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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung mit einer Anordnung
zur Detektion einer unterbrochenen Anschlussleitung.
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Die
WO 02/15392 A2 beschreibt eine solche Schaltungsanordnung mit einer
Vorrichtung zur Detektion einer Unterbrechung einer Anschlussleitung (OBD,
Open Bond Detection). Die Schaltungsanordnung weist Versorgungsanschlüsse zum
Anlegen einer Versorgungsspannung und einen Ausgang zur Bereitstellung
eines Ausgangssignals auf. Das Anschließen der Versorgungsanschlüsse an geeignete Versorgungspotentiale
erfolgt dabei über
Leitungsverbindungen, die auf eine Unterbrechung hin überwacht
werden sollen. Zwischen den Ausgang dieser Schaltungsanordnung und
einen ersten der Versorgungsanschlüsse ist hierzu ein selbstleitender
MOSFET geschaltet, der während
eines normalen störungsfreien
Betriebs sperrend angesteuert wird. Bei einem Ausfall der Spannungsversorgung
bedingt durch eine Unterbrechung der Leitungsverbindung, die an
der zweiten der beiden Versorgungsanschlüsse angeschlossen ist, leitet
dieser MOSFET und legt den Ausgang der Schaltungsanordnung auf das
Potential des ersten Versorgungsanschlusses, was durch eine angeschlossene
Auswerteschaltung als Fehlerzustand erkannt werden kann. In dieser
Auswerteschaltung ist zur Detektion dieses Fehlerzustandes üblicherweise
ein Widerstand zwischen den Ausgang und das Potential geschaltet,
das bei fehlerfreiem Betrieb an dem zweiten Versorgungsanschluss
anliegt. Dieser Widerstand erfüllt
je nach Konfiguration die Funktion eines Pull-Up-Widerstandes oder
eines Pull-Down-Widerstandes.
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Derartige
Schaltungsanordnungen, bei denen eine solche Funktionalität zur Erkennung
einer Leitungsunterbrechung gefordert wird, sind beispielsweise
integrierte Sensorschaltungen, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt
werden und die unter Umständen lange
Versorgungsleitungen aufweisen, die es zu überwachen gilt.
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Solche
Sensorschaltungen werden üblicherweise
in CMOS-Technologie
realisiert. Die Herstellungsprozesse sind dabei üblicherweise für die Herstellung
selbstsperrender MOS-Transistoren
optimiert. Selbstleitende Transistoren sind durch solche Halbleiter-Prozesse
nur schwierig bzw. mit hohem Platzaufwand realisierbar.
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Darüber hinaus
kann die Notwendigkeit bestehen, derartige Schaltungen sowohl für den Betrieb mit
einem Pull-Up-Widerstand
als auch für
den Betrieb mit einem Pull-Down-Widerstand
vorzubereiten, so dass ein selbstleitender Transistor sowohl zwischen
der Ausgangsklemme und dem ersten Versorgungsanschluss als auch
zwischen der Ausgangsklemme und dem zweiten Versorgungsanschluss vorzusehen
ist. Nachteilig hierbei ist, dass beim Start der Schaltungsanordnung,
unmittelbar nach Anlegen der Versorgungsspannung ein Querstrom über diese beiden
selbstleitenden Transistoren zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen fließt bis eine
Ansteuerschaltung eine ausreichende große, die beiden selbstleitenden
Transistoren sperrende Ansteuerspannung bereitstellt.
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Die
WO 2004/038882 A1 beschreibt eine Sicherheitsschaltung für analoge
Sensoren, die mit einer Versorgungsspannungsleitung, einer Masseleitung
und einer Sensorausgangsleitung verbunden sind. In der Versorgungsspannungsleitung
und der Masseleitung ist bei dieser Schaltung jeweils ein Transistor
vorhanden, dessen Steueranschluss an einem zwischen der Versorgungsspannungsleitung und
der Masseleitung liegenden Spannungsteiler angeschlossen ist. Beide
Transistoren sind im Normalbetrieb der Schaltung durchgeschaltet
und zumindest bei Unterbrechung der Masseleitung abgeschaltet. Zudem
ist die Sensorausgangsleitung über
einen Pull-Down-Widerstand mit ei nem von der Masseleitung unabhängigen Massepotential
verbunden.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung mit einem ersten
und einem zweiten Versorgungsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung
und mit einer Ausgangsklemme zum Bereitstellen eines Ausgangssignals
zur Verfügung
zu stellen, bei der eine Detektion einer Unterbrechung der Versorgungsspannung
ohne die zuvor genannten Nachteile möglich ist.
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Dieses
Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
umfasst einen ersten und einen zweiten Versorgungsanschluss zum
Anlegen einer Versorgungsspannung und einen Ausgangsanschluss zum
Bereitstellen eines Ausgangssignals. Die Schaltungsanordnung umfasst
außerdem
wenigstens eine programmierbare Schalteranordnung mit einem selbstsperrenden
MOS-Transistor, der eine Laststrecke zwischen einem ersten und zweiten
Lastanschluss und eine Steuerelektrode aufweist, und mit einem kapazitiven
Bauelement, das einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist,
dessen erster Anschluss an die Steuerelektrode des MOS-Transistors angeschlossen
ist und dessen zweiter Anschluss an einen Steuer- und Programmieranschluss
angeschlossen ist. Die Laststrecke des MOS-Transistors ist hierbei
zwischen die Ausgangsklemme und einen der Versorgungsanschlüsse geschaltet.
