CN101730937A - 扩散集成电阻器 - Google Patents

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Abstract

电阻器由形成于轻掺杂N型半导体阱(29)的部分(29)中的轻掺杂P型区域(35)形成，轻掺杂N型半导体阱在轻掺杂P型半导体衬底(21)上延伸，该阱通过向下延伸至衬底的P型墙(27)横向分隔，该阱的部分通过在阱和衬底之间的界线处的重掺杂N型区域(31)垂直分隔并通过重掺杂N型墙(33)水平分隔。二极管(45)位于电阻器的接线端(37)和重掺杂N型墙(33)之间，二极管的阴极与所述接线端相连接。

Description

扩散集成电阻器
技术领域
本发明涉及一种半导体结构，尤其涉及包括扩散集成电阻器的结构和这种结构在放大电路中的应用。
背景技术
图1示例了电子放大电路1，通常称为“电流检测放大器”，它能够测量流过线路中的电流。放大电路1包括两个输入2和3和一个输出O。第一输入2与电阻器R1的第一接线端相连接。电阻器R1的第二接线端与运算放大器(OA)4的正极输入相连接。第二输入3与电阻器R2的第一接线端相连接。电阻器R2的第二接线端与运算放大器4的负极接线端相连接。运算放大器4的正极输入还与NPN晶体管5的集电极相连接，NPN晶体管5的基极与运算放大器4的输出相连接。晶体管5的发射极与放大增益为K的元件7相连接，元件7的第二接线端经由电阻器RL接地，并经由具有高输入阻抗(B)的放大器9与放大电路1的输出O相连接。在输入接线端2和3之间获得的放大电路1的差分输入电压称为VRS，从输出O得到的放大电路的输出电压称为VO。输入接线端2和3相对于接地的平均电压称为共模电压VCM。电阻器RS安装在放大电路1的外部，位于输入接线端2和3之间。电阻器RS安装在线路(未示出)上，希望测量它的电流。
在已知方式中，在电阻器R1和R2相等的情况下，图1中示例的放大电路1的增益G等于：
G = V O V RS = K R L R 1
由于设定了放电电路1的增益，因此电阻R1、R2和RL的值和这些电阻之间的比值必须非常精确。
在这里考虑了电阻器R1、R2和RL是扩散集成电阻器的情况。这种电阻器具有的优势是能用低成本形成和具有相对精确的值。
图2示例了扩散电阻器的常规实施例。在轻掺杂P型半导体衬底21上形成轻掺杂N型半导体层23。在层23中，N型阱25通过向下延伸到衬底21的且与参考电压例如地相连接的P型墙(wall)27分隔，以使阱25与在半导体层23中和上面形成的其它组件隔离开。其中形成电阻器的阱25的一部分29，通过在层23和衬底21之间的边界处的重掺杂N型掩埋层31垂直分隔，并通过连接掩埋区域31的重掺杂N型墙33水平分隔。在阱25、29的上面部分中，P型掺杂区35形成电阻器。该区域35例如是直线区域，它具有设定希望电阻值的长宽比。两个连接接线端37和39设置在区域35的两个位置。
在该电阻器用作为图1的放大电路的电阻器R1的情况下，接线端37与放大电路1的输入2相连接，接线端39与电路1的内部元件相连接。
有两种常规方式的偏置阱25、29。第一种包括使阱25、29偏置到电压V1(如图2所示)，第二种包括使阱25、29浮置。
在第一种情况下，电压V1施加于墙33上并因此施加于掩埋区域31上，这均匀地偏置阱25、29。电压V1必须大于施加于电阻器的最大电压以避免使P型区域35和N型阱25、29之间的PN结正向偏置。
然而，阱偏置到电压V1会引起两个问题，尤其当电阻器用于像图1那样的放大电路时，其中共模电压很可能会变强。第一个问题当然是PN结35-29具有正向偏置的危险。第二个问题是P型区域35中的空间电荷区域的延伸依赖于电压V1和共模电压之间的电压差。因此共模电压的变化会使接线端37和39之间的电阻值改变。在图1的放大电路的增益G的表达式中，应注意，电阻器R1和R2的值的同步变化不影响增益，因此不会产生问题。然而，由于电阻RL的值保持不变，电阻R1的值的变化会改变增益值。当然，电阻RL不会受到在放大电路的输入处的电压变化的影响。增益G的变化通常是不希望的。
在第二种情况下，阱25、29保持浮置。因此，浮置阱25、29的电压等于区域35的最高电压，其对应于PN结的正向电压降，约为负的0.6V。P区域35的空间电荷区的延伸因而很小且基本恒定。
在第二种情况的可选方法中，通过将墙33与接线端37相连接，能给阱25、29偏置到电阻器的最高电压。然而，如果在电路的输入2处施加的电压和因此在电阻器的接线端37施加的电压变成负的，如在汽车应用中这是常有的事，则由接地的P型墙27和N型阱25、29形成的PN结会变为正向偏置。这增加了形成寄生晶体管或者半导体闸流管的危险。
出现最引起关注的第二种情况(浮置阱25、29)。因此试图形成处于浮置阱中的扩散电阻器。本发明人已检验了包括这种电阻器的测量电流的放大电路的结构，之后发现，由于电阻器RS的电流恒定和因此VRS的值恒定，当电阻器的平均电压改变时，放大电路的输出电压VO就会改变。换句话说，当输入接线端受到电压波动时放大电路增益也会改变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种扩散电阻器，它的值不会随施加给它的平均电压而改变。
因此，本发明的实施例提供了一种半导体结构，包括在轻掺杂N型半导体阱的部分中形成的由轻掺杂P型区形成的电阻器，该阱在轻掺杂P型半导体衬底上延伸，该阱通过向下延伸至衬底的P型墙横向分隔，该阱的部分通过在阱和衬底之间的界线处的重掺杂N型区域垂直分隔，和通过重掺杂N型墙水平分隔，其特征在于，二极管位于电阻器的接线端和重掺杂N型墙之间，二极管的阴极与所述接线端相连接。
根据本发明的实施例，半导体结构包括位于电阻器的所述接线端和地之间的保护二极管，所述保护二极管的阴极与所述接线端相耦合。
根据本发明的实施例，该区域是直线区域。
根据本发明的实施例，二极管用双极晶体管形成，它的基极与集电极相连接。
本发明的实施例提供了一种能够测量线路中电流的放大电路，它包括两个输入和一个输出，第一输入与第一电阻器的第一接线端相连接，第一电阻器的第二接线端与运算放大器的正极输入相连接，第二输入与第二电阻器的第一接线端相连接，第二电阻器的第二接线端与运算放大器的负极输入相连接，电路的增益取决于第一和第二电阻器中的一个电阻器和电路内部的第三电阻器之间的比率，第一和第二电阻器属于上述类型。
