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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Substratisolierungsanordnung.
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Wie bekannt ist, gibt es in integrierten elektronischen Schaltungen, die technisch
als Chips bekannt sind, einen als Substrat bekannten Abschnitt, auf den aktive und
passive Elemente mit möglichst entgegengesetzt unterschiedlichen Eigenschaften
hergestellt werden. Diese Elemente sind durch Trennelemente voneinander
getrennt, die aus einem Material bestehen, das ähnlich dem elektrisch und
physikalisch verbundenen Isoliersubstrat ist. Das Substrat jeder integrierten Schaltung ist
an diejenige negative Spannung angeschlossen, die den höchsten absoluten Wert
besitzt. Auf diese Weise wirken die Trennelemente als Isolatoren zwischen
verschiedenen aktiven und passiven Elementen der integrierten Schaltung, wodurch
ein Betrieb der verschiedenen Elemente möglich wird.
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Es gibt Anwendungen, wie nachfolgend beschrieben, bei welchen aufgrund der
anwendbaren gesetzlichen Vorschriften oder anderer Probleme negative elektrische
Spannungen, deren Modul größer als die negative Spannung des Substrates ist, an
die integrierten Schaltungen angelegt werden.
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Diese Umstände führen beispielsweise dazu, daß die entstehenden Ströme extrem
klein sein müssen, und zwar ähnlich im Betrag wie der sogenannte Leckstrom,
sogar wenn sich die Aktivelemente auf einer niedrigeren Spannung als auf Substrat
befinden. Um dieses Problem zu lösen, ist es möglich,
Hochspannungskondensatoren sowie Anordnungen für die Hauptanwendungen zu verwenden, welche einen
einzigen Chip oder integrierte Dual-Schaltungen benutzen, auf denen die meisten,
wenn nicht sogar alle aktiven Komponenten, die die diskrete gedruckte Schaltung
bilden, integriert sind, wodurch sämtliche Funktionen auf einem einzigen Substrat
kombiniert werden.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die zuvor beschriebenen
Probleme zu beseitigen oder im wesentlichen zu reduzieren, indem eine
Substratisolierungsanordnung geschaffen wird, die das Problem des Vorhandenseins von
negativen Spannungen löst, deren Modul größer als die Bezugsspannung des Substrates
der integrierten Schaltung ist.
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Im Hinblick auf diese Zielsetzung ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Anordnung zu schaffen, welche die durch eine besondere Anwendung
erforderlichen Funktionen behalten kann, sogar wenn Spannungen niedriger als die
Substratbezugspannung angelegt werden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zu
schaffen, die äußerst zuverlässig, relativ leicht herzustellen und preiswert ist.
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Diese Zielsetzung, die zuvor erwähnten Aufgaben u. dgl., die nachfolgend deutlich
werden, werden von einer Substratisolierungsanordnung gemäß der Erfindung, wie
in Anspruch 1 definiert, realisiert.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung
einer bevorzugten, nicht jedoch ausschließlichen Ausführung einer
erfindungsgemäßen Substratisolierungsanordnung deutlich, welche nur durch ein nicht
beschränkendes Beispiel in den beiliegenden Zeichnungen illustriert wird, wobei
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Fig. 1 eine Querschnittsansicht der parasitären
Verbindungen zwischen den verschiedenen Senken
einer reellen integrierten elektronischen
Komponente ist;
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Fig. 2 ein bekanntes Beispiel einer Anwendung zeigt,
bei welcher die in Fig. 1 gezeigten integrierten
Komponenten versendet werden;
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Fig. 3 ein anderes bekanntes Beispiel einer
Anwendung ist, bei welcher die in Fig. 1 gezeigten
Komponenten eingesetzt werden, die jedoch in
kompakterer Form ausgeführt sind;
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Fig. 4 eine elektrische Schaltung eines bekannten
Telefons ist;
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Fig. 5 eine elektrische Schaltung eines weiteren
bekannten Beispiels einer Anwendung ist, bei
welcher die in Fig. 1 gezeigten Komponenten
eingesetzt werden;
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Fig. 6 ein anderes elektrisches Schaltbild einer
bekannten Anwendung ist, bei welcher die in
Fig. 1 gezeigten Komponenten eingesetzt werden;
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Fig. 7a eine Querschnittsansicht eines
DMOS-Transistors ist, und zwar unter Darstellung der realen
Verbindungen, unabhängig davon, ob sie
parasitär sind oder nicht, gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 7b eine Querschnittsansichtt einer Zener-Diode ist,
und zwar unter Darstellung deren realer
Anschlüsse, und zwar unabhängig davon, ob sie
parasitär sind oder nicht, gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 8a ein Konzeptschaltbild einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung ist; und
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Fig. 8b eine schematische Darstellung der
Schaltungsdetails der vorliegenden Erfindung ist.
