DE10135169B4 - Widerstandsanordnung und Strommesser - Google Patents
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Abstract
Widerstandsanordnung (7, 3, 8), die auf einer Halbleiteranordnung (1, 2) angeordnet ist oder Bestandteil der Halbleiteranordnung (1, 2) ist, mit einer zugeordneten Ausweiteschaltung zur Auswertung eines Spannungsabfalls an der Widerstandsanordnung (7, 3, 8), die auf der Halbleiteranordnung (1, 2) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung (7, 3, 8) und die Auswerteschaltung auf der Halbleiteranordnung (1, 2, 3, 4, 5) monolithisch integriert sind und die Widerstandsanordnung (7, 3, 8) zusätzlich zu einem ersten dotierten Gebiet (3) ein weiteres gleichartig dotiertes Gebiet (4) aufweist, das vom ersten Gebiet (3) durch ein Isolationsgebiet (5) getrennt ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Widerstandsanordnung nach dem Anspruch 1.
- Es sind diskrete Shuntwiderstände bekannt, mit deren Hilfe beispielsweise eine Strommessung durchgeführt wird. Hierbei wird der diskrete Shuntwiderstand in den Stromkreis, in dem der zu messende Strom fließt, eingeführt und aus dem Spannungsabfall am Shuntwiderstand beispielsweise die Stromstärke abgeleitet. Vorteile von Shuntwiderständen sind ihr kleiner Temperaturkoeffizient und ihre teilweise niedrigen Kosten für manche Anwendungsbereiche. Bei diskreten Shuntwiderständen ist es jedoch häufig schwierig, für eine erfolgreiche Weiterleitung des Meßsignals zwischen dem Shuntwiderstand und der Auswerteschaltung zu sorgen. Die Strommessung mit einem Shuntwiderstand R ist eine nicht galvanisch getrennte Messung und verursacht daher eine Verlustleistung P, die mit dem zu messenden Strom I quadratisch zunimmt: P = I2 × R. Zur Messung von höheren Strömen muss der Wert des Shuntwiderstandes stark abgesenkt werden, damit es nicht zu großen Verlustleistungen kommt. Hierdurch wird ebenfalls die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden des Shuntwiderstands herabgesetzt, so dass nur ein sehr schwaches Messsignals resultiert. Dessen sichere, d.h. kontrollierbare und unverfälschte Weiterleitung, insbesondere zu einer Auswerteschaltung, gestaltet sich häufig als eine sehr schwierige Aufgabe.
- Aus der Druckschrift Kleine G.: Strommesser MAX 471/MAX472 in der Zeitschrift Elektor 6/95, Seite 31 bis 33 ist bekannt, mit Hilfe einer Auswerteschaltung den Spannungsabfall an einer Widerstandsanordnung zu ermitteln. Aus dem Spannungsabfall wird der durch den Messwiderstand fließende Strom bestimmt. Die gesamte Anordnung mit Messwiderstand und Auswerteschaltung ist als integrierter Schaltkreis ausgestaltet.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Messwiderstand einschließlich zugehöriger Auswerteschaltung so auszugestalten, dass auch bei kleinem Messsignal eine zuverlässige Messung durchgeführt werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß, durch eine Widerstandsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Vorteile der Erfindung
- Demgegenüber hat die Widerstandsanordnung nach dem Anspruch 1 den Vorteil, dass eine sichere Weiterleitung des Meßsignals zwischen dem Shuntwiderstand und der Auswerteschaltung problemlos möglich ist.
- Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Widerstandsanordnung und deren Eignung für einen Strommesser angegeben.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
-
1 ein Querschnittsbild einer erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung, -
2 eine leicht vereinfachte Darstellung einer Draufsicht auf die erfindungsgemäße Widerstandsanordnung und -
3 eine Darstellung einer Ansicht von unten der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung. - Beschreibung des Ausführungsbeispiels
- In
1 ist ein Querschnittsbild der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung dargestellt. Die Widerstandsanordnung ist erfindungsgemäß in einem bzw. auf einem Halbleitersubstrat realisiert. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, als Halbleitermaterial ein Siliziumsubstrat zu verwenden. Bezugszeichen1 bezeichnet ein erfindungsgemäßes Siliziumhalbleitermaterial, welches im Beispiel p-dotiert vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Widerstandsanordnung ist durch ein erstes Gebiet in dem Halbleitersubstrat verkörpert, welche beispielhaft n-dotiert vorgesehen und mit den Bezugszeichen3 versehen ist. Ein zweites n-dotiertes Gebiet ist mit dem Bezugszeichen4 versehen. Das erste n-dotierte Gebiet3 ist von dem zweiten n-dotierten Gebiet4 durch ein Isolationsgebiet5 getrennt. Das erste n-dotierte Gebiet3 und das zweite n-dotierte Gebiet4 ist von weiteren n-dotierten Gebieten2 ebenfalls durch das Isolationsgebiet5 elektrisch getrennt. Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen, das erste n-dotierte Gebiet3 und das zweite n-dotierte Gebiet4 mittels einer gegenüber dem weiteren n-dotierten Gebiet2 zusätzlichen n-Dotierungen derart zu behandeln, dass ihr spezifischer Widerstand auf definierte Art und Weise eingestellt werden kann. Der im Beispiel positiv dotierte Substratbereich1 ist unterhalb des weiteren n-dotierten Gebietes2 vorgesehen und im Bereich des ersten und zweiten n-dotierten Gebiets3 ,4 im wesentlichen entfernt, beispielsweise durch selektives Ätzen bis zur n-Epitaxieschicht, die das erste und zweite n-dotierte Gebiet3 ,4 angibt. Weiterhin ist auf der Oberseite des ersten n-dotierten Gebiets3 eine Metallschicht7 vorgesehen, welche als obere Elektrode des Shuntwiderstands zur Weiterführung des zu messenden Stroms dient. Weiterhin ist eine Metallleiterbahn7a vorgesehen, die sich seitlich direkt an die Metallschicht7 anschließt und die von dem weiteren n-dotierten Bereich2 , dem Isoliergebiet5 und dem ersten n-dotierten Bereich3 durch eine Isolationsschicht6 isoliert ist. Die Isolationsschicht6 ist beispielsweise als Siliziumoxidschicht vorgesehen und dient der Verhinderung unerwünschter elektrischer Verbindungen zwischen der Metallschicht7 und den n-dotierten Bereichen3 ,4 ,2 . Die Metallleiterbahn7a dient der Weiterleitung des Potentials der oberen Elektrode7 des Shuntwiderstands zu einer nichtdargestellten Auswerteschaltung. Die nichtdargestellte Auswerteschaltung ist ebenfalls auf der Halbleiteranordnung monolithisch integriert. Eine zweite Metallschicht8 ist an der Unterseite des ersten n-dotierten Bereichs3 vorgesehen. Die zweite Metallschicht8 dient als untere Elektrode des Shuntwiderstands zur Weiterführung des zu messenden Stroms im Meßkreis. Weiterhin ist eine zweite Metallleiterbahn8a vorgesehen, die sich seitlich unmittelbar an die zweite Metallschicht8 anschließt. Die zweite Metallleiterbahn8a dient der Weiterleitung des Potentials der unteren Elektrode8 zur Unterseite des zweiten n-dotierten Gebiets4 . Damit wird das Potential der unteren Elektrode8 des Shuntwiderstands über das zweite n-dotierte Gebiet4 zur Oberseite des Chips bzw. der Halbleiteranordnung weitergeleitet. Auf der Oberseite des zweiten n-dotierten Gebiets4 ist eine dritte Metallleiterbahn9 vorgesehen, die das Meßsignal vom zweiten n-dotierten Bereich4 zur nichtdargestellten Auswerteschaltung weiterleitet. Zwischen der dritten Metallleiterbahn9 und dem Isolationsgebiet5 bzw. zwischen der ersten Metallschicht7 und dem Isolationsgebiet5 ist wiederum die Isolationsschicht6 vorgesehen. - In
