Spannung der elektrischen Leitung 2 vermeiden. Dadurch werden elektrische Schaltungen, die mit der elektrischen Leitung 2 verbunden sind, vor einer Überspannung geschützt.

Im Gegensatz zur Situation der 5 hat die Steuerschaltung 5 zu dem Zeitpunkt, zu dem das erste und das zweite Ausgangssignal H1, H2 annähernd gleich sind, schon eine ausreichende Spannungsversorgung, um eine Steuerspannung S und damit ein ausreichendes Ansteuersignal A zum Ansteuern des Schutzelements 6 auszugeben.

Beim normalen Einschaltvorgang erreicht die Versorgungsspannung der Steuerschaltung 5 zu dem Zeitpunkt, zu dem das erste und das zweite Ausgangssignal H1, H2 der weiteren Halteschaltung 50 noch einen annähernd gleichen Wert aufweisen, keinen ausreichend hohen Wert, um eine Steuerspannung S am dritten Ausgang 9 zum Schalten des Schutzelements 6 bereitstellen zu können. In einfacher Weise wird dies dadurch erreicht, dass die Steuerschaltung 5 von der Spannung auf der elektrischen Leitung 2 versorgt wird und die Startzeit bis zum Erreichen eines Betriebszustandes der Steuerschaltung 5, bei dem ein Ansteuersignal erzeugt wird, bei einem normalen Einschaltvorgang länger ist als die Haltezeit. Tritt jedoch eine elektrostatische Entladung, beispielsweise beim Einschaltvorgang auf, dann wird die Steuerschaltung 5, vor dem Ende der Haltezeit in den Betriebszustand gebracht.

7 zeigt eine Schaltsituation in der eine elektrostatische Entladung auftritt, bei der das Schutzelement aktiviert wird. In einem oberen Diagramm sind das Ansteuersignal A am Steuereingang des Schutzelementes 6, die Steuerspannung F vom dritten vom dritten Ausgang 9 der Steuerschaltung S und das Spannungssignal I, das zwischen dem dritten und vierten Entwerter 44, 45 vorliegt, über die Zeit dargestellt. Im unteren Diagramm sind über die Zeit die dritte Spannung 0, d.h. die Spannungsdifferenz zwischen der elektrischen Leitung 2 und der Referenzleitung 20, das erste Ausgangssignal H1 des ersten Ausgang 7, der weiteren Halteschaltung 50, und das zweite Ausgangssignal H2 des zweiten Ausgang 8 der weiteren Halteschaltung 50 dargestellt.

In dem unteren Diagramm ist erkennbar, dass die Versorgungsspannung zum Zeitpunkt T Start abrupt auf einen Wert von 4V ansteigt und anschließend stetig abfällt. Durch den starken Spannungsanstieg wird die Startzeit für die Steuerschaltung 5 unter die Haltezeit der weiteren Halteschaltung 50 verkürzt, sodass die Steuerschaltung 5 einen metastabilen Zustand der weiteren Halteschaltung 50 im Betriebszustand erkennt und somit das Schutzelement 6 in der Weise ansteuert, dass die elektrische Leitung 2 mit dem Entladepfad verbunden ist. Die weitere Halteschaltung 50 gibt kurz nach dem Startzeitpunkt T Start ein erstes Ausgangssignal H1 und ein zweites Ausgangssignal H2 am ersten Ausgang 7 bzw. einen zweiten Ausgang 8 aus, die annähernd gleich groß sind. Somit erkennt die Steuerschaltung 5 einen metastabilen Zustand. Im Laufe der Zeit wird das zweite Ausgangssignal H2 auf ein hohes Spannungsniveau und das erste Ausgangssignal H1 auf ein niedriges Spannungsniveau gezogen.

Die Steuerschaltung 5 gibt am Steuereingang des Schutzelementes 6 das Ansteuersignal A mit einer großen Spannung aus, sodass das Schutzelement 6 leitend geschalten wird und die elektrische Leitung 2 mit dem Entladepfad verbindet. Das Ansteuersignal A wird über eine Triggerzeit von ca. 142ns auf den hohen Spannungspegel gehalten. Die Steuerspannung S am dritten Ausgang der Steuerschaltung 5 weist ein annähernd gleiches Spannungspotential wie das Ansteuersignal H auf, wobei jedoch die Steuerspannung S bereits nach 120 ns zu fallen beginnt. Zu einem Schaltzeitpunkt T Schalt wird das Ansteuersignal A von einem High-Level-Signal in ein Low-Level-Signal umgeschaltet. Somit wird zum Schaltzeitpunkt T Schalt das Schutzelement 6 abgeschaltet und elektrische Leitung 2 vom Entladepfad getrennt. Das Spannungssignal I weist kurz nach dem Startzeitpunkt T Start ein Wert von 0V auf und steigt erst zum Schaltzeitpunkt T Schalt auf ein High-Level-Spannungssignal mit einem Wert von über 2V an.

Aus der 7 ist ersichtlich, dass nach der Ansteuerung des Schutzelementes 6 das Schutzelement 6 für eine festgelegte Zeitdauer, in diesem Fall für ungefähr 142ns eingeschaltet bleibt, obwohl sich das erste und zweite Ausgangssignal H1, H2 bereits in verschiedene Spannungsniveaus entwickeln.

