DE2720653C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Korrektur der Spannungsabhängigkeit eines Halbleiter widerstandes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a circuit arrangement to correct the voltage dependency of a semiconductor resistance according to the preamble of claim 1.
Beim Schaltungsentwurf werden mehr und mehr integrierte Schaltungsbauelemente eingesetzt. Diese Halbleiterstrukturen haben sich in den letzten Jahren als Folge der vielfachen Verbesserungen bei den grundlegenden aktiven und/oder passiven Bauelementen weiterentwickelt. Neben den sogenannten aktiven Bauelementen, worunter Transistoren, Dioden usw. verstanden werden, spielen die passiven Bau elemente, insbesondere Widerstände, eine wesentliche Rolle für viele Schaltungstypen, besonders für Schaltungs anwendungen im Zusammenhang mit Analogschaltungen. Um Wider stände mit den aktiven Bauelementen in integrierten Schaltungen zusammen vorzusehen, können im wesentlichen zwei Techniken eingesetzt werden: eine ist die sog. kompatible Hybrid-Technologie, in der die Widerstände in der Form dünner Schichten auf der Oberfläche eines integrierten Halb leiterplättchens ausgebildet werden. Die andere Möglich keit besteht in der monolithischen Technologie, bei der die Widerstände in dem Halbleitersubstrat selbst in der gleichen Weise wie die aktiven Bauelemente ausgebildet sind. Im letzteren Fall können die Widerstände z. B. durch einen thermischen Diffusionsvorgang oder mittels Ionenimplan tation hergestellt werden.Circuit design is becoming more and more integrated Circuit components used. These semiconductor structures have changed in recent years as a result of multiple improvements in basic active and / or passive components further developed. In addition to the so-called active components, including transistors, Diodes etc. are understood to play the passive construction elements, especially resistors, play an essential role for many circuit types, especially for circuit applications related to analog circuits. To counter stands with the active components in integrated circuits to provide together can essentially two Techniques are used: one is the so-called compatible Hybrid technology in which the resistors in the form thin layers on the surface of an integrated half printed circuit boards are formed. The other possibility is the monolithic technology where the Resistors in the semiconductor substrate itself in the same How the active components are designed. in the the latter case, the resistors z. B. by a thermal diffusion process or by means of ion implant tion are produced.
Dünnfilmwiderstände bestehen im allgemeinen aus einem geeigneten Metall, z. B. einer Nickel-Eisen-Chromverbindung oder Tantal. Diese Widerstandsypen bieten eine Anzahl von Vorzügen, unter anderem einen Flächenwiderstandswert im Bereich von 200 bis 10 000 Ω/ sowie einen relativ niedrigen Temperaturkoeffizienten für den Widerstands wert (TCR) in der Größenordnung von 3% zwischen 0° und 75°C. Nachteilig ist dabei jedoch, daß Dünnschicht widerstände häufig zusätzliche Verfahrensschritte (Vakuumniederschlag, Kathodenzerstäubung) erfordern, die meist mit den zur Herstellung des Halbleiterplättchens selbst benutzten Verfahrensschritten nicht zu verein baren sind. Dadurch wird unmittelbar die Ausbeute an guten Schaltkreisen verschlechtert. Hersteller von monolithischen Schaltkreiskonzepten betrachten deshalb die Dünnschichttechnologie als relativ unattraktiv für Zwecke einer kostengünstigen Massenfertigung. Die mono lithische Technik erscheint demgegenüber als die attrak tivste Lösung.Thin film resistors generally consist of one suitable metal, e.g. B. a nickel-iron-chromium compound or tantalum. These types of resistors offer a number of merits, including a sheet resistance value in the range of 200 to 10,000 Ω / and a relative low temperature coefficient for resistance value (TCR) of the order of 3% between 0 ° and 75 ° C. The disadvantage, however, is that the thin layer often resisted additional procedural steps (Vacuum deposition, sputtering) require that mostly with those used to manufacture the semiconductor die not to combine self-used process steps are cash. This immediately increases the yield good circuits deteriorated. producer of therefore consider monolithic circuit concepts the thin film technology as relatively unattractive for Low cost mass production. The mono In contrast, lithic technology appears to be the most attractive most effective solution.