2 ist die erfindungsgemäße Widerstandsanordnung, die auf der Halbleiteranordnung monolithisch integriert ist, in einer Draufsicht von oben dargestellt. Weiterhin ist in2 eine Schnittlinie A-A' dargestellt, die der Schnittdarstellung in1 entspricht. In2 stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Bereiche bzw. Komponenten der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung wie in1 beschrieben dar. Insbesondere ist der erste n-dotierte Bereich3 im Wesentlichen in der Mitte der Halbleiteranordnung dargestellt, der von der ersten Metallschicht7 teilweise bedeckt ist. Weiterhin ist rechts vom ersten n-dotierten Bereich3 und getrennt durch das Isolationsgebiet5 der zweite n-dotierte Bereich4 dargestellt. Sowohl um den ersten n-dotierten Bereich3 als auch um den zweiten n-dotierten Bereich4 erstreckt sich das Isolationsgebiet5 . Die in2 dargestellte Draufsicht der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung ist jedoch in einem Punkt vereinfacht wiedergegeben, nämlich darin, dass die Isolationsschichten6 , die bei der Beschreibung der1 erwähnt wurden, nicht dargestellt ist. Erkennbar ist weiterhin der größere Bereich des weiteren n-dotierten Gebiets2 . Verbunden mit der ersten Metallschicht7 erstreckt sich die erste Metallleiterbahn7a nach links über den ersten n-dotierten Bereich3 und das Isolationsgebiet5 zur nichtdargestellten Auswerteschaltung. Hierbei ist die erste Metallleiterbahn7a wie bereits im Zusammenhang mit1 erwähnt, durch die Isolationsschicht6 von anderen Gebieten getrennt. Ebenso erstreckt sich ausgehend vom zweiten n-dotierten Gebiet4 die dritte Metallleiterbahn9 nach rechts und ist ebenso wie die erste Metallleiterbahn7a durch die Isolationsschicht6 von anderen Teilen der Anordnung isoliert. - In
3 ist die erfindungsgemäße Widerstandsanordnung in einer Ansicht von unten dargestellt. Wiederum ist die Schnittline A-A' dargestellt. Erkennbar ist im Gegensatz zu2 diesmal der Bereich des p-dotierten Substrats1 , der das Isolationsgebiet5 teilweise verdeckt. Das Isolationsgebiet5 in3 entspricht dem Isolationsgebiet5 in2 . Weiterhin entspricht dem ersten n-dotierten Gebiet3 und dem zweiten n-dotierten Gebiet4 in3 die entsprechenden Gebiete in2 . Lediglich in3 sichtbar ist jedoch die zweite Metallschicht8 bzw. die untere Elektrode8 , da sie von oben nicht sichtbar ist. An die zweite Metallschicht8 schließt sich die zweite Metallleiterbahn8a an, die den ersten n-dotierten Bereich3 und den zweiten n-dotierten Bereich4 elektrisch miteinander verbindet, wobei hierbei das Isolationsgebiet5 überbrückt wird. - Der Widerstandswert der Widerstandsanordnung gemäß der Erfindung lässt sich in einfacher Weise durch die Dotierung und die Abmessungen des ersten n-dotierten Gebiets
3 auf sehr genaue Weise bestimmen. Ein Rechenbeispiel bezüglich des ersten n-dotierten Gebiets3 soll dies verdeutlichen: Bei einem angenommenen spezifischen Widerstand von 10 mΩ * cm und einer Dicke in vertikaler Richtung des ersten n-dotierten Gebiets von 10 μm und einer Fläche des ersten n-dotierten Gebiets3 von 10 mm2 errechnet sich ein Widerstandswert des Shuntwiderstands der Widerstandsanordnung von:
Widerstand = spezifischer Widerstand * Dicke des ersten n-dotierten Gebiets3 /Fläche des ersten n-dotierten Gebiets3 = 0, 1 mΩ. - Bei einem zu messenden Strom von 100 A erhält man beim angegebenen Rechenbeispiel ein Meßsignal in Form einer zwischen den Elektroden des Shuntwiderstands anliegenden Spannung von 10 mV und eine Verlustleistung von 1 W.
