JPH04504320A - 精密基準電圧源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 精密基準電圧源 従来の技術 本発明は、請求項１の上位概念に記載の精密基準電圧源に関する。

車両用のモノリシック集積回路の特性データに対する要求はますます高くなって いる。−４０℃≦Ｔｊ≦＋１５０℃以上という大きな温度範囲のため、極めて小 さなないし所定通り前辺て決めることができる温度係数（ＴＫ）および僅かなピ エゾ感度を有する基準電圧源が特に重要である。

Ｇ、　Ｃ，１，１ｌｅｉｊｅｒ、　Ｐ、　Ｃ，Ｓｃｈｗａｌｅおよびに、　ｖａ ｎ　Ｚａｌｉｎｇｅ著の論文“＾Ｎｅｗ　Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ−Ｃｏｒｒｅｃｔ ｅｄ　Ｂａｎｄｇａｐ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ”　（ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　 ｏｆ　５ｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ、　Ｖｏｌ、５Ｃ−１７，Ｎ ｒ、６．１９８２年１２月）から既に、請求項１の上位概念に記載の精密基準電 圧源が公知であるが、それは、４ｍｍ”の面積のチップ上に４７の素子を含んで おりかつニッケルークロム抵抗技術を用いたＩＣ製造工程を要求する。その温度 係数は、２５℃≦Ｔｊ≦８５℃の温度範囲において５０　ｐｐ＋＊を有している ことが記載されている。

＾、　Ｐ、　Ｂｒｏｋａｗ著の論文“Ａ　Ｓｉｍｐｌｅ　Ｔｈｒｅｅ−Ｔｅｒｍ ｉｎａｌＩＣＢａｎｄｇａｐ−Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ″″　（ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｎ ａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ−３ｔａｔｅ　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ、Ｖｏｌ、５Ｃ−９， Ｎｒ、６．　１９７４年１２月）から更に既に、１．４７１１１２の面積のチッ プ上に２９の素子を含んでおりかつ同じくニッケルークロム抵抗技術によって製 造される、バンドギャップ原理に従って動作するモノリシックに集積された基準 電圧源が公知である。その温度係数は、−５５℃≦Ｔｊ≦１２５℃の温度範囲に 対して５ｐｐｍないし６０ｐｐ■を有していることが記載されている。

発明の利点 これに対して請求項１の特徴部分に記載の構成を有する本発明の精密基準電圧源 は、そこではバンドギャップの基準の温度係数のほぼ放物線状の経過が回路手段 が繁雑な公知の解決法に比べて簡単な手段で直線化され、およびそこではピエゾ 感度が低減されているという利点を有している。

シリコンのバンドギャップ電圧の温度係数は高次の項を含んでいる（Ｙ、　Ｐ、 　Ｔｓｉｖｉｄｉｓ　ＩＦ″′＾ｃｃｕｒａｔｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｔ ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　Ｉｃ−ＶＩＩｔ　Ｃｈａｒａｃ ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｗｉｔｈ　Ａｐｐｌｉｋａｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｂａｎｄｇａ ｐ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　５ｏｕｒｃｅｓ”　、　ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　 ｏｆ　Ｓｏｌ、１ｄ−３ｔａｔｅ　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ、　Ｖｏｌ、５Ｃ−１５， Ｎｒ、６．　１１８０年１２月）。

モノリシックに集積された回路に対しては次の帯域が使用可能である：サブスト レーｈ（Ｐ−）、絶縁拡散層（ｐ−ｐ“）、エピタキシャル層（Ｎ”）、埋め込 み拡散層（Ｎ’）、ディープコレクタ拡散層（Ｎ”″）。

ベース拡散層（Ｐ）、エミッタ拡散層（Ｎａ、金属化部および場合に応じて、ド ーピングされたポリシリコンないしく“ヒユーズドリンク”用の）Ｃｒ／Ｎｉ抵 抗のような別の帯域；例えば上側または下側の絶縁拡散層またはベース接続拡散 層のような別の帯域も工程次第では存在する可能性がある。

これら帯域の固有ないし表面抵抗 Ｒ（ΔＴ）＝Ｒ，。［１＋ａ（ΔＴ）＋β（ΔＴ）”＋ｙ（八Ｔ）３】の温度係 数を考慮すると、Ｎ４ドーピングないし金属帯域のような（殆ど）リニヤな温度 係数を有する帯域およびＰドーピング帯域のような比較的高次の項に多かれ少な かれ高い成分を有するような帯域が明らかである。同様に、多かれ少なかれ高い ピエゾ感度を有する帯域も明らかである。

