DE102005050324B4

DE102005050324B4 - rectifier

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Publication number: DE102005050324B4
Application number: DE200510050324
Authority: DE
Inventors: Christoph Braun; Bernhard Dr. Knoll; Martin Dr. Verbeek; Werner Dr. Weber
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2025-10-21
Also published as: DE102005050324A1

Abstract

Gleichrichter, mit
– einem ersten Substratbereich (60), das einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist,
– einem zweiten Substratbereich (61), das einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist,
– einer ersten Diode (63) und einer zweiten Diode (64), die in Reihenschaltung gekoppelt sind, wobei die Anode der ersten Diode (63) mit der Kathode der zweiten Diode (64) gekoppelt ist,
wobei der zweite Substratbereich (61) mit der Anode der zweiten Diode (64) gekoppelt ist, die Anode der ersten Diode (63) und der erste Substratbereich (60) Kontakte (67) zum Anschließen einer Wechselspannungsquelle aufweisen, und die Kathode der ersten Diode (63) und die Anode der zweiten Diode (64) Kontakte (66) zum Abgreifen einer Gleichspannung aufweisen, wobei auf dem zweiten Substratbereich (61) übereinander eine Oxidschicht und eine Metallschicht (65) angeordnet sind, und die Metallschicht (65) mit der Kathode der ersten Diode (63) gekoppelt ist.Rectifier, with
A first substrate region (60) having a first conductivity type,
A second substrate region (61) having a second conductivity type opposite to the first conductivity type,
A first diode and a second diode coupled in series, the anode of the first diode being coupled to the cathode of the second diode;
wherein the second substrate region (61) is coupled to the anode of the second diode (64), the anode of the first diode (63) and the first substrate region (60) comprise contacts (67) for connecting an AC voltage source, and the cathode of the first diode (63) and the anode of the second diode (64) having contacts (66) for tapping a DC voltage, wherein on the second substrate portion (61) one above the other an oxide layer and a metal layer (65) are arranged, and the metal layer (65) with the Cathode of the first diode (63) is coupled.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichrichter.The The invention relates to a rectifier.

Integrierte Hochfrequenzgleichrichter bestehen normalerweise aus einer aktiven Transistorschaltung oder Schottky-Dioden, die eine entsprechend hohe Schaltfrequenz besitzen, wobei ein Kondensator zur Glättung der Gleichspannung eingesetzt werden kann.integrated High frequency rectifiers normally consist of one active one Transistor circuit or Schottky diodes, which correspond to one have high switching frequency, with a capacitor for smoothing the DC voltage can be used.

Nachteil von Transistor-Gleichrichtern ist der relativ hohe Stromrückfluss, der die Spannung an einem Glättungskondensator bis zur Schwellenspannung der Transistoren begrenzen kann. Aktive Komparatorschaltungen, die Gateanschlüsse der Transistoren entsprechend steuern, um den Rückfluss zu verhindern, bedingen aber einen erhöhten Schaltungsaufwand.disadvantage of transistor rectifiers is the relatively high current reflux, the voltage on a smoothing capacitor can limit to the threshold voltage of the transistors. active Comparator circuits, the gate terminals of the transistors accordingly control the reflux To prevent, but require an increased circuit complexity.

Im Gegensatz dazu sind Schottky-Dioden, die für Gleichrichter verwendet werden, im Vergleich zu pn-Dioden zwar ausreichend schnell, aber in modernen CMOS-Prozessen nicht vorgesehen, bzw. sie benötigen Spezial-Prozesse.in the In contrast, Schottky diodes used for rectifiers are Although sufficiently fast compared to pn-diodes, but modern CMOS processes not intended, or they require special processes.

Passive RFID-Transponder (Radio Frequency Identification Devices, Hochfrequenz-Identifikationsvorrichtungen) sind Einzelchip-Transponder, die ihre Versorgungsspannung aus einem hochfrequenten Trägersignal beziehen, das mittels einer Antenne, z. B. einer Spulen-Antenne empfangen wird. Zum Erzeugen der Betriebsspannung wird ein integrierter HF(Hoch-Frequenz)-Gleichrichter benötigt, der mit einem nachgeschalteten Glättungskondensator und einem Spannungsbegrenzer eine konstante Gleichspannung erzeugt.passive RFID transponders (Radio Frequency Identification Devices, Radio Frequency Identification Devices) are single-chip transponders that supply their power from one high-frequency carrier signal refer, which by means of an antenna, for. B. a coil antenna Will be received. To generate the operating voltage is an integrated RF (high-frequency) rectifier needed with a downstream smoothing capacitor and a Voltage limiter generates a constant DC voltage.

1 zeigt einen passiven RFID-Transponder, der einen Gleichrichter zum Erzeugen von Gleichspannung aufweist. 1 shows a passive RFID transponder having a rectifier for generating DC voltage.

Gemäß dieser herkömmlichen Anordnung sind auf dem Substrat des RFID-Transponders 1 eine Antenne 2, ein Gleichrichter 3, ein Taktgenerator 4, eine Steuereinheit 5 mit Datenspeicher und ein HF-Modulator 6 angeordnet.According to this conventional arrangement are on the substrate of the RFID transponder 1 an antenna 2 , a rectifier 3 , a clock generator 4 , a control unit 5 with data memory and an RF modulator 6 arranged.

Der Gleichrichter 3 empfängt Wechselspannungssignale der Antenne 2 und wandelt diese Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Mit dieser Gleichspannung werden der Taktgenerator 4, die Steuereinheit 5 und der HF-Modulator 6 versorgt.The rectifier 3 receives AC signals from the antenna 2 and converts this AC voltage into a DC voltage. With this DC voltage, the clock generator 4 , the control unit 5 and the RF modulator 6 provided.