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Das Dokument EP-A 05454488 offenbart einen doppelt diffundierten
DMOS-Transistor, der in der Lage ist, hohe Spannungen auszuhalten, und fällt unter Artikel 54
(3) EPÜ.
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Gemäß Fig. 1, die eine herkömmliche integrierte Schaltung zeigt, nimmt ein
Substrat 1 Aktivelement 2 auf, die voneinander isoliert sind durch Trennbereiche,
die aus einem Material bestehen, das ähnlich dem Substrat ist, und gewöhnlich mit
Verunreinigungen dotiert sind, deren Polarität entgegengesetzt zu der derjenigen
Verunreinigungen ist, mit denen die aktiven Elemente zwei dotiert sind. Das
Substrat 1 ist an Masse 4 oder die negative Spannung von einem Modul
angeschlossen, wie in einer integrierten Schaltung jeder Art vorhanden, was nicht gezeigt ist.
Übergänge, die in Fig. 1 durch parasitäre Dioden 5, 6 und 7 schematisch
angedeutet sind, sind zwischen den Trennbereichen 3 und den aktiven Abschnitten 2
sowie zwischen dem Substrat 1 und den aktiven Abschnitten 2 gebildet.
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Wenn das Substrat 1 auf die niedrige negative Spannung in bezug auf die
Spannungen der elektronischen Schaltung vorgespannt ist, wirken die Trennbereiche 3 als
perfekte Isolatoren zwischen den verschiedenen aktiven Bereichen 2, in dem die
Dioden 5, 6 und 7 in entgegengesetzter Richtung vorgespannt sind. Falls
demgegenüber negative Spannungen, deren Modul höher als die Substratvorspannung
ist, an die aktiven Bereiche 2 angelegt werden, beginnen die Dioden 5, 6 und 7 im
Hinblick auf ihren Standard-Umkehrspannungszustand zu leiten, in dem sie sein
müssen, um eine gegenseitige Isolierung zwischen den aktiven Bereichen 2 zu
gewährleisten.
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Anwendungen, bei denen typischerweise dieses Problem besteht, sind in den
Fig. 2 bis 6 gezeigt, d. h., herkömmliche Telefonanwendungen, bei denen die
Polarität der Telefonleitung nicht voreingestellt ist.
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In diesem sowie in anderen Beispielen, die im einzelnen hier nicht erläutert werden,
wenn eine negative Spannung, deren Modul höher als die Vorspannung des
Substrats 1 ist, an die aktiven Komponenten zwar angelegt wird, wobei dadurch die
Dioden 5, 6 und 7 leitend werden, führt dieses zum Verlust der gegenseitigen
Isolierung.
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In Fig. 2, die eine herkömmliche Telefonschaltung zeigt, ist die Telefonleitung mit
den Anschlüssen 8 und 9 durch eine Austauschbatterie mit einer Gleichspannung
vorgespannt. Die Polarität ist nicht vorgegeben und es ist somit notwendig, im
Telefon eine Vorspannungsbrücke 10 für die Sprechschaltung 11 und für die
Signalisierungsschaltung 12 vorzusehen.
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Die Schaltungen 11 und 12, die aktiviert werden, wenn der Hörer durch Schließen
des Schalters abgenommen wird, werden in integrierter Weise hergestellt, und jede
Schaltung besitzt ihr eigenes Substrat.
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Die Klingelschaltung 14 muß gleichspannungsentkoppelt sein, d. h., kein
Gleichstrom darf auf der Telefonleitung bei aufgelegtem Hörer oder in Klingelzuständen
fließen, und ein Hochkondensator 15 wird für diesen Zweck eingesetzt. Ein
Vollwellengleichrichter 16 wird für die Klingel benutzt, und ein diskreter Kondensator
oder Filter 19 ist zur integrierten Schaltung 14 zwischen der Schaltung 14 und dem
Gleichrichter 16, der die integrierte Schaltung 14 mit dem entsprechenden Substrat
versorgt, parallel geschaltet.
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Mit Aufkommen von elektronischen Monochip-Schaltungen, die auf einem einzigen
gemeinsamen Substrat die Funktionen von drei unterschiedlichen Schaltungen
vereinen, d. h., Signalisierung 12, Sprechen 11 und Klingeln 14, bildet das Substrat
ein gemeinsames Substrat. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wo der Monochip mit dem
Bezugzeichen 17 bezeichnet ist, ist es beispielsweise unvermeidlich, einen weiteren
Schalter 18 vorzusehen, der das gemeinsame Substrat des Monochip 17 vom
negativen Anschluß der Vorspannungsbrücke 10 trennt.