そこで本発明の対象は、バンドギャップ電圧のほぼ放物線状の温度経過を公知の 場合に比べて著しく線形にする、即ち比較的高次の項にも成分を有する温度係数 を有する抵抗によって補償することに基づいている。十分申し分ない補償は既に 、２次の項の考慮によって実現される。大きな２次の項および小さな２次の項を 有する帯域があるので、正確な値は少な（とも２つの異なった帯域の適当な組み 合わせによって実現される。これにより公知の技術に比して、回路および製造技 術が格段に簡単化されるのみならず、このことに関連してチップ面積も著しく縮 小される。後者は次の理由から特別重要である： 確かに付加的な素子によってコスト高につくが、理論的に申し分ない補償を得た とされる、５ｐｐＩｍないし５０ｐｐｍを有する温度係数を有する先に示した例 ではまだ相対的に大きすぎるので、それらには、例えば温度に依存する機械的な 応力の結果としてのそれら素子のピエゾ感度のような、別の効果が生じる（この ことニツイて参考になるのは、Ｇ、　Ｃ，Ｍ、　ｌ１ｅｉｊｅｒ　ＩＦ：“Ｉｎ ｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｆｏｒ 　ＢａｎｄｇａｐＲｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ａｎｄ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｔ ｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ”　、　Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ　ＴＯＤｅｆｔ、　１ ９８２年３月１８日、１８である）。僅かなチップ面積しか要求しない回路は、 本発明に相応してクリテカルレジスタンスの形成に対してあまりピエゾ感度のよ くない帯域を使用しかつこれに基づいてレイアウト補償方法において使用すると きとりわけ、極めて容易に実現可能である。

図面 本発明を第１図ないし第１１図に基づいて説明する。第１図は、ブロツク（Ｂｒ ｏｋａ曹）によるバンドギャップ基準の基本回路および始動回路を示している。

第２図ないし第４図には、−４０℃≦Ｔｊ≦＋１６０℃の温度範囲において３つ の異なった温度係数を有する抵抗に対する回路例の基準電圧の温度特性が示され ている。第５図および第６図は、第１図の回路の本発明による変形例を示してお り、第７図は、これにより発生される、基準電圧の温度特性を示している。第８ 図には、ピエゾ感度を低減するための回路が示されており、第９図には、そのた めに交差結合されたラテラルトランジスタのレイアウトが示されており、第１０ 図および第１１図にも、クリテカルＮＰＮ基準トランジスタに対する配置のレイ アウトが示されている。

実施例の説明 第１図のバンドギャップの基準は２つの基準トランジスタ２３および２４から成 っており、その際トランジスタ２４は通例、２≦に≦１６であるに個の同じトラ ンジスタ２３の並列回路によって形成されている。

ｉｎｋの依存性のため、Ｋ＝４で既に十分でありかつ８以上のＫは殆ど使用され ない。この装置は抵抗２２とともに抵抗２１に温度に比例する電圧を発生する。

この電圧は、正しく設計されている場合トランジスタ２３のベース−エミッタ電 圧の負の温度特性を既に申し分な（補償する。回路点１７と１５との間の電位差 は和電圧を表している。それはまさに、（シリコンの）バンド間隔の電位に正確 に相応している。

２つの基準トランジスタ２３．２４は２つのラテラルトランジスタ２５．２６を 有するカレントミラーに基づいて動作する。カレントミラーの共通のベースはＰ ＮＰエミッタフォロア２７を介して基準トランジスタ２４のコレクタに接続され ている。相応にＰＮＰエミッタフォロア６によってトランジスタ２３のコレク夕 から出力結合され、エミッタフォロア６のエミッタはＮＰＮエミッタフすロア７ のベースに接続されている。バンドギャップ電圧より大きな電圧を得るために、 トランジスタ７のエミッタは回路点１７に直接接続されておらず、抵抗８を介し て回路点１７に接続されている。従って端子１８において取り出すべき基準電圧 は、抵抗８．９の変換比に相応して比較的高い。トランジスタ２５，２６，２７ ，６．７は、コンデンサ１０を用いてダイナミックに安定化されている演算増幅 器を形成している。同様に抵抗５を有するカレントミラーとして動作するトラン ジスタ４は回路に十分小さい“始動電流”を供給する。作動電圧のプラス極は端 子１６に接続されており、マイナス極は端子１５に接続されている。