Der Taktgenerator 4 erzeugt ein hochfrequentes Taktsignal und versorgt die Steuereinheit 5 und den HF-Modulator 6 mit diesem Taktsignal. In der Steuereinheit 5 wird unter Verwendung des Taktsignals und der in dem Datenspeicher gespeicherten Daten ein Ausgabesignal vorbereitet. Der HF-Modulator 6 moduliert das hochfrequente Taktsignal mit dem Ausgabesignal zum Erzeugen eines Ausgabesignals, das mittels der Antenne 2 ausgestrahlt wird. Somit ist die Funktionsfähigkeit des RFID-Transponders 1 sichergestellt, indem die Versorgungsspannung aus dem Wechselspannungssignal der Antenne 2 gewonnen wird, ohne dass der RFID-Transponder 1 eine zusätzliche Stromquelle aufzuweisen braucht. Der Anschluss der Antenne 2 an den Gleichrichter 3 erfolgt mittels einer MOS-Kapazität des Gleichrichters 3, wobei ein zweiter Kontakt zum Anschließen der Wechselspannung mit einem der beiden Kontakte zum Anschließen der Gleichspannung gekoppelt ist, was unten genauer beschrieben ist.The clock generator 4 generates a high-frequency clock signal and supplies the control unit 5 and the RF modulator 6 with this clock signal. In the control unit 5 An output signal is prepared using the clock signal and the data stored in the data memory. The RF modulator 6 modulates the high frequency clock signal with the output signal to produce an output signal generated by the antenna 2 is broadcast. Thus, the functionality of the RFID transponder 1 ensured by the supply voltage from the AC signal of the antenna 2 is gained without the RFID transponder 1 need to have an additional power source. The connection of the antenna 2 to the rectifier 3 takes place by means of a MOS capacitance of the rectifier 3 wherein a second contact for connecting the AC voltage is coupled to one of the two contacts for connecting the DC voltage, which is described in more detail below.

Ein auf pn-Dioden basierender Gleichrichter gemäß dem Stand der Technik, bei dem eine Gleichrichter-Kaskadenschaltung verwendet wird, ist in 2 gezeigt.A pn-diode based rectifier according to the prior art, which employs a rectifier cascade circuit, is disclosed in U.S. Patent No. 5,467,874 2 shown.

2 zeigt eine Gleichrichter-Kaskadenschaltung gemäß dem Stand der Technik. 2 shows a rectifier cascade circuit according to the prior art.

In 2 ist die Antenne aus 1 durch eine Wechselspannungsquelle 20 dargestellt, die mit jeweils einem Kontakt einer Koppelkapazität 21 und einer Glättungskapazität 22 des Gleichrichters gekoppelt ist. Ferner weist der Gleichrichter eine erste pn-Diode 23 und eine zweite pn-Diode 24 auf, die als Kaskade, d. h. in Reihe, gekoppelt sind. Der zweite Kontakt der Koppelkapazität 21 ist mit der Kathode der ersten pn-Diode 23 sowie mit der Anode der zweiten pn-Diode 24 gekoppelt. Die Glättungskapazität 22 ist parallel an die Reihenschaltung aus erster Diode 23 und zweiter Diode 24 gekoppelt, d. h. an die Anode der ersten pn-Diode 23 und die Kathode der zweiten pn-Diode 24. Die Reihenschaltung aus erster Diode 23 und zweiter Diode 24 ist außerdem an Kontakte VDD 26b und VSS 26a zum Abgreifen der Gleichspannung gekoppelt. Somit ist ein Kontakt der Wechselspannungsquelle 20 direkt mit einem Kontakt zum Abgreifen der Gleichspannung gekoppelt, wobei ein erster Energieversorgungskontakt 26a, an welchen ein erstes Energieversorgungspotenzial VDD angelegt wird, mit der Anode der ersten pn-Diode 23 gekoppelt ist und ein zweiter Energieversorgungskontakt 26b, an welchen ein zweites Energieversorgungspotenzial VSS angelegt wird, mit der Kathode der zweiten pn-Diode 24 gekoppelt ist.In 2 is the antenna off 1 by an AC voltage source 20 shown, each with a contact of a coupling capacity 21 and a smoothing capacity 22 coupled to the rectifier. Furthermore, the rectifier has a first pn diode 23 and a second pn diode 24 on, which are coupled as a cascade, ie in series. The second contact of the coupling capacity 21 is with the cathode of the first pn diode 23 as well as with the anode of the second pn-diode 24 coupled. The smoothing capacity 22 is parallel to the series connection of the first diode 23 and second diode 24 coupled, ie to the anode of the first pn diode 23 and the cathode of the second pn diode 24 , The series connection of the first diode 23 and second diode 24 is also on contacts VDD 26b and VSS 26a coupled to pick up the DC voltage. Thus, a contact of the AC voltage source 20 directly coupled to a contact for tapping the DC voltage, wherein a first power supply contact 26a to which a first power supply potential VDD is applied to the anode of the first pn diode 23 is coupled and a second power supply contact 26b to which a second power supply potential VSS is applied, with the cathode of the second pn diode 24 is coupled.

Die 3a und 3b zeigen ein Ersatzschaltbild für jeweils eine positive bzw. eine negative Halbwelle der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle.The 3a and 3b show an equivalent circuit diagram for each positive or negative half-wave of the AC voltage of the AC voltage source.

