DE3526461A1

DE3526461A1 - Widerstandskette

Info

Publication number: DE3526461A1
Application number: DE19853526461
Authority: DE
Inventors: Karl Ing Grad Schoppe
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1985-07-24
Filing date: 1985-07-24
Publication date: 1987-01-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Widerstandskette aus in Reihe geschalteten und in oder auf einem Halbleiterkörper gemeinsam integrierten Einzelwiderständen, mit Potentialabgriffen zwischen den Einzelwiderständen.

Es sind Widerstandsketten bekannt, wie sie in der Fig. 1 dargestellt sind. Solche Widerstandsketten werden beispielsweise für Digital/Analog-Wandler in integrierten Halbleiterschaltungen verwendet. Die Widerstandskette besteht gemäß der Fig. 1 aus drei Widerständen R ₁, die in Reihe zueinander geschaltet sind. Ferner weist die Widerstandskette bei N Teilerwiderständen N-1 Potentialkontakte auf, die in der Fig. 1 mit U ₂ und U ₃ bezeichnet sind. Ferner enthält die Schaltung zwei kombinierte Potential- und Anschlußkontakte für die Referenzspannung und für das Bezugsspannungspotential. Diese Kontakte sind in der Fig. 1 mit U ₄ und U ₁ bezeichnet.

Wenn die Widerstandskette nach Fig. 1 in bekannter Weise gemäß Fig. 2 realisiert wird, so ist für alle Widerstände eine gemeinsame Widerstandsbahn vorgesehen. Hierzu wird in einen Halbleiterkörper 1 vom ersten Leitungstyp eine Zone 2 vom zweiten Leitungstyp eingebracht, was beispielsweise durch Diffusion oder durch Implantation von kontradotierenden Störstellen geschieht. In Reihe hintereinander werden dann Kontaktierungszonen 3 in die Zone 2 eingebracht, die den Leitungstyp der Zone 2 aufweisen aber sehr hoch dotiert sind. Wenn alle Widerstände R 1 den gleichen Widerstandwert aufweisen sollen, weisen die Kontaktierungszonen 3 gleiche Abstände voneinander auf. Jeder Einzelwiderstand wird dann durch das Teilgebiet der Zone 2 festgelegt, der zwischen zwei benachbarten Kontaktierungszonen 3 liegt. Alle Kontaktierungszonen 3 werden mit metallischen Anschlußkontakten 5 a, 5 b, 5 c und 5 d versehen. Der Anschlußkontakt 5 a entspricht dem Potentialabgriff U ₄ gemäß Fig. 1, an den beispielsweise die Referenzspannung U _REF angelegt wird. Die Anschlußkontakte 5 b und 5 c entsprechen den Potentialabgriffen U ₃ und U ₂ in Fig. 1, während der Anschlußkontakt 5 d dem Potentialabgriff U ₁ in Fig. 1 entspricht und beispielsweise für den Anschluß an Bezugspotential vorgesehen ist.

Wie ersichtlich, ergibt sich bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 2 das Ersatzschaltbild wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Vom Potentialabgriff U ₄ fließt der von der Referenzspannungsquelle kommende Strom zunächst über einen Kontaktwiderstand R _K, der durch den Anschlußkontakt 5 a und den Übergangswiderstand zur zugehörigen Zone 3 vorgegeben ist. Zwischen den Zonen 3 mit den Kontakten 5 a und 5 b liegt sodann der Widerstand R ₁, der mit einem weiteren Widerstand R ₁ zwischen den Zonen 3 mit den Kontakten 5 b und 5 c und einem Widerstand R ₁ zwischen den Zonen 3 mit den Kontakten 5 c und 5 d in Reihe geschaltet ist. Vor dem Spannungsabgriff U ₁ am Anschlußkontakt 5 d wird wiederum ein Kontaktwiderstand R _K wirksam. Die Potentialabgriffe U ₂ und U ₃, die den Anschlußkontakten 5 b und 5 c der Fig. 2 entsprechen, sind wiederum jeweils über einen Kontaktwiderstand R _K gemäß Fig. 1 an die Widerstandskette angeschlossen.