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Der
selbstsperrende MOS-Transistor und das an die Steuerelektrode des
MOS-Transistors angeschlossene kapazitive Bauelement der Halbleiterschalteranordnung
funktionieren bei dieser Anordnung nach Art einer EEPROM-Zelle.
Die Steuerelektrode, die das Leitverhalten des MOS-Transistors bestimmt
ist dabei floatend angeordnet und über das kapazitive Bauelement
gegenüber
dem Steuer- und Programmieranschluss isoliert. Bei Anlegen einer
geeigneten Spannung, die nachfolgend als Programmierspannung bezeichnet
wird, können
allerdings Ladungsträger
aus einem Halbleiterkörper,
in dem der MOS-Transistor
integriert ist, auf die Steuerelektrode des MOS-Transistors tunneln, oder Ladungsträger können von
dieser Steuerelektrode in den Halbleiterkörper tunneln. Hierdurch kann
positive oder negative elektrische Ladung auf der Steuerelektrode
gespeichert werden, die nach Abschalten der Programmierspannung
erhalten bleibt. Eine auf diese Weise programmierte Halbleiterschalteranordnung
kann sich trotz Verwendung eines selbstsperrenden MOS-Transistors
wie ein selbstleitender Transistor verhalten.
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Die
auf die zuvor erläuterte
Weise "programmierte" Halbleiterschalteranordnung
sperrt, wenn eine nachfolgend als Ab schaltspannung bezeichnete Spannung,
durch die Ansteuerschaltung an den Programmier- und Steueranschluss
angelegt wird. Diese Abschaltspannung ist betragsmäßig kleiner
als die Programmierspannung und ist bei einem auf die zuvor erläuterte Weise
programmierten n-Kanal-MOS-Transistor ebenfalls eine negative Spannung
zwischen dem zweiten Anschluss des kapazitiven Bauelements und dem
einen der Lastanschlüsse.
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Die
wenigstens eine zwischen einen der Versorgungsanschlüsse und
den Ausgangsanschluss geschaltete Halbleiterschalteranordnung bewirkt
bei einem Ausfall einer an den Versorgungsanschlüssen anliegenden Versorgungsspannung,
also dann, wenn die Ansteuerspannung nicht mehr in der Lage ist
die Abschaltspannung zu erzeugen, eine leitende Verbindung zwischen
dem Ausgangsanschluss und dem einen der Versorgungsanschlüsse, was
durch eine externe an den Ausgangsanschluss angeschlossene Auswerteschaltung
als Fehler detektiert werden kann.
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Die
programmierbare Halbleiterschalteranordnung mit dem selbstsperrenden
MOS-Transistor und dem kapazitiven Bauelement ist – anders
als ein selbstleitender Transistor – in CMOS-Technologie auf einfache
Weise realisierbar.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die zwei Versorgungsanschlüsse,
einen Ausgangsanschluss und eine Anordnung zur Detektion einer Leitungsunterbrechung
mit einem selbstsperrenden MOSFET und einem kapazitiven Bauelement
aufweist.
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2 zeigt
eine Abwandlung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper, in dem eine programmierbare
Halbleiterschalteranordnung mit einem MOS-Transistor und einem kapazitiven
Bauelement integriert ist.
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4 zeigt
eine Realisierungsmöglichkeit der
programmierbaren Halbleiterschalteranordnung unter Verwendung eines
MOS-Transistors als kapazitives Bauelement.
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5 zeigt
eine Abwandlung der in Figur dargestellten Schaltungsanordnung.
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6 zeigt
eine Abwandlung der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Schaltungskomponenten und Bauelementbereiche mit gleicher
Bedeutung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung mit Versorgungsanschlüssen 61, 62 und
einem Ausgangsanschluss 63 und mit einer Funktionalität zur Detektion
eines Leitungsbruchs (Open Bond Detection, OBD) an einem der Versorgungsanschlüsse 61, 62.
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Diese
Schaltungsanordnung ist beispielsweise eine Sensorschaltung mit
einem Sensor 65, der durch eine zwischen den Versorgungsanschlüssen 61, 62 anliegende
Versorgungsspannung Vin versorgt ist und der ein Sensorsignal S65
bereitstellt. Der Sensor kann ein beliebiger Sensor, insbesondere
ein in einem Kraftfahrzeug angeordneter Beschleunigungssensor, Temperatursensor,
Feuchtesensor, usw. sein. Ein Ausgang des Sensors 65 ist
an den Ausgang der Schaltungsanordnung angeschlossen, so dass das
Sensorsignal S65 ein Ausgangssignal der Schaltungsanordnung bildet.
Das Sensorsignal S65 kann hierbei optional durch einen Ausgangstreiber 64,
der zwischen den Sensor 65 und den Ausgang 63 geschaltet
ist, verstärkt
werden.
