NL8901822A - Geintegreerde schakeling met stroomdetectie. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te EindhovenGeïntegreerde schakeling met stroomdetectie.

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerde schakelingvoorzien van: een halfgeleiderstructuur met een stroombaan bestemd is omtijdens bedrijf althans tijdelijk een stroom te voeren,een stroomgeleider van voldoende breedte en dikte om tijdensbedrijf zowel de genoemde stroom aan de halfgeleiderstructuur tekunnen toevoeren, alsmede stroom aan andere delen van deschakeling te kunnen toevoeren, een weerstandselelement tussen de halfgeleiderstructuur en destroomgeleider bestemd om tijdens bedrijf een met de sterkte vande stroom door de halfgeleiderstructuur evenredige spanningsval opte wekken, twee aansluitcontacten waarover de genoemde spanningsval kanworden afgenomen.

Geïntegreerde schakelingen waarin de stroom door eenhalfgeleiderstructuur, die een deel vormt van de schakeling, wordtbewaakt aan de hand van de spanningsval die met behulp van deze stroomwordt opgewekt over een daartoe aanwezige weerstand in een stroombaanvan de halfgeleiderstructuur zijn op zichzelf bekend. Een dergelijkstroombewakingsprobleem doet zich bijvoorbeeld voor bijspanningsstabilisatoren, vermogenseindtrappen, en dergelijke. Over hetalgemeen wordt de genoemde weerstand gecreëerd door een deel van hetmetalliseringspatroon een zodanige dimensionering te geven dat ditgedeelte als (kleine) weerstand kan functioneren.

Een voorbeeld van zo'n speciaal uitgevoerd metalliseringspatroonis beschreven in Patents Abstracts of Japan 56-71963 (Japanse aanvrage54-148902). De kleine weerstand bestaat volgens deze publicatie uit eendeel van een metaalspoor tussen twee verticale verbindingssporen diedoor isolatielaag heen leiden naar lager gelegen verdere metaalsporen.

Een andere mogelijkheid om een weerstand van het bovengenoemdetype te vervaardigen is bijvoorbeeld beschreven in Patent Abstracts ofJapan 56-116658 (Japanse octrooiaanvrage 55-18982). Deze bekendeweerstand bestaat uit een laag weerstandsmateriaal van voorafbepaaldelengte, breedte en dikte met aan beide uiteinden aansluitgebieden. Het Η nadeel van een dergelijke weerstand is gelegen in het relatief groteoppervlak dat door de weerstand in beslag genomen wordt.

De uitvinding heeft nu ten doel aan te geven op welke wijze eenweerstand van het bovenbedoelde type in een geïntegreerde schakelingkan worden gerealiseerd zodanig dat het weerstandselement weinig ruimtein beslag neemt en de geïntegreerde schakeling derhalve een compactestructuur verkrijgt.

Aan deze doelstelling wordt bij een geïntegreerde schakeling vanin de aanhef genoemde soort voldaan, doordat de stroomgeleider plaatselijk is gesplitst in een eerste en een tweede parallel geschakelde deelstroomgeleider, dat een uiteinde van de stroombaan van de halfgèleiderstructuur verbonden is met de eerste deelstroomgeleider, en dat elk van de deelstroomgeleiders verbonden is met een van de genoemde aansluitcontacten.

Doordat de stroom door de halfgeleiderstructuur alleen loopt doorde eerste deelstroomgeleider en de stroom naar de verdere delen van deschakeling wordt vertakt over beide deelstroomgeleiders ontstaat er eenpotentiaalverschil over de aansluitcontacten die verbonden zijn met debeide deelstroomgeleiders, welk potentiaalverschil evenredig is met destroom door de transistoren. Er behoeft derhalve geen apartweerstandselement in de metalliseringsfase te worden gecreëerd.

Bij voorkeur zijn de deelstroomgeleiders gerealiseerd door hetvormen van een in de lengterichting van de stroomgeleider verlopendespleet in de stroomgeleider waarvan de lengte voldoende is om tebereiken dat de stroombaan van de halfgeleiderstructuur uitsluitend metde eerste deelstroomgeleider in contact staat.