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Um außerdem sowohl den nationalen als auch den internationalen anwendbaren
gesetzlichen Vorschriften zu entsprechen, ist es notwendig, Layouts zu verwenden,
die entweder mechanische Schalter, wie in Fig. 4 gezeigt ist, oder direkrete
Schalter, wie in Fig. 5 gezeigt ist, oder einen zweiten
Hochspannungsentkopplungskondensator 20, wie in Fig. 6 gezeigt ist, enthalten, von denen es sich bei
allen um betätigbare elektronische Komponenten handelt.
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Um auf den Kondensator 20 ohne Verwendung eines weiteren (externen)
integrierbaren Schalters zur Handhabung von Spannungen, die gegenüber dem Masse-
Substrat, d. h. gegenüber der herkömmlichen Masse der Schaltung negativ sind, ist
es somit wesentlich, im einzelnen sämtliche realen, beabsichtigten oder parasitären
Pfade zu kennen, durch die die Spannungen und Ströme innerhalb einer integrierten
Komponente verteilt werden.
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Die Isolierungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Anspruch 1
angegeben.
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In den Fig. 7a und 7b repräsentieren die Schaltungen, die über dem
schematisch dargestellten Substrat angeordnet sind, die realen und parasitären
Verbindungen zwischen der aktiven integrierten Komponente und dem Substrat, welches
diese einschließt.
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Das aktiv integrierte Element weist einen DMOS-Transistor auf, der im allgemeinen
mit dem Bezugszeichen (100) bezeichnet ist und dessen Source-Anschluß (101)
mit dem Körper (Diffusion PA) verbunden und über eine erste parasitäre Diode
(103) mit dem Drain-Anschluß (102) gekoppelt. Der Drain-Anschluß (102) ist über
eine zweite parasitäre Diode (105) mit einem Abschnitt (104) des Isoliersubstrates
gekoppelt, und der Gate-Anschluß (106) ist an eine (nicht dargestellte)
Spannungsversorgung angeschlossen.
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Eine parasitäre Diode (103), die eine umgekehrt vorgespannte Grenzschicht
aufweist, ist über ihren Kathoden-Anschluß mit dem Drain-Anschluß (102) und über
ihren Anoden-Anschluß mit dem Source-Anschluß (101) verbunden; der Source-
Anschluß ist mit dem Körper (Diffusion der PA) des DMOS-Transistors 100
verbunden.
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Eine Schutz-Zener-Diode 107 ist, wie in Fig. 7b gezeigt ist, parallel zum Gate-
Anschluß 106 integriert und über eine dritte parasitäre Diode (108) mit dem
Substrat (104) und über eine vierte parasitäre Diode (1 10) mit einem aktiven
Bereich (109) gekoppelt. Die Zener-Diode 107 schützt den Gate-Anschluß 106
aufgrund ihrer eigenen Durchschlagspannung, die kleiner als die maximale Gate-
Source-Durchschlagspannung sein muß.
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Fig. 8a zeigt schematisch den Transistor und das Substrat 100, die dazwischen
befindliche Schaltung und Anschlüsse an die Spannungsversorgung.
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Um den ausgeschalteten Zustand des DMOS 100 aufrechtzuerhalten, wenn der
Einschaltbefehl nicht vorliegt, wie in Fig. 8a gezeigt ist, ist ein integrierter
Widerstand 11, der auf dem Substrat (104) durch ein hoch resistives Polysilicium mit
einem Widerstand von 2 kΩ/mm² oder durch einen diffundierten Widerstand, der
technisch als "Drain Extension" bekannt ist, mit einem Widerstand von 20 kΩ/mm²
unter Verwendung besonderer Layout-Lösungen gebildet sein kann, parallel zur
Zener-Diode (107) eingesetzt.
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Der DMOS Transistor (100) wird durch Schließen eines Schalters (112)
eingeschaltet, der einen zweiten Widerstand (113) mit dem Gate-Anschluß (106) verbindet.
Dadurch wird ein Spannungsteiler zwischen den Widerständen (111) und (113)
geschaffen, der die Mindestbetriebsspannung begrenzt, während der
Absorptionsstrom nicht konstant ist.
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Vorzugsweise wird der Gate-Anschluß (106) von einer Spannungsquelle getrieben,
die beispielsweise einen ersten Dioden-gekoppelten bipolaren Transistor (114) und
einen zweiten bipolaren Transistor (115) aufweist. Der erste bipolare Transistor
(114) ist mit seinem Emitteranschluß an einen Spannungsversorgungsanschluß
(116) angeschlossen, und seine Basis- und Kollektor-Anschlüsse sind zusammen
am Basisanschluß des zweiten Transistors angeschlossen. Der zweite bipolare
Transistor (115) ist mit seinem Emitter-Anschluß am Anschluß (116) der
Spannungsquelle und mit seinem Kollektor-Anschluß am Gate-Anschluß (106) DMOS-
Transistors (100) angeschlossen.