第１図の回路における例の基準電圧の温度経過が第２図に示されている。そこに はバンドギャップ電圧が、実施例に対する一４０℃と＋１６０℃との間の温度の 関数として示されており、そこでは水平方向の接線は温度範囲の中央に位置して おりかつ簡単な基準の場合に通例そうであるように抵抗２１および２２はベース 拡散を用いて形成されている。ここから明らかであるように、基準電圧はほぼ放 物線状の温度経過を有している。この温度経過は周知のように製造工程、即ちド ーピングおよびドーピングプロフィールに依存しており、従って別の実施例にお いてもなお高次の項を含んでいる可能性がある。両方の限界温度において、−４ ％０の平均温度係数に相応して、偏位は−５ｍＶより多少上にある。

この例において温度特性は、抵抗２１．２２に対してベース拡散に代わってエミ ッタ拡散を用いることで、第３図かられかるように、既に著しく改善される。

更に実施例において−全く理論上−抵抗２１および２２が温度係数“０”を有し ているものとすれば、第４図に示されている計算値は常時なお、比較的高次の成 分を有する約−２，３ｌｖの偏差を示している。

そこで依然としてほぼ放物線状であるこの経過は、第１図において抵抗２１に、 抵抗２２より高次の項に比較的大きな成分を有する温度係数を与えることによっ て補償される。

第５図には、比較的大きな２次項β、ｌを含んでいる、本発明の工程の帯域を有 する抵抗の実現に対する回路の本発明の変形例が示されている。そこでβ■は常 にβ、Ｉより小さくなければならないので、この場合抵抗２２は少なくとも２つ の部分抵抗３２．４２に分割されかつ補償抵抗４２に対して比較的小さなβを有 する帯域が使用されるべきである。２次項β、１およびβｔ！の係数の差が０． ７４・１０−６にあるとき、この例に対する申し分ない補償が得られる。抵抗２ １，３２をベース拡散を用いて実現しかつ抵抗４２をエミッタ拡散によって実現 すれば、抵抗２１に対しては３゜４３５Ω、抵抗３２に対しては３９３Ω、抵抗 ４２に対しては６０Ωを有する、第７図に示す温度特性が生じる。

上述のように、例えばエミッタ拡散または別の比較的強くｎドーピングされた帯 域のような、出来るだけ僅かなピエゾ効果を有する帯域から成る抵抗が形成され るべきである。この場合２次の抵抗の温度係数は実際に高次の項を含まない。こ のための解決法が第６図に示されている。抵抗２１は抵抗２２より高い２次成分 によって形成されるように、この抵抗は部分抵抗３１および４１に分割されかつ 補償抵抗４１は比較的大きな２次項を有する帯域を用いて実現されるべきである 。そこで差β！１−βｔ！は０．４９・１０−’となるはずである。エミッタ拡 散帯域が比較的高次の項を含んでおらずかつ補償抵抗４１に対して利用されるベ ース拡散がここでも上述の例と同じ２次項を有しているとき、抵抗３１は値３， １３５Ωを有し、抵抗２２は値４３５Ωを有し、ベース拡散４１における補正は 値３００Ωとなる。温度特性の経過は同様、第７図の温度経過に相応している。

基準電圧の２次項の補償のために工程により規定されるばらつきを考慮すると、 抵抗４２を用いた抵抗２２における補正の際に結果的に生じる２次の項の差は０ ．３・１０−６≦β２Ｉ−β２２≦１，２・１０−＠の範囲にある。これに対し て抵抗２１において抵抗４１を用いて補償されると、０．２・１０−６≦β２１ ≦０．８・１０−’を有する範囲に調整することができる。

結果的に生じる項β２１およびβ２！は、抵抗に対して使用される領域の既知の 項から計算される。抵抗２１の範囲における補償に対しては一般に β！Ｉ＝（β３．・Ｒ３１＋β４１＠Ｒ４１）・（Ｒｓｒ＋　Ｒ４１）−’ない し抵抗２２の範囲における補償に対してはβ！２：（β＋１！”Ｒ３１＋β４！ ”Ｒ４ｚ）”（Ｒｓ＊＋　Ｒ４２）−’が成り立つ。

上記の文献から明らかであるように、基準電圧の温度特性において高次の項も発 生するとき、これらも考慮すると有利である。

異なった温度係数を有する抵抗は全体の抵抗における側方の下部拡散の異なった 大きさの成分のため設計における抵抗の幅の変更によっても形成され、特に確か に２次の項に僅かな差しか生じるべきでないかないし３次の項が発生されるべき である。特別狭い抵抗の場合３次の見かけの項を考察すべきである。温度係数は 一般に製造工程に依存するため、これに対して具体的なデータを挙げることはで きない。