Nimmt man die beiden in 2 dargestellten pn-Dioden 23, 24 als ideal an, kann die Ausgangsgleichspannung am Glättungskondensator C2 22 sehr einfach ermittelt werden. Die Wechselspannungsquelle 30 entspricht der Antennenspannung bei einem RFID-Transponder. Aufgrund der beiden Dioden 23, 24 kann man für die positive bzw. die negative Halbwelle der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 30 zwei getrennte Ersatzschaltbilder angeben (3a, 3b). Bei einer positiven Halbwelle (3a) wird die erste Kapazität 31, die der Koppelkapazität 21 aus 2 entspricht, auf die maximale Spannung U₀ aufgeladen. Bei einer negativen Halbwelle (3b) ergibt sich eine Reihenschaltung aus der ersten Kapazität 31 und der zweiten Kapazität 33, so dass sich die Spannung an der zweiten Kapazität 33, die der Glättungskondensator aus 2 entspricht, auf die doppelte Spannung UC₂ = 2U₀ auflädt.If you take the two in 2 represented pn diodes 23 . 24 when ideal, the DC output voltage at the smoothing capacitor C2 22 be determined very easily. The AC voltage source 30 corresponds to the antenna voltage with an RFID transponder. Due to the two diodes 23 . 24 you can for the positive or negative half-wave of the AC voltage of the AC voltage source 30 specify two separate equivalent circuit diagrams ( 3a . 3b ). For a positive half wave ( 3a ) becomes the first capacity 31 , the coupling capacity 21 out 2 corresponds to the maximum voltage U ₀ charged. With a negative half wave ( 3b ) results in a series connection of the first capacity 31 and the second capacity 33 , so that the voltage at the second capacity 33 which is the smoothing capacitor 2 corresponds to twice the voltage UC ₂ = 2U ₀ charges.

Die Leerlaufspannung an den Gleichspannungsanschlüssen 26a, 26b stellt sich daher im Idealfall auf die doppelte Eingangsspannung U₀ ein. Reale Dioden besitzen aber eine Durchbruchspannung U_d in Durchlassrichtung, die die Ausgangsspannung des Gleichrichters auf U_a = 2(U₀ – U_d) reduziert.The open circuit voltage at the DC voltage connections 26a . 26b is therefore ideally set to twice the input voltage U ₀ . But real diodes have a breakdown voltage U _d in the forward direction, which reduces the output voltage of the rectifier to U _a = 2 (U ₀ - U _d ).

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der herkömmlichen Gleichrichter-Kaskadenschaltung aus 2, das in einem CMOS-Prozess mit einem p-Substrat gebildet ist. 4 shows an embodiment of the conventional rectifier cascade circuit 2 , which is formed in a CMOS process with a p-substrate.

Gemäß dem in 4 dargestellten herkömmlichen Ausführungsbeispiel sind in einem Halbleiter-Substrat 40, das z. B. p-dotiert ist, eine erste Diode 43, eine zweite Diode 44, sowie eine erste Kapazität und eine zweite Kapazität in CMOS-Technologie hergestellt. Die erste Kapazität und die zweite Kapazität sind jeweils aus einem n-dotierten Substrat, d. h. einer n-dotierten Wanne 41, 42 in dem p-dotierten Substrat 40, und einer Metallschicht 45, 46, die mittels einer Isolationsschicht, z. B. Siliziumdioxid, von der jeweiligen Wanne 41 bzw. 42 getrennt sind, gebildet. Die erste Diode 43 und die zweite Diode 44 weisen jeweils eine p-dotierte Anode und eine n-dotierte Kathode auf. Zur Beschaltung der ersten Diode 43 und der zweiten Diode 44, sowie der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität, wird auf die oben in 2 genannte Beschreibung verwiesen.According to the in 4 illustrated conventional embodiment are in a semiconductor substrate 40 , the Z. B. p-doped, a first diode 43 , a second diode 44 , as well as a first capacity and a second capacity made in CMOS technology. The first capacitance and the second capacitance are each made of an n-doped substrate, ie an n-doped well 41 . 42 in the p-doped substrate 40 , and a metal layer 45 . 46 , which by means of an insulating layer, for. As silicon dioxide, from the respective tub 41 respectively. 42 are separated, formed. The first diode 43 and the second diode 44 each have a p-doped anode and an n-doped cathode. For wiring the first diode 43 and the second diode 44 , as well as the first capacity and the second capacity, will be on the top in 2 referenced description.

In anderen Worten, die erste Kapazität und die zweite Kapazität sind als flächeneffiziente MOS-Kapazitäten mit jeweils einer n-Wanne 41, 42 und einer Metallschicht 45, 46 realisiert, während die erste Diode 43 und die zweite Diode 44 als einfache pn-Dioden ausgebildet sind. Der Wechselspannungskontakt AC_In1 48a und der Wechselspannungskontakt AC_In2 47a sind direkt mit den MOS-Kapazitäten gekoppelt, so dass aufgrund einer parasitären Kopplung 49 zwischen der ersten n-Wanne 41 und der zweiten n-Wanne 42 im Substrat 40 ein Kurzschlussstrom zwischen den Wechselspannungskontakten 48 fließt, der die Effizienz des Gleichrichters mindert.In other words, the first capacitance and the second capacitance are as area-efficient MOS capacitances each having an n-well 41 . 42 and a metal layer 45 . 46 realized while the first diode 43 and the second diode 44 are designed as simple pn diodes. The AC contact AC_In1 48a and the AC contact AC_In2 47a are directly coupled to the MOS capacitances, so that due to a parasitic coupling 49 between the first n-tub 41 and the second n-tub 42 in the substrate 40 a short circuit current between the AC contacts 48 flows, which reduces the efficiency of the rectifier.

Ein integrierter Gleichrichter mit pn-Dioden in Brückenschaltung weist jedoch nur eine geringe Betriebsfrequenz auf, da der Gleichspannungskontakt für Masse VSS und der Wechselspannungskontakt AC_In2 miteinander verbunden sind, und sich so die Eingangs-Wechselspannung und die Ausgangs-Gleichspannung aufgrund der parasitären Kapazität, die zwischen der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität besteht, überlagern können. Zudem kann ein wechselspannungsseitiger Anschluss nicht über das Substrat erfolgen, der für den Anschluss von Antennen, z. B. an RFID-Transponders, erhebliche Vorteile bietet, da in diesem Fall eine aufwändige Ausrichtung des Bonding-Pads zum Anschließen der Antenne unnötig ist.One However, integrated rectifier with pn diodes in bridge circuit has only a low operating frequency, because the DC voltage contact for ground VSS and the AC voltage contact AC_In2 interconnected are, and so the input AC voltage and the DC output voltage due to the parasitic Capacity, between the first capacity and the second capacity exists, overlay can. In addition, a Wechselspannungsseitiger connection can not over the Substrate carried out for the connection of antennas, z. B. to RFID transponders, offers significant benefits, because in this case an elaborate Alignment of the bonding pad is unnecessary for connecting the antenna.