Diffundierte Widerstände sind an sich bekannt. Sie bestehen im allgemeinen aus einem gleichzeitig mit der Basis oder dem Emitter eines Bipolartransistors gebildeten Dotierungsgebiet. Konventionell wird beispielsweise ein P-dotiertes Basisgebiet in eine schwach N-dotierte Epitaxieschicht eindiffundiert, die sich über einen schwach P-dotierten einkristallinen Siliciumsubstrat erstreckt. Der Widerstandswert hängt von einer Anzahl Einflußgrößen ab, z. B. dem Dotierungsprofil, der Eindringtiefe der Dotierungsstoffe, dem Längen-/Breitenverhältnis der diffun dierten Zonen usw. An den Enden des Diffusionsgebietes werden dann zwei ohmsche Kontakte gebildet, die die Aus gangsanschlüsse des Widerstandes darstellen. Das positivste Potential der Schaltung wird im allgemeinen an den Bereich der Epitaxieschicht angelegt, der innerhalb des von der Isolierung eingeschlossenen Bereichs liegt und das Wider standsgebiet enthält. Beschränkt ist man bei derartigen Widerständen hinsichtlich des geringen Flächenwiderstandes (400 Ω/), dem relativ großen Schwankungsbereich der Nominalwerte (±20%) sowie hinsichtlich des hohen Temperaturkoeffizienten, aufgrund dessen sich der Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur erheblich ändern kann. Auf der anderen Seite spricht für diese Widerstände ihr einfacher und gut bekannter Herstellungsweg.Diffused resistors are known per se. they generally consist of one simultaneously with the base or the emitter of a bipolar transistor Funding area. For example, a becomes conventional P-doped base region into a weakly N-doped Diffused epitaxial layer that spreads over a weak P-doped single crystal silicon substrate extends. The resistance value depends on a number of influencing variables from, e.g. B. the doping profile, the penetration depth of the Dopants, the length / width ratio of the diffuse dated zones etc. at the ends of the diffusion area then two ohmic contacts are formed, which are the off represent the connection of the resistor. The most positive Potential of the circuit is generally applied to the area the epitaxial layer, which is within the of the Isolation included area and the cons area includes. One is limited in such Resistance to the low sheet resistance (400 Ω /), the relatively large fluctuation range of the Nominal values (± 20%) as well as regarding the high Temperature coefficient, due to which the resistance depending on the temperature can change significantly. On the other hand, speaks for these resistances her simple and well known Manufacturing route.
Mittels Implantationsverfahren hergestellte Widerstände sind eine besonders interessante Alternative zu diffundierten Widerständen, weil sie demgegenüber erhebliche Vorteile bieten. Besonders Bor-implantierte Widerstände weisen einen großen Schichtwiderstandsbereich (3 bis 10 000 Ω/ und darüber) sowie eine geringe Temperaturempfindlichkeit (Widerstandsveränderung von 0,5% zwischen 0 und 75°C) auf. Weiterhin sind solche Widerstände relativ genau herstellbar (±2%). Eine eingehendere Darstellung dieser Widerstandsart findet sich in einem Artikel von K. Rosendal mit dem Titel "Ion-Implanted Planar Resistors", in der Zeitschrift Radiation Effects, Band 7, Januar 1971, Seiten 95 bis 100.Resistors manufactured by means of implantation processes a particularly interesting alternative to diffused Resistances because they have significant advantages over them Offer. Boron implanted resistors in particular a large sheet resistance range (3 to 10,000 Ω / and above) and a low temperature sensitivity (Resistance change of 0.5% between 0 and 75 ° C). Furthermore, such resistors can be manufactured relatively precisely (± 2%). A more detailed description of this type of resistance can be found in an article by K. Rosendal with the title "Ion-Implanted Planar Resistors", in the magazine Radiation Effects, Volume 7, January 1971, pages 95 to 100.
Eine vergleichbare Darstellung der drei oben erwähnten Widerstandsarten bietet ein Artikel von H. H. Stellrecht mit dem Titel "Precision Ladder Networks Using Ion Implanted Resistors", in der Zeitschrift Wescon Technical Papers, Band 15, 1971, ref. 8080-28/2 sowie ein Artikel von Oosthoek, Den Boer und Hofker mit dem Titel "The Termal Properties of High Value Gallium and Boron Implanted Resistors in Silicon", der im Zusammenhang mit der "European Conference on Ion Implantion" vom 7. bis 9. September 1970 erschienen ist.A comparable representation of the three mentioned above Resistance types are provided by an article by H. H. Stellrecht entitled "Precision Ladder Networks Using Ion Implanted Resistors ", in the Wescon Technical Papers magazine, Volume 15, 1971, ref. 8080-28 / 2 and an article by Oosthoek, Den Boer and Hofker entitled "The Termal Properties of High Value Gallium and Boron Implanted Resistors in Silicon " Connection with the "European Conference on Ion Implantion" from September 7th to 9th, 1970.