De uitvinding zal in het volgende nader worden verklaard aan dehand van de bijgaande figuren.

Figuur 1 toont schematisch het type schakeling waarbij deinrichting volgens de uitvinding toegepast zou kunnen worden.

Figuur 2 toont een metalliseringspatroon volgens de stand dertechniek.

Figuur 3 toont een uitvoeringsvorm van een inrichting volgens deuitvinding.

Figuur 4 toont een detailaanzicht van de gesplitste stroomgeleiderten behoeve van het afleiden van een equivalente weerstand.

Figuur 5 toont een andere uitvoeringsvorm van de gesplitste stroomgeleider.

Figuur 6 toont een verdere uitvoeringsvorm van de gesplitstestroomgeleider.

Figuur 1 toont schematisch een type-schakeling waarin deinrichting volgens de uitvinding kan worden toegepast. In figuur 1 zijntwee transistor circuits geïllustreerd, bestaande uit een weerstand R1,respectievelijk R2 en een transistor T1 respectievelijk T2, telkens inserie met een paar uitgangsklemmen k7, k8, respectievelijk k9, k10aangesloten tussen twee stroomvoerende leidingen 10 en 12. Destroomvoerende leidingen 10 en 12 zijn voorzien van aansluitklemmen k1,respectievelijk k2 waarop een ingangsspanning kan worden aangebodenen via de uitgangsklemmen k7, k8 en k9, k10 kan een uitgangsspanningUouti, respectievelijk üout2 worden afgenomen. Dergelijke algemeenbekende transistorschakelingen worden bijvoorbeeld gebruikt ingestabiliseerde voedingen, versterkereindtrappen en dergelijke. In veelgevallen is het wenselijk om in de verdere schakeling, waarvan dezetrappen deel uitmaken, te beschikken over informatie omtrent de stroomdie door de transistoren T1 respectievelijk T2 aan de betreffendeuitgangsklemmen k7 en k9 wordt geleverd. Deze stroom kan bepaald wordenaan de hand van de spanningsval die ontstaat over de weerstanden R1respectievelijk R2. Deze spanningsvallen zijn in figuur 1 aangeduidt metVs1, respectievelijk Vs2 en kunnen worden gemeten over deaansluitklemmen k3, k4, respectievelijk k5, k6.

Figuur 2 toont een praktische uitvoeringsvorm van een metallise-ringspatroon voor het realiseren van de weerstanden R1 respectievelijkR2 en toont verder schematisch de transistoren T1, respectievelijk T2,die via de weerstanden R1 respectievelijk R2 op de stroomtoevoerleiding10 zijn aangesloten. De in figuur 2 getoonde realisatie wordt voor degemiddelde deskundige bekend verondersteld. In figuur 2 is een uitgeleidend materiaal, bijvoorbeeld aluminium, vervaardigd sporenpatroongetoond, bestaande uit een relatief breed spoor 10, dienstdoende als dehoofdstroomgeleider van waaraf twee kleiner gedimensioneerdestroomgeleiders R1 respectievelijk R2 aftakken naar aansluitgebieden E1respectievelijk E2. Deze aansluitgebieden zorgen voor het contact met deemitters van de respectievelijke transistoren T1 en T2. De structuur vandeze transistoren is T1 en T2 in de figuur niet weergegeven en wordtvoor de deskundige bekend verondersteld. De collectorgebieden van debeide transistoren staan in contact met de respectievelijke aansluit- gebieden C1 en C2 waarvan geleidersporen verlopen naar de verder nietgetoonde contacten k7, k9 en eventueel naar verdere delen van deschakeling. Zoals schematisch in figuur 2 is weergegeven kan deverbinding tussen het aansluitgebied E1 en de emitter van transistor T1gevormd worden door een aantal verdeelde verticale verbindingsgeleiders,aangeduid met e1, e2. Op soortgelijke wijze is het aansluitgebied C1 viaeen aantal verdeelde verticale verbindingsgeleiders c1, c2, c3 verbondenmet het eigenlijke collectorgebied van tansistor T1. Deze wijze vanaansluiten wordt op zich bekend verondersteld voor de deskundige. Deverticale verbindingsgleiders zijn bij transistor T2 niet weergegeven enook in de verdere figuren niet in detail getoond.

