DE3443773A1

DE3443773A1 - Monolithisch integrierter spannungsteiler

Info

Publication number: DE3443773A1
Application number: DE19843443773
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Phys. 7022 Leinfelden-Echterdingen Conzelmann; Karl 7413 Gomaringen Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-11-30
Filing date: 1984-11-30
Publication date: 1986-06-05
Also published as: DE3443773C2

Description

R. 197^9 Vb

23.10.1984 Ott/lu

Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1

Monolithisch integrierter Spannungsteiler Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem monolithisch integrierten Spannungsteiler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind monolithisch integrierte Spannungsteiler bekannt, deren diffundierte p-dotierte Teilerwiderstände in η-dotierten epitaxialen Wannen angeordnet sind, die von p-dotiertem Material umgeben sind.

Der Boden dieser Wannen wird vom p-dotierten Substrat, die Seitenwände von der stark p-dotierten Isolierungsdiffusion gebildet. Bei einer bekannten Anordnung ist noch vorgesehen, daß beide Teilerwiderstände in einer gemeinsamen Wanne angeordnet sind. Damit die Teilerwiderstände von der sie umgebenden Wanne durch eine Sperrschicht isoliert sind, wird die Wanne an die Oberspannung (positivstes Potential) der Teilerwiderstände angeschlossen. Die Sperrschicht zwischen den Teilerwider ständern und der sie umgebenden Wanne werden

QQ teilweise mit hohen Sperrspannungen belastet. Eine andere bekannte Ausführungsform sieht vor, daß jedem Teilerwiderstand eine Wanne zugeordnet wird, wobei die einzelnen Wannen jeweils an das positivste Potential des darin enthaltenen Teilerwiderstandes angeschlossen werden. Bei dieser Schaltung werden die genannten Sperrschichten zwar nur· mit niedrigeren Teilspannungen beansprucht, jedoch verfälschen die von den einzelnen Wannen

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zu dem sie umgebenden Substrat abfließenden Testströme das Teilerverhältnis. Bei Defekten in der Sperrschicht wird das Teilerverhältnis mit zunehmender Sperrschichttemperatur beträchtlich verändert.
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Halbleiterwiderstände können durch eine Potentialdifferenz zwischen Wanne und Widerstand in ihrem Wert beeinflußt werden. Durch Anpassung des Wannenpotentiales an das des Widerstandes kann auch dieser. Einfluß reduziert werden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße monolithisch integrierte Spannungsteiler mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil daß ein Präzisionsspannungsteiler erhalten wird, der auch bei starker Temperaturerhöhung und über der gesamten Lebensdauer das Teilerverhältnis sehr genau beibehält und der stoßspannungsfest ist bezüglich Stoßspannungen von beispielsweise 120 V und darüber. Das Potential in der Wanne kann im Bereich eines der Teiler widerstände beispielsweise dadurch einer zeitlichen Potentialschwankung im Teilerwiderstand nachgeführt werden, daß der Teilerwiderstand in einer separaten Wanne angeordnet ist, die an den Abgriff eines externen Spannungsteilers angeschlossen ist. Dabei ist der externe Spannungsteiler an die Oberspannung des Präzisions-Spannungsteilers oder an eine mindestens gleichhohe Spannung angeschlossen, so daß auftretende Spannungsstöße eine entsprechende Nachführung des Potentials der Wanne bewirken. Anstelle eines externen Spannungsteilers kann aber auch parallel zu einem oder mehreren in einer Wanne enthaltenen Teilerwiderstände eine in derselben Wanne parallel verlaufende Widerstandsbahn angeordnet sein, deren Enden mit den benachbarten Enden der Teilerwiderstände verbunden sind. Auf diese Weise wird das Wannenpotential ortsabhängig an den Potentialverlauf der Teilerwiderstände angenähert und bei auftretenden zeitlichen Potentialänderungen entsprechend nachgeführt. Anstelle des zusätzlichen Wider-