Wenig Aufmerksamkeit wurde jedoch bisher dem zunehmend wichtiger werdenden Problem der Spannungsabhängigkeit der artiger Widerstände gewidmet. Die Strom-Spannungscharakteristik eines Widerstandes sollte normalerweise linear verlaufen. Dies läßt sich tatsächlich jedoch nur für implantierte Wider stände mit einem sehr geringen Flächenwiderstand in der Größenordnung von wenigstens 100 Ω/ erreichen, vgl. dazu beispielsweise einen Artikel von John McDougall u. a. mit dem Titel "High Value Implanted Resistors For Microcircuits", erschienen in der Zeitschrift Proceedings of the IEEE, Vol. 57, Nr. 9, September 1969, Seiten 1538 bis 1542 und dort insbesondere Fig. 5 dieses Artikels. Für implantierte Widerstände mit hohen Widerstandswerten, die hohe Schicht widerstände (z. B. 20 KΩ/) erfordern, wird die Strom- Spannungscharakteristik nichtlinear und fällt ab, so daß es zu Signalverzerrungen eines daran angelegten Eingangs signals kommt. Das hat seinen Grund darin, daß der tatsäch liche Widerstandswert bei einer vorgegebenen Spannung höher als erwartet ist. Die Strom-Spannungscharakteristik ent spricht in dem Fall nahezu völlig der eines Sperrschicht- Feldeffekttransistors (JFET). Zu betonen ist, daß der Wert des Widerstandes in erster Linie abhängig ist von der an den Übergang zwischen dem Widerstandsbereich und der Epitaxie schicht angelegten Spannung V epi. Zu einem gewissen Grad hängt der Wert noch mit der Spannung V₁-V₂ über dem Widerstand zusammen. Die oben angesprochene Verzerrung rührt aus der Tatsache her, daß die Verarmungsschicht beiderseits des PN-Übergangs sich mit der an den PN-Übergang angelegten Spannung erweitert, wobei der effektive Querschnitt der Widerstandsbahn reduziert und damit letztlich dessen Wider standswert erhöht wird. Dieses ist ein unter dem Namen Abschnür- bzw. Pinch-off Effekt, insbesondere bei JFET′s bekanntes Phänomen, das jedoch besonders kritisch bei implan tierten Widerständen ist, weil diese gegenüber diffundierten Widerständen im allgemeinen höhere spezifische Wider standswerte aufweisen und folglich der Widerstand in dünneren Schichten erreicht wird.However, little attention has so far been paid to the increasingly important problem of the voltage dependence of the resistors. The current-voltage characteristic of a resistor should normally be linear. However, this can actually only be achieved for implanted resistors with a very low sheet resistance in the order of at least 100 Ω / cf. in addition, for example, an article by John McDougall, inter alia, with the title "High Value Implanted Resistors For Microcircuits", published in the magazine Proceedings of the IEEE, Vol. 57, No. 9, September 1969, pages 1538 to 1542, and in particular Fig. 5 of this article. For implanted resistors with high resistance values which require high layer resistances (e.g. 20 KΩ /), the current-voltage characteristic becomes non-linear and drops, so that signal distortion of an input signal applied to it occurs. The reason for this is that the actual resistance value at a given voltage is higher than expected. In this case, the current-voltage characteristic corresponds almost entirely to that of a junction field-effect transistor (JFET). It should be emphasized that the value of the resistance depends primarily on the voltage V epi applied to the transition between the resistance region and the epitaxial layer. To a certain extent, the value is still related to the voltage V ₁- V ₂ across the resistor. The above-mentioned distortion arises from the fact that the depletion layer on both sides of the PN junction expands with the voltage applied to the PN junction, the effective cross section of the resistance track being reduced and thus ultimately increasing its resistance value. This is a phenomenon known as pinch-off or pinch-off effect, particularly in the case of JFETs, but it is particularly critical for implanted resistors because they generally have higher specific resistance values than diffused resistors and consequently the resistance in thinner layers is achieved.
Maßnahmen gegen derartige Verzerrungen finden sich z. B. in dem bereits genannten Artikel von John McDougall. Danach wird der spezifische Widerstandswert der Epitaxieschicht auf Werte größer als 100 Ω · cm erhöht. Dadurch können jedoch die elektrischen Eigenschaften benachbarter aktiver Bau elemente nachteilig beeinflußt werden.Measures against such distortions can be found e.g. B. in the previously mentioned article by John McDougall. After that the specific resistance value of the epitaxial layer Values greater than 100 Ω · cm increased. This can, however the electrical properties of neighboring active construction elements are adversely affected.
Nach einer anderen Möglichkeit könnte man das Ausbilden des Verarmungsgebietes innerhalb des Widerstandsbereichs begrenzen und somit den Nominalwiderstandswert erhöhen. Erreichen läßt sich das durch Erhöhung der Ionendosierung, wie das in dem Artikel von J. W. Hanson mit dem Titel "Ion Implanted N Type Resistors on High Resistivity Substrates", in der Zeitschrift J. Vac. Sci. Techn., Vol. 10, Nr. 6, November/Dezember 1973, Seiten 944 bis 947 und insbesondere in Fig. 6 beschrieben ist.Another possibility could be the training of the depletion area within the resistance area limit and thus increase the nominal resistance value. This can be achieved by increasing the ion dosage, like that in the article by J. W. Hanson entitled "Ion Implanted N Type Resistors on High Resistivity Substrates ", in the journal J. Vac. Sci. Techn., Vol. 10, No. 6, November / December 1973, pages 944 to 947 and in particular is described in Fig. 6.
Eine weitere Möglichkeit ist in der französischen Patent schrift FR-PS 21 17 981 angegeben. Obwohl kein besonderer Hinweis auf die Spannungsabhängigkeit der Widerstände gegeben ist, scheint danach eine Korrektur der Spannungsabhängigkeit durch Implantieren neutraler Ionen in das Widerstandsgebiet, vorzugsweise in der Nähe des PN-Überganges, erreichbar. Der damit verbundene hauptsächliche Nachteil ist in dem zusätzlich erforderlichen Prozeßschritt zu sehen.Another option is in the French patent font FR-PS 21 17 981 indicated. Although not a special hint given the voltage dependency of the resistors, afterwards a correction of the voltage dependence appears Implant neutral ions into the resistance area, preferably in the vicinity of the PN junction. The the main disadvantage associated with this is additional to see the required process step.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer Schaltungs anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 die Spannungsabhängigkeit von Halbleiterwiderständen so zu korrigieren, daß ein von der angelegten Spanung unabhängiger Widerstandswert erzielt wird.The invention has for its object with a circuit arrangement according to the preamble of claim 1 the voltage dependence of semiconductor resistors correct that an independent of the applied voltage Resistance value is achieved.
