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Dokumentenidentifikation DE102006008284B3 25.10.2007
Titel Schaltung mit einer Anordnung zur Detektion einer unterbrochenen Anschlussleitung
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Ausserlechner, Udo, Dr., Villach, AT
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 22.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006008284
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse H02H 5/10(2006.01)A, F, I, 20060222, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale aufweist:
- einen ersten und einen zweiten Versorgungsanschluss (61, 62) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (Vdd),
- einen Ausgangsanschluss (63) zum Bereitstellen eines Ausgangssignals,
- wenigstens eine programmierbare Schalteranordnung (20) mit einem selbstsperrenden MOS-Transistor (M), der eine Laststrecke zwischen einem Lastanschluss (21, 22) und eine Steuerelektrode (G) aufweist und mit einem kapazitiven Bauelement (40), das einen ersten und einen zweiten Anschluss (41, 42) aufweist, dessen erster Anschluss (41) an die Steuerelektrode (G) des MOS-Transistors (M) angeschlossen ist und dessen zweiter Anschluss an einen Steuer- und Programmieranschluss (23) angeschlossen ist, wobei
- die Laststrecke des MOS-Transistors (M) zwischen die Ausgangsklemme (63) und einen der Versorgungsanschlüsse (61; 62) geschaltet ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung mit einer Anordnung zur Detektion einer unterbrochenen Anschlussleitung.

Die WO 02/15392 A2 beschreibt eine solche Schaltungsanordnung mit einer Vorrichtung zur Detektion einer Unterbrechung einer Anschlussleitung (OBD, Open Bond Detection). Die Schaltungsanordnung weist Versorgungsanschlüsse zum Anlegen einer Versorgungsspannung und einen Ausgang zur Bereitstellung eines Ausgangssignals auf. Das Anschließen der Versorgungsanschlüsse an geeignete Versorgungspotentiale erfolgt dabei über Leitungsverbindungen, die auf eine Unterbrechung hin überwacht werden sollen. Zwischen den Ausgang dieser Schaltungsanordnung und einen ersten der Versorgungsanschlüsse ist hierzu ein selbstleitender MOSFET geschaltet, der während eines normalen störungsfreien Betriebs sperrend angesteuert wird. Bei einem Ausfall der Spannungsversorgung bedingt durch eine Unterbrechung der Leitungsverbindung, die an der zweiten der beiden Versorgungsanschlüsse angeschlossen ist, leitet dieser MOSFET und legt den Ausgang der Schaltungsanordnung auf das Potential des ersten Versorgungsanschlusses, was durch eine angeschlossene Auswerteschaltung als Fehlerzustand erkannt werden kann. In dieser Auswerteschaltung ist zur Detektion dieses Fehlerzustandes üblicherweise ein Widerstand zwischen den Ausgang und das Potential geschaltet, das bei fehlerfreiem Betrieb an dem zweiten Versorgungsanschluss anliegt. Dieser Widerstand erfüllt je nach Konfiguration die Funktion eines Pull-Up-Widerstandes oder eines Pull-Down-Widerstandes.

Derartige Schaltungsanordnungen, bei denen eine solche Funktionalität zur Erkennung einer Leitungsunterbrechung gefordert wird, sind beispielsweise integrierte Sensorschaltungen, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden und die unter Umständen lange Versorgungsleitungen aufweisen, die es zu überwachen gilt.

Solche Sensorschaltungen werden üblicherweise in CMOS-Technologie realisiert. Die Herstellungsprozesse sind dabei üblicherweise für die Herstellung selbstsperrender MOS-Transistoren optimiert. Selbstleitende Transistoren sind durch solche Halbleiter-Prozesse nur schwierig bzw. mit hohem Platzaufwand realisierbar.

Darüber hinaus kann die Notwendigkeit bestehen, derartige Schaltungen sowohl für den Betrieb mit einem Pull-Up-Widerstand als auch für den Betrieb mit einem Pull-Down-Widerstand vorzubereiten, so dass ein selbstleitender Transistor sowohl zwischen der Ausgangsklemme und dem ersten Versorgungsanschluss als auch zwischen der Ausgangsklemme und dem zweiten Versorgungsanschluss vorzusehen ist. Nachteilig hierbei ist, dass beim Start der Schaltungsanordnung, unmittelbar nach Anlegen der Versorgungsspannung ein Querstrom über diese beiden selbstleitenden Transistoren zwischen den Versorgungspotentialanschlüssen fließt bis eine Ansteuerschaltung eine ausreichende große, die beiden selbstleitenden Transistoren sperrende Ansteuerspannung bereitstellt.

Die WO 2004/038882 A1 beschreibt eine Sicherheitsschaltung für analoge Sensoren, die mit einer Versorgungsspannungsleitung, einer Masseleitung und einer Sensorausgangsleitung verbunden sind. In der Versorgungsspannungsleitung und der Masseleitung ist bei dieser Schaltung jeweils ein Transistor vorhanden, dessen Steueranschluss an einem zwischen der Versorgungsspannungsleitung und der Masseleitung liegenden Spannungsteiler angeschlossen ist. Beide Transistoren sind im Normalbetrieb der Schaltung durchgeschaltet und zumindest bei Unterbrechung der Masseleitung abgeschaltet. Zudem ist die Sensorausgangsleitung über einen Pull-Down-Widerstand mit einem von der Masseleitung unabhängigen Massepotential verbunden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung und mit einer Ausgangsklemme zum Bereitstellen eines Ausgangssignals zur Verfügung zu stellen, bei der eine Detektion einer Unterbrechung der Versorgungsspannung ohne die zuvor genannten Nachteile möglich ist.