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Standes kann auch die Wanne selbst als Widerstandsbahn dienen. Bei schnellen zeitlichen Änderungen kann es erforderlich sein, auch kapazitive Anteile zu kompensieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine bekannte Ausführungsform eines monolithisch integrierten Spannungsteilers,

Figur 2 eine weitere bekannte Ausführungsform eines monolithisch integrierten Spannungsteilers und

Figur 3 eine erfindungsgemäße Anordnung eines monolithisch integrierten Spannungsteilers mit separaten Wannen,

Figur 4 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines monolithisch integrierten Spannungsteilers mit einer gemeinsamen Wanne und

Figur 5 einen Ausschnitt einer Anordnung gemäß Figur 4, bei der ein zusätzlicher linearer Widerstand vorgesehen ist.

Bei der in Figur 1 schematisch dargestellten Anordnung befinden sich zwei diffundierte Teilerwiderstände Rl und R2, welche p-dotiert sind, in einer η-dotierten epitaxialen Wanne W. Die Wanne W ist von p-dotiertem Material umgeben. Der aus den beiden Widerständen Rl,

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R2 bestehende Spannungsteiler ist einerseits mit einer Klemme 1 verbunden, an der eine positive Oberspannung Ul anliegt. Die Klemme 1 ist außerdem mit der Wanne W verbunden. Diese Verbindung ist durch einen Verbindungspunkt P dargestellt.

Das gegenüberliegende Ende des Spannungsteilers ist mit einer zweiten Klemme 2 verbunden, an der ein gegenüber der Klemme 1 negatives Potential anliegt. Der Abgriff des Spannungsteilers ist mit einer dritten Klemme 3 verbunden, an der gegenüber der Klemme 2 die Spannung U2 auftritt.

Da die Wanne W gegenüber dem Potentialverlauf in den Teilerwiderständen Rl, R2 auf einem positiverem Potential liegt, sind die Teilerwiderstände Rl, R2 durch in Sperrrichtung betriebene Sperrschichten gegenüber der Wanne W isoliert. Diese Sperrschichten sind durch Dioden D,, und D₃, in der Zeichnung dargestellt. Ebenso ist die η-dotierte Wanne W gegen das sie umgebende p-dotierte Substrat S durch eine Sperrschicht isoliert, die durch eine Diode D dargestellt ist.

Treten an der Klemme 1 hohe Stoßspannungen auf, so wird -**·■ 25 insbesondere die durch die Diode D₃, dargestellte Sperrschicht mit entsprechend hohen Sperrspannungen belastet. Durch die Diode D fließen die Restströme von der Klemme 1 zum Substrat S wodurch zwar das Teilerverhältnis nicht belastet wird, jedoch eine zusätzliche Belastung an der Klemme 1 auftritt.

Werden den einzelnen Teilerwiderständen Rl, R2 getrennte Wannen Wl, W2 zugeordnet, wie dies in Figur 2 dargestellt ist, so treten zwar an der durch die Diode D₃, repräsentierten Sperrschicht niedrigere Stoßspannungs-

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werte auf, jedoch wird bei dieser Anordnung das Teilerverhältnis verfälscht. Liegen die Klemmen 1 und 2 beispielsweise wie bei einem Eingangsspannungsteiler eines Spannungsreglers für Kraftfahrzeuge direkt am Bordnetz, so ist mit hohen Überspannungen an der Klemme 1 zu rechnen. In der monolithisch integrierten Schaltung sperren nun die Dioden D-q/ D₂₁ geringere Spannungen als bei der Anordnung gemäß Figur 1, da jede der Wannen Wl, W2 an die positivste Spannung des jeweils in ihr enthaltenen Teilerwiderstandes Rl, R2 angeschlossen ist.

Die Sperrschichten der Wannen Wl, W2 gegen das Substrat S sind durch die Dioden D₁₀ und D₂₀ dargestellt. Der Reststrom der Diode D₂₀ greift jetzt am Spannungsteiler an und verfälscht dessen Teilerverhältnis, vor allem mit zunehmender Sperrschichttemperatur bzw. bei Defekten in der Sperrschicht.