Eine Ausgestaltung einer Widerstandskette gemäß den Fig. 1 und 2 führt zu Nichtlinearitäten im Teilerverhältnis und zu entsprechenden Ungleichmäßigkeiten beim Potentialabgriff. Hierbei ist zu beachten, daß zwischen den Potentialabgriffen U ₃ und U ₄ zwei Kontaktwiderstände R _K und ein Einzelwiderstand R ₁ liegt, wie dies auch zwischen den Potentialabgriffen U ₂ und U ₃ bzw. U ₂ und U ₁ der Fall ist, daß jedoch aufgrund unterschiedlicher Ströme in der Widerstandskette selbst, bzw. in den Potentialabgriffen Differenzen im Spannungsabfall zwischen den Potentialabgriffen U ₄/U ₃ und U ₃/U ₂ auftreten. So ist der Spannungsabfall am Kontaktwiderstand R _K, der unmittelbar an die Referenzspannung angeschlossen ist, in der Regel sehr viel größer, als der Spannungsabfall an dem Kontaktwiderstand R _K, der zum Potentialabgriff U ₃ führt. Dies beruht darauf, daß die Ströme in den Abgreifstromzweigen wesentlich geringer sind als der Referenzstrom in der Widerstandskette selbst. Hieraus ergibt sich, daß die Spannungsaufteilung aufgrund der unterschiedlichen Spannungsabfälle an den Kontaktwiderständen Unregelmäßigkeiten aufweist, die insbesondere bei Analog/Digital-Wandlern zu Linearitätsfehlern führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Widerstandskette anzugeben, bei der die Linearität des Teilerverhältnisses unabhängig von den Kontaktwiderständen ist. Diese Aufgabe wird bei einer Widerstandskette der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für jeden Einzelwiderstand eine gesonderte, von den übrigen Einzelwiderständen isolierte Widerstandsbahn vorgesehen ist, die mit zwei Anschlußkontakten versehen ist. Diese Widerstandskette soll insbesondere in Spannungsteilerschaltungen als lineare Widerstandskette und in Digital/Analog-Wandlern eingesetzt werden. Hierbei ist von Bedeutung, daß es sich im Widerstandsketten handelt, bei denen vorzugsweise die zulässige Toleranz der Einzelwiderstände kleiner als der Betrag eines Kontaktwiderstandes ist.

Aus den Fig. 3 und 4 ergibt sich das Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen linearen Widerstandskette sowie die Realisierungsform in integrierter Halbleitertechnik.

Nach Fig. 3 besteht die Widerstandskette wiederum aus Einzelwiderständen R ₂, die zueinander in Reihe geschaltet sind. Es sind wiederum 4 Spannungsabgriffe U ₁, U ₂, U ₃ und U ₄ vorgesehen, wobei der Spannungsabgriff U ₁ mit Bezugspotential und der Spannungsabgriff U ₄ mit dem Referenzspannungspotential verbunden ist. Zwischen jedem Spannungsabgriff liegt nunmehr bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Widerstand R ₂ und zwei gleich große Kontaktwiderstände R _K, was durch die Ausführungsform gemäß Fig. 4 erreicht wird. Gemäß Fig. 4 werden in einen Halbleiterkörper 1 vom zweiten Leitungstyp, der beispielsweise aus Silizium besteht, voneinander getrennte Zonen 2 a, 2 b und 2 c vom entgegengesetzten Leitungstyp eindiffundiert oder einimplantiert. Die Zonen 2 a, 2 b und 2 c sind von sich zur Halbleiteroberfläche erstreckenden pn-Übergängen umgeben, so daß jeder Widerstandsbereich 2 a, 2 b und 2 c von den anderen Widerstandsketten durch zwei pn-Übergänge getrennt ist, von denen wenigstens einer in Sperrichtung vorgespannt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Widerstandskette selbstverständlich mehr als 3 Teilwiderstände aufweisen und den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden kann. Wenn alle Einzelwiderstände der Widerstandskette nach Fig. 3 gleich groß sind, weisen auch die Zonen 2 a, 2 b und 2 c gleiche Abmessungen auf. In jede Widerstandzone werden voneinander beabstandet zwei Kontaktierungszonen 3 eindiffundiert, so daß sich der eigentliche Widerstand des Einzelelementes aus dem Abstand zwischen den beiden hochdotierten Kontaktierungszonen 3 ergibt, die den gleichen Leistungstyp wie die Zonen 2 a, 2 b, und 2 c aufweisen. Jede Kontaktierungszone 3 ist mit einem Anschlußkontakt 6 a bis 6 d versehen, der sich jeweils von der Kontaktierungszone auf eine Isolierschicht 4 erstreckt. Der Anschlußkontakt 6 a entspricht beispielsweise dem Potentialanschluß U ₄ und ist mit der Referenzspannung verbunden, während der Anschluß 6 d dem Potentialanschluß U ₁ entspricht und mit Bezugspotential verbunden ist. Einander benachbarte Anschlußzonen 3 benachbarter Widerstandselemente werden über Leitbahnen miteinander verschaltet, so daß die Widerstandskette gemäß Fig. 3 zustande kommt. Die Leitbahnen 6 b und 6 d in der Fig. 4 entsprechen somit den Potentialanschlüssen U ₂ und U ₃. Zwischen jeweils 2 benachbarten Potentialabgriffen liegt somit immer ein Widerstandselement R ₂ und zwei Kontaktwiderstände R _K.