Die für die Lösung dieser Aufgabe wichtigen Merkmale finden sich in den Patentansprüchen. Zusammengefaßt erfolgt nach der Erfindung eine besondere Einstellung der wechselnden Potentialdifferenz zwischen dem Widerstandsbereich und der umgebenden Epitaxieschicht, um die durch solche Potential änderungen verursachten Signalverzerrungen entweder möglichst klein zu halten oder mittels gleich großer entgegengesetzter Wirkungseinflüsse zu kompensieren. An die Epitaxieschicht wird ein im folgenden näher bestimmtes Potential angelegt, das vorzugsweise den gleichen Änderungen wie der Widerstand unter liegt, dessen Spannungsabhängigkeit korrigiert werden soll. Mit anderen Worten, wenn der durchschnittliche Wert der Potentialdifferenz zwischen dem Widerstandsgebiet und der Epitaxieschicht über die Länge des Widerstandes konstant bleibt, bleibt auch der Widerstandswert konstant, und der erwähnte Störeinfluß kann vernachlässigt werden.Find the features that are important for solving this task themselves in the claims. Summarized after the invention a special setting of changing Potential difference between the resistance range and the surrounding epitaxial layer to the through such potential Changes either cause signal distortion if possible to keep small or by means of opposites of the same size To compensate for effects. To the epitaxial layer a potential that is determined in more detail below is created preferably the same changes as the resistance below whose voltage dependency is to be corrected. In other words, if the average value of the Potential difference between the resistance area and the Epitaxial layer constant over the length of the resistance remains, the resistance value remains constant, and the mentioned interference can be neglected.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is based on execution examples explained in more detail with the aid of the drawings. It shows
Fig. 1 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen typischen, mittels Ionenimplantation gebildeten Widerstand mit seinem äquivalenten elektrischen Schaltbild;1 shows a partial cross section through a typical, formed by ion implantation resistor, with its equivalent electrical circuit diagram.
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Korrekturmaßnahmen unabhängig von dem hinsichtlich seiner Spannungsab hängigkeit zu korrigierenden Widerstand sind; Fig. 2 shows a first embodiment of the invention, in which the corrective measures are independent of the resistance to be corrected with respect to its voltage dependency;
Fig. 3A-D weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen die Korrekturmaßnahmen von dem zu korrigierenden Widerstand abhängen. Fig. 3A-D show further embodiments of the invention, in which the corrective action depending on the resistance to be corrected.
In Fig. 1 ist eine konventionelle, monolithisch integrierte Widerstandsstruktur 10 dargestellt. Auf einem einkristallinen Halbleitersubstrat, das typisch aus einem Siliziumkörper 11 eines ersten Leitfähigkeitstyps, z. B. P-, besteht, ist eine relativ dünne (größenordnungsmäßig einige wenige Mikrometer) Epitaxieschicht 12 aufgebracht, die relativ schwach dotiert ist (durchschnittlicher spezifischer Widerstand 1 Ω · cm) angeordnet. In dieser Epitaxieschicht 12 vom gegenüber dem Substrat entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist ein isolierter Bereich gebildet, wobei die Isolierung durch die stark dotierten und bis auf das Substrat hinunterreichenden Isolationszonen 13 gebildet ist. Mittels einer Ionen implantation eines Dotierungsstoffes vom ersten Leitfähig keitstyp wird dann ein langgestreckter Bereich 14 herge stellt, der als Widerstandsbereich dienen soll. Dieser Herstellungsschritt wird im allgemeinen im Anschluß an die Ausbildung der P-dotierten Anschlußbereiche 15 durchge führt, die zumeist gleichzeitig mit der Diffusion der Basis bereiche der Bipolartransistoren vorgesehen wurden. Die relativ zur Dotierung des Widerstandsbereichs stark dotierten Anschlußbereiche 15 gewährleisten, daß der durch den Widerstandsbereich 14 definierte Widerstandswert nur durch den Schichtwiderstand dieses Bereiches bestimmt wird. Gleichzeitig mit den Emitterbereichen der Bipolartransistoren wird im allgemeinen als Anschlußbereich für die Epitaxie schicht ein zweiter stark dotierter Bereich 16 vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen. Für den Widerstandsbereich werden ferner die zwei mit 17 und 18 bezeichneten Anschlüsse gebildet. Auch der zweite Dotierungsbereich 16 ist mit einem ohmschen Kontakt 19 ausgestattet. Die mit der Herstellung von implantierten Widerständen verbundenen Probleme sind an sich bekannt, vgl. dazu neben dem bereits erwähnten Stand der Technik z. B. die US-Patentschrift 39 02 926. An die Anschlüsse 17 und 18 des Widerstandes werden die Potentiale V₁ und V₂ angelegt. Der Anschluß 19 zur Epitaxieschicht kann entweder offen bleiben (im allge meinen unerwünscht) oder mit einer geeigneten Spannungs quelle verbunden werden, während das negativste Potential der Schaltung an das Substrat angelegt wird, um den PN- Übergang 20 zwischen dem Siliziumkörper 11 und den Isolationsge bieten 13 auf der einen Seite und der Epitaxieschicht auf der anderen Seite zu sperren. Durch diese Sperrspannung wird die elektrische Isolation des durch die Isolations zonen eingerahmten Halbleiterbereiche bewirkt. Gegebenenfalls kann das positive Schaltungspotential an den