In Figur 3 ist nun eine erfindungsgemäße Anordnung eines monolithisch integrierten Spannungsteilers angegeben, dessen Teilerwiderstände Rl, R2, R3 in separaten Wannen Wl, W2, W3 eindiffundiert sind. Die Wannen Wl, W2, W3 sind an extern erzeugte Potentiale angelegt. Zu diesem Zweck ist ein zusätzlicher Spannungsteiler vorgesehen, der aus den Widerständen RIO, R20, R30 besteht. Der zusätzliche Spannungsteiler ist ebenso wie der als Präzisionsspannungsteiler dienende Spannungsteiler an einem Ende mit der Klemme 1 verbunden, an der die Oberspannung anliegt. Die Wanne Wl ist ebenfalls an diese Ober spannung angeschlossen.

Die Widerstände RIO, R20, R30 des zusätzlichen Spannungsteilers, sind bezüglich ihrer Widerstandswerte so gewählt, daß an den beiden Abgriffen Al und A2 positivere Potentiale auftreten als in den zugeordneten

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Teilerwiderständen R2 bzw. R3. Der Abgriff Al ist mit der Wanne W2 verbunden, in der der Teilerwiderstand R2 angeordnet ist, weshalb der Abgriff Al dem Teilerwiders-tand B2 zugeordnet ist. In entsprechender Weise ist der Abgriff A2 dem Teilerwiderstand R3 zugeordnet.

Treten an der Klemme 1 Spannungsstöße auf, so hat dies zur Folge, daß die Potentiale an den Abgriffen Al, A2 in entsprechender Weise der in den Teilerwiderständen auftretenden Potentialänderung nachgeführt werden.

Zwischen den Wannen Wl, W2, W3 und dem Substrat S befinden sich, die Diodenstrecken D,q, D₂₀, ^D3₀· ^{Je na}^h Anforderung an die Stoßspannungsfestigkeit und entsprechend dem gewünschten Teilerverhältnis können die Teilerwiderstände R2, R3 gegebenenfalls in einer gemeinsamen Wanne zusammengefaßt werden. Der Widerstand R30 würde in diesem Falle entfallen.

Bei. einer linearen Anordnung der Teiler wider stände und der Wanne läßt sich der Quadratwiderstand (Λ/d), der auch, als Schichtwiderstand bezeichnet wird, der Wanne als: zusätzlicher Spannungsteiler nutzen. Zu diesem Zweck sind in die in Figur 4 dargestellte Wanne W stark η-dotierte Kontakte Kl, K2 eingebracht, von denen der Kontakt Kl an die Klemme 1 und der Kontakt K2 an die Klemme 2 angeschlossen ist. Die Lage der Kontakte Kl, K2 ist so zu wählen, daß an jedem beliebigen Ort der Teilerwiderstände Rl, R2 unter allen vorkommenden Betriebsbedingungen das Potential der Wanne W an sämtliehen den Teilerwiderständen Rl, R2 benachbarten Gebieten positiver ist als am jeweils angrenzenden Widerstandsbereich. Wegen des hohen Quadratwiderstands der Wannen ist es vorteilhaft, zwischen die Kontakte Kl, K2 einen zusätzlichen diffundierten oder implantierten Widerstand R zu legen. Die Anordnung dieses zusätzlichen

* R.

Widerstandes R ist in Figur 5 dargestellt. Hier sind auch, die stark η-do tier ten Gebiete im Bereich der Kontakte Kl, K2 ersichtlich.

