NL8802760A

NL8802760A - Detectieschakeling voor het waarnemen van de toestand van een smeltstuk.

Info

Publication number: NL8802760A
Application number: NL8802760A
Authority: NL
Original assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1987-11-12
Filing date: 1988-11-09
Publication date: 1989-06-01
Also published as: KR960001304B1; KR890008849A; DE3837800A1; JPH021145A; JP2628359B2; US4837520A; NL193349B; NL193349C

Description

ï ΐ Ί t Ν.Ο.35446 I ~t έ

Detectieschakeling voor het waarnemen van de toestand van een smelt-stuk

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

5 De regering heeft rechten op deze uitvinding conform kontrakt-nummer DNA001-83-C-0241 verleend door het Defensie Nucleaire Agentschap.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het gebied van programmeerbare smeltstukschakelingen. Meer in het bijzonder heeft het be-10 trekking op een schakeling voor de detectie van de toestand van een smeltstuk, zoals een smeltgeleider.

Het is gebruikelijk in de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen met een groot oppervlak dat er defekten optreden. Om het rendement van een schakeling te vergroten, is het gebruikelijk dat deze 15 redundante schakel ingeiementen bevat waarmee defekte schakel ingeiemen-ten vervangen kunnen worden. In geheugeninrichting kunnen bijvoorbeeld additionele kolommen of rijen opgenomen worden op de chip. Tijdens keuring van de schakeling, kunnen smeltstukken dan zo geconditioneerd worden dat zij defekte geheugencellen kunnen vervangen door niet-defekte 20 redundante elementen.

Een andere toepassing voor een detectieschakelsysteem voor het waarnemen van de toestand van een smeltstuk is als een ingang naar een logische functieschakeling. Gebaseerd op de toestand van een geprogrammeerde smeltstuk, zal de logische schakeling een geselecteerde logische 25 functie vervullen.

Gewone smeltstukken van een geïntegreerde schakeling zijn ofwel van het laser geblazen type, laser uitgegloeide type, ofwel van het elektrisch geblazen type. Ongeacht het gebruikte type smeltstuk, moet de te programmeren schakeling in staat zijn om de toestand van zijn 30 smeltstukken te detecteren zodat hij zijn bedoelde functie kan uitvoeren. De meeste conventionele detectieschakelingen voor een smeltstuk bevatten versterkings- of verzwakkingsschakelingen waarmee interne zwevende knooppunten geëlimineerd kunnen worden. Deze schakelingen zijn dikwijls complex, terwijl ze soms extra verwerkingsstappen vereisen.

35 Sommige van deze conventionele schakelingen maken het mogelijk dat er een gestadige stroom vloeit afhankelijk van de toestand van het smeltstuk, en bezitten daarom minimale vermogensvereisten.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

40 De onderhavige uitvinding verschaft een detectieschakeling voor >8802760 ΐ 4 2 het waarnemen van de toestand van een smeltstuk. In de voorkeursuitvoering wordt de smeltstukstruktuur opgenomen in de schakeling zodat er een flipflop geproduceerd wordt» en wordt er CMOS-technologie toegepast om een laag energieverbruik te bereiken. De toestand van een smeltstuk 5 wordt inherent gedetecteerd wanneer de energietoevoer van een schakeling wordt opgevoerd, en er zijn geen klokpulsen nodig. De schakeling is functioneel stabiel en onafhankelijk van de gebruikte smeltveilig-heidstechnologie. De schakeling is ook inherent ongevoelig voor de ef-fekten van globaal of locaal ionizerende straling.

10

KORTE BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

Figuur 1 toont een schema van een schakeling volgens een voorkeursuitvoering van de onderhavige uitvinding;

Figuur 2 toont een schema van een schakeling volgens een andere 15 uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding; en

Figuur 3 toont een schema van een schakeling volgens een derde uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding.

BESCHRIJVING VAN DE VOORKEURSUITVOERING 20 Figuur 1 is een gedetailleerd schematisch diagram van een program meerbare schakeling voor een smeltstuk volgens een voorkeursuitvoering van de onderhavige uitvinding. Een aansluitklem voor een positieve spanningstoevoer, Vqo, wordt aangesloten aan een aansluitklem van smeltveiligheid 1, aan de bron S van een p-kanaaltransistor QP en aan 25 een aansluitklem van een initialisatie-element, weergegeven als een condensator Cq. De andere aansluitklem van smeltstuk 1, knooppunt A, wordt aangesloten aan de afvoer D van een transistor QN en aan de poort van QP. De afvoer D, van QP, knooppunt B, wordt aangesloten aan de· poort van QN en aan de andere aansluitklem van het initialisatie- 30 element (Cq) en is ook Vu-t. De Bron S van QN wordt aangesloten aan aarde, Vgs· Smeltstuk 2 wordt in serie geschakeld tussen de poort van QN en aarde.