Het zal duidelijk zijn dat het geen werkelijk verschil maakt of ergebruik wordt gemaakt van pnp of npn transistoren. in het bovenstaandekunnen de termen "emitter" en "collector" dan ook zonder meer wordenverwisseld zonder dat aan de nog te beschrijven uitvinding afbreuk wordtgedaan. Bovendien kan in plaats van de transistor T1, T2 ook een anderehalfgeleiderstructuur worden toegepast zoals een diode, een thyristor endergelijke.

In het patroon van figuur 2 doen de geleiderbanen R1 en R2, mitsop geschikte wijze gedimensioneerd, dienst als weerstandelement met eenkleine, maar voldoende weerstand om daarover een spanningsval te latenontstaan, die met behulp van een meetschakeling, welke via demeetleidingen m3, m4 en m5, m6 aangesloten kan worden op deaansluitklemmen k3, k4, respectievelijk k5, k6 kan worden gedetecteerd.Zoals in het bovenstaande reeds werd opgemerkt, heeft deze schakelingals nadeel het relatief grote oppervlak dat nodig is voor het realiserenvan de weerstandsbanen R1 respectievelijk R2.

Een geïntegreerde schakeling volgens de uitvinding is getoond infiguur 3. In figuur 3 is de hoofdstroomgeleider, via welke stroom wordttoegevoerd aan de transistor T1 weer aangeduid met het referentiecijfer10. Deze hoofdstroomgeleider is ter plaatse van de transistor T1 doormiddel van een sleuf 11 verdeeld in twee deelstroomgeleiders 10a en 10b.De deelstroomgeleider 10a heeft geen enkel contact met enig deel van detransistor T1, de deelstroomgeleider 10b daarentegen maakt contact metde emitter (of collector) van transistor T1. Het aansluitgebied C1 staatin contact met de collector (of emitter) van de transistor T1 en is opdezelfde wijze uitgevoerd als geïllustreerd is in figuur 2. Dedeelstroomgeleider 10a is voorzien van een contact k3 en de deelstroomgeleider 10b is een contact k4. Vanaf beide contacten lopenmeetleidingen m3 respectievelijk m4 naar verdere delen van de schakelingwaar het potentiaalverschil over k3 en k4 verder wordt gewaardeerd.

Verondersteld wordt, dat de stroom in figuur 3 loopt van rechtsnaar links. Een deel van de inkomende stroom 11 + 12 loopt via de enedeelstroomgeleider 10b naar de transistor T1. Dit deel is in figuur 3aangegeven met 11. Het andere gedeelte gaat door naar verdere delen vande schakeling en is aangeduid met 12. Als gevolg van de stroom 11 zal ereen potentiaalverschil ontstaan tussen de meetklemmen k3 en k4. Dedoorgaande stroom 12, die zich eerst over de beide deelstroomgeleiders10a en 10b vertakt en daarna weer samenvloeit, levert geen bijdrage aandit potentiaalverschil. Met andere woorden, het potentiaalverschiltussen de klemmen k3 en k4 vormt een maat voor de stroom 11 die via detransistor T1 loopt. Dit potentiaalverschil kan op dezelfde wijze wordengemeten als in de stand der techniek, bijvoorbeeld met behulp van eendaartoe bestemd meetcircuit in de schakeling waarvan het circuit volgensde uitvinding deel uitmaakt. Een vergelijking tussen de figuren 2 en 3leert echter, dat de configuratie volgens de uitvinding leidt tot eenaanzienlijke ruimtebesparing.

Aan de hand van de figuren 4a en 4b zal een afleiding wordengegeven van het equivalente weerstandsnetwerk. in figuur 4a is weer hetgesplitste deel van de stroomgeleider 10 getoond. De lengte van de sleuf11 is aangegeven met L, de meetcontacten k3 en k4 zijn geplaatst in hetmidden van de sleuflengte, dus op een afstand 0,5 L vanaf het begin vande sleuf en er wordt verondersteld dat de stroom 11, die door detransistor T1 loopt, gemiddeld gezien afgenomen wordt op een afstand xvanaf het begin van de sleuf 11. Verder wordt er van uitgegaan dat dedeelstroomgeleider 10a een breedte W2 en de deelstroomgeleider 10b eenbreedte W1 heeft.