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Während des
Betriebs der dargestellten Sensorschaltung ist der erste Versorgungsanschluss 61 über eine
erste Leitungsverbindung 67 an eine Klemme für ein positives
Versorgungspotential Vdd angeschlossen, und der zweite Versorgungsanschluss 62 ist über eine
zweite Leitungsverbindung 68 an eine Klemme für ein negatives
Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND angeschlossen. Der
Ausgang 63 der Sensoranordnung ist während des Betriebs an eine
Auswerteschaltung 70 (gestrichelt dargestellt) angeschlossen,
die das am Ausgang anliegende – gegebenenfalls
verstärkte – Sensorsignal
auswertet.
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Um
eine Unterbrechung der ersten Leitungsverbindung 67 zwischen
dem positiven Versorgungspotential und dem ersten Versorgungsanschluss 61 detektieren
zu können,
ist eine programmierbare Halbleiterschalteranordnung 20 vorhanden,
die zwischen den Ausgangsanschluss 63 und den zweiten Versorgungsanschluss 62 geschaltet
ist.
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Diese
Halbleiterschalteranordnung 20 weist einen selbstsperrenden
MOS-Transistor M mit einem Source-Anschluss S und einem Drain-Anschluss
D, die dessen Laststreckenanschlüsse
bilden, und mit einer Gate-Elektrode G, die dessen Steuerelektrode bildet,
auf. Die zwischen dem Drain- und dem Source-Anschluss S des MOS-Transistors verlaufende Laststrecke
ist zwischen Lastanschlüsse 21, 22 der Halbleiterschalteranordnung 20 geschaltet.
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Die
programmierbare Halbleiterschalteranordnung 20 weist außerdem ein
kapazitives Bauelement 40 mit einem ersten und zweiten
Anschluss 41, 42 auf, dessen erster Anschluss 41 an
die Gate-Elektrode G des MOS-Transistors M angeschlossen ist und
dessen zweiter Anschluss 42 an einen Programmier- und Steuereingang 23 der
Halbleiterschalteranordnung 20 angeschlossen ist. Der Programmier- und
Steuereingang 23 ist hierbei an einen Ausgang 53 einer
Ansteuerschaltung 50 und an einen Programmieranschluss 69 der
Schaltungsanordnung angeschlossen.
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Die
dargestellte Halbleiterschalteranordnung 20 verhält sich
wie ein MOS-Transistor, wobei ein stromleitender Pfad zwischen den
Lastanschlüssen durch
Anlegen einer Steuerspannung zwischen dem Steuer- und Programmieranschluss 23 und
einem der Lastanschlüsse,
in dem Beispiel dem zweiten Lastanschluss 22, steuerbar
ist.
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Die
Gate-Elektrode des MOS-Transistors M ist durch das kapazitive Bauelement
dielektrisch gegenüber
dem Steuer- und Programmieranschluss 23 isoliert, so dass
Ladungsträger
auf der Gate-Elektrode G bzw. in der Gate-Kapazität des MOS-Transistors M gespeichert
werden können.
Die auf der Gate-Elektrode
G gespeicherte Ladung beeinflusst die Einsatzspannung der Halbleiterschalteranordnung 20.
Als Einsatzspannung der Halbleiterschalteranordnung wird nachfolgend
der Wert der Steuerspannung bezeichnet, ab der sich ein leitender Strompfad
zwischen den Lastanschlüssen
des Halbleiterschalteranordnung 20 ausbildet. Wenn keine Ladungsträger auf
der Gate-Elektrode
G gespeichert sind, entspricht die Einsatzspannung der Halbleiterschalteranordnung 20 der
Einsatzspannung des selbstsperrenden MOS-Transistors M.
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Der
MOS-Transistor M ist in dem Beispiel als n-leitender MOS-Transistor ausgebildet.
Werden bei diesem Transistor M positive Ladungen auf der Gate-Elektrode
G gespeichert, so verringert sich die Einsatzspannung der Halbleiterschalteranordnung 20 gegenüber der
Einsatzspannung des Transistors M, wobei die Halbleiterschalteranordnung 20 bei
einer entsprechend großen
auf der Gate-Elektrode G gespeicherten Ladung in einen selbstleitenden
Zustand übergeht,
d.h. bereits bei einer Steuerspannung V20 von 0V leitet.
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Ein
Vorgang zur Einstellung der Einsatzspannung der Halbleiterschalteranordnung 20,
bei dem eine auf der Gate-Elektrode G gespeicherte Ladung verändert wird,
wird nachfolgend als "Programmierung" der Halbleiterschalteranordnung 20 bezeichnet.
Eine solche Programmierung kann in noch zu erläuternder weise durch Anlegen
einer Programmierspannung zwischen dem Steuer- und Programmieranschluss 23 und
einem der Lastanschlüsse,
in dem Beispiel dem zweiten Lastanschluss 22, der an den
zweiten Versorgungsanschluss 62 angeschlossen ist, erfolgen.