Die Dioden in der N-Wanne können auch mit CMOS-Transistoren in Diodenschaltung realisiert werden.The Diodes in the N-tub can can also be implemented with diode-connected CMOS transistors.

EP 0 052 860 B1 offenbart einen Gleichrichter mit einem ersten und einem zweiten Substratbereich und vier Dioden, wobei eine erste Diode und eine zweite Diode gekoppelt sind. Gemäß EP 0 052 860 B1 dient der zweite Substratbereich als Anode der zweiten Diode und als Anode einer dritten Diode, wobei eine Wechselspannungsquelle mit der dritten Diode und der ersten Diode gekoppelt ist. EP 0 052 860 B1 discloses a rectifier having a first and a second substrate region and four diodes, wherein a first diode and a second diode are coupled. According to EP 0 052 860 B1 The second substrate region serves as the anode of the second diode and as the anode of a third diode, wherein an AC voltage source is coupled to the third diode and the first diode.

DE 1 639 177 offenbart einen weiteren Gleichrichter mit einem ersten und einem zweiten Substratbereich und einer ersten und einer zweiten Diode, wobei der Gleichrichter zusätzlich zwei Kapazitäten aufweist, die mit den Dioden als Greinacher-Schaltung gekoppelt sind. DE 1 639 177 discloses another rectifier having first and second substrate regions and first and second diodes, the rectifier additionally having two capacitances coupled to the diodes as the Greinacher circuit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Gleichrichter mit einem geringen Flächenverbrauch zu schaffen, der eine hohe Effizienz und eine hohe Grenzfrequenz aufweist.Of the The invention is therefore based on the object, a rectifier with a low area consumption to create a high efficiency and a high cutoff frequency having.

Das Problem wird durch einen Gleichrichter mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.The Problem is solved by a rectifier with the features according to the independent claim solved.

Ein Gleichrichter weist einen ersten Substratbereich mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und einen zweiten Substratbereich mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp auf, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist. Ferner weist der Gleichrichter eine erste Diode und eine zweite Diode auf, die in Reihenschaltung gekoppelt sind, wobei die Anode der ersten Diode mit der Kathode der zweiten Diode gekoppelt ist. Dabei ist der zweite Substratbereich mit der Anode der zweiten Diode gekoppelt, und die Anode der ersten Diode und der erste Substratbereich weisen Kontakte zum Anschließen einer Wechselspannungsquelle auf. Zum Abgreifen einer Gleichspannung weisen die Kathode der ersten Diode und die Anode der zweiten Diode entsprechende Kontakte auf. Ferner sind auf dem zweiten Substratbereich eine Oxidschicht und eine Metallschicht übereinander angeordnet, und die Metallschicht ist mit der Kathode der ersten Diode gekoppelt.A rectifier has a first substrate region having a first conductivity type and a second substrate region having a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Furthermore, the rectifier has a first diode and a second diode, which are coupled in series, wherein the anode of the first diode is coupled to the cathode of the second diode. In this case, the second substrate region is coupled to the anode of the second diode, and the anode of the first diode and the first substrate region have contacts for connecting an AC voltage source. For tapping a DC voltage, the cathode of the first diode and the anode of the second diode corresponding Kontak te on. Further, an oxide layer and a metal layer are stacked on the second substrate region, and the metal layer is coupled to the cathode of the first diode.

Anschaulich kann ein Aspekt der Erfindung in einer Gleichrichter-Kaskadenschaltung gesehen werden, die die parasitäre Sperrschicht-Kapazität einer MOS-Kapazität als Kapazität für die Kaskadenschaltung nutzt, und daher einen wechselspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters über das Substrat ermöglicht. Da nur zwei pn-Dioden zum Gleichrichten des Wechselspannungs-Eingangssignals verwendet werden, verringert sich der parasitäre Kurzschlußstrom zwischen den Dioden, so dass sich die Grenzfrequenz des Gleichrichters erhöht. Ferner reduziert sich die Chipfläche, da nur eine einzige MOS-Kapazität für die Kaskadenschaltung implementiert ist.clear may be an aspect of the invention in a rectifier cascade circuit be seen that the parasitic Depletion capacitance a MOS capacity as capacity for the Cascade uses, and therefore an AC side Connecting the rectifier via allows the substrate. Because only two pn diodes for rectifying the AC input signal used, the parasitic short-circuit current decreases between the diodes, so that the limit frequency of the rectifier increases. Further reduced the chip area, because only a single MOS capacity for the Cascade circuit is implemented.