结合附图，在特定实施例的下面的非限制性描述中，将更加详细地描述本发明的前述的、和其它目的、特征和优势。
附图说明
先前描述的图1示例了能够测量线路中电流的放大电路；
先前描述的图2示例了在集成电路的阱中形成的扩散电阻器；
图3示例了与图1相同的放大电路，它根据同步施加到电路输入的电压变化能够检测放大电路的增益；
图4示例了关于图3电路的时间曲线；
图5示例了根据本发明实施例的浮置阱的电阻器；和
图6示例了本发明的电阻器的具体实施例。
具体实施方式
为了清楚，在不同的图中用相同的附图标记表示相同的元件，另外，集成电路的表示法如往常一样，图示出了集成电路部分的截面图且没有按比例绘制。
图3示出了与图1一样的放大电路，其中电阻器R1是图2中具有阱25、29保持浮置的类型的电阻器。电阻器RS位于输入接线端2和3之间。通过设置与电阻器RS串联的恒定电流源41，电阻器RS两端的电压VRS保持恒定值。作为实例，电压VRS的值可以保持在50mV。供给矩形脉冲电压VCM的电压源43位于接线端3和地之间。由于流过电阻器RS的电流恒定，该电压源能够同步改变施加在接线端2和3上的电压。换句话说，该电压源为放大输入提供可变的共模电压VCM。作为实例，电压源43可以提供振幅等于10V的矩形脉冲。
图4示出了关于图3的电路的三个时间曲线。第一个曲线示出了由电压源43提供的电压VCM，第二个曲线示出了放大电路1的输出O上的电压VO，第三个曲线示例了电阻R1的值。这些曲线示例了在时间T1和时间T2之间，电压VCM从14V迅速地下降到4V的情况。理论上，在时间T1和T2之间，由于输入接线端2和3之间的电压VRS不变，放大电路1输出的电压VO应该恒定。然而，在图4中，应该注意，在时间T1和T2之间，电压VO实际上从4.5V下降到和改变为4.36V，之后在时间T2以后，电压VO缓慢地返回到4.5V。这意味着，由于输入电压VRS恒定，放大电路的增益G会改变。本发明人已研究了该异常的原因并发现，与常规偏见相反，这归因于当共模电压突然降低时电阻器R1的值会改变的事实。如图4的第三个曲线所示，随着输出电压VO的改变电阻R1的值将相反地改变。在T1和T2之间，当VCM降低时，R1的值就会从10kΩ改变为10.5kΩ，之后在时间T2以后R1的值会缓慢地返回到10kΩ。因此将放大电路输出电压VO的改变联合到电阻R1的值的改变。
这可以用事实来解释，当VCM降低时，电阻器R1的输入接线端的电压就会降低，区域35的电压将变得比阱25、29的电压更小。区域35和阱25、29之间的PN结将会倒置。现在，PN结的反向漏电流很小，由此结的另一侧上的电压的平衡返回就要花费一些时间。在平衡返回的时间期间，区域35和阱25、29之间的压差变化将改变在区域35和阱25、29之间的结点处的空间电荷区的延伸。在区域35中穿过的载流子数量减小，这将增加电阻器R1的值。应该注意，在VCM增加的情况下，由于区域35和阱25、29之间正向连接，所以不会造成这个问题。因此在这方面平衡返回将更迅速地产生。
图5示例了根据本发明实施例的浮置阱的电阻器。该电阻器的通用结构与图2的结构一样，阱25、29保持浮置。将不再详细地描述。
为了加速阱25、29的平衡返回，本发明的实施例提供了位于接线端37和重掺杂N型墙33之间的二极管45，它的阴极与接线端37相连接且它的阳极与重掺杂N型墙33相连接。因此，在该结反向上，二极管45与形成在区域35和阱25、29之间的PN结并联。
当区域35的平均电压大大降低时，阱25、29的电压将变得比区域35的电压更大。二极管45是导电的，且能够快速返回平衡。当然，二极管45的正向电流比区域35和阱25、29之间的PN结的反向漏电流更大。因此在区域35的平均电压降低期间，电阻值变化很小。在区域35的平均电压增加的情况下，二极管45将被阻断，并经由区域35和阱25、29之间的PN结执行平衡返回。
另外，当电阻器35放置在电路的输入处时，如图3电路的电阻器R1的R2，在接线端37的电压变为负的情况下，二极管45将提供避免寄生晶体管或者半导体闸流管形成的优势。当然，特别是在适用于汽车应用的电路中，与极性改变相反的保护二极管放置在每个输入接线端和地之间，这些保护二极管的阳极耦合到地相。当输入电压变为负时，伴随的保护二极管将变为正向偏置，而且它能使负电压流向地。
更具体地，在图5的电路的实际实施例中，保护二极管(未示出)位于接线端37和地之间。因此，通过串联连接二极管45和由P型墙27和N型阱25、29形成的PN结，将接线端37耦合到地，还通过保护二极管将接线端37耦合到地。当接线端37的电压为负时，该电压流过具有最小电压降的线路，即，经由保护二极管。因此，由P型墙27和N型阱25、29形成的PN结保持反向偏置，避免寄生晶体管或者半导体闸流管形成，当PN结与保护二极管并联且它正向偏置时会出现这种结构。
图6示例了本发明的具体实施例。图6，在其右边一半处，包括与图2的结构相同的电阻器，它的阱保持浮置。在图6的左边部分形成二极管45。在形成于半导体层23中的阱47中形成二极管45，并用与包围阱25的结构一样的P型墙27将二极管45隔开。在阱47和P型掺杂衬底21之间的界线处，形成与掩埋区31一样的重掺杂N型掩埋区51。在阱47中，为了形成二极管45，形成其基极与其集电极连接在一起的电阻器。因此，在阱47的上面部分中，形成组成晶体管发射极的N型区域53，它被组成晶体管基极的P型区域55包围。重掺杂N型区域57形成在N型阱47中，且形成晶体管的集电极接触点。为了得到希望的二极管45，N型发射极53与接线端37相连接，且P型基极55通过重掺杂N型区域57与集电极相连接并与重掺杂N型墙33相连接。因此获得了根据本发明实施例的二极管，它的阴极与接线端37相连接，它的阳极与墙33相连接。
应该注意，图6示出的实例不是限制性的，以图5示出的方式连接的任何类型的二极管都是合适的。
当然，本发明很可能具有本领域的技术人员容易产生的各种变更、更改和改进。这种改变、变更和改进意指成为该公开的一部分，且意指在本发明的精神和范围内。因此，前述的说明仅是实例的方式，而不是意指限制性的。本发明仅由下面的权利要求和其等价物限制。