Wie aus. Figur 4 ersichtlich, sind die Kontakte Kl, K2 im Abstand von den Widerstandsstreifen der Teilerwiderstände Rl, R2 angeordnet und gegenüber ihren Enden in Längsrichtung der Teilerwiderstände Rl, R2 um unterschiedliche Wegstrecken Xl, X2 verschoben. Durch diese Maßnahme wird eine gute örtliche Anpassung des Potentialverlaufs in der Widerstandswanne W an den örtlichen Potentialverlauf im Spannungsteiler erreicht und außerdem gewährleistet, daß die Widerstandswanne W durch Sperrschichtisolation gegenüber dem Spannungsteiler isoliert ist. Die wirksamen Sperrschichten sind hier durch die Dioden D,, bis D, und die Dioden D₃, bis D₂ dargestellt.

Der in Figur 5 dargestellte zusätzliche Widerstand R kann bezüglich seines Diffusionsgrades und/oder seiner Breite über seine gesamte Länge variiert sein. Dadurch läßt sich eine besonders gute Annäherung des Potentialverlaufs in der Wanne W an den Potentialverlauf des Spannungsteilers erreichen.
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Eine gute Annäherung des Potentialverlaufs in der Wanne W kann auch dadurch erhalten werden, daß Teilgebiete des zusätzlichen Widerstandes R metallisch überbrückt sind.
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Claims

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Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1

Patentansprüche

( 1.j Monolithisch integrierter Spannungsteiler, dessen Teilerwiderstände in wenigstens eine Wanne mit einer Dotierung entgegengesetzter Polarität diffundiert oder implantiert sind und deren Umgebung auf ein Wannenpotential gelegt ist, so daß die Teilerwiderstände von der sie umgebenden Wanne durch eine Sperrschicht isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Wannenpotential wenigstens im Bereich eines der Teilerwiderstände (Rl, R2, R3) einer

auftretenden zeitlichen Potentialänderung zumindest näherungsweise nachgeführt wird.
2. Spannungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß das Wannenpotential ortsabhängig an das sich, örtlich über der Länge des Teilerwiderstandes (Rl, R2) ändernde Widerstandspotential angenähert ist.
3. Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch, gekennzeichnet, daß die Teilerwiderstände (Rl, R2, R3) in unterschiedlichen Wannen (Wl, W2, W3) angeordnet sind, und daß eine oder mehrere dieser Wannen an außerhalb des Spannungsteilers vorhandene, externe Potentialpunkte angeschlossen sind.
4. Spannungsteiler nach Anspruch 3, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß ein zusätzlicher Spannungsteiler die externen Potentialpunkte bildet, und daß der zusätzliche Spannungsteiler an einer Ober spannung liegt, die mindestens gleich der Ober spannung (Ul) des monolithisch integrierten Spannungsteilers ist oder die eine gemeinsame Oberspannung (Ul) für beide Spannungsteiler bildet.
5. Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler als linearer Spannungsteiler in einer Wanne (W) angeordnet ist, daß im Bereich der beiden Spannungsteilerenden jeweils ein Kontakt (Kl, K2) in der Wanne (W) vorgesehen ist, und daß die Kontakte (Kl, K2) auf ein Potential gelegt sind, welches wenigstens ungefähr dem Potential des jeweils benachbarten Spannungsteilerendes entspricht.
6. Spannungsteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kontakte (Kl, K2) in gleicher Richtung entsprechend der Längsrichtung der Teilerwiderstände (Rl, R2) geringfügig gegenüber den Spannungsteilerenden um unterschiedliche Wegstrecken (Xl, X2) verschoben sind.
7. Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (Kl, K2) über einen zusätzlichen Widerstand (R) verbunden sind.
8. Spannungsteiler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Widerstand (R) dieselbe Dotierung wie die Teilerwiderstände (Rl, R2) hat.
9. Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Widerstand (R) zwischen den Kontakten (Kl, K2) hinsichtlich Breite und/oder Dotierung über seine Länge variiert ist.
10. Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 7 bis 9,

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dadurch gekennzeichnet, daß Teilgebiete zwischen den die Anschlußpunkte des zusätzlichen Widerstandes (R) bildenden Kontakten (Kl, K2) metallisch überbrückt sind.