Ein Aspekt der Erfindung basiert daher auf der Idee, parasitäre Kapazitäten, die sich aufgrund der Integration zwangsläufig ergeben, für die wechselspannungsseitige Einkopplung zu nutzen und somit die Chipfläche zu reduzieren und einen Substratanschluss für die wechselspannungsseitige Einkopplung auf einfache Weise zu ermöglichen. Da nur zwei pn-Dioden verwendet werden, kann kein parasitärer Kurzschlussstrom zwischen den pn-Dioden fließen. Dadurch werden die Verluste bei hohen Signalfrequenzen vermieden und die Betriebsfrequenz des Kaskaden-Gleichrichters wird deutlich gesteigert. Für RFID-Chips ergibt sich daraus ein Vorteil bei der Kontaktierung einer externen Antenne, da nur ein Kontakt für einen Bonding-Draht benötigt wird, und der weitere Anschluss der Antenne über das Substrat erfolgen kann.One Aspect of the invention is therefore based on the idea of parasitic capacitances inevitably arise due to the integration, for the AC side Use coupling and thus reduce the chip area and a Substrate connection for to enable the AC-side coupling in a simple manner. Since only two pn diodes are used, no parasitic short-circuit current can flow between the pn-diodes. Thereby the losses are avoided at high signal frequencies and the Operating frequency of the cascade rectifier is significantly increased. For RFID chips this results in an advantage when contacting an external Antenna, as only one contact for requires a bonding wire and the further connection of the antenna can be made via the substrate.

Damit wird ein Gleichrichter für hochfrequente Wechselspannungen (f > 10 MHz) geschaffen, der beispielsweise für den Einsatz im UHF-Bereich sehr geeignet ist, da er einen hohen Wirkungsgrad aufweist.In order to becomes a rectifier for high-frequency alternating voltages (f> 10 MHz) created, for example for the Use in the UHF range is very suitable because it has a high efficiency having.

Der zweite Substratbereich und die Metallschicht, die mittels der Oxidschicht getrennt sind, bilden somit eine Glättungskapazität. Damit wird erreicht, dass die Gleichspannung, die ansonsten stark pulsiert, geglättet ist.Of the second substrate region and the metal layer by means of the oxide layer are separated, thus forming a smoothing capacity. In order to it is achieved that the DC voltage, which otherwise pulsates strongly, smoothed is.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.further developments The invention will become apparent from the dependent claims.

In einem anderen Ausführungsbeispiel sind bei dem Gleichrichter der erste Substratbereich und der zweite Substratbereich aus einem elementaren Halbleiter, wie z. B. Silizium, oder einem Verbindungshalbleiter gebildet.In another embodiment in the rectifier, the first substrate region and the second Substrate region of an elemental semiconductor, such. Silicon, or a compound semiconductor.

Beispiele für Verbindungshalbleiter sind III-V-Halbleiter, wie z. B. Galliumarsenid oder Indiumphosphid, II-VI-Halbleiter, wie z. B. Cadmiumselenid, und IV-IV-Halbleiter, wie z. B. Siliziumcarbid.Examples for compound semiconductors are III-V semiconductors, such as. Gallium arsenide or indium phosphide, II-VI semiconductor, such as As cadmium selenide, and IV-IV semiconductors such. B. silicon carbide.

Obwohl die Substratbereiche aus einem der vielen bekannten Halbleitermaterialien gebildet sein können, werden die Substratbereiche besonders bevorzugt aus Silizium, Galliumarsenid oder Indiumphosphid gebildet, da die Verarbeitung dieser Materialien gut bekannt ist und mit herkömmlichen Prozess-Anlagen leicht durchgeführt werden kann.Even though the substrate regions of one of the many known semiconductor materials can be formed The substrate regions are particularly preferably made of silicon, gallium arsenide or indium phosphide formed as the processing of these materials well known and with conventional Process plants easily performed can be.

In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die erste Diode und die zweite Diode aus jeweils einem Transistor in Diodenschaltung gebildet.In another embodiment the first diode and the second diode are each a transistor formed in diode connection.

Vorteil dieser Anordnung ist, dass diese Anordnung eine kleinere Fläche auf dem ersten Substratbereich benötigt.advantage This arrangement is that this arrangement has a smaller area needed for the first substrate area.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist bei einem Gleichrichter, der auf einem RFID-Chip angeordnet ist, eine Antenne des RFID-Chips als Wechselspannungsquelle angeschlossen.According to one Another embodiment of the invention is in a rectifier, which is arranged on an RFID chip, an antenna of the RFID chip connected as AC voltage source.

Dieses Ausführungsbeispiel hat z. B. den Vorteil, dass zur Versorgung von elektronischen Bauelementen auf einem RFID-Chip keine Batterie notwendig ist, da die dazu notwendige Versorgungsspannung aus der Antenne des RFID-Chips gewonnen werden kann.This embodiment has z. B. the advantage that for the supply of electronic components on an RFID chip No battery is necessary because the necessary supply voltage can be obtained from the antenna of the RFID chip.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the figures and will be discussed below explained in more detail.

3a zeigt ein Ersatzschaltbild für eine positive Halbwelle der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle. 3a shows an equivalent circuit diagram for a positive half-wave of the AC voltage of the AC voltage source.

3b zeigt ein Ersatzschaltbild für eine negative Halbwelle der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle. 3b shows an equivalent circuit diagram for a negative half-wave of the AC voltage of the AC voltage source.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der herkömmlichen Gleichrichter-Kaskadenschaltung aus 2 in CMOS-Technik. 4 shows an embodiment of the conventional rectifier cascade circuit 2 in CMOS technology.

5 zeigt ein Blockschaltbild einer Gleichrichterschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 5 shows a block diagram of a rectifier circuit according to an embodiment of the invention.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Gleichrichter-Kaskadenschaltung aus 5 in CMOS-Technik. 6 shows an embodiment of the rectifier cascade circuit 5 in CMOS technology.

7 zeigt den Anschluss einer externen Antenne über ein Bonding-Pad und das Substrat an einen RFID-Transponder. 7 shows the connection of an external antenna via a bonding pad and the substrate to an RFID transponder.

Die beschriebenen Figuren dienen nur zur Erklärung der Erfindung und stellen insbesondere keine maßstabsgetreuen Abbildungen des Gegenstands der Erfindung dar.The Figures described only serve to explain the invention and provide in particular, not to scale Illustrations of the subject invention.

Das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung ist in 5 dargestellt.The block diagram of the rectifier circuit according to the invention is in 5 shown.