In figuur 4b is het bijbehorende equivalente weerstandsnetwerkgeïllustreerd. De deelstroomgeleider 10a wordt door het aansluitcontactk3 verdeeld in twee gelijke weerstanden Ra en op soortgelijke wijzewordt deelstroomgeleider 10b door het contact k4 verdeeld in tweegelijke weerstanden Rb. Doordat de stroom 11 op een afstand x wordtafgetakt wordt een van deze weerstanden Rb in twee deelweerstandengedeeld, te weten een weerstand aRb en een weerstand (1-a)Rb waarbijduidelijk zal zijn dat een variatie van de afstand x resulteert in eensoortgelijke variatie van de factor a. Voor dit equivalente weerstandsnetwerk kan de volgende relatie worden afgeleid:

waarin R· s oppervlakteweerstand

In het bovenstaande is verondersteld dat de contacten k3 en k4gepositioneerd zijn op het midden van de sleuflengte. Alhoewel dit nietnoodzakelijk is verdient deze positionering wel de voorkeur omdatdaarmee een zo groot mogelijk potentiaalverschil over de contacten k3 enk4 wordt opgewekt.

Verder wordt opgemerkt, dat de bovenstaande formules ook toegepastkunnen worden in het geval dat de stroom 11 verdeel wordt afgenomen,bijvoorbeeld in een configuratie waarin een aantal verbindingsgeleidersaanwezig is tussen de stroomgeleider 10b en het onderliggendecollectorgebied (of emittergebied) van de transistor T1, zoals voor eenbekende configuratie geschetst is in figuur 2 (transistor T1). In elkgeval kunnen de formules voor elk van de betreffende verbindingsgeleiders worden toegepast (met voor x een telkens aangepastewaarde, waarna de resultaten eenvoudig gecombineerd kunnen worden).

Zoals uit de bovenstaande formules blijkt kan de breedte W1,respectievelijk W2 van de beide deelstroomgeleiders tamelijkwillekeurig (rekening houdend met verdere eisen die aan de schakelingworden gesteld) worden gekozen. Het is dan ook in principe mogelijk omde breedte van een van de beide deelstroomgeleiders relatief klein en debreedte van de andere deelstroomgeleider relatief groot te kiezen. Eenuitvoeringsvoorbeeld waarin een dergelijke keuze is gemaakt isgeïllustreerd in figuur 5.

In figuur 5 is de deelstroomgeleider 10a uitgevoerd als'eenafzonderlijk geleiderelement dat gepositioneerd is parallel aan dedeelstroomgeleider 10b, die op zijn beurt een directe voortzetting vormt van de hoofdstroomgeleider 10. De deelstroomgeleider 1Oa is op eenvoldoende afstand buiten de begrenzing van de transistor T1 op destroomgeleider 10, respectievelijk aan het begin en het eind van dedeelstroomgeleider 10b aangesloten. De deelstroomgeleider 10a isvoorzien van contact k3 met daarop aangesloten de meetleiding m3 en dedeelstroomgeleider 10b is voorzien van het contact k4, met daaropaangesloten de meetleiding m4. De werking van deze configuratie isvolledig identiek aan de werking van de inrichting uit figuur 3.