Der Programmieranschluss 69 dient zum Anlegen einer solchen
Programmierspannung, die so gewählt
ist, dass Ladungsträger
aus einem Halbleiterkörper,
in dem der MOS-Transistor
M integriert ist, auf die Gate-Elektrode G tunneln oder von der
Gate-Elektrode in den Halbleiterkörper tunneln. Durch diesen
Vorgang werden Ladungsträger
auf der Gate-Elektrode
G des MOS-Transistors M gespeichert, die auch nach Abschalten dieser
Programmierspannung erhalten bleiben, da die Gate-Elektrode über das
kapazitive Bauelement 40 dielektrisch gegenüber dem
Steuer- und Programmieranschluss isoliert ist.
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Ein
Zustand der Halbleiterschalteranordnung 20, bei der diese
bereits bei einer Steuerspannung von V20 = 0V leitet, bei der sich
die Halbleiterschalteranordnung also wie ein selbstleitender MOS-Transistor
verhält,
wird nachfolgend als "programmierter" Zustand der Halbleiterschalteranordnung 20 bezeichnet.
Die dargestellte, einen n-Kanal-MOS-Transistor M aufweisende Halbleiterschalteranordnung 20 kann
in diesem programmierten Zustand dadurch sperrend angesteuert werden,
dass eine Steuerspannung V20 angelegt wird, die so gewählt ist,
dass sie den Effekt einer leitenden Ansteuerung des MOS-Transistors
M, der durch die auf der Gate-Elektrode G gespeicherte Ladung hervorgerufen
wird, kompensiert. Diese Spannung wird nachfolgend als "Abschaltspannung" der Halbleiterschalteranordnung 20 bezeichnet.
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Die
Ansteuerschaltung 50 ist über Versorgungsanschlüsse 51, 52 an
die ersten und zweiten Versorgungsanschlüsse 61, 62 der
Schaltungsanordnung angeschlossen und dazu ausgebildet, bei anliegender
Versorgungsspannung Vin eine Abschaltspannung für die programmierte Halbleiterschalteranordnung 20 zu
erzeugen. Die Ansteuerschaltung 50 ist hierzu beispielsweise
als Ladungspumpe realisiert, die aus einer an den Versorgungsanschlüssen 51, 52 anliegenden
positiven Spannung an dem Ausgang 53 eine gegenüber dem
zweiten Versorgungsanschluss 52 der Ansteuerschaltung 50,
und damit gegenüber
dem zweiten Versorgungsanschluss der Schaltungsanordnung 62,
negative Spannung erzeugt.
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Die
Halbleiterschalteranordnung 20 ermöglicht in programmiertem Zustand
in Verbindung mit einem Pull-Up-Widerstand 71, der in der
Auswerteschaltung 70 zwischen den Ausgang 63 und
die Klemme für
Versorgungspotential Vdd geschaltet ist, eine Detektion einer Unterbrechung
der Leitungsverbindung zwischen der Klemme für das Versorgungspotential
Vdd und dem ersten Versorgungsanschluss 61. Diese Funktionsweise
zur Detektion einer Leitungsunterbrechung wird nachfolgend erläutert: Bei intakter
Spannungsversorgung, d.h. bei anliegender Versorgungsspannung Vin
zwischen den Versorgungsanschlüssen 61, 63 erzeugt
die Ansteuerschaltung 50 eine Abschaltspannung für die Halbleiterschalteranordnung 20,
wodurch kein leitender Strompfad zwischen den Lastanschlüssen 21, 22 der
Halbleiterschalteranordnung 20 vorhanden ist.
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Wird
nun die Spannungsversorgung der Schaltungsanordnung unterbrochen,
indem beispielsweise die Versorgungsleitung 67 unterbrochen wird,
kann die sperrende Ansteuerung der programmierten Halbleiterschalteranordnung 20 durch
die Ansteuerschaltung 50 nicht mehr aufrechterhalten werden,
wodurch die programmierte Halbleiterschalteranordnung 20 einen
leitenden Strompfad zwischen dem Ausgangsanschluss 63 und
dem zweiten Versorgungsanschluss 62 bewirkt. Durch den Pull-Up- Widerstand 71 wird
hierbei Potential an dem Ausgang auf den Wert des Potentials an
dem zweiten Versorgungsanschluss 62 gezogen. Die Auswerteschaltung 70 wertet
in nicht näher
dargestellter Weise das Potential an dem Ausgang 63 aus
und erkennt das zweite Versorgungspotential an dem Ausgang 63 als
Fehler, da der Sensor 65 und gegebenenfalls die Treiberschaltung 64 so
gewählt
sind, dass das Ausgangssignal 63 während des störungsfreien
Betriebs nicht bis auf den Wert des unteren Versorgungspotentials 62 absinken
kann.
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Der
Programmieranschluss 69 kann ein für einen Anwender der Schaltungsanordnung
zugänglicher
Anschluss sein, um einem Anwender die Möglichkeit zu geben, die Halbleiterschalteranordnung entsprechend
seiner Bedürfnisse
zu programmieren oder in unprogrammiertem, d.h. dauerhaft sperrendem
Zustand zu belassen.
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Der
Programmieranschluss 69 kann jedoch auch ein Anschluss
sein, der nur für
den Hersteller der üblicherweise
auf einem Chip integrierten Schaltungsanordnung zugänglich ist.