Wie in 5 zu sehen ist, ist eine Wechselspannungsquelle 50 mittels eines Wechselspannungskontakts AC_In1 57a mit der Kathode einer ersten Diode 53 und der Anode einer zweiten Diode 54 gekoppelt und mittels eines Wechselspannungskontakts AC_In2 57b mit einer ersten Kapazität 51. Anders ausgedrückt, die erste Diode 53 und die zweite Diode 54 sind in Reihe gekoppelt, d. h. in Kaskade gekoppelt. Die erste Kapazität 51 entspricht der parasitären Substratkapazität und dient als Koppel-Kapazität. Ferner ist die Kathode der zweiten Diode 54 mit einem zweiten Anschluss der ersten Kapazität 51 und mit einem ersten Anschluss der zweiten Kapazität 52 gekoppelt, wobei die zweite Kapazität einer Glättungskapazität 52 entspricht. Ferner ist die Anode der ersten Diode 53 mit dem zweiten Anschluss der zweiten Kapazität 52 gekoppelt. Die Kapazität 52 ist parallel zu dem Gleichspannungskontakt VDD 56b und dem Gleichspannungskontakt VSS 56a zum Abgreifen einer Gleichspannung Ua 59 gekoppelt. Da die zweite Kapazität 52 parallel an die Gleichspannungskontakte 56a, 56b gekoppelt ist, wirkt die Kapazität 52 als Glättungskapazität zum Vermindern der Welligkeit der erzeugten Gleichspannung Ua 59. Beispielsweise kann die Kapazität 52 einen Kapazitätswert von 50 pF aufweisen.As in 5 can be seen, is an AC voltage source 50 by means of an AC contact AC_In1 57a with the cathode of a first diode 53 and the anode of a second diode 54 coupled and by means of an AC contact AC_In2 57b with a first capacity 51 , In other words, the first diode 53 and the second diode 54 are coupled in series, ie coupled in cascade. The first capacity 51 corresponds to the parasitic substrate capacity and serves as coupling capacitance. Further, the cathode of the second diode 54 with a second connection of the first capacity 51 and with a first terminal of the second capacitance 52 coupled, the second capacity of a smoothing capacity 52 equivalent. Furthermore, the anode of the first diode 53 with the second port of the second capacity 52 coupled. The capacity 52 is parallel to the DC contact VDD 56b and the DC contact VSS 56a for picking up a DC voltage Ua 59 coupled. Because the second capacity 52 parallel to the DC voltage contacts 56a . 56b coupled, the capacity acts 52 as a smoothing capacity for reducing the ripple of the generated DC voltage Ua 59 , For example, the capacity 52 have a capacity value of 50 pF.

Zur Spannungsstabilisierung kann der Gleichrichter eine dritte Diode (nicht gezeigt) oder ein anderes geeignetes elektronisches Element aufweisen, das parallel an die Gleichspannungskontakte 56 gekoppelt ist.For voltage stabilization, the rectifier may include a third diode (not shown) or other suitable electronic element connected in parallel with the DC contacts 56 is coupled.

Damit wird ein Gleichrichter für hochfrequente Wechselspannungen geschaffen, der z. B. für den Einsatz im UHF-Bereich sehr geeignet ist, da er einen hohen Wirkungsgrad aufweist.In order to becomes a rectifier for created high-frequency AC voltages, the z. B. for use in the UHF range is very suitable because it has a high efficiency having.

Gemäß 6 weist der Gleichrichter einen ersten Substratbereich 60 mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und einen zweiten Substratbereich 61 mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, auf. Beispielsweise kann der erste Substratbereich 60 ein p-dotiertes Substrat sein und der zweite Substratbereich 61 eine n-dotierte Wanne 61 sein, die in dem p-Substrat 60 gebildet ist. Der erste Substratbereich 60 und der zweite Substratbereich 61 sind z. B. aus entsprechend dotiertem Silizium gebildet. Ferner können in dem ersten Substratbereich 60 eine erste Diode 63 und eine zweite Diode 64 ausgebildet sein, und in Reihenschaltung miteinander gekoppelt sein, wobei die Anode der ersten Diode 63 mit der Kathode der zweiten Diode 64 gekoppelt ist. Ferner ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel der zweite Substratbereich 61 mit der Anode der zweiten Diode 64 gekoppelt. Die Anode der ersten Diode 63 ist mit einem Wechselspannungskontakt AC_In1 67a gekoppelt und der erste Substratbereich 60 ist mit einem Wechselspannungskontakt AC_In2 67b zum Anschließen einer Wechselspannungsquelle gekoppelt. Auf dem zweiten Substratbereich 61 sind eine Oxidschicht und eine Metallschicht 65 übereinander angeordnet, und die Metallschicht 65 ist mit der Kathode der ersten Diode 63 gekoppelt.According to 6 the rectifier has a first substrate area 60 with a first conductivity type and a second substrate region 61 having a second conductivity type opposite to the first conductivity type. For example, the first substrate region 60 a p-doped substrate and the second substrate region 61 an n-doped tub 61 be in the p substrate 60 is formed. The first substrate area 60 and the second substrate region 61 are z. B. formed from appropriately doped silicon. Furthermore, in the first substrate region 60 a first diode 63 and a second diode 64 be formed, and be coupled in series with each other, wherein the anode of the first diode 63 with the cathode of the second diode 64 is coupled. Further, according to this embodiment, the second substrate region 61 with the anode of the second diode 64 coupled. The anode of the first diode 63 is with an AC contact AC_In1 67a coupled and the first substrate area 60 is with an AC contact AC_In2 67b coupled to connect an AC voltage source. On the second substrate area 61 are an oxide layer and a metal layer 65 arranged one above the other, and the metal layer 65 is with the cathode of the first diode 63 coupled.