Dieses Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst einen ersten und einen zweiten Versorgungsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung und einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines Ausgangssignals. Die Schaltungsanordnung umfasst außerdem wenigstens eine programmierbare Schalteranordnung mit einem selbstsperrenden MOS-Transistor, der eine Laststrecke zwischen einem ersten und zweiten Lastanschluss und eine Steuerelektrode aufweist, und mit einem kapazitiven Bauelement, das einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist, dessen erster Anschluss an die Steuerelektrode des MOS-Transistors angeschlossen ist und dessen zweiter Anschluss an einen Steuer- und Programmieranschluss angeschlossen ist. Die Laststrecke des MOS-Transistors ist hierbei zwischen die Ausgangsklemme und einen der Versorgungsanschlüsse geschaltet.

Der selbstsperrende MOS-Transistor und das an die Steuerelektrode des MOS-Transistors angeschlossene kapazitive Bauelement der Halbleiterschalteranordnung funktionieren bei dieser Anordnung nach Art einer EEPROM-Zelle. Die Steuerelektrode, die das Leitverhalten des MOS-Transistors bestimmt ist dabei floatend angeordnet und über das kapazitive Bauelement gegenüber dem Steuer- und Programmieranschluss isoliert. Bei Anlegen einer geeigneten Spannung, die nachfolgend als Programmierspannung bezeichnet wird, können allerdings Ladungsträger aus einem Halbleiterkörper, in dem der MOS-Transistor integriert ist, auf die Steuerelektrode des MOS-Transistors tunneln, oder Ladungsträger können von dieser Steuerelektrode in den Halbleiterkörper tunneln. Hierdurch kann positive oder negative elektrische Ladung auf der Steuerelektrode gespeichert werden, die nach Abschalten der Programmierspannung erhalten bleibt. Eine auf diese Weise programmierte Halbleiterschalteranordnung kann sich trotz Verwendung eines selbstsperrenden MOS-Transistors wie ein selbstleitender Transistor verhalten.

Die auf die zuvor erläuterte Weise "programmierte" Halbleiterschalteranordnung sperrt, wenn eine nachfolgend als Abschaltspannung bezeichnete Spannung, durch die Ansteuerschaltung an den Programmier- und Steueranschluss angelegt wird. Diese Abschaltspannung ist betragsmäßig kleiner als die Programmierspannung und ist bei einem auf die zuvor erläuterte Weise programmierten n-Kanal-MOS-Transistor ebenfalls eine negative Spannung zwischen dem zweiten Anschluss des kapazitiven Bauelements und dem einen der Lastanschlüsse.

Die wenigstens eine zwischen einen der Versorgungsanschlüsse und den Ausgangsanschluss geschaltete Halbleiterschalteranordnung bewirkt bei einem Ausfall einer an den Versorgungsanschlüssen anliegenden Versorgungsspannung, also dann, wenn die Ansteuerspannung nicht mehr in der Lage ist die Abschaltspannung zu erzeugen, eine leitende Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss und dem einen der Versorgungsanschlüsse, was durch eine externe an den Ausgangsanschluss angeschlossene Auswerteschaltung als Fehler detektiert werden kann.

Die programmierbare Halbleiterschalteranordnung mit dem selbstsperrenden MOS-Transistor und dem kapazitiven Bauelement ist – anders als ein selbstleitender Transistor – in CMOS-Technologie auf einfache Weise realisierbar.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die zwei Versorgungsanschlüsse, einen Ausgangsanschluss und eine Anordnung zur Detektion einer Leitungsunterbrechung mit einem selbstsperrenden MOSFET und einem kapazitiven Bauelement aufweist.

2 zeigt eine Abwandlung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.

3 zeigt einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper, in dem eine programmierbare Halbleiterschalteranordnung mit einem MOS-Transistor und einem kapazitiven Bauelement integriert ist.

4 zeigt eine Realisierungsmöglichkeit der programmierbaren Halbleiterschalteranordnung unter Verwendung eines MOS-Transistors als kapazitives Bauelement.

5 zeigt eine Abwandlung der in Figur dargestellten Schaltungsanordnung.

6 zeigt eine Abwandlung der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Bauelementbereiche mit gleicher Bedeutung.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit Versorgungsanschlüssen 61, 62 und einem Ausgangsanschluss 63 und mit einer Funktionalität zur Detektion eines Leitungsbruchs (Open Bond Detection, OBD) an einem der Versorgungsanschlüsse 61, 62.

Diese Schaltungsanordnung ist beispielsweise eine Sensorschaltung mit einem Sensor 65, der durch eine zwischen den Versorgungsanschlüssen 61, 62 anliegende Versorgungsspannung Vin versorgt ist und der ein Sensorsignal S65 bereitstellt. Der Sensor kann ein beliebiger Sensor, insbesondere ein in einem Kraftfahrzeug angeordneter Beschleunigungssensor, Temperatursensor, Feuchtesensor, usw. sein. Ein Ausgang des Sensors 65 ist an den Ausgang der Schaltungsanordnung angeschlossen, so dass das Sensorsignal S65 ein Ausgangssignal der Schaltungsanordnung bildet. Das Sensorsignal S65 kann hierbei optional durch einen Ausgangstreiber 64, der zwischen den Sensor 65 und den Ausgang 63 geschaltet ist, verstärkt werden.