- Die nichtdargestellte Auswerteschaltung wird im Gebiet des weiteren n-dotierten Gebiets
2 hergestellt, die durch das Isolationsgebiet5 von den Gebieten der ersten und zweiten n-dotierten Gebiete3 ,4 elektrisch getrennt ist. Die Verbindungen zwischen dem Shuntwiderstand, der aus dem ersten n-dotierten Gebiet3 besteht, und der Auswerteschaltung erfolgen durch die erste Metallleiterbahn7a und die dritte Metallleiterbahn9 . - Zusätzlich zu den Dimensionen des ersten n-dotierten Gebiets
3 können auch die Abmessungen der ersten Elektrode7 und der zweiten Elektrode8 Einfluß auf den Widerstandswert der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ausüben. Diese Auswirkungen sind jedoch vollständig bekannt und daher beherrschbar. - Erfindungsgemäß ist es möglich, die Dicke und den spezifischen Widerstand des ersten n-dotierten Gebiets
3 mittels Teststrukturen, die ebenfalls monolithisch integriert werden, zu ermitteln und damit den Shuntwiderstand sehr genau zu kalibrieren. - Weiterhin ist es möglich, eine Temperaturkompensation des Shuntwiderstands mit Hilfe eines monolithisch integrierten Temperatursensors zu realisieren. Hierzu wird der temperatursensible Bereich des nichtdargestellten Temperatursensors möglichst nah an den ersten n-dotierten Bereich
3 gebracht und in der nichtdargestellten Auswerteschaltung die Meßsignale der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung und des nichtdargestellten Temperatursensors derart ausgewertet, dass eine möglichst umfassende Temperaturkompensation des Meßsignals der Widerstandsanordnung erreicht wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine temperaturkompensierte Widerstandsanordnung bereitgestellt.
Claims (7)
- Widerstandsanordnung (
7 ,3 ,8 ), die auf einer Halbleiteranordnung (1 ,2 ) angeordnet ist oder Bestandteil der Halbleiteranordnung (1 ,2 ) ist, mit einer zugeordneten Ausweiteschaltung zur Auswertung eines Spannungsabfalls an der Widerstandsanordnung (7 ,3 ,8 ), die auf der Halbleiteranordnung (1 ,2 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung (7 ,3 ,8 ) und die Auswerteschaltung auf der Halbleiteranordnung (1 ,2 ,3 ,4 ,5 ) monolithisch integriert sind und die Widerstandsanordnung (7 ,3 ,8 ) zusätzlich zu einem ersten dotierten Gebiet (3 ) ein weiteres gleichartig dotiertes Gebiet (4 ) aufweist, das vom ersten Gebiet (3 ) durch ein Isolationsgebiet (5 ) getrennt ist. - Widerstandsanordnung (
7 ,3 ,8 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiteranordnung (1 ) p-dotiert ist, das die Gebiete (2 ,3 und4 ) n-dotiert sind und dass Schichten (7 ,8 ) als Metallschichten vorgesehen sind. - Widerstandsanordnung (
7 ,3 ,8 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung (7 ,3 ,8 ) als Shuntwiderstand vorgesehen ist. - Widerstandsanordnung (
7 ,3 ,8 ) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung (7 ,3 ,8 ) zur Messung einer Stromstärke vorgesehen ist und die Metallschichten (7 ,8 ) als Elektroden zur Weiterführung des zu messenden Stromes dienen. - Widerstandsanordnung (
7 ,3 ,8 ) nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiteranordung (1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ) aus gegebenenfalls dotiertem Silizium oder Siliziumoxid besteht. - Widerstandsanordnung (
7 ,3 ,8 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich monolithisch ein Temperatursensor integriert ist. - Widerstandsanordnung (
7 ,3 ,8 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass die Auswerteschaltung zur Temperaturkompensation vorgesehen ist.
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