Die Programmierung der Halbleiterschalteranordnung kann dabei zusammen
mit dem Test der Schaltungsanordnung noch auf Waferebene erfolgen,
d.h. zu einem Zeitpunkt noch bevor ein Wafer auf dem mehrere Chips
(engl.: dies) angeordnet sind, die eine Schaltung nach 1 enthalten,
in die einzelnen Chips zerteilt wird. Der Programmieranschluss kann
hierbei als sogenanntes "Testpad" realisiert sein,
das nach "Verpacken" (Packaging) des
Chips in ein Gehäuse
nicht mehr zugänglich
ist. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass sich nach dem Verpacken
die Ladung der Gate-Elektrode G nicht mehr irrtümlich, z.B. durch ESD-Einflüsse, ändern kann,
weil das Testpad nicht gebondet wird und somit von der Außenwelt
isoliert ist.
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2 zeigt
eine Abwandlung der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung,
bei der die Ansteuerschaltung 50 gleichzeitig als Programmierschaltung
ausgebildet ist, um wahlweise nach Maßgabe eines Steuersignals S50,
das über
einen Steuer eingang 54 zuführbar ist, entweder eine Programmierspannung
zum Programmieren der Halbleiterschalteranordnung 20 oder
eine Abschaltspannung zum sperrenden Ansteuern der programmierten Halbleiterschalteranordnung
an deren Ausgang 53 zu erzeugen.
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Bei
einem als n-Kanal-MOSFET ausgebildeten MOS-Transistor M sind die
Programmierspannung zum Speichern positiver Ladungsträger auf
der Gate-Elektrode G und die Abschaltspannung zum Sperren einer
programmierten Halbleiterschalteranordnung jeweils negative Spannungen
zwischen dem Programmier- und Steueranschluss 23 und dem zweiten
Lastanschluss 22. Die Programmierspannung ist dabei betragsmäßig größer als
die Abschaltspannung.
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Die
Programmier- und Ansteuerschaltung 50 kann in nicht näher dargestellter
Weise eine Ladungspumpe zur Erzeugung einer bezogen auf deren zweiten
Versorgungsanschluss 52 negativen Spannung und einen Spannungsteiler
zum Bereitstellen zweier unterschiedlicher Spannungen aufweisen.
Zwischen diesen beiden Spannungen wird gesteuert durch das Steuersignal
S50 umgeschaltet.
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Bei
dieser Schaltungsanordnung gemäß 2 kann
der Anwender der Schaltungsanordnung die Halbleiterschalteranordnung 20 durch
Anlegen eines geeigneten Steuersignals "on-chip" programmieren.
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Zum
besseren Verständnis
des zuvor erläuterten
Programmiervorgangs wird der grundsätzliche Aufbau der Halbleiterschalteranordnung 20 mit
dem MOS-Transistor M und dem kapazitiven Bauelement 40 nachfolgend
anhand von 3 erläutert.
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3 zeigt
ausschnittsweise einen Halbleiterkörper 100, in dem der
MOS-Transistor M integriert ist. In diesem Halbleiterkörper 100 können in nicht
näher dargestellter
Weise auch die weiteren Schaltungskomponenten der in den 1 und 2 dargestellten
Schaltungsanordnungen realisiert sein. Der MOS-Transistor ist in dem Beispiel als n-leitender
MOSFET realisiert und weist eine n-dotierte Drainzone 32 und
eine n-dotierte
Sourcezone 34 auf, die beabstandet zueinander in dem Halbleiterkörper 100 angeordnet
sind. Die Sourcezone 34 ist an den Source-Anschluss S und
die Drainzone 32 ist an den Drain-Anschluss D angeschlossen,
die in 2 lediglich schematisch dargestellt sind. Zwischen
der Source- und der Drainzone 32, 34 ist eine
p-dotierte Bodyzone 35 angeordnet. Eine Gate-Elektrode 36, die
an den Gate-Anschluss G angeschlossen ist, ist durch eine Gate-Dielektrikumsschicht 37 gegenüber dem
Halbleiterkörper 100 isoliert
und verläuft
benachbart zu der Bodyzone 35 zwischen der Sourcezone 34 und
einer schwächer
als die Drainzone 32 dotierten und sich an die Drainzone 32 anschließenden Driftzone 33.
Diese Driftzone 33 ist optional vorhanden und dient zur
Erhöhung
der Spannungsfestigkeit des Bauelementes. Bei Nichtvorhandensein dieser
Driftzone 33 verläuft
die Gate-Elektrode benachbart zu der Bodyzone 35 zwischen
Source- und der Drainzone 34, 32.
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In
dem dargestellten Beispiel besitzt der Halbleiterkörper 100 eine
n-Grunddotierung. Die Bodyzone 35 ist dabei Teil einer
p-dotierten Wanne 31, die in den Halbleiterkörper 100 eingebracht
ist und die die Source-, Drain- und Driftzone 32, 33, 34 innerhalb
des Halbleiterkörpers 100 umgibt.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Halbleiterkörper 100 auch eine
p-Grunddotierung besitzen kann. In diesem Fall können die Source-, Drain- und
Driftzone 32, 33, 34 unmittelbar in den
Halbleiterkörper
eingebracht werden. Die Bodyzone 35 kann dabei durch einen
die Grunddotierung des Halbleiterkörpers aufweisenden Bereich
gebildet sein.