Während des Betriebs der dargestellten Sensorschaltung ist der erste Versorgungsanschluss 61 über eine erste Leitungsverbindung 67 an eine Klemme für ein positives Versorgungspotential Vdd angeschlossen, und der zweite Versorgungsanschluss 62 ist über eine zweite Leitungsverbindung 68 an eine Klemme für ein negatives Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND angeschlossen. Der Ausgang 63 der Sensoranordnung ist während des Betriebs an eine Auswerteschaltung 70 (gestrichelt dargestellt) angeschlossen, die das am Ausgang anliegende – gegebenenfalls verstärkte – Sensorsignal auswertet.

Um eine Unterbrechung der ersten Leitungsverbindung 67 zwischen dem positiven Versorgungspotential und dem ersten Versorgungsanschluss 61 detektieren zu können, ist eine programmierbare Halbleiterschalteranordnung 20 vorhanden, die zwischen den Ausgangsanschluss 63 und den zweiten Versorgungsanschluss 62 geschaltet ist.

Diese Halbleiterschalteranordnung 20 weist einen selbstsperrenden MOS-Transistor M mit einem Source-Anschluss S und einem Drain-Anschluss D, die dessen Laststreckenanschlüsse bilden, und mit einer Gate-Elektrode G, die dessen Steuerelektrode bildet, auf. Die zwischen dem Drain- und dem Source-Anschluss S des MOS-Transistors verlaufende Laststrecke ist zwischen Lastanschlüsse 21, 22 der Halbleiterschalteranordnung 20 geschaltet.

Die programmierbare Halbleiterschalteranordnung 20 weist außerdem ein kapazitives Bauelement 40 mit einem ersten und zweiten Anschluss 41, 42 auf, dessen erster Anschluss 41 an die Gate-Elektrode G des MOS-Transistors M angeschlossen ist und dessen zweiter Anschluss 42 an einen Programmier- und Steuereingang 23 der Halbleiterschalteranordnung 20 angeschlossen ist. Der Programmier- und Steuereingang 23 ist hierbei an einen Ausgang 53 einer Ansteuerschaltung 50 und an einen Programmieranschluss 69 der Schaltungsanordnung angeschlossen.

Die dargestellte Halbleiterschalteranordnung 20 verhält sich wie ein MOS-Transistor, wobei ein stromleitender Pfad zwischen den Lastanschlüssen durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen dem Steuer- und Programmieranschluss 23 und einem der Lastanschlüsse, in dem Beispiel dem zweiten Lastanschluss 22, steuerbar ist.

Die Gate-Elektrode des MOS-Transistors M ist durch das kapazitive Bauelement dielektrisch gegenüber dem Steuer- und Programmieranschluss 23 isoliert, so dass Ladungsträger auf der Gate-Elektrode G bzw. in der Gate-Kapazität des MOS-Transistors M gespeichert werden können. Die auf der Gate-Elektrode G gespeicherte Ladung beeinflusst die Einsatzspannung der Halbleiterschalteranordnung 20. Als Einsatzspannung der Halbleiterschalteranordnung wird nachfolgend der Wert der Steuerspannung bezeichnet, ab der sich ein leitender Strompfad zwischen den Lastanschlüssen des Halbleiterschalteranordnung 20 ausbildet. Wenn keine Ladungsträger auf der Gate-Elektrode G gespeichert sind, entspricht die Einsatzspannung der Halbleiterschalteranordnung 20 der Einsatzspannung des selbstsperrenden MOS-Transistors M.

Der MOS-Transistor M ist in dem Beispiel als n-leitender MOS-Transistor ausgebildet. Werden bei diesem Transistor M positive Ladungen auf der Gate-Elektrode G gespeichert, so verringert sich die Einsatzspannung der Halbleiterschalteranordnung 20 gegenüber der Einsatzspannung des Transistors M, wobei die Halbleiterschalteranordnung 20 bei einer entsprechend großen auf der Gate-Elektrode G gespeicherten Ladung in einen selbstleitenden Zustand übergeht, d.h. bereits bei einer Steuerspannung V20 von 0V leitet.

Ein Vorgang zur Einstellung der Einsatzspannung der Halbleiterschalteranordnung 20, bei dem eine auf der Gate-Elektrode G gespeicherte Ladung verändert wird, wird nachfolgend als "Programmierung" der Halbleiterschalteranordnung 20 bezeichnet. Eine solche Programmierung kann in noch zu erläuternder weise durch Anlegen einer Programmierspannung zwischen dem Steuer- und Programmieranschluss 23 und einem der Lastanschlüsse, in dem Beispiel dem zweiten Lastanschluss 22, der an den zweiten Versorgungsanschluss 62 angeschlossen ist, erfolgen. Der Programmieranschluss 69 dient zum Anlegen einer solchen Programmierspannung, die so gewählt ist, dass Ladungsträger aus einem Halbleiterkörper, in dem der MOS-Transistor M integriert ist, auf die Gate-Elektrode G tunneln oder von der Gate-Elektrode in den Halbleiterkörper tunneln. Durch diesen Vorgang werden Ladungsträger auf der Gate-Elektrode G des MOS-Transistors M gespeichert, die auch nach Abschalten dieser Programmierspannung erhalten bleiben, da die Gate-Elektrode über das kapazitive Bauelement 40 dielektrisch gegenüber dem Steuer- und Programmieranschluss isoliert ist.