上述の補償はいわば、バンドギャップ電圧の最大値の実際値がまた計算が基準に 使用した温度にあるときにのみ正確に維持することができる。それ故にこの最大 値に基づいて調整すると有利である。

提案された解決法では抵抗２１および２２は複数の帯域によって形成されている 。即ち、種々の工程のばらつき、例えば分圧比のばらつきを来す抵抗のばらつき も考慮すべきである。精密基準電圧源において分圧比は、補償抵抗４１または４ ２の変化によってその目標値に調整されるべきである。ウェハサンプルにおける 抵抗回路網の調整方法は、＾、　Ｂ、　Ｇｒｅｂｅｎｅ著：　“Ｂｉｐｏｌａｒ 　ａｎｄ　１０３　Ａｎａｌｏｇ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ　Ｄ ｅｓｉｇｎ”　（Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　＆　５ｏｎｓ、１９８４年、第１５５ 頁ないし第１５９頁）に記載されているが、それは本発明の対象でない。

本発明の精密基準電圧源は、４段の調整回路網を含めて比較的低抵抗のエミッタ 拡散を用いて形成された抵抗３１および２２にも拘わらず約０．３ｍｍ”のチッ プ面積しか必要としないが、ピエゾ感度を低減するための手段を設けた方が有利 である。それ故に２つのＰＮＰラテラルトランジスタ２５および２６のコレクタ は、第８図の回路に相応して、それぞれ２つの同じ部分コレクタに分割されてお りかつ相互に交差接続されている。トランジスタ２５および２６の間に、一層高 い作動温度に達するために、場合によりベース電流を導出するために、別のトラ ンジスタ１１が挿入されている。

このために可能なレイアウトが第９図に示されている。ＮＰＮ基準トランジスタ ２３および２４も相互に対称に配置されており、しかも第１０図ではエミッタ比 が１＝２および１・４であるように、第１１図ではエミッタ比ｌ：４および１： ８であるように配置されている。後者においては４つの部分トランジスタ２４の みが図示されている。空いている場所に別の４つの部分トランジスタを充填する ことによってほぼピエゾ補償された比１：８が容易に形成される。固定配線はト ランジスタ２３の回りに８つの部分トランジスタ２４を配置した場合でも問題な い。というのは８つの部分トランジスタは唯一のコレクタタブ内に埋め込まれる からである。

精密基準電圧源はこれまでの方法では最新技術を駆使したとしても殆ど所定通り には製造することができないので、通例は比較的大きな製造ロフトからの高価な 選択品である。これに対して本発明の提案によれば選択基準電圧源は標準技術で 所定通りに製造される。