Een andere mogelijke uitvoeringsvorm van een inrichting volgens deuitvinding is geïllustreerd in figuur 6. In figuur 6 vormt dedeelstroomgeleider 10b ook weer een directe voortzetting van dehoofdstroomgeleider 10. Er bestaat geen enkel bezwaar om dedimensionering van de stroomgeleider 10 gelijk te kiezen aan die van dedeelstroomgeleider 10b. Op de stroomgeleider 10 wordt althansplaatselijk een isolerende laag aangebracht, welke laag in figuur 6 nietafzonderlijk is geïllustreerd. Op deze laag wordt vervolgens de tweededeelstroomgeleider 10a aangebracht, bestaande uit een metalen strip vande gewenste afmetingen, welke metalen strip aan de uiteinden op de metD1 en D2 aangegeven plaatsen in contact staat met de stroomgeleider 10.De deelstroomgeleider 10a is voorzien van het contact k3 vanwaar demeetleiding m3 verloopt en de deelstroomgeleider 10b is voorzien van hetcontact k4 vanwaar de meetleiding m4 verloopt. Ten opzichte van deconfiguratie uit figuur 5 heeft de configuratie uit figuur 6 hetvoordeel dat nog minder oppervlak nodig is voor het realiseren van deinrichting. Anderzijds treedt hierbij het nadeel op dat vanwege deverticale structuur een afzonderlijke scheidingslaag aangebracht moetworden tussen de deelstroomgeleiders 10a en 10b. In veel gevallen echtermoet toch in het totale integratieproces een dergelijke scheidingslaagaangebracht worden en in dat geval kan met voordeel de configuratievolgens figuur 6 worden gebruikt.

Claims (9)

1. Geïntegreerde schakeling voorzien van: een halfgeleiderstructuur met een stroombaan bestemd om tijdensbedrijf althans tijdelijk een stroom te voeren,een stroomgeleider van voldoende breedte en dikte om tijdensbedrijf zowel de genoemde stroom aan de halfgeleiderstructuur tekunnen toevoeren, alsmede stroom aan andere delen van deschakeling te kunnen toevoeren, een weerstandselelement tussen de halfgeleiderstructuur en destroomgeleider bestemd om tijdens bedrijf een met de sterkte vande stroom door de halfgeleiderstructuur evenredige spanningsval opte wekken, twee aansluitcontacten waarover de genoemde spanningsval kanworden afgenomen,met het kenmerk, dat de stroomgeleider plaatselijk is gesplitst in een eerste en een tweede parallel geschakelde deelstroomgeleider, dat een uiteinde van de stroombaan van de halfgeleiderstructuur verbonden is met de eerste deelstroomgeleider, en dat elk van de deelstroomgeleiders verbonden is met een van de genoemde aansluitcontacten.

2. Geïntegreerde schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dathet aansluitcontact dat verbonden is met de eerste deelstroomgeleider,zich bevindt nabij de van de tweede deelstroomgeleider afgekeerde randvan de eerste deelstroomgeleider.

3. Geïntegreerde schakeling volgens conclusie 1 of 2, met hetkenmerk, dat de lengte van beide deelstroomgeleiders althans bijbenadering gelijk is.

4. Geïntegreerde schakeling volgens conclusie 1, 2 of 3, met hetkenmerk, dat de deelstroomgeleiders zijn gerealiseerd door het vormenvan een in de lengterichting van de stroomgeleider verlopende spleet inde stroomgeleider waarvan de lengte voldoende is om te bereiken dat destroombaan van de halfgeleiderstructuur uitsluitend met de eerstedeelstroomgeleider in contact staat.

5. Geïntegreerde schakeling volgens een der voorgaande conclusies,met het kenmerk, dat de deelstroomgeleiders zijn gerealiseerd door eentweede stroomgeleider te vormen waarvan de uiteinden met de eerste stroomgeleider zijn verbonden op plaatsen die in stroomrichting gezienliggen voor resp. na het deel van de eerste stroomgeleider dat verbondenis met de stroombaan van de halfgeleiderstructuur.

6. Geïntegreerde schakeling volgens conclusie 5, met het kenmerk, datde tweede stroomgeleider althans in hoofdzaak evenwijdig loopt aan deeerste stroomgeleider.

7. Geïntegreerde schakeling volgens conclusie 5 of 6, met hetkenmerk, dat de tweede stroomgeleider is vervaardigd in dezelfdemetallisatiestap als de eerste stroomgeleider.

8. Geïntegreerde schakeling volgens conclusie 5 of 6, mert hetkenmerk, dat de tweede stroomgeleider is gevormd in een anderemetallisatiestap als de eerste stroomgeleider.

9. Geintegreerde schakeling volgens conclusie 8), met het kenmerk,dat de eerste en tweede stroomgeleider althans gedeeltelijk boven elkaarzijn gepositioneerd.