Ein Zustand der Halbleiterschalteranordnung 20, bei der diese bereits bei einer Steuerspannung von V20 = 0V leitet, bei der sich die Halbleiterschalteranordnung also wie ein selbstleitender MOS-Transistor verhält, wird nachfolgend als "programmierter" Zustand der Halbleiterschalteranordnung 20 bezeichnet. Die dargestellte, einen n-Kanal-MOS-Transistor M aufweisende Halbleiterschalteranordnung 20 kann in diesem programmierten Zustand dadurch sperrend angesteuert werden, dass eine Steuerspannung V20 angelegt wird, die so gewählt ist, dass sie den Effekt einer leitenden Ansteuerung des MOS-Transistors M, der durch die auf der Gate-Elektrode G gespeicherte Ladung hervorgerufen wird, kompensiert. Diese Spannung wird nachfolgend als "Abschaltspannung" der Halbleiterschalteranordnung 20 bezeichnet.

Die Ansteuerschaltung 50 ist über Versorgungsanschlüsse 51, 52 an die ersten und zweiten Versorgungsanschlüsse 61, 62 der Schaltungsanordnung angeschlossen und dazu ausgebildet, bei anliegender Versorgungsspannung Vin eine Abschaltspannung für die programmierte Halbleiterschalteranordnung 20 zu erzeugen. Die Ansteuerschaltung 50 ist hierzu beispielsweise als Ladungspumpe realisiert, die aus einer an den Versorgungsanschlüssen 51, 52 anliegenden positiven Spannung an dem Ausgang 53 eine gegenüber dem zweiten Versorgungsanschluss 52 der Ansteuerschaltung 50, und damit gegenüber dem zweiten Versorgungsanschluss der Schaltungsanordnung 62, negative Spannung erzeugt.

Die Halbleiterschalteranordnung 20 ermöglicht in programmiertem Zustand in Verbindung mit einem Pull-Up-Widerstand 71, der in der Auswerteschaltung 70 zwischen den Ausgang 63 und die Klemme für Versorgungspotential Vdd geschaltet ist, eine Detektion einer Unterbrechung der Leitungsverbindung zwischen der Klemme für das Versorgungspotential Vdd und dem ersten Versorgungsanschluss 61. Diese Funktionsweise zur Detektion einer Leitungsunterbrechung wird nachfolgend erläutert: Bei intakter Spannungsversorgung, d.h. bei anliegender Versorgungsspannung Vin zwischen den Versorgungsanschlüssen 61, 63 erzeugt die Ansteuerschaltung 50 eine Abschaltspannung für die Halbleiterschalteranordnung 20, wodurch kein leitender Strompfad zwischen den Lastanschlüssen 21, 22 der Halbleiterschalteranordnung 20 vorhanden ist.

Wird nun die Spannungsversorgung der Schaltungsanordnung unterbrochen, indem beispielsweise die Versorgungsleitung 67 unterbrochen wird, kann die sperrende Ansteuerung der programmierten Halbleiterschalteranordnung 20 durch die Ansteuerschaltung 50 nicht mehr aufrechterhalten werden, wodurch die programmierte Halbleiterschalteranordnung 20 einen leitenden Strompfad zwischen dem Ausgangsanschluss 63 und dem zweiten Versorgungsanschluss 62 bewirkt. Durch den Pull-Up-Widerstand 71 wird hierbei Potential an dem Ausgang auf den Wert des Potentials an dem zweiten Versorgungsanschluss 62 gezogen. Die Auswerteschaltung 70 wertet in nicht näher dargestellter Weise das Potential an dem Ausgang 63 aus und erkennt das zweite Versorgungspotential an dem Ausgang 63 als Fehler, da der Sensor 65 und gegebenenfalls die Treiberschaltung 64 so gewählt sind, dass das Ausgangssignal 63 während des störungsfreien Betriebs nicht bis auf den Wert des unteren Versorgungspotentials 62 absinken kann.

Der Programmieranschluss 69 kann ein für einen Anwender der Schaltungsanordnung zugänglicher Anschluss sein, um einem Anwender die Möglichkeit zu geben, die Halbleiterschalteranordnung entsprechend seiner Bedürfnisse zu programmieren oder in unprogrammiertem, d.h. dauerhaft sperrendem Zustand zu belassen.

Der Programmieranschluss 69 kann jedoch auch ein Anschluss sein, der nur für den Hersteller der üblicherweise auf einem Chip integrierten Schaltungsanordnung zugänglich ist. Die Programmierung der Halbleiterschalteranordnung kann dabei zusammen mit dem Test der Schaltungsanordnung noch auf Waferebene erfolgen, d.h. zu einem Zeitpunkt noch bevor ein Wafer auf dem mehrere Chips (engl.: dies) angeordnet sind, die eine Schaltung nach 1 enthalten, in die einzelnen Chips zerteilt wird. Der Programmieranschluss kann hierbei als sogenanntes "Testpad" realisiert sein, das nach "Verpacken" (Packaging) des Chips in ein Gehäuse nicht mehr zugänglich ist. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass sich nach dem Verpacken die Ladung der Gate-Elektrode G nicht mehr irrtümlich, z.B. durch ESD-Einflüsse, ändern kann, weil das Testpad nicht gebondet wird und somit von der Außenwelt isoliert ist.