Bei der Widerstandskette der Fig. 1 beträgt die Differenz Δ R ₁ der Widerstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potentialabgriffen

Δ R ₁ = R _K + Δ R

wobei Δ R die Toleranz der eigentlichen Widerstandsbahn ist. Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 gilt für die Differenz der Widerstände zwischen zwei benachbarten Potentialabgriffen, dagegen

Δ R ₂ = Δ R _K + Δ R

Es gilt

Δ R _K « R _K

folglich wird

Δ R ₂ << Δ R ₁.

Hieraus ist ersichtlich, daß die Schaltung gemäß der Fig. 3 wesentlich linearer ist und zu geringeren Verzerrungen führt als dies bei der Schaltung gemäß Fig. 1 der Fall ist.

Die Kontaktwiderstände sind materialabhängig. Ein typischer Wert für einen Aluminiumkontakt an Siliziumhalbleitermaterial ist R _K = 1Ω/.

In den Fig. 5 und 6 sind noch typische lineare Widerstandsketten für Analog/Digital-Wandler dargestellt, bei denen eine weitere Unterteilung der an den Potentialabgriffen gemäß Fig. 3 abzugreifenden Potentiale vorgesehen ist. Hierzu ist zwischen zwei Potentialabgriffen eine weitere Widerstandskette mit den Widerstandselementen R _F parallel geschaltet, die wiederum gemäß Fig. 5 mit Einzelpotentialabgriffen oder gemäß Fig. 6 mit einem Potentialabgriff versehen ist, der jedoch über Schalter an die verschiedenen Potentiale der zweiten Widerstandskette anschließbar ist.

Die erfindungsgemäße Lehre läßt sich auch auf Widerstandsketten übertragen, bei denen die Einzelwiderstände aus Schichtmaterial bestehen, beispielsweise aus polykristallinem Silizium. Diese Schichten werden vorzugsweise auf die Oberflächen einer Halbleiteranordnung aufgebracht.

Claims

1) Widerstandskette aus in Reihe geschalteten und in oder auf einem Halbleiterkörper gemeinsam integrierten Einzelwiderständen, mit Potentialabgriffen zwischen den Einzelwiderständen, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Einzelwiderstand (R ₂) eine gesonderte, von den übrigen Einzelwiderständen isolierte Widerstandsbahn (2 a, 2 b, 2 c) vorgesehen ist, die mit zwei Anschlußkontakten (6 a, 6 b bzw. 6 b, 6 c bzw. 6 c, 6 d) versehen ist.

2) Widerstandkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einzelwiderstände (R ₂) gleich groß sind.

3) Widerstandskette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zulässige Toleranz der Einzelwiderstände (R ₂) kleiner als der Betrag eines Kontaktwiderstandes (R _K) ist.

4) Widerstandskette nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelwiderstände (R ₂) aus Zonen (2 a, 2 b, 2 c) vom ersten Leitungstyp bestehen, die getrennt voneinander in einem Halbleiterkörper (1) vom zweiten Leitungstyp eingelassen sind, und daß in jede, einen Einzelwiderstand bildende Zone (2 a, 2 b, 2 c) zwei hochdotierte Kontaktzonen (3) vom ersten Leitungstyp eingelassen sind, die an der Halbleiteroberfläche mit metallischen Anschlußkontakten (6 a-6 d) versehen sind.

5) Widerstandskette nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlußkontakt eines äußeren Widerstandes der Widerstandskette für den Anschluß an das Bezugspotential vorgesehen ist, daß Anschlußkontakte benachbarter Widerstände zur Bildung der Reihenschaltung über Leitbahnen miteinander verbunden sind, und daß ein Anschlußkontakt des anderen äußeren Widerstandes für den Anschluß an eine Referenzspannung vorgesehen ist.

6) Widerstandskette nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als lineare Widerstandskette in Spannungsteilerschaltungen.

7) Widerstandskette nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in Digital/Analog-Wandlern.