Daher geschieht die Einspeisung der Wechselspannung mittels der Wechselspannungskontakte AC_In1 67a und AC_In2 67b, und die erzeugte Gleichspannung wird an einem Gleichspannungskontakt 66a, der mit Anode der zweiten Diode 64 und dem zweiten Substrat 61 gekoppelt ist, und einem Gleichspannungskontakt 66b, der mit der Metallschicht 65 und der Kathode der ersten Diode 63 gekoppelt ist, abgegriffen.Therefore, the supply of the AC voltage by means of the AC voltage contacts AC_In1 happens 67a and AC_In2 67b , And the generated DC voltage is at a DC voltage contact 66a , with the anode of the second diode 64 and the second substrate 61 is coupled, and a DC voltage contact 66b that with the metal layer 65 and the cathode of the first diode 63 coupled, tapped.

Der Gleichspannungskontakt 66a stellt ein erstes Gleichspannungspotenzial VSS bereit und der zweite Gleichspannungskontakt 66b stellt ein zweites Gleichspannungspotenzial VDD bereit.The DC voltage contact 66a provides a first DC potential VSS and the second DC voltage contact 66b provides a second DC potential VDD.

Der erste Substratbereich 60 und der zweite Substratbereich 61 können aus einem elementaren Halbleiter, wie z. B. Silizium, oder einem Verbindungshalbleiter gebildet sein. Beispiele für Verbindungshalbleiter sind III-V-Halbleiter, wie z. B. Galliumarsenid oder Indiumphosphid, II-VI-Halbleiter, wie z. B. Cadmiumselenid, und IV-IV-Halbleiter, wie z. B. Siliziumcarbid. Je nach vorhandener Prozesstechnologie und beabsichtigten technischen Daten des Gleichrichters kann ein anderes geeignetes Halbleitermaterial verwendet werden.The first substrate area 60 and the second substrate region 61 can be made of an elemental semiconductor, such as. As silicon, or a compound semiconductor may be formed. Examples of compound semiconductors are III-V semiconductors, such as. As gallium arsenide or indium phosphide, II-VI semiconductors such. As cadmium selenide, and IV-IV semiconductors such. B. silicon carbide. Depending on the existing process technology and intended technical data of the rectifier, another suitable semiconductor material may be used.

Ein Unterschied zur herkömmlichen Gleichrichterschaltung, die in 2 beschrieben ist, ist, dass der Wechselspannungskontakt 67b nur über die erste Kapazität (51 in 5), d. h. über das Substrat 60 mit der Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, und die Kathode der ersten Diode 63 und die Anode der zweiten Diode 64 mit dem Glättungskondensator (52 in 5) gekoppelt sind. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters ist auch hier durch U_a = 2(U₀ – U_d) gegeben.A difference to the conventional rectifier circuit, which in 2 is described, that is the AC contact 67b only over the first capacity ( 51 in 5 ), ie over the substrate 60 is coupled to the rectifier circuit, and the cathode of the first diode 63 and the anode of the second diode 64 with the smoothing capacitor ( 52 in 5 ) are coupled. The output voltage of the rectifier is also given here by U _a = 2 (U ₀ - U _d ).

Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gegenüber der bekannten Schaltung (2 und 4) ergeben sich z. B. durch die Implementierung in CMOS-Technik (6). Die Glättungskapazität ist auch hier, wie schon in 4, als MOS-Kapazität aus der n-Wanne 61 und der Metallschicht 65 realisiert. Ein Unterschied ist, dass bei der Implementierung der Schaltung aus 5 parasitäre Kapazitäten, die normalerweise die Funktion der Gleichrichterschaltung stören, die Koppel-Kapazität bilden.Advantages of the described embodiments of the invention over the known circuit ( 2 and 4 ) arise z. B. by the implementation in CMOS technology ( 6 ). The smoothing capacity is also here, as already in 4 , as MOS capacity from the n-well 61 and the metal layer 65 realized. One difference is that when implementing the circuit 5 parasitic capacitances that normally interfere with the function of the rectifier circuit forming coupling capacitance.

Die parasitäre Sperrschicht-Kapazität 68 in 6 ist aus dem p-Substrat 60, der n-Wanne 61 der MOS-Kapazität und dem pn-Übergang zwischen dem p-Substrat 60 und der n-Wanne 61 gebildet. Liegt am Wechselspannungskontakt AC_In2 67b ein positives Potential gegenüber dem Wechselspannungskontakt AC_In1 67a an, dann wird die Sperrschicht-Kapazität 68 in Durchlassrichtung des pn-Übergangs aus p-Substrat 60 und n-Wanne 61 bis zur Durchbruchspannung aufgeladen. Das E-Feld der Sperrschicht entspricht dem eines Plattenkondensators. Dies entspricht dem Ersatzschaltbild in 3a. Bei umgekehrter Polarität verhält sich die Schaltung dann wie in 3b und der Glättungskondensator wird auf die doppelte Spannung aufgeladen. Da die Dicke der Sperrschicht in Durchlassrichtung sehr klein ist, ergibt sich eine relativ große Sperrschicht-Kapazität 68. Die Sperrschicht stellt damit auch einen inhärenten Schutz gegen elektrostatische Entladungen (ESD) dar.The parasitic junction capacitance 68 in 6 is from the p substrate 60 , the n-pan 61 the MOS capacitance and the pn junction between the p substrate 60 and the n-tub 61 educated. Located at the AC voltage contact AC_In2 67b a positive potential with respect to the AC voltage contact AC_In1 67a on, then becomes the barrier capacitance 68 in the forward direction of the pn junction of p-substrate 60 and n-tub 61 charged to breakthrough voltage. The E-field of the barrier layer corresponds to that of a plate capacitor. This corresponds to the equivalent circuit diagram in FIG 3a , With reverse polarity, the circuit then behaves as in 3b and the smoothing capacitor is charged to twice the voltage. Since the thickness of the barrier layer in the forward direction is very small, results in a relatively large junction capacitance 68 , The barrier thus also provides inherent protection against electrostatic discharge (ESD).