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Die
Sourcezone 34 und die Bodyzone 35 sind bei dem
selbstsperrenden MOS-Transistor M in bekannter Weise kurzgeschlossen,
was in 3 lediglich schematisch dargestellt ist.
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Das
kapazitive Bauelement 40 ist bezugnehmend auf 3 vorzugsweise
in bzw. auf dem selben Halbleiterkörper 100 wie der MOS-Transistor
M integriert. Das kapazitive Bauelement 40 kann dabei beabstandet
zu dem MOS-Transistor M angeordnet sein und ist beispielsweise als
Plattenkondensator realisiert. Dieses Bauelement umfasst zwei elektrisch leitfähige Schichten 43, 45,
die beispielsweise aus Polysilizium bestehen und die durch eine
Dielektrikumsschicht 44 voneinander getrennt sind. Diese elektrisch
leitenden Schichten bilden jeweils eine der Kondensatorplatten des
kapazitiven Bauelements 40, die an die ersten und zweiten
Anschlüsse 41, 42 (nur
schematisch dargestellt) angeschlossen sind. Die elektrisch leitenden
Schichten sind beispielsweise auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 angeordnet
und durch eine weitere Dielektrikumsschicht bzw. Isolationsschicht 46 von
dem Halbleiterkörper 100 isoliert.
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Im
Grundzustand bzw. Ausgangszustand des MOS-Transistors M sind auf
dessen Gate-Elektrode 36 keine Ladungsträger gespeichert.
Ein Ladungsträgerfluss
auf die Gate-Elektrode G wird dabei durch das kapazitive Bauelement 40 verhindert,
dessen einer Anschluss 41 an die Gate-Elektrode G angeschlossen
ist, was in 3 schematisch dargestellt ist.
Durch Anlegen einer ausreichend hohen Programmierspannung können allerdings
Ladungsträger
gemäß dem Fowler-Nordheim-Tunnel-Effekt durch
die Gate-Isolationsschicht 37 aus dem Halbleiterkörper 100 auf
die Steuerelektrode 36 bzw. von der Steuerelektrode 36 in
den Halbleiterkörper 100 tunneln.
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Um
die Halbleiterschalteranordnung mit einem n-Kanal-MOSFET M zu programmieren
ist eine negative Spannung zwischen dem Programmier- und Steueranschluss 23,
der dem zweiten Anschluss 42 des kapazitiven Bauelements 40 entspricht,
und der Bodyzone 35, von der die Ladungsträger auf
die Gate-Elektrode G, 36 tunneln, erforderlich. Die Bodyzone 35 liegt
dadurch auf einem höheren
("positiveren") elektrischen Potential
als die Gate-Elektrode 36, wodurch Elektronen von der Steuerelektrode 36 durch
die Gate-Dielektrikumsschicht 37 in die Body-Zone 35 tunneln.
Nach Abschalten der Programmierspannung bleibt die Gate-Elektrode 36 positiv geladen,
so dass nach Abschalten der Programmierspannung unterhalb der Gate-Isolationsschicht 37 in
der Body-Zone 35 dauerhaft ein Inversionskanal und damit
ein leitender Kanal ausgebildet ist. Der MOS-Transistor M verhält sich
nach Abschalten der Programmierspannung damit wie ein selbstleitender Transistor,
wobei das kapazitive Bauelement 40 verhindert, dass die
auf der Gate-Elektrode 36 gespeicherten Ladungsträger abfließen können. In
Richtung des Halbleiterkörpers 100 verhindert
die Gate-Dielektrikumsschicht 37 ein Abfließen der
gespeicherten Ladungsträger.
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Der
Tunneleffekt zur "Programmierung" setzt ein bei einer
Feldstärke
von 1GV/m über
der Gate-Dielektrikumsschicht 37. Bei einem MOS-Transistor, der
für eine
Gate-Source-Spannung von 5V ausgelegt ist, beträgt die Dicke der Gate-Dielektrikumsschicht 37 beispielsweise
15nm, so dass ein Tunneleffekt bei einer Programmierspannung mit
einem Betrag von 15V einsetzt.
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Bei
dem in 3 dargestellten Bauelement sind die Sourcezone 34 und
die Bodyzone 31 kurzgeschlossen (schematisch dargestellt),
so dass die Programmierspannung zwischen dem Programmier- und Steueranschluss 23 und
dem Source-Anschluss S angelegt werden kann.
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Die
Abschaltspannung ist bei Verwendung eines n-Kanal-MOSFET ebenfalls
eine negative, im Vergleich zur Programmierspannung jedoch kleinere, Spannung
zwischen dem zweiten Anschluss 42 des kapazitiven Bauelements 40 und
der Sourcezone 34 und der Bodyzone 35. Diese Spannung
wirkt der Erzeugung des leitenden Kanals durch die auf der Steuerelektrode
(36 in 2) gespeicherten Ladungsträger entgegen,
so dass der MOSFET M bei Anlegen dieser Abschaltspannung sperrt.