Het doel van het initialisatie-element is om de transistoren in te schakelen gedurende het opvoeren van de energietoevoer. Door een 35 stroompad te verschaffen tussen de poort van QN en de energietoevoer, of tussen de poort van QP en aarde gedurende opvoering van de energie toevoer, zullen de transistoren hun drempel spanning van de aan-toestand bereiken. Wanneer de transistoren eenmaal ingesteld zijn, zal de schakeling een stabiele toestand bereiken afhankelijk van de toestand van 4Q het smeltstuk vanwege een positieve terugkoppellus die later besproken .8802760 ϊ 3 * zal worden. Het initialisatie-element kan een condensator of andere inrichting zijn, zoals een transistor, die een stroompad verschaft gedurende het opvoeren van de energietoevoer van de schakeling. Zoals getoond in figuur 2, kan het initialisatie-element parallel aangebracht 5 worden met QN in plaats van parallel met QP zoals in figuur 1. Als alternatief kunnen er twee initialisatie-elementen gebruikt worden zoals getoond in figuur 3. De drie weergegeven uitvoeringsvormen van de schakeling zijn in hoofdzaak gelijk.

De juiste detectie van de toestand van een smeltveiligheid vereist 10 het juist functioneren van het (de) initialisatie-element(en) (zoals verder hieronder besproken). Daarom wordt er sterk de voorkeur aan gegeven om condensatoren Cc te gebruiken van het type dat als initialisa-tie-element(en) de meeste stabiliteit biedt in verschillende omgevingen. De dunne filmcondensator biedt in dit opzicht om twee redenen 15 meer stabiliteit dan de overgangscondensator.

Op de eerste plaats zal in een omgeving die electron-gatparen kan opwekken in bijvoorbeeld silicon (bijvoorbeeld als gevolg van straling of hitte), de resulterende stroom door de p-n-overgang van een overgangscondensator de nettocapaciteit reduceren of zelfs tenietdoen. Dit 20 is niet het geval met de dunne filmcondensator aangezien de dunne film-metaaleleketrode door een diëlektrische laag gescheiden wordt van het onderliggende gedoteerde halfgeleidergebied. Op de tweede plaats steunt de overgangscondensator op een ruimteladings- of depletiegebied nabij de overgang zodat er capaciteit verschaft wordt. De breedte van dit 25 overgangsgebied is een functie van de toegevoerde spanning en temperatuur. Daarentegen is de capaciteit van de dunne filmcondensator in hoofdzaak onafhankelijk van de toegevoerde spanning en de temperatuur.

Dunne filmcondensatoren kunnen zo afgesteld worden dat ze geselecteerde condensatorwaarden verschaffen.

30 In de voorkeursuitvoering van de onderhavige uitvinding zijn QN en QP MOStransistoren, typisch toegepast in een CMOS-technologie. De smeltstukken kunnen stroken zijn van geleidend polysilicon dat geblazen kan worden door een laser. In die geblazen, veranderen de smeltstukken van een geleidende toestand naar een niet geleidende toestand.

35 Voor juiste werking van de voorkeursuitvinding, moeten beide smeltstukken dezelfde toestand hebben; dat betekent: ofwel beide geleidend ofwel beide niet-geleidend.

In een normale werkingswijze, is aansluitklem Vqd aangesloten op een positieve spanningsbron van ongeveer 5 volt, en uitsluitklem 40 V$$ wordt aangesloten op een aardpotentiaal. Wanneer smeltstukken 1 .8802760

V

“ί 4 en 2 geleidend zijn, wordt knooppunt A aangesloten op de energiebron via smeltstuk 1 en wordt daarbij opgeladen tot een positieve spanning, die ervoor zorgt dat transistor QP minder geleidend wordt. Wanneer transistor QP minder geleidend wordt, neemt de spanning bij knooppunt B 5 af door de ontladende werking van smeltstuk 2 wat ervoor zorgt dat transistor QN minder geleidend wordt. Op dezelfde manier neemt, terwijl QN minder geleidend wordt, in knooppunt A de spanning toe hetgeen ervoor zorgt dat QP nog minder geleidend wordt, enzovoort. Deze positieve terugkoppellus heeft als gevolg dat zowel QP als QN volledig worden 10 uitgeschakeld,· waarbij de statische energietoevoerstroom gereduceerd wordt tot het niveau van parasitaire overgangslekkage en waarbij een knooppunt B en knooppunt A spanning uit wordt geproduceerd gelijk aan het aardpotentiaal, en resp. voedingsbronpotentiaal.