Claims (5)

1.一种半导体结构，包括：电阻器，所述电阻器由形成在轻掺杂N型半导体阱(25)的部分(29)中的轻掺杂P型区域(35)形成，该阱在轻掺杂P型半导体衬底(21)上延伸，该阱通过向下延伸至衬底(21)的P型墙(27)横向分隔，阱(25)的部分(29)通过在阱(29)和衬底(21)之间的界线处的重掺杂N型区域(31)垂直分隔并通过重掺杂N型墙(33)水平分隔，其中二极管(45)位于电阻器的接线端(37)和重掺杂N型墙(33)之间，二极管(45)的阴极与所述接线端(37)相连接。
2.权利要求1的半导体结构，包括位于电阻器的所述接线端和地之间的保护二极管，所述保护二极管的阴极与所述接线端相耦合。
3.权利要求1的半导体结构，其中该区域(35)是直线区域。
4.权利要求1的半导体结构，其中该二极管(45)用双极晶体管形成，它的基极(55)与集电极(57)相连接。
5.一种能测量线路中电流的放大电路(1)，包括两个输入(2，3)和一个输出(O)，第一输入(2)与第一电阻器(R1)的第一接线端相连接，第一电阻器(R1)的第二接线端与运算放大器(4)的正极输入相连接，第二输入(3)与第二电阻器(R2)的第一接线端相连接，第二电阻器(R2)的第二接线端与运算放大器(4)的负极输入相连接，该电路的增益取决于第一和第二电阻器中的一个电阻器和电路内部的第三电阻器(RL)之间的比率，其中第一和第二电阻器(R1，R2)中的每个都是如权利要求1所述的半导体结构的类型。
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