In einer Ausführungsform der weiteren Halteschaltung 50 der 4 weist der zweite Transistor 22, der als NFET-Transistor ausgebildet ist, einen Leitungskanal mit einer Weite von 0,44 &mgr;m und einer Länge von 10 &mgr;m auf. Der erste Transistor 21, der als PFET-Transistor ausgebildet ist, weist einen Kanal mit einer Weite von 0,44 &mgr;m und einer Länge von 10 &mgr;m auf. Der dritte Transistor 23, der als PFET-Transistor ausgebildet ist, weist einen Kanal mit einer Weite von 0,48 &mgr;m und einer Länge von 10 &mgr;m auf. Der vierte Transistor 24, der als NFET-Transistor ausgebildet ist, weist eine Weite von 0,44 &mgr;m und eine Länge von 10 &mgr;m auf. Durch die Asymmetrie zwischen dem ersten und dem dritten Transistor 21, 23 wird die Impulsdauer des Steuersignals am dritten Ausgang 9 festgelegt.

Der siebte und der achte Transistor 37, 38 werden in einer Ausführungsform als NFET-Transistoren ausgebildet, deren Kanalgebiete eine Weite von 2,2 &mgr;m und eine Länge von 1,1 &mgr;m aufweisen. Der fünfte und der sechste Transistor 35, 36 der Steuerschaltung 5 werden in einer Ausführungsform als PFET-Transistoren mit einem Kanalgebiet ausgebildet, deren Weiten 17,6 &mgr;m und deren Längen 0,18 &mgr;m aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann auf den ersten und den zweiten Widerstand 29, 30 verzichtet werden, so dass nur parasitäre Leitungswiderstände vorliegen. Zudem können in einer weiteren Ausführungsform die fünfte und sechste Kapazität zwischen der dritten und vierten Verbindungsleitung 25, 26 und der fünften und sechsten Verbindungsleitung 27, 28 einen Wert von 20 fF aufweisen.

Nach dem Erkennen eines metastabilen Zustands der Halteschaltung 8 wird am dritten Ausgang 9 die Steuerspannung S erzeugt, die mit den beschriebenen Parametern eine Impulslänge von 50 bis 300 ns aufweist. D.h., dass nach dem Übergang der weiteren Halteschaltung 50 in einen stabilen Zustand, d.h. das Auseinanderlaufen der Spannungen am ersten und am zweiten Ausgang 7, 8 über einen Zeitraum von 50 bis 300 ns die Steuerschaltung 5 die Schutzschaltung 6 im leitenden Zustand hält.

Die Kapazitäten zwischen der dritten und der vierten Verbindungsleitung 25, 26 und zwischen der fünften und der sechsten Verbindungsleitung 27, 28 können im Bereich von 5 bis 50 fF liegen.

Die beschriebene Schutzschaltung kann bei jeder Art von elektrischer oder elektronischer Schaltung eingesetzt werden. Vorzugsweise kann die Schutzschaltung bei einer Speicherschaltung, insbesondere bei einem DRAM-Speicherbaustein zum Einsatz kommen, und die elektrische Leitung 2 beispielsweise mit der Versorgungsspannung verbunden sein. Die Referenzleitung 20 kann bei einer Speicherschaltung mit dem Massepotential verbunden sein.

Die Funktionsweise der Erfindung wurde am Beispiel der weiteren Halteschaltung 50 erläutert. Die Halteschaltung 4 funktioniert in analoger Weise.

1

elektrische Schaltung

2

elektrische Leitung

3

Schutzschaltung

4

Halteschaltung

5

Steuerschaltung

6

Schutzelement

7

Erster Ausgang

8

Zweiter Ausgang

9

Dritter Ausgang

10

Erste Inverterschaltung

11

Zweite Inverterschaltung

12

Verbindungsleitung

13

Erster Kondensator

14

Zweiter Kondensator

15

Dritter Kondensator

16

Vierter Kondensator

17

Weitere Verbindungsleitung

18

Zweite Verbindungsleitung

19

Zweite weitere Verbindungsleitung

20

Referenzleitung

21

Erster Transistor

22

Zweiter Transistor

23

Dritter Transistor

24

Vierter Transistor

25

Dritte Verbindungsleitung

26

Vierte Verbindungsleitung

27

Fünfte Verbindungsleitung

28

Sechste Verbindungsleitung

29

Erster Widerstand

30

Zweiter Widerstand

31

Fünfte Kapazität

32

Sechste Kapazität

33

Erster Eingang

34

Zweiter Eingang

35

Fünfter Transistor

36

Sechster Transistor

37

Siebter Transistor

38

Achter Transistor

39

Siebte Verbindungsleitung

40

Achte Verbindungsleitung

42

Neunte Verbindungsleitung

43

Verstärkerschaltung

44

Dritter Inverter

45

Vierter Inverter

46

Weiteres Schutzelement

47

Thyristorschaltung

48

Diodenschaltung

49

Ausgangstransistor

50

weitere Halteschaltung