Anschluß 19 gelegt werden, wodurch die elektrische Isolation des Widerstandsbereichs gegenüber der Epitaxie schicht gewährleistet wird. Davon ist Gebrauch zu machen, wenn mehrere Widerstände in demselben Epitaxieschicht bereich gebildet werden sollen. Über den Anschluß 19 kann jedenfalls an die Epitaxieschicht ein je nach den vorliegenden Umständen geeignetes Potential angelegt werden.In Fig. 1 a conventional monolithically integrated resistor structure 10 is shown. On a single-crystalline semiconductor substrate, which is typically composed of a silicon body 11 of a first conductivity type, e.g. B. P - , there is a relatively thin (on the order of a few micrometers) epitaxial layer 12 which is relatively weakly doped (average resistivity 1 Ω · cm). An insulated region is formed in this epitaxial layer 12 of the conductivity type opposite to the substrate, the insulation being formed by the heavily doped insulation zones 13 which extend down to the substrate. By means of an ion implantation of a dopant of the first conductivity type, an elongated region 14 is then produced, which is to serve as a resistance region. This manufacturing step is generally carried out following the formation of the P-doped connection regions 15 , which were mostly provided simultaneously with the diffusion of the base regions of the bipolar transistors. The connection regions 15 heavily doped relative to the doping of the resistance region ensure that the resistance value defined by the resistance region 14 is determined only by the sheet resistance of this region. Simultaneously with the emitter regions of the bipolar transistors, a second heavily doped region 16 of the second conductivity type is generally provided as the connection region for the epitaxy layer. The two connections designated 17 and 18 are also formed for the resistance range. The second doping region 16 is also equipped with an ohmic contact 19 . The problems associated with the manufacture of implanted resistors are known per se, cf. in addition to the already mentioned prior art z. B. the US Patent 39 02 926. At the connections 17 and 18 of the resistor, the potentials V ₁ and V ₂ are applied. The connection 19 to the epitaxial layer can either remain open (generally undesirable) or be connected to a suitable voltage source while the most negative potential of the circuit is applied to the substrate in order to provide the PN junction 20 between the silicon body 11 and the Isolationsge 13 on one side and the epitaxial layer on the other side. This reverse voltage causes the electrical insulation of the semiconductor regions framed by the insulation zones. If necessary, the positive circuit potential can be applied to the terminal 19 , which ensures the electrical insulation of the resistance region from the epitaxial layer. This is to be used if several resistors are to be formed in the same epitaxial layer area. In any case, a suitable potential can be applied to the epitaxial layer via the connection 19 , depending on the circumstances.
In Fig. 1 ist (rechts) weiterhin das elektrische Ersatz schaltbild eines solchen implantierten Widerstands 10 dar gestellt. Die dort angegebenen Bezugszeichen entsprechen denen aus der Querschnittdarstellung.In Fig. 1 (right) is the electrical replacement circuit diagram of such an implanted resistor 10 is provided. The reference symbols given there correspond to those from the cross-sectional representation.
Der Widerstandswert R eines solchen Widerstands 10 läßt sich ausdrücken durch:The resistance value R of such a resistor 10 can be expressed by:
R = R₀ (1 + λ V eff) (1) R = R ₀ (1 + λ V eff ) (1)
Dabei bedeuten:Mean:
R₀ den durch Art und Größe des Halbleitermaterials
bestimmten eigentlichen Widerstandswert,
g den Koeffizient der Spannungsabhängigkeit und
V eff eine Spannung, die aus der empirischen Beziehung R ₀ the actual resistance value determined by the type and size of the semiconductor material,
g the coefficient of voltage dependence and
V eff is a voltage resulting from the empirical relationship
V eff = V epi - V RP + k V R (2) V eff = V epi - V RP + k V R (2)
abgeleitet werden kann.can be derived.
In letzter Gleichung bedeuten:In the last equation:
V epi das an die Epitaxieschicht angelegte Potential,
V RP das positivste Potential am Widerstand (in diesem
Beispiel ist V RP=V₁ angenommen),
V R den Spannungsabfall über dem Widerstand, d. h.
V R=V₁-V₂ (V₁ und V₂ sind dabei im wesentlichen
veränderbare Potentiale), und
k einen Koeffizienten, der im wesentlichen von dem
Schichtwiderstand des Widerstandbereichs abhängt;
es hat sich ergeben, daß der Wert von k zwischen
etwa 0,4 und 0,6 variiert. Ein Näherungswert von
0,5 kann meist zugrundegelegt werden. V eff und
deshalb der Wert R des Wiederstandes sind im wesent
lichen abhängig von den veränderlichen Potentialen
V₁ und V₂.
V epi is the potential applied to the epitaxial layer,
V RP is the most positive potential across the resistor (in this example V RP = V ₁ is assumed),
V R is the voltage drop across the resistor, ie V R = V ₁- V ₂ ( V ₁ and V ₂ are essentially variable potentials), and
k is a coefficient that depends essentially on the sheet resistance of the resistance region; it has been found that the value of k varies between about 0.4 and 0.6. An approximate value of 0.5 can usually be used. V eff and therefore the value R of the resistance are essentially dependent on the variable potentials V ₁ and V ₂.