Voor het geval dat de smeltstukken geleidend zijn is, als het ge-15 leidingsvermogen van het smeltstuk groot wordt gemaakt in vergelijking tot de geleidbaarheid van QP en QN, de enige stabiele toestand voor de schakeling is dat knooppunt A gelijk is aan de voedingsbronspanning, en dat knooppunt B gelijk is aan het aardpotentiaal. Als er bijvoorbeeld polysilicon, dat een specifieke plaatweerstand heeft van 100 ohm per 20 vierkant wordt gebruikt als het smeltstukmateriaal, dan kan de ontwerper de weerstand van de smeltveiligheid kiezen door het aantal vierkan ten zodanig te variëren dat het smeltstuk geleidingsvermogen groter is dan het maximale geleidingsvermogen van de transistoren. Als de smelt-veil igheid 5 vierkanten lang is, is de totale smeltveiligheidsweerstand 25 500 ohm. De transistoren moeten een weerstand hebben die ruwweg twee tot vier keer groter is dan 500 ohm. De typische transistor zou dan een breedte- lengteverhouding hebben van minder dan 10. De exacte verhouding is afhankelijk van procesomstandigheden en moet zodanig gekozen worden dat hij past bij bijzondere fabricagewerkwijzen.

30 In het tegengestelde geval als de smeltveiligheden niet-geleidend zijn neemt, terwijl het energieverbruik van de schakeling wordt opgevoerd en Vgg toeneemt van af 0 volt, neemt knooppunt B spanning toe als gevolg van de werking van het initialisatie-element (bijvoorbeeld de capacitieve koppelwerking van condensator Cq met de energiebron 35 Vqd). Door het initialisatie-element aan te passen zodat er een knooppunt B-spanning geproduceerd wordt die voldoende is om ervoor te zorgen dat QN ingeschakeld wordt, ontlaadt knooppunt A hetgeen QP inschakelt, waarbij knooppunt B stijgt tot Vgg en de positieve terugkoppellus voltooid-wordt. Zowel QP als QN zullen ingeschakeld blijven 40 met een aanvoerstroom die bijna gelijk is aan 0 en knooppunt A en .8802760

V

5 '* knooppunt B resp. gelijk zijn aan de voedingsbronpotentiaal en aard-potentiaal. Omgekeerd zou deze zelfde initialisatie uitgevoerd kunnen worden door ontlading van knooppunt A zodat QP omgezet wordt. QP laadt dan knooppunt B op waarbij QN wordt ingeschakeld en waarbij de positie--5 ve terugkoppellus wordt voltooid.

Een functionele samenvatting wordt gegeven in tabel 1

Tabel 1

10 Toestand van smeltstuk 1 en 2 Iqd V

geleidend 0 V$$ Vqq niet-geleidend 0 V$$ 15

Het uitgangssignaal wordt afgenomen van de afvoerkoppeling van elke transistor. Ofwel V ofwel ofwel beiden kunnen gebruikt worden om een redundant schakel systeem te sturen. Zodoende produceren de in de figuren weergegeven flipflop of bistabiele detec-20 tieschakelingen voor een smeltstuk een uitgangsniveau van ofwel aarde of Vqd, afhankelijk van de toestand van de smeltstukken, zonder de noodzaak tot klokken, aanvullen of gelijkstroomenergieverbruik. De beschreven schakelingen zijn stabiel en hebben een functionaliteit die onafhankelijk is van de gebruikte smeltstuktechnologie.

25 De schakelingen zijn ook in hoge mate ongevoelig voor verstoring door een tijdafhankelijk stralingsverschijnsel, dat een lading produceert die opgenomen kan worden door schakelingsknooppunten. Als gevolg van het hoge geleidingsvermogen van de smeltstukken is er een zeer grote hoeveelheid straling vereist om de knooppuntspanningen beduidend te 30 veranderen. Wanneer de smeltstukken niet-geleidend zijn, is de inherente toestand van de schakeling zodanig dat er geen halfgeleider p-n-overgangen omgekeerd worden voorgespannen. Omdat de opname van lading als gevolg van straling dikwijls de omgekeerde spanning op een p-n-overgang vermindert, versterkt elke ladingsopname die uit een stra-35 lingsverschijnsel resulteert slechts de toestand van de schakeling, en knooppunten A en B zijn daarom inherent stabiel. Zodoende zijn de schakelingen inherent ongevoelig voor voorbijgaande ioniserende straling.