本発明の基準電圧源の所要面積は、従来の基準電圧源より殆ど大きくない。

温度　（°Ｃ）Ｆｉｇ、３ 国際調査報告 １．１１１．１１ｗｍ　”””””２１２国際調査報告 ＤＥ　９０００２１２ Ｓ＾　３５３０５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．広範な温度範囲に適した、バンドギャップ原理に従ったモノリシックに集積 された精密基準電圧源において、 基準電圧の温度特性の放物線状の経過が、トランジスタまたはダイオードのよう な付加的な能動素子を使用せずにモノリシック集積において使用される工程手段 によって線形化されていることを特徴とする精密基準電圧源。 ２．第１の抵抗（２１）および第２の抵抗（２２）を備え、該２つの抵抗（２１ ，２２）は、ｎドーピングされたエミッタ拡散帯域によって形成されている請求 項１記載の精密基準電圧源（第１図）。 ３．第１の基準トランジスタ（２３）および第２の基準トランジスタ（２４）を 備え、異なった電流密度によって駆動される２つの前記基準トランジスタ（２３ ，２４）において依然として残る高次の温度係数が大幅に補償されている請求項 １記載の精密基準電圧源（第１図）。 ４．第１の抵抗（２１）および第２の抵抗（２２）を備え、該２つの抵抗（２１ ，２２）は少なくとも部分的に異なった温度係数を有する領域によって形成され ている請求項３記載の精密基準電圧源。 ５．第１の抵抗（２１）の温度係数の２次の項β（ΔＴ）２は、第２の抵抗（２ ２）の２次の項より大きい請求項４記載の精密基準電圧源（第１図）。 ６．温度係数の比較的大きな２次の項を有する領域を用いて第１の抵抗（２１） が形成されている場合第２の抵抗（２２）は、第１の部分抵抗（３２）と第２の 部分抵抗（４２）とから成る直列回路に分割されており、その際前記第１の部分 抵抗（３２）は第１の抵抗（２１）と同じ領域を用いて実現されておりかつ補償 抵抗として用いられる前記第２の部分抵抗（４２）は比較的小さな２次の項を有 する領域を用いて実現されている請求項５記載の精密基準電圧源（第５図）。 ７．第１の抵抗（２１）の温度係数β２１の２次の項と部分抵抗（３２，４２） の和によって結果的に発生される第２の抵抗（２２）の温度係数β２２の２次の 項との差は、 ０．３・１０−６≦β２１−β２２≦１．２・１０−６の範囲にある請求項６記 載の精密基準電圧源。 ８．第２の抵抗（２２）が比較的小さな２次の項を有する領域によって形成され ている場合第１の抵抗（２１）は、第３の部分抵抗（３１）と第４の部分抵抗（ ４１）とから成る直列回路に分割されており、前記第３の部分抵抗（３１）は前 記第２の抵抗（２２）と同じ領域を用いて形成されておりかつ補償抵抗として用 いられる前記第４の部分抵抗（４１）は比較的大きな２次の項を有する領域を用 いて実現されている請求項５記載の精密基準電圧源（第６図）。 １０．部分抵抗（３１，４１）の和によって結果的に発生される第１の抵抗（２ ２）の温度係数β２１の２次の項と第２の抵抗（２２）の温度係数β２２の２次 の項との差は、 ０．２・１０−６≦β２１−β２２≦０．８・１０−６の範囲にある請求項９記 載の精密基準電圧源。 １１．第２の抵抗（２２）および第３の部分抵抗（３１）はエミッタ拡散を用い て形成されておりかつ補償抵抗として用いられる第４の部分抵抗（４１）はベー ス拡散領域を用いて形成されている請求項９記載の精密基準電圧源（第６図）。 １２．回避できない製造のばらつきによって生じる、基準電圧の目標値からずれ ている実際値は目標値に調整される請求項１から１１までのいずれか１項記載の 精密基準電圧源。 １３．補償抵抗として用いられる２つの部分抵抗（４１ないし４２）の少なくと も１つを変化することによって調整が行われる請求項１から１２までのいずれか １項記載の精密基準電圧源。 １４．抵抗は僅かなピエゾ効果を有する領域によって形成されている請求項１か ら１３までのいずれか１項記載の精密基準電圧源。 １５．第３の部分抵抗（３１）および第２の抵抗（２２）はエミッタ拡散領域に よって僅かなピエゾ効果を有する領域として形成されている請求項１４記載の精 密基準電圧源。 １６．第３のトランジスタ（２５）および第４のトランジスタ（２６）を備え、 該２つの、ＰＮＰラテラルトランジスタとして形成されているトランジスタに対 するピエゾ効果の作用を低減するために、前記２つのトランジスタのコレクタは その周囲が半減されておりかつ半蔀はそれぞれ相互に交差接続されている請求項 １から１５までのいずれか１項記載の精密基準電圧源（第８図，第９図）。 １７．ＮＰＮトランジスタとして形成されている基準トランジスタ（２３，２４ ）に対するピエゾ効果の作用を低減するために、ピエゾ効果に関して、第２の基 準トランジスタ（２４）の少なくとも２つの同じ部分トランジスタが第１の基準 トランジスタ（２３）に対して対称的に配設されている請求項１から１６までの いずれか１項記載の精密基準電圧源。 １８．第２の基準トランジスタ（２４）は、４つないし８つの同じ部分トランジ スタから成っている請求項１７記載の精密基準電圧源（第１０図，第１１図）１ ９．異なった電流密度によって駆動される２つの基準トランジスタ（２３，２４ ）に依然として残る高次の温度係数を補正するために項γ（ΔＴ）３も考慮する 請求項１から１８までのいずれか１項記載の精密基準電圧源。 ２０．抵抗組み合わせ（２１および２２；３１，４１および２２；ないし２１， ３２および４２）の少なくとも１つの部分抵抗の温度係数は設計上その幅を変化 することによって変化可能である請求項１から１９までのいずれか１項記載の精 密基準電圧源。 ２１．温度係数“０”とは異なって生じた温度係数は、濃度係数“０”に達する ための分圧比の値に関して抵抗【２１，２２；２１，（３２＋４２）；または２ ２，（３１＋４１）】の分圧比の変化によって調整される請求項１から２０まで のいずれか１項記載の精密基準電圧源。