Ist V eff konstant, ist R unabhängig von den angelegten Potentialen V₁ und V₂. Ein solches Ergebnis kann dadurch erhalten werden, daß man an die Epitaxieschicht mit dem Widerstand, der hinsichtlich seiner Spannungsabhängigkeit korrigiert werden soll, ein Potential anlegt, das der folgenden Beziehung genügt:If V eff is constant, R is independent of the applied potentials V ₁ and V ₂. Such a result can be obtained by applying a potential to the epitaxial layer with the resistance to be corrected for its voltage dependency that satisfies the following relationship:
V epi = 1/2 (V₁ + V₂) + V₀ (3) V epi = 1/2 ( V ₁ + V ₂) + V ₀ (3)
V₀ ist die zur Sperrung des PN-Übergangs 20′ zwischen dem P-Widerstandsbereich und der N-Epitaxieschicht sowie des bereits erwähnten Übergangs 20 erforderliche Spannung. Ersetzt man V epi entsprechend Gleichung (3), und setzt man in Gleichung (2), V RP=V₁, und k=0,5, ergibt sich: V ₀ is the voltage required to block the PN junction 20 ' between the P resistance region and the N epitaxial layer and the junction 20 already mentioned. If V epi is replaced in accordance with equation (3), and if equation (2) is used, V RP = V ₁, and k = 0.5, the following results:
V eff = 1/2 (V₁ + V₂) + V₀ - V₁ + 0,5 (V₁ - V₂) V eff = 1/2 ( V ₁ + V ₂) + V ₀ - V ₁ + 0.5 ( V ₁ - V ₂)
und somitand thus
V eff = V₀ (4) V eff = V ₀ (4)
Dadurch ist gezeigt, daß mit diesem bestimmten Wert von V epi die Spannung V eff unabhängig von V R, nämlich der über dem Widerstand anliegenden Spannung, wird. Für den Wider standswert R ergibt sich damit schließlich:This shows that with this particular value of V epi, the voltage V eff becomes independent of V R , namely the voltage across the resistor. Finally, for the resistance value R :
R = R₀ (1 + λ V₀) = h R₀ (5) R = R ₀ (1 + λ V ₀) = h R ₀ (5)
Dabei bedeutet h eine Konstante, die unabhängig von V₁ und V₂ ist.Here h means a constant that is independent of V ₁ and V ₂.
Die an die Epitaxieschicht 12 anzulegende Spannung muß dem nach der Beziehung gemäß Gleichung (3) folgen. D. h. die Epitaxieschicht muß an eine Spannung angeschlossen werden, die sich in derselben Weise wie die durchschnittliche Spannung an dem zu korrigierenden Widerstand ändert. Da an dem Widerstand die Potentiale V₁ und V₂ anliegen, sind zwei Vorgehensweisen möglich, je nachdem ob die Korrektur der Spannungsabhängigkeit unabhängig von dem Widerstand bzw. konkreter unabhängig von der Spannung über dem Widerstand ist oder nicht.The voltage to be applied to the epitaxial layer 12 must follow that according to the relationship in Equation (3). I.e. the epitaxial layer must be connected to a voltage which changes in the same way as the average voltage across the resistor to be corrected. Since the potentials V ₁ and V ₂ are present at the resistor, two approaches are possible, depending on whether the correction of the voltage dependency is independent of the resistor or more specifically independently of the voltage across the resistor or not.
Die erste Lösung ist in dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 gezeigt, wo die Schaltungsmittel 21 zur Korrektur der Spannungsabhängigkeit des Widerstands 10 mit diesem zusammenhängen. Die Schaltungsmittel 21 für die genannte Korrektur umfassen im wesentlichen einen Widerstand 22 sowie die Vorspannung V₀. Um die Gleichung (3) zu erfüllen, muß der Spannungsabfall über dem Wider stand 22 V R sein. Die Spannungen V₀+V₁ und V₀+V₂, d. h. die Potentialdifferenz V₁-V₂, wird deshalb an den Wider stand 22 angelegt. Diese Spannungen V₁ und V₂ können ent weder unabhängig von den gleich bezeichneten Spannungen am zu korrigierenden Widerstand bereitgestellt oder aber durch geeignete elektrische Schaltungen davon abgeleitet werden. Für die Korrektur der Spannungsabhängigkeit ist letztlich lediglich erforderlich, daß eine Gleichspannung entsprechender Polarität an das eine Ende des Widerstands 22 angelegt wird. Der Widerstand 22 ist seinerseits mit einer Anzapfung ausgestattet, z. B. mit einer Mitten anzapfung, wenn man annimmt, daß der Wert k etwa 0,5 beträgt. Der Widerstand 22 muß schließlich nicht auf demselben Halb leiterplättchen untergebracht sein, er kann beispielsweise und vorteilhaft auch als gleichzeitig mit dem Widerstand 10 implantierter Widerstand in einem davon isolierten Bereich angeordnet sein.The first solution is shown in the first exemplary embodiment according to FIG. 2, where the circuit means 21 for correcting the voltage dependency of the resistor 10 are related to the latter. The circuit means 21 for the correction mentioned essentially comprise a resistor 22 and the bias voltage V ₀. In order to meet equation (3), the voltage drop across the resistor must be 22 V R. The voltages V ₀ + V ₁ and V ₀ + V ₂, ie the potential difference V ₁- V ₂, is therefore applied to the opposing stand 22 . These voltages V ₁ and V ₂ can be provided either independently of the voltages to the resistance to be corrected, or can be derived therefrom by suitable electrical circuits. For the correction of the voltage dependency, it is ultimately only necessary that a DC voltage of corresponding polarity is applied to one end of the resistor 22 . The resistor 22 is in turn equipped with a tap, for. B. with a center tap if you assume that the value k is about 0.5. Finally, the resistor 22 does not have to be accommodated on the same semi-conductor plate, it can be arranged, for example and advantageously, as a resistor implanted at the same time as the resistor 10 in an area isolated therefrom.