.8802760

Claims

1. Schakel inrichting voor het waarnemen van de toestand van twee smeltstukverbindingen, in het bijzonder in geïntegreerde schakel- 5 kringen of logische schakelingen, met het kenmerk, dat aan ingangs-klemmen (VDD, VSS) van de schakeling een voedings gelijkspanning is gelegd en aan met de smeltstukverbindingen (1, 2) evenals met de ingangs-klemmen verbonden uitgangsklemmen (V, V) een eerste vastgesteld signaal aanwezig is, wanneer beide smeltstukverbindingen geleidend zijn, en een 10 tweede vastgesteld signaal aanwezig is, wanneer beide smeltstukverbindingen niet stroomgeleidend zijn.

2. Schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat hij twee, samen met de smeltstukverbindingen (1, 2) een flipflop-schakeling vormende transistoren (QP, QN) evenals ten minste een met een van de 15 transistoren parallel geschakeld initialisatie-element (Cc) bezit.

3. Schakeling volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het initialisatie-element (Cc) een condensator is.

4. Schakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de condensator (Cc) een metaallaag bezit, die door een isoleerlaag van een daar- 20 onder liggende gedoteerde halfgeleiderzone gescheiden is.

5. Schakeling volgens een van de conclusies 1 tot 4, met het kenmerk, dat de smeltstukverbindingen (1, 2) uit geleidend polysilicon bestaan.

6. Schakeling volgens een van de conclusies 1 tot 5, met het 25 kenmerk, dat de ene transistor (QP) een p-kanaal-MOS-transistor en de andere transistor (QN) een n-knaal-MOS-transistor is.

7. Schakeling volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de transistoren CMOS-transistoren zijn.

8. Schakeling volgens een van de conclusies 1 tot en met 7, 30 gekenmerkt door a) een aan een eerste voedingsspaningsaansluiting (VDD) aangesloten eerste ingangsklem evenals een aan een tweede voedingsspannings-aansluiting (VSS) aangesloten tweede ingangsklem; b) een uit de eerste smeltstukverbinding (1) en een eerste transistor 35 (QN) bestaande, tussen de beide voedingsaansluitingen geschakelde eerste serieschakeling; c) een uit een tweede transistor (QP) en de tweede smeltstukverbinding (2) bestaande, eveneens tussen de beide voedingsaansluitingen geschakelde tweede serieschakeling; 40 d) een eerste elektrische verbinding tussen het verbindingspunt (A) »8802760 * 7 e van een eerste transistor CQN) en een eerste smeltstukverbinding (1) enerzijds en de stuurelektrode van de tweede transistor (QP) anderzijds; e) een tweede elektrische verbinding tussen het verbindingspunt (B) 5 van de tweede transitor (QP) en de tweede smeltstukverbinding (2) enerzijds en de stuurelektrode van de eerste transistor (QN) anderzijds.

9. Schakeling volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat een eerste uitgangsklem (V) aan de eerste elektrische verbinding en een tweede 10 uitgangsklem (V) aan de tweede elektrische verbinding aangesloten is.

10. Schakeling volgens conclusie 9, waarbij elke transistor een bronelektrode (S), een afvoerelektrode (D) evenals een stuurelektrode bezit, met het kenmerk dat a) de afvoerelektrode (D) van de eerste transistor (QN) op de stuur-15 elektrode van de tweede transistor (QP) en de afvoerelektrode (0) van de tweede transistor (QP) op de stuurelektrode van de eerste transistor (QN) aangesloten is; b) de eerste smeltstukverbinding (1) tussen bronelektrode ($) en de stuurelektrode van de tweede transistor (QP) en de tweede smelt- 20 stukverbinding (2) tussen bronelektrode (S) en de stuurelektrode van de eerste transistor (QN) ligt; c) De positieve pool (VDD) van de voedingsspanning met de bronelektrode (S) van de tweede transistor (QP) en aardpotentiaal (VSS) met de bronelektrode (S) van de eerste transistor (QN) in verbin- 25 ding staat.

11. Schakeling volgens conclusie 10, met het kenmerk dat de uit-gangsklemmen (V, V) aan de afvoerelektroden (D) van de beide transisto-ren (QN, QP) aangesloten zijn.

12. Schakeling volgens een van de conclusies 1 tot 11, met het 30 kenmerk, dat het eerste vooraf bepaalde uitgangssignaal praktisch overeenkomt met de potentiaal van de ene voedingsspanningaansluitklem (VDD) en het tweede vooraf bepaalde uitgangssignaal praktisch overeenkomt met de potentiaal van de andere voedingsspanningaansluitingsklem (VSS).

13. Schakeling volgens een van de conclusies 2 tot 12, met het 35 kenmerk dat met elk van de beide transistoren (QN, QP) een initialisa- tie-element, bij voorkeur een condensator (Cc) in serie geschakeld is. .8802760