Die Kopplung des Gleichrichters über das Substrat 60 mit dem Wechselspannungskontakt 67b, und folglich die Ausnutzung der parasitären Sperrschicht-Kapazität 68, führt zu einer geringeren Chipfläche, da die Sperrschicht-Kapazität 68 inhärent vorhanden ist und keine zusätzliche Chipfläche benötigt wird. Zudem treten keine parasitären Kurzschlussströme zwischen den Wechselspannungskontakten 67 auf, so dass sich der Wirkungsgrad des Gleichrichters bei hohen Eingangssignalfrequenzen deutlich verbessert. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Kontakt für die Wechselspannungseinkopplung an dem p-Substrat 60 gebildet ist. Das ermöglicht eine einfache Kontaktierung, bei der insbesondere die Positionierung des p-Substrats 60 bei der Kontaktierung des RFID-Transponders vereinfacht ist.The coupling of the rectifier across the substrate 60 with the AC contact 67b , and hence the utilization of the parasitic junction capacitance 68 , leads to a smaller chip area, as the junction capacitance 68 is inherently present and no additional chip area is needed. In addition, no parasitic short-circuit currents occur between the AC voltage contacts 67 on, so that the efficiency of the rectifier at high input signal frequencies significantly improved. Another advantage is that a contact for the AC voltage coupling to the p-substrate 60 is formed. This allows easy contacting, in particular the positioning of the p-substrate 60 is simplified when contacting the RFID transponder.

7 zeigt einen RFID-Chip 73 in der Seitenansicht, woraus erkennbar ist, dass der RFID-Chip 73 auf einem Substrat 70 angeordnet ist. An dem Substrat 70 ist ein Substrat-Kontakt 71 für eine Wechselspannungsquelle, wie z. B. eine Antenne, befestigt. Ferner ist auf dem RFID-Chip 73 ein Bonding-Pad 72 angeordnet, der mit einem zweiten Kontakt zum Anschließen der Wechselspannungsquelle gekoppelt ist. 7 shows an RFID chip 73 in the side view, from which it can be seen that the RFID chip 73 on a substrate 70 is arranged. On the substrate 70 is a substrate contact 71 for an AC voltage source, such as. As an antenna attached. Furthermore, on the RFID chip 73 a bonding pad 72 arranged, which is coupled to a second contact for connecting the AC voltage source.

Herkömmliche RFID-Transponder sind mittels zweier Bonding-Pads, die sich auf einer Seite befinden, mit einer externen Antenne gekoppelt. Demgegenüber ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Anschluss einer externen Antenne über ein Bonding-Pad 72 und das Substrat 70 (7) möglich. Die Lage der Anschlüsse befinden sich auf der oberen und unteren Chip-Seite, so dass sich wesentlich einfachere Kontaktierungsverfahren ergeben.Conventional RFID transponders are coupled to an external antenna by means of two bonding pads located on one side. In contrast, according to this embodiment, the connection of an external antenna via a bonding pad 72 and the substrate 70 ( 7 ) possible. The location of the connections are located on the upper and lower side of the chip, resulting in much simpler Kontaktierungsverfahren.

Als Kontaktierungsverfahren sind Verfahren mit leitfähiger Tinte vorstellbar. Der Chip kann dann mittels Drucktechnik an eine externe Antenne gekoppelt werden. Die Antenne und die Verbindungen können mit leitfähigen Drucktechniken kostensparend realisiert werden, da der Chip nicht mit einer hohen Genauigkeit platziert werden muss, wie dies bei der bisherigen Verbindungs-Methode mit zwei Bonding-Pads der Fall ist.When Contacting methods are conceivable methods with conductive ink. Of the Chip can then be coupled by means of printing technology to an external antenna become. The antenna and the connections can be made using conductive printing techniques be realized cost-saving, since the chip is not with a high accuracy must be placed, as with the previous connection method with two bonding pads is the case.

Es wird somit ein effizienter Gleichrichter bereitgestellt, der zudem den Kontaktierungsaufwand für externe Antennen deutlich reduziert.It Thus, an efficient rectifier is provided, which also the contacting effort for external antennas significantly reduced.

Claims

Rectifier, with - a first substrate region ( 60 ) having a first conductivity type, - a second substrate region ( 61 ) having a second conductivity type opposite to the first conductivity type, - a first diode ( 63 ) and a second diode ( 64 ), which are coupled in series, wherein the anode of the first diode ( 63 ) with the cathode of the second diode ( 64 ), wherein the second substrate region ( 61 ) with the anode of the second diode ( 64 ), the anode of the first diode ( 63 ) and the first substrate region ( 60 ) Contacts ( 67 ) for connecting an AC voltage source, and the cathode of the first diode ( 63 ) and the anode of the second diode ( 64 ) Contacts ( 66 ) for tapping a DC voltage, wherein on the second substrate region ( 61 ) one above the other an oxide layer and a metal layer ( 65 ) are arranged, and the metal layer ( 65 ) with the cathode of the first diode ( 63 ) is coupled.

A rectifier according to claim 1, wherein the first substrate region ( 60 ) and the second substrate region ( 61 ) from an elementary semiconductor, ei a III-V semiconductor, a II-VI semiconductor or an IV-IV semiconductor are formed.

A rectifier according to claim 2, wherein the first substrate region ( 60 ) and the second substrate region ( 61 ) are formed of silicon, gallium arsenide or indium phosphide.

Rectifier according to one of claims 1 to 3, wherein the first diode ( 63 ) and the second diode ( 64 ) are each formed of a diode-connected transistor.

Rectifier according to a the claims 1 to 4, which is arranged on an RFID chip, being used as an AC voltage source an antenna of the RFID chip is connected.