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Als
MOS-Transistor M der Halbleiterschalteranordnung 20 ist
selbstverständlich
auch ein p-leitender MOS-Transistor einsetzbar. Einen solchen p-leitenden
Transistor erhält
man, wenn bei dem Bauelement gemäß 3 die
n-leitenden Zonen durch p-leitende Zonen und die p-leitenden Zonen
durch n-leitende
Zonen ersetzt wird. Ein p-MOS-Transistor wird durch Anlegen einer
positiven Programmierspannung zwischen den zweiten Anschluss 42 des
kapazitiven Bauelements 40 und die Bodyzone 35 programmiert,
um sich wie ein selbstleitender Transistor zu verhalten. Bei Anlegen
der Programmierspannung tunneln Elektronen aus der bei diesem Bauelement n-dotierten
Bodyzone 35 auf die Gate-Elektrode, um nach Abschalten
der Programmierspannung permanent für die Ausbildung eines leitenden
Kanals zwischen der Sourcezone 34 und der Drainzone 32 in der
Body-Zone 35 zu sorgen.
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Bezugnehmend
auf 4 ist bei einer Ausführungsform der programmierbaren
Halbleiterschalteranordnung vorgesehen, für das kapazitive Bauelement 40,
welches die floatend angeordnete Gate-Elektrode G des MOS-Transistors
M kapazitiv entkoppelt, die Gate-Kapazität eines MOS-Transistors zu
verwenden. Der Gate-Anschluss G1 dieses Transistors bildet dabei
den ersten Anschluss 41 des kapazitiven Bauelements 40,
der an den Gate-Anschluss G des MOS-Transistors M angeschlossen ist.
Der Source-Anschluss S1 dieses MOS-Transistors, der vorzugsweise
mit dessen Bodyzone kurzgeschlossen ist, bildet den zweiten Anschluss
des kapazitiven Bauelements 42. Hierbei besteht auch die Möglichkeit,
den Drain-Anschluss D1 des MOS-Transistors
mit dem Source-Anschluss S1 kurzzuschließen, was in 4 gestrichelt
dargestellt ist. Alternativ bestünde
auch die Möglichkeit,
als zweiten Anschluss des kapazitiven Bauelements lediglich den Body-Anschluss
des MOS-Transistors zu verwenden, da der größte Teil der Gate-Kapazität zwischen der
Gate-Elektrode und der Bodyzone gebildet ist.
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5 zeigt
eine Abwandlung der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung,
die sich von der in 1 dargestell ten dadurch unterscheidet,
dass die programmierbare Halbleiterschalteranordnung 20 zwischen
den ersten Versorgungsanschluss 61 für das positive Versorgungspotential
Vdd und den Ausgangsanschluss 63 geschaltet ist.
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Die
Halbleiterschalteranordnung 20 dient zusammen mit einem
Pull-Down-Widerstand 72, der in der Auswerteschaltung 70 zwischen
den Ausgang 63 der Schaltungsanordnung und Bezugspotential
GND geschaltet ist, zur Detektion einer Unterbrechung der Anschlussleitung 68 zwischen
dem Bezugspotential GND und dem zweiten Versorgungsanschluss 62. Diese
Funktionalität
wird nachfolgend unter der Annahme, dass sich der MOS-Transistor M der
Halbleiterschalteranordnung 20 im programmierten Zustand befindet,
erläutert:
Bei
intakter Spannungsversorgung, d.h. bei anliegender Versorgungsspannung
Vin zwischen den Versorgungsanschlüssen 61, 63 erzeugt
die Ansteuerschaltung 50 eine Abschaltspannung für die Halbleiterschalteranordnung 20,
wodurch kein leitender Strompfad zwischen den Lastanschlüssen 21, 22 der
Halbleiterschalteranordnung 20 vorhanden ist.
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Wird
die Spannungsversorgung der Schaltungsanordnung durch einen Bruch
der Verbindungsleitung 68 zu der Bezugspotentialklemme
unterbrochen, so kann die Ansteuerschaltung 50 die Abschaltspannung
für den
MOS-Transistor M nicht mehr zur Verfügung stellen, wodurch die programmierte
Halbleiterschalteranordnung 20 einen leitenden Strompfad
zwischen dem ersten Versorgungsanschluss 61 und dem Ausgangsanschluss 63 bewirkt. Durch
den Pull-Down-Widerstand 72 der Auswertschaltung 70 wird
das Potential an dem Ausgang dadurch annähernd auf den Wert des positiven
Versorgungspotentials Vdd gezogen, was durch die Auswerteschaltung 70 in
nicht näher
dargestellter Weise als Fehler erkannt wird.
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Der
MOS-Transistor M der Halbleiterschalteranordnung 20 ist
bei der Schaltungsanordnung nach 5 als p-leitender
MOS- FET ausgebildet, dessen
Laststrecke zwischen die Lastanschlüsse 21, 22 der
Halbleiterschalteranordnung 20 geschaltet ist.