Die weitere Lösung ist durch die in den Fig. 3A, 3B und 3D gezeigten Ausführungsbeispielen dargestellt.The further solution is represented by the exemplary embodiments shown in FIGS. 3A, 3B and 3D.
In der Anordnung nach Fig. 3A werden die Spannungen am Widerstand 10 über ein Paar von Verstärkern 33, 34, die im einfachsten Fall aus Emitterfolgerstufen bestehen können, an den Widerstand 22′ angelegt. Diese Verstärker weisen eine Spannungsverstärkung von 1 auf und bedeuten praktisch keinen zusätzlichen Stromfluß. Die Schaltungseinrichtung 21′ zur Korrektur der Spannungsabhängigkeit enthält weiterhin eine Gleichspannungsquelle 35 für V₀ die zwischen die Mittenan zapfung des Widerstandes 22′ und den Anschluß 19 geschaltet ist.In the arrangement of Fig. 3A the voltages across the resistor 10 via a pair of amplifiers 33, 34, which may consist of emitter follower stages in the simplest case, applied to the resistor 22 '. These amplifiers have a voltage gain of 1 and mean practically no additional current flow. The circuit device 21 ' for correcting the voltage dependence also contains a DC voltage source 35 for V ₀ which is connected between the Mittenan tap of the resistor 22' and the terminal 19 .
Hauptsächlich wegen der Verstärker 23 und 24 sind mit diesem Ausführungsbeispiel jedoch infolge der größeren Komplexität und Schaltgeschwindigkeitsreduzierung einige Nachteile ver bunden.Mainly because of the amplifiers 23 and 24 , however, some disadvantages are associated with this exemplary embodiment due to the greater complexity and switching speed reduction.
Ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3B gezeigt. Wie früher besteht auch hier die Aufgabe, die Schwankungen der Potentialdifferenz zwischen dem Widerstands bereich und der Epitaxieschicht zu reduzieren, wobei jedoch im Gegensatz zu den in den Fig. 2 und 3A gezeigten Lösungen hier ein Kompromiß eingegangen wird. Wie aus Fig. 3B hervorgeht, ist der Anschluß 19 mit der positiven Spannung von V₁ und V₂ verbunden. Mit anderen Worten, man legt dem nach die Spannung V epi=V₁ anstelle der Spannung ent sprechung Gleichung (3) an. Mit V RP=V₁ und k=0,5 ergibt sich entsprechend Gleichung (2)A simplified embodiment is shown in Fig. 3B. As before, the task here is to reduce the fluctuations in the potential difference between the resistance area and the epitaxial layer, but in contrast to the solutions shown in FIGS. 2 and 3A, a compromise is made here. As is apparent from Fig. 3B, the terminal 19 to the positive voltage of V ₁ and V ₂ is connected. In other words, the voltage V epi = V ₁ instead of the voltage equation (3). With V RP = V ₁ and k = 0.5, we get according to equation (2)
V eff = 0,5 V R (6) V eff = 0.5 V R (6)
Dabei ist der Widerstand R nun definiert durch die Beziehung:The resistance R is now defined by the relationship:
R nimmt somit mit der über dem Widerstand anliegenden Spannung zu. In diesem Fall ist die Korrektur der Spannungsabhängig keit zwar nicht vollständig, sondern lediglich verbessert. Eine solche Lösung ist durchaus akzeptabel, wenn die Poten tialdifferenz V R am Widerstand gering ist und der Wert (V₁+V₂)/2 groß ist. Besonders attraktiv ist diese Lösung durch ihre Einfachheit. Sie kann in vorteilhafter Weise mit der im folgenden beschriebenen Lösung nach Fig. 3C kombiniert werden. R thus increases with the voltage across the resistor. In this case, the correction of the voltage dependency is not complete, but only improved. Such a solution is perfectly acceptable if the potential difference V R across the resistor is low and the value ( V ₁ + V ₂) / 2 is large. This solution is particularly attractive due to its simplicity. It can advantageously be combined with the solution according to FIG. 3C described below.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3C ist der Widerstand 10 mit dem Wert R aufgeteilt in zwei Anteile 36 und 37, die voneinander elektrisch isoliert sind und deren Teilwerte beispielsweise identisch seien. Der Widerstand 36 ist mit seinem Anschluß 19′ an die Spannung V₁ angeschlossen, während am Widerstandsteil 37 und dessen ohmschen Kontakt 19′′ die Spannung (V₁+V₂)/2 liegt. Der neue Wert des Widerstandes 10 errechnet sich nun wie folgt. Für den Teilwiderstand 36 mit dem Wert R′ lassen sich die folgenden Beziehungen aufstellen:In the exemplary embodiment according to FIG. 3C, the resistor 10 with the value R is divided into two parts 36 and 37 , which are electrically insulated from one another and whose partial values are, for example, identical. The resistor 36 is connected with its connection 19 ' to the voltage V ₁, while the resistor part 37 and its ohmic contact 19''is the voltage ( V ₁ + V ₂) / 2. The new value of resistor 10 is now calculated as follows. The following relationships can be established for the partial resistor 36 with the value R ′ :
undand