2 zeigt eine Abwandlung der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung, bei der die Ansteuerschaltung 50 gleichzeitig als Programmierschaltung ausgebildet ist, um wahlweise nach Maßgabe eines Steuersignals S50, das über einen Steuereingang 54 zuführbar ist, entweder eine Programmierspannung zum Programmieren der Halbleiterschalteranordnung 20 oder eine Abschaltspannung zum sperrenden Ansteuern der programmierten Halbleiterschalteranordnung an deren Ausgang 53 zu erzeugen.

Bei einem als n-Kanal-MOSFET ausgebildeten MOS-Transistor M sind die Programmierspannung zum Speichern positiver Ladungsträger auf der Gate-Elektrode G und die Abschaltspannung zum Sperren einer programmierten Halbleiterschalteranordnung jeweils negative Spannungen zwischen dem Programmier- und Steueranschluss 23 und dem zweiten Lastanschluss 22. Die Programmierspannung ist dabei betragsmäßig größer als die Abschaltspannung.

Die Programmier- und Ansteuerschaltung 50 kann in nicht näher dargestellter Weise eine Ladungspumpe zur Erzeugung einer bezogen auf deren zweiten Versorgungsanschluss 52 negativen Spannung und einen Spannungsteiler zum Bereitstellen zweier unterschiedlicher Spannungen aufweisen. Zwischen diesen beiden Spannungen wird gesteuert durch das Steuersignal S50 umgeschaltet.

Bei dieser Schaltungsanordnung gemäß 2 kann der Anwender der Schaltungsanordnung die Halbleiterschalteranordnung 20 durch Anlegen eines geeigneten Steuersignals "on-chip" programmieren.

Zum besseren Verständnis des zuvor erläuterten Programmiervorgangs wird der grundsätzliche Aufbau der Halbleiterschalteranordnung 20 mit dem MOS-Transistor M und dem kapazitiven Bauelement 40 nachfolgend anhand von 3 erläutert.

3 zeigt ausschnittsweise einen Halbleiterkörper 100, in dem der MOS-Transistor M integriert ist. In diesem Halbleiterkörper 100 können in nicht näher dargestellter Weise auch die weiteren Schaltungskomponenten der in den 1 und 2dargestellten Schaltungsanordnungen realisiert sein. Der MOS-Transistor ist in dem Beispiel als n-leitender MOSFET realisiert und weist eine n-dotierte Drainzone 32 und eine n-dotierte Sourcezone 34 auf, die beabstandet zueinander in dem Halbleiterkörper 100 angeordnet sind. Die Sourcezone 34 ist an den Source-Anschluss S und die Drainzone 32 ist an den Drain-Anschluss D angeschlossen, die in 2 lediglich schematisch dargestellt sind. Zwischen der Source- und der Drainzone 32, 34 ist eine p-dotierte Bodyzone 35 angeordnet. Eine Gate-Elektrode 36, die an den Gate-Anschluss G angeschlossen ist, ist durch eine Gate-Dielektrikumsschicht 37 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert und verläuft benachbart zu der Bodyzone 35 zwischen der Sourcezone 34 und einer schwächer als die Drainzone 32 dotierten und sich an die Drainzone 32 anschließenden Driftzone 33. Diese Driftzone 33 ist optional vorhanden und dient zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit des Bauelementes. Bei Nichtvorhandensein dieser Driftzone 33 verläuft die Gate-Elektrode benachbart zu der Bodyzone 35 zwischen Source- und der Drainzone 34, 32.

In dem dargestellten Beispiel besitzt der Halbleiterkörper 100 eine n-Grunddotierung. Die Bodyzone 35 ist dabei Teil einer p-dotierten Wanne 31, die in den Halbleiterkörper 100 eingebracht ist und die die Source-, Drain- und Driftzone 32, 33, 34 innerhalb des Halbleiterkörpers 100 umgibt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Halbleiterkörper 100 auch eine p-Grunddotierung besitzen kann. In diesem Fall können die Source-, Drain- und Driftzone 32, 33, 34 unmittelbar in den Halbleiterkörper eingebracht werden. Die Bodyzone 35 kann dabei durch einen die Grunddotierung des Halbleiterkörpers aufweisenden Bereich gebildet sein.

Die Sourcezone 34 und die Bodyzone 35 sind bei dem selbstsperrenden MOS-Transistor M in bekannter Weise kurzgeschlossen, was in 3 lediglich schematisch dargestellt ist.

Das kapazitive Bauelement 40 ist bezugnehmend auf 3 vorzugsweise in bzw. auf dem selben Halbleiterkörper 100 wie der MOS-Transistor M integriert. Das kapazitive Bauelement 40 kann dabei beabstandet zu dem MOS-Transistor M angeordnet sein und ist beispielsweise als Plattenkondensator realisiert. Dieses Bauelement umfasst zwei elektrisch leitfähige Schichten 43, 45, die beispielsweise aus Polysilizium bestehen und die durch eine Dielektrikumsschicht 44 voneinander getrennt sind. Diese elektrisch leitenden Schichten bilden jeweils eine der Kondensatorplatten des kapazitiven Bauelements 40, die an die ersten und zweiten Anschlüsse 41, 42 (nur schematisch dargestellt) angeschlossen sind. Die elektrisch leitenden Schichten sind beispielsweise auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und durch eine weitere Dielektrikumsschicht bzw. Isolationsschicht 46 von dem Halbleiterkörper 100 isoliert.