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Die
Programmierung dieses p-MOSFET M funktioniert entsprechend der zuvor
anhand von 1 erläuterten Programmierung des
n-MOSFET mit dem Unterschied, dass zur Programmierung des p-MOSFET
gemäß 6 eine
positive Spannung zwischen dem zweiten Anschluss des kapazitiven Bauelements 40 und
dem Source- bzw. Body-Anschluss des MOSFET M anzulegen ist, um dadurch negative
Ladungsträger
auf dessen Gate-Elektrode zu akkumulieren. Entsprechend ist die
Abschaltspannung, die die Ansteuerschaltung 50 nach Programmieren
des MOS-Transistors M bereitstellt, um diesen MOSFET M während des
Normalbetriebs sperrend anzusteuern, eine positive Spannung zwischen dem
Programmier- und Steueranschluss 23 und dem Source-Anschluss
des MOSFET M.
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Die
Programmierspannung kann entsprechend der Ausführungen zu 1 über den
Programmieranschluss 69 an die Halbleiterschalteranordnung
angelegt werden.
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Des
weiteren besteht entsprechend der Ausführungen zu 2 auch
die Möglichkeit,
die Ansteuerschaltung so zu realisieren, dass diese nach Maßgabe eines
Steuersignals S50 die Programmierspannung on-chip erzeugt. Eine
solche Schaltungsanordnung ist in 6 dargestellt.
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Bei
den zuvor erläuterten
Schaltungsanordnungen ist in Reihe zu dem MOS-Transistor M vorzugsweise
ein Schutzwiderstand 66 (5), 67 (6)
geschaltet.
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In
nicht näher
dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, zwei programmierbare
Halbleiterschalteranordnungen 20 in der Schaltungsanordnung
vorzusehen, nämlich
eine entsprechend der Anordnung in den 5 und 6 zwischen
dem ersten Versorgungsanschluss 61 und dem Ausgang 63 und
die andere entsprechend der Anordnung in den 1 und 2 zwischen
dem Ausgang 63 und dem zweiten Versorgungsanschluss 62.
Bei einer solchen Schaltungsanordnung besteht dann die Möglichkeit,
diese entweder mit einem Pull-Up-Widerstand (vergleiche 1 und 2)
oder mit einem Pull-Down-Widerstand (vergleiche 5 und 6)
zu betreiben. Für
den Betrieb mit einem Pull-Up-Widerstand ist dabei nur die Anordnung
zu programmieren, die zwischen den ersten Versorgungsanschluss 61 und
den Ausgang 63 geschaltet ist, während für den Betrieb mit einem Pull-Down-Widerstand
die Anordnung zu programmieren ist, die zwischen den Ausgang 63 und
den zweiten Versorgungsanschluss 62 geschaltet ist.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass eine "programmierte" Halbleiterschalteranordnung durch Anlegen
einer Programmierspannung mit umgekehrtem Vorzeichen auch wieder "gelöscht", d.h. wieder in den
unprogrammierten Ausgangszustand zurückgeführt werden kann.
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Am
Ende des Herstellungsprozesses des selbstsperrenden MOS-Transistors mit floatender Gate-Elektrode
können
bereits Ladungsträger
auf der Gate-Elektrode gespeichert sein. Hierbei besteht die Möglichkeit,
die floatende Gate-Elektrode des selbstsperrenden MOS-Transistors
bereits am Ende des Herstellungsprozesses noch werkseitig zu entladen.
Dies kann sowohl durch Anlegen einer zuvor erläuterten Spannung unter Verwendung
eines Test-Pad erfolgen. Darüber
hinaus kann die Entladung auch durch UV-Bestrahlung erfolgen, bevor
der den MOS-Transistor
enthaltene Halbleiterchip in ein Gehäuse verpackt wird.
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- 100
- Halbleiterkörper
- 20
- programmierbare
Halbleiterschalteranordnung
- 21,
22
- Lastanschlüsse
- 23
- Programmier-
und Steueranschluss
- 31
- p-dotierte
Wanne
- 32
- Drain-Zone
- 33
- Driftzone
- 34
- Sourcezone
- 35
- Body-Zone
- 36
- Gate-Elektrode
- 37
- Dielektrikum,
Gate-Isolationsschicht
- 40
- kapazitives
Bauelement
- 41,
42
- Anschlüsse des
kapazitiven Bauelements
- 43,
45
- elektrisch
leitende Schichten, Polysiliziumschichten
- 44,
46
- Dielektrikumsschicht
- 50
- Ansteuerschaltung
- 51,
52
- Versorgungsanschlüsse der
Ansteuerschaltung
- 53
- Ausgang
der Ansteuerschaltung
- 54
- Steuereingang
- 61,
62
- Versorgungsanschlüsse
- 63
- Ausgangsanschluss
- 64
- Ausgangstreiber
- 65
- Sensor
- 66,
67
- Schutzwiderstände
- 67,
68
- Anschlussleitungen
- 70
- Auswerteschaltung
- 71,
72
- Widerstände
- D
- Drain-Anschluss
- G
- Gate-Anschluss
- M
- selbstsperrender
MOS-Transistor
- S
- Source-Anschluss
- S50
- Steuersignal
der Ansteuerschaltung
- V20
- Steuerspannung
der Halbleiterschalteranordnung