In gleicher Weise gilt für den Teilwiderstand 37 mit seinem Wert R′′:In the same way applies to the partial resistor 37 with its value R '' :
sowiesuch as
Dabei gilt jeweils V R=V₁-V₂. Der Widerstandswert R ergibt sich letztlich zu: V R = V ₁- V ₂ applies here. The resistance value R ultimately results in:
Vergleicht man diesen Wert mit dem nach Fig. 3B bzw. ent sprechend Gleichung (7), wird ersichtlich, daß man durch Aufteilung des Widerstandes in zwei gleiche Anteile den Wert des Koeffizienten von V R halbieren kann. Allgemein läßt sich sagen, daß bei Aufteilung des Widerstandes R in n gleiche Anteile entsprechend der Beziehung:Comparing this value with that of Fig. 3B or accordingly equation (7), it can be seen that by dividing the resistance into two equal parts, the value of the coefficient of V R can be halved. In general it can be said that when the resistance R is divided into n equal parts according to the relationship:
der Koeffizient für die Spannungsabhängigkeit nur noch mit dem Faktor 1/n zur Wirkung kommt. Es ist anzumerken, daß diese Technik mit Vorteil angewendet werden kann auf die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 und 3A.the coefficient for the voltage dependence only comes into effect with the factor 1 / n . It should be noted that this technique can be advantageously applied to the embodiments of FIGS. 2 and 3A.
Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 3B und 3C sind für Schaltungsanwendungen mit unipolaren Signalen von Interesse, bei denen z. B. das Potential V₁ stets größer ist als V₂.The exemplary embodiments according to FIGS. 3B and 3C are of interest for circuit applications with unipolar signals, in which e.g. B. the potential V ₁ is always greater than V ₂.
Ist V₁ relativ zu V₂ sowohl positiv als auch negativ, d. h. im Falle bipolarer Signale, muß die Potentialdifferenz V₁-V₂=V R sehr gering gehalten werden, z. B. auf einige wenige Hundert mV oder weniger, so daß der dann in Durch laßrichtung gespannte Übergang zwischen dem implantierten Widerstandsbereich und der Epitaxieschicht nicht nennens wert Strom leitet.Is V ₁ relative to V ₂ both positive and negative, ie in the case of bipolar signals, the potential difference V ₁- V ₂ = V R must be kept very low, e.g. B. to a few hundred mV or less, so that the then biased in the direction of passage between the implanted resistance region and the epitaxial layer is not worth mentioning current.
Ein für den Fall bipolarer Signale noch vorteilhafteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3D gezeigt. Der Widerstand 10 ist wieder mit einer Mittenanzapfung ausgelegt, deren Potential über den Anschluß 19′′′ an die Epitaxieschicht angelegt werden kann. Dadurch können für den Betrieb mit bipolaren Signalen folgende Vorteile erzielt werden. Zum einen liegt eine symmetrische Anordnung für die positiven und negativen Spannungsperioden vor und zweitens wird eine vollständige Korrektur des Einflusses der Spannungs abhängigkeit erzielt, da wieder gilt:An even more advantageous exemplary embodiment for the case of bipolar signals is shown in FIG. 3D. The resistor 10 is again designed with a center tap, the potential of which can be applied to the epitaxial layer via the connection 19 ''' . This enables the following advantages to be achieved for operation with bipolar signals. On the one hand, there is a symmetrical arrangement for the positive and negative voltage periods and, on the other hand, a complete correction of the influence of the voltage dependency is achieved, since again:
Mit anderen Worten wird eine perfekte Korrektur des Ein flusses der Spannungsabhängigkeit in diesem Fall erzielt, weil die durch den Widerstand 38 bedingte Verzerrung kompensiert wird durch eine gleiche, aber entgegengesetzte über den Widerstand 39 bedingte ausgleichende Verzerrung.In other words, a perfect correction of the influence of the voltage dependency is achieved in this case because the distortion caused by the resistor 38 is compensated for by an equal but opposite compensating distortion caused by the resistor 39 .
Claims (4)
gekennzeichnet durch Schaltungsmittel (21, 21′) zum Anlegen eines weiteren Potentials V epi = 1/2 (V₁ + V₂) + V₀an die Epitaxieschicht (12), wobei V₀ eine konstante Gleichspannung ist.1. Circuit arrangement for correcting the voltage dependency of a semiconductor resistor ( 10 ), the epitaxial layer ( 12 ) having two outer connections ( 17, 18 ) as a doping region of the first power type within isolated areas of a third outer connection ( 19, 19 ''' ) is formed from the second line type and at its outer connections ( 17, 18 ) different potentials V ₁ or V ₂ are present,
characterized by circuit means ( 21, 21 ' ) for applying a further potential V epi = 1/2 ( V ₁ + V ₂) + V ₀ to the epitaxial layer ( 12 ), V ₀ being a constant DC voltage.
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