Im Grundzustand bzw. Ausgangszustand des MOS-Transistors M sind auf dessen Gate-Elektrode 36 keine Ladungsträger gespeichert. Ein Ladungsträgerfluss auf die Gate-Elektrode G wird dabei durch das kapazitive Bauelement 40 verhindert, dessen einer Anschluss 41 an die Gate-Elektrode G angeschlossen ist, was in 3 schematisch dargestellt ist. Durch Anlegen einer ausreichend hohen Programmierspannung können allerdings Ladungsträger gemäß dem Fowler-Nordheim-Tunnel-Effekt durch die Gate-Isolationsschicht 37 aus dem Halbleiterkörper 100 auf die Steuerelektrode 36 bzw. von der Steuerelektrode 36 in den Halbleiterkörper 100 tunneln.

Um die Halbleiterschalteranordnung mit einem n-Kanal-MOSFET M zu programmieren ist eine negative Spannung zwischen dem Programmier- und Steueranschluss 23, der dem zweiten Anschluss 42 des kapazitiven Bauelements 40 entspricht, und der Bodyzone 35, von der die Ladungsträger auf die Gate-Elektrode G, 36 tunneln, erforderlich. Die Bodyzone 35 liegt dadurch auf einem höheren ("positiveren") elektrischen Potential als die Gate-Elektrode 36, wodurch Elektronen von der Steuerelektrode 36 durch die Gate-Dielektrikumsschicht 37 in die Body-Zone 35 tunneln. Nach Abschalten der Programmierspannung bleibt die Gate-Elektrode 36 positiv geladen, so dass nach Abschalten der Programmierspannung unterhalb der Gate-Isolationsschicht 37 in der Body-Zone 35 dauerhaft ein Inversionskanal und damit ein leitender Kanal ausgebildet ist. Der MOS-Transistor M verhält sich nach Abschalten der Programmierspannung damit wie ein selbstleitender Transistor, wobei das kapazitive Bauelement 40 verhindert, dass die auf der Gate-Elektrode 36 gespeicherten Ladungsträger abfließen können. In Richtung des Halbleiterkörpers 100 verhindert die Gate-Dielektrikumsschicht 37 ein Abfließen der gespeicherten Ladungsträger.

Der Tunneleffekt zur "Programmierung" setzt ein bei einer Feldstärke von 1GV/m über der Gate-Dielektrikumsschicht 37. Bei einem MOS-Transistor, der für eine Gate-Source-Spannung von 5V ausgelegt ist, beträgt die Dicke der Gate-Dielektrikumsschicht 37 beispielsweise 15nm, so dass ein Tunneleffekt bei einer Programmierspannung mit einem Betrag von 15V einsetzt.

Bei dem in 3 dargestellten Bauelement sind die Sourcezone 34 und die Bodyzone 31 kurzgeschlossen (schematisch dargestellt), so dass die Programmierspannung zwischen dem Programmier- und Steueranschluss 23 und dem Source-Anschluss S angelegt werden kann.

Die Abschaltspannung ist bei Verwendung eines n-Kanal-MOSFET ebenfalls eine negative, im Vergleich zur Programmierspannung jedoch kleinere, Spannung zwischen dem zweiten Anschluss 42 des kapazitiven Bauelements 40 und der Sourcezone 34 und der Bodyzone 35. Diese Spannung wirkt der Erzeugung des leitenden Kanals durch die auf der Steuerelektrode (36 in 2) gespeicherten Ladungsträger entgegen, so dass der MOSFET M bei Anlegen dieser Abschaltspannung sperrt.

Als MOS-Transistor M der Halbleiterschalteranordnung 20 ist selbstverständlich auch ein p-leitender MOS-Transistor einsetzbar. Einen solchen p-leitenden Transistor erhält man, wenn bei dem Bauelement gemäß 3 die n-leitenden Zonen durch p-leitende Zonen und die p-leitenden Zonen durch n-leitende Zonen ersetzt wird. Ein p-MOS-Transistor wird durch Anlegen einer positiven Programmierspannung zwischen den zweiten Anschluss 42 des kapazitiven Bauelements 40 und die Bodyzone 35 programmiert, um sich wie ein selbstleitender Transistor zu verhalten. Bei Anlegen der Programmierspannung tunneln Elektronen aus der bei diesem Bauelement n-dotierten Bodyzone 35 auf die Gate-Elektrode, um nach Abschalten der Programmierspannung permanent für die Ausbildung eines leitenden Kanals zwischen der Sourcezone 34 und der Drainzone 32 in der Body-Zone 35 zu sorgen.