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Die Stromquelle weist ebenfalls einen Schalter (112) auf, der am anderen Anschluß
(112) der Spannungsquelle angeschlossen ist; ein dritter Widerstand (118) und der
Kathoden-Anschluß einer ersten Diode (119) sind am Ausgangsanschluß der
Stromquelle angeschlossen. Eine zweite Diode (120) ist in Reihe zur ersten Diode
(1 19) geschaltet, und ihr Anoden-Anschluß ist an einen vierten Widerstand (122),
der am Anschluß 116 der Spannungsquelle angeschlossen ist, und am Basis-
Anschluß eines dritten bipolaren Transistors 121 angeschlossen.
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Der dritte Transistor (121) ist mit seinem Emitter-Anschluß am dritten Widerstand
(118) und mit seinem Kollektor-Anschluß an den Kollektor- und Basis-Anschlüssen
des ersten bipolaren Transistors 114 und am Basis-Anschluß des zweiten bipolaren
Transistors (115) angeschlossen. Die Stromquelle kann ebenfalls mit
gleichwertigen MOSFET-Transistoren verwirklicht werden, wie der einschlägige Fachmann
erkennen kann. Falls die zuvor beschriebene Stromquelle integriert ist, bildet sie
eine Schnittstelle zum Gate-Anschluß (106) über eine P-dotierte Schicht, um
parasitäre Pfade zum Substrat zu beseitigen, falls eine Spannung anliegt, die
gegenüber der Vorspannung des Substrates negativ ist. Im Falle von niedrigen
Spannungen auf den Telefonleitungsspannungsversorgungsanschlüssen (116 und
117) kann die Spannung über der Stromquelle, die eine Schnittstelle zum Gate-
Anschluß (106) bildet, praktisch nur sein, wodurch man eine minimale
Betriebsspannung erhält.
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Praktische Tests haben gezeigt, daß man mit der vorliegenden Erfindung die
beabsichtigte Zielsetzung und Aufgaben verwirklicht, und zwar in vorteilhafter
Weise durch vollständige Integration von Funktionen und folglich von
Komponenten, die in der Vergangenheit sowohl als elektronische als auch als mechanische
diskrete Komponenten vorgesehen waren.
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Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt in bequemer Weise eine Integration von
Komponenten, die sämtliche Funktionen auf einem einzigen Chip vorsehen, d. h. auf
einem einzigen gemeinsamen Substrat, und zwar unter einer weiteren Reduzierung
von diskreten Komponenten.
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Eine solche Integration ermöglicht eine Reduktion von Herstellungskosten auf zwei
unterschiedlichen Wegen:
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Als erstes durch Vereinfachung der Telefonschaltung und somit durch
Vereinfachung des Zusammenbaus und der Produktion der gedruckten Schaltung, der
Analyse der Schaltung und des daraus hergestellten Gerätes; und zweitens im
Managementbereich, d. h. Reduzierung der Lagerhaltung, wodurch die Verwaltung
u. dgl. vereinfacht wird. Zusätzlich bewirkt die Reduzierung der Komponenten durch
Einsatz des Monochips eine Verringerung der konstruktiven Komplexität, d. h., eine
Verringerung an Lötstellen, Verbindungen u. dgl.
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Die so vorgestellte Erfindung ist für zahlreiche Modifikationen und Veränderungen
offen, von denen alle innerhalb des erfindungsgemäßen Konzeptes liegen.
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In der Praxis können die eingesetzten Materialien sowie die Abmessungen in
Abhängigkeit von den Erfordernissen für die besondere Anwendung beliebig sein.
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Nachdem somit eine besondere Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde,
sind verschiedene Änderungen, Modifikationen und Verbesserungen für den
Fachmann erkennbar. Solche Änderungen, Modifikationen und Verbesserungen, soweit
sie durch diese Offenbarung erkennbar sind, sollen Gegenstand dieser Offenbarung
sein, obwohl sie hier nicht ausdrücklich erwähnt sind und innerhalb des Umfanges
der Erfindung liegen. Dementsprechend handelt es sich bei der vorangegangenen
Beschreibung nur um ein Beispiel, das nicht beschränkend ist. Die Erfindung wird
nur durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt.
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Wo in den Ansprüchen erwähnte technische Merkmale von Bezugszeichen gefolgt
sind, sind solche Bezugszeichen nur für den einzigen Zweck der Erhöhung der
Verständlichkeit der Ansprüche eingesetzt, und dementsprechend haben solche
Bezugszeichen keine beschränkende Wirkung auf die Bedeutung jedes Elementes,
das beispielhaft durch solche Bezugszeichen identifiziert wird.