Bezugnehmend auf 4 ist bei einer Ausführungsform der programmierbaren Halbleiterschalteranordnung vorgesehen, für das kapazitive Bauelement 40, welches die floatend angeordnete Gate-Elektrode G des MOS-Transistors M kapazitiv entkoppelt, die Gate-Kapazität eines MOS-Transistors zu verwenden. Der Gate-Anschluss G1 dieses Transistors bildet dabei den ersten Anschluss 41 des kapazitiven Bauelements 40, der an den Gate-Anschluss G des MOS-Transistors M angeschlossen ist. Der Source-Anschluss S1 dieses MOS-Transistors, der vorzugsweise mit dessen Bodyzone kurzgeschlossen ist, bildet den zweiten Anschluss des kapazitiven Bauelements 42. Hierbei besteht auch die Möglichkeit, den Drain-Anschluss D1 des MOS-Transistors mit dem Source-Anschluss S1 kurzzuschließen, was in 4 gestrichelt dargestellt ist. Alternativ bestünde auch die Möglichkeit, als zweiten Anschluss des kapazitiven Bauelements lediglich den Body-Anschluss des MOS-Transistors zu verwenden, da der größte Teil der Gate-Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und der Bodyzone gebildet ist.

5 zeigt eine Abwandlung der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung, die sich von der in 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die programmierbare Halbleiterschalteranordnung 20 zwischen den ersten Versorgungsanschluss 61 für das positive Versorgungspotential Vdd und den Ausgangsanschluss 63 geschaltet ist.

Die Halbleiterschalteranordnung 20 dient zusammen mit einem Pull-Down-Widerstand 72, der in der Auswerteschaltung 70 zwischen den Ausgang 63 der Schaltungsanordnung und Bezugspotential GND geschaltet ist, zur Detektion einer Unterbrechung der Anschlussleitung 68 zwischen dem Bezugspotential GND und dem zweiten Versorgungsanschluss 62. Diese Funktionalität wird nachfolgend unter der Annahme, dass sich der MOS-Transistor M der Halbleiterschalteranordnung 20 im programmierten Zustand befindet, erläutert:

Bei intakter Spannungsversorgung, d.h. bei anliegender Versorgungsspannung Vin zwischen den Versorgungsanschlüssen 61, 63 erzeugt die Ansteuerschaltung 50 eine Abschaltspannung für die Halbleiterschalteranordnung 20, wodurch kein leitender Strompfad zwischen den Lastanschlüssen 21, 22 der Halbleiterschalteranordnung 20 vorhanden ist.

Wird die Spannungsversorgung der Schaltungsanordnung durch einen Bruch der Verbindungsleitung 68 zu der Bezugspotentialklemme unterbrochen, so kann die Ansteuerschaltung 50 die Abschaltspannung für den MOS-Transistor M nicht mehr zur Verfügung stellen, wodurch die programmierte Halbleiterschalteranordnung 20 einen leitenden Strompfad zwischen dem ersten Versorgungsanschluss 61 und dem Ausgangsanschluss 63 bewirkt. Durch den Pull-Down-Widerstand 72 der Auswertschaltung 70 wird das Potential an dem Ausgang dadurch annähernd auf den Wert des positiven Versorgungspotentials Vdd gezogen, was durch die Auswerteschaltung 70 in nicht näher dargestellter Weise als Fehler erkannt wird.

Der MOS-Transistor M der Halbleiterschalteranordnung 20 ist bei der Schaltungsanordnung nach 5 als p-leitender MOS-FET ausgebildet, dessen Laststrecke zwischen die Lastanschlüsse 21, 22 der Halbleiterschalteranordnung 20 geschaltet ist.

Die Programmierung dieses p-MOSFET M funktioniert entsprechend der zuvor anhand von 1 erläuterten Programmierung des n-MOSFET mit dem Unterschied, dass zur Programmierung des p-MOSFET gemäß 6 eine positive Spannung zwischen dem zweiten Anschluss des kapazitiven Bauelements 40 und dem Source- bzw. Body-Anschluss des MOSFET M anzulegen ist, um dadurch negative Ladungsträger auf dessen Gate-Elektrode zu akkumulieren. Entsprechend ist die Abschaltspannung, die die Ansteuerschaltung 50 nach Programmieren des MOS-Transistors M bereitstellt, um diesen MOSFET M während des Normalbetriebs sperrend anzusteuern, eine positive Spannung zwischen dem Programmier- und Steueranschluss 23 und dem Source-Anschluss des MOSFET M.

Die Programmierspannung kann entsprechend der Ausführungen zu 1 über den Programmieranschluss 69 an die Halbleiterschalteranordnung angelegt werden.

Des weiteren besteht entsprechend der Ausführungen zu 2 auch die Möglichkeit, die Ansteuerschaltung so zu realisieren, dass diese nach Maßgabe eines Steuersignals S50 die Programmierspannung on-chip erzeugt. Eine solche Schaltungsanordnung ist in 6 dargestellt.

Bei den zuvor erläuterten Schaltungsanordnungen ist in Reihe zu dem MOS-Transistor M vorzugsweise ein Schutzwiderstand 66 (5), 67 (6) geschaltet.

In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, zwei programmierbare Halbleiterschalteranordnungen 20 in der Schaltungsanordnung vorzusehen, nämlich eine entsprechend der Anordnung in den 5 und 6 zwischen dem ersten Versorgungsanschluss 61 und dem Ausgang 63 und die andere entsprechend der Anordnung in den 1 und 2 zwischen dem Ausgang 63 und dem zweiten Versorgungsanschluss 62. Bei einer solchen Schaltungsanordnung besteht dann die Möglichkeit, diese entweder mit einem Pull-Up-Widerstand (vergleiche 1 und 2) oder mit einem Pull-Down-Widerstand (vergleiche 5 und 6) zu betreiben. Für den Betrieb mit einem Pull-Up-Widerstand ist dabei nur die Anordnung zu programmieren, die zwischen den ersten Versorgungsanschluss 61 und den Ausgang 63 geschaltet ist, während für den Betrieb mit einem Pull-Down-Widerstand die Anordnung zu programmieren ist, die zwischen den Ausgang 63 und den zweiten Versorgungsanschluss 62 geschaltet ist.

Es sei darauf hingewiesen, dass eine "programmierte" Halbleiterschalteranordnung durch Anlegen einer Programmierspannung mit umgekehrtem Vorzeichen auch wieder "gelöscht", d.h. wieder in den unprogrammierten Ausgangszustand zurückgeführt werden kann.

Am Ende des Herstellungsprozesses des selbstsperrenden MOS-Transistors mit floatender Gate-Elektrode können bereits Ladungsträger auf der Gate-Elektrode gespeichert sein. Hierbei besteht die Möglichkeit, die floatende Gate-Elektrode des selbstsperrenden MOS-Transistors bereits am Ende des Herstellungsprozesses noch werkseitig zu entladen. Dies kann sowohl durch Anlegen einer zuvor erläuterten Spannung unter Verwendung eines Test-Pad erfolgen. Darüber hinaus kann die Entladung auch durch UV-Bestrahlung erfolgen, bevor der den MOS-Transistor enthaltene Halbleiterchip in ein Gehäuse verpackt wird.

100
Halbleiterkörper
20
programmierbare Halbleiterschalteranordnung
21, 22
Lastanschlüsse
23
Programmier- und Steueranschluss
31
p-dotierte Wanne
32
Drain-Zone
33
Driftzone
34
Sourcezone
35
Body-Zone
36
Gate-Elektrode
37
Dielektrikum, Gate-Isolationsschicht
40
kapazitives Bauelement
41, 42
Anschlüsse des kapazitiven Bauelements
43, 45
elektrisch leitende Schichten, Polysiliziumschichten
44, 46
Dielektrikumsschicht
50
Ansteuerschaltung
51, 52
Versorgungsanschlüsse der Ansteuerschaltung
53
Ausgang der Ansteuerschaltung
54
Steuereingang
61, 62
Versorgungsanschlüsse
63
Ausgangsanschluss
64
Ausgangstreiber
65
Sensor
66, 67
Schutzwiderstände
67, 68
Anschlussleitungen
70
Auswerteschaltung
71, 72
Widerstände
D
Drain-Anschluss
G
Gate-Anschluss
M
selbstsperrender MOS-Transistor
S
Source-Anschluss
S50
Steuersignal der Ansteuerschaltung
V20
Steuerspannung der Halbleiterschalteranordnung


Anspruch[de]
Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale aufweist:

– einen ersten und einen zweiten Versorgungsanschluss (61, 62) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (Vdd),

– einen Ausgangsanschluss (63) zum Bereitstellen eines Ausgangssignals,

– wenigstens eine programmierbare Halbleiterschalteranordnung (20) mit einem selbstsperrenden MOS-Transistor (M), der eine Laststrecke (21-22) und eine Steuerelektrode (G) aufweist und mit einem kapazitiven Bauelement (40), das einen ersten und einen zweiten Anschluss (41, 42) aufweist, dessen erster Anschluss (41) an die Steuerelektrode (G) des MOS-Transistors (M) angeschlossen ist und dessen zweiter Anschluss an einen Steuer- und Programmieranschluss (23) angeschlossen ist, wobei

– die Laststrecke des MOS-Transistors (M) zwischen die Ausgangsklemme (63) und einen der Versorgungsanschlüsse (61; 62) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, die eine Ansteuerschaltung (50) aufweist, die zwischen die ersten und zweiten Versorgungsanschlüsse (61, 62) geschaltet ist und die einen an den Steuer- und Programmieranschluss (23) angeschlossenen Ausgang (53) aufweist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der die Ansteuerschaltung (50) dazu ausgebildet ist, eine solche Programmierspannung an den Steuer- und Programmieranschluss (23) anzulegen, dass dauerhaft Ladungsträger auf der Steuerelektrode des MOS-Transistors (M) gespeichert werden. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die zwei programmierbare Halbleiterschalteranordnungen (20) aufweist, wobei eine erste Halbleiterschalteranordnung (20) zwischen den ersten Versorgungsanschluss (61) und den Ausgangsanschluss (63) geschaltet ist, und eine zweite Halbleiterschalteranordnung (20) zwischen den Ausgangsanschluss (63) und den zweiten Versorgungsanschluss (62) geschaltet ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der der MOS-Transistor (M) der ersten Halbleiterschalteranordnung ein p-leitender MOS-Transistor ist und bei der der MOS-Transistor (M) der zweiten Halbleiterschalteranordnung ein n-leitender MOS-Transistor ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der wenigstens der MOS-Transistor (M) und das kapazitive Bauelement der programmierbaren Halbleiterschalteranordnung in einem gemeinsamen Halbleiterkörper (100) integriert sind. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das kapazitive Bauelement (40) ein MOS-Transistor ist.






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