Die LTZ1000 ist eine der stabilsten Referenzspannungsquellen. Sie wurde von Linear Technology entwickelt. Das Datenblatt gibt ein Rauschen von typischerweise 1,2µVpp und eine Langzeitstabilität von 2µV an. Der Temperaturdrift beträgt gerade einmal 0,05ppm/°C.
Die Referenzspannungsquelle der LTZ1000 setzt sich aus der Z-Diode und dem Transistor Q1 zusammen. Die Kombination der beiden Elemente führt zu einem Spannungsabfall mit einem sehr geringen Temperaturkoeffizienten.
Die LTZ1000 besitzt einen Heizer, der die Temperatur im Inneren konstant hält und darüber den Temperaturdrift weiter reduziert. Der Transistor Q2 dient der Temperaturmessung, die es ermöglicht die Solltemperatur in der Nähe der Referenzspannungsquelle zu regeln.
Zwischen den beiden Funktionsblöcken befinden sich parasitäre Dioden.
Im Package fällt auf, dass der Pin 1 mit drei Bonddrähten an das Die angebunden ist. Es handelt sich überraschenderweise um den positiven Anschluss des Heizers. Meist wird bei empfindlichen Schaltungen das Bezugspotential und damit oftmals das negativste Potential niederimpedant angebunden. Das Datenblatt beschreibt allerdings, dass sich zwischen den beiden Schaltungsblöcken Dioden im Substrat befinden. Selbst wenn die Heizerströme Potentialanhebungen auf dem Bezugspotential erzeugen, so dürften die Dioden diese Störungen relativ wirksam von den anderen Schaltungsteilen isolieren. Eine besonders niederimpedante Anbindung des Bezugspotentials ist daher nicht notwendig, sogar eher kontraproduktiv, da an den Dioden dann weniger Sperrspannung anliegt. Die Dioden sind auch die Erklärung für die dreifache Anbindung des positiven Heizerpotentials. Dieses Potential muss das höchste auf dem Die sein, damit die obere Diode immer gesperrt bleibt.
Das Gehäuse ist an keinen Pin angebunden. Messungen zeigen, dass der Pin 4 über einen Widerstand von ungefähr 100Ω mit dem Substrat verbunden ist. Höchstwahrscheinlich stellt das Substrat selbst diesen Widerstand dar.
Die äußeren zwei grünen Ringe stellen den Heizer dar. Links unten befinden sich die drei Zuleitungen des Heizers. Es zeigt sich, dass das Linke der drei Bondpads nicht den Heizer, sondern die Fläche kontaktiert, in die der Heizer eingebettet ist. Der rechte Bonddraht der unteren Kante stellt den zweiten Anschluss des Heizers dar. Die Ringe sind parallel geschaltet, würden aber mit anderen Bondverbindungen die Möglichkeit einer Serienschaltung bieten. Die freien Bondpads des unteren Bereichs kontaktiert die inneren vier grünen Ringe, die ebenfalls als Heizer genutzt werden könnten. Die Vorhalte wurden höchstwahrscheinlich ursprünglich integriert, um den RMS-Wandler LT1088 optimal darstellen zu können. Dort befinden sich der Heizer und die Temperaturmessung innerhalb eines schnellen Regelkreises. Über die Heizer konnte man das Regelverhalten optimieren. Das innerste Ringpaar besitzt einen weiteren Kontakt zum Substrat, vermutlich um die inneren Heizer auch ohne eine Kontaktierung der äußeren Heizer nutzen zu können.
Ein Bondpad in der oberen rechten Ecke bietet unabhängig von den Ringpaaren eine weitere Möglichkeit das Substrat zu kontaktieren.
Die rosa erscheinenden Rahmenstrukturen bilden pn-Übergänge, die die einzelnen Schaltungsteile voneinander isolieren.
Das innerste Element ist eine Kombination aus der Zenerdiode und dem Transistor
Q1. Der Emitter des Transistors ist über den blauen, runden Kontakt in der Mitte
angebunden. Das Kollektorpotential führen die weißen Leitungen symmetrisch,
kreuzförmig in einer tieferen Ebene ins Zentrum. Die Basis des Transistors kontaktiert der schwarze Ring,
der außerdem als Anbindung der Zenerdioden-Anode dient. Die rote Leitung stellt den
Kathoden-Anschluss der Zenerdiode dar.
Die Temperaturkoeffizienten von
Zenerdiode und Basis-Emitter-Strecke kompensieren sich
Großteils, was zu einer stabilen Referenzspannung führt. Die beiden
Komponenten müssen aber entsprechend nah beieinander platziert werden, damit
sie immer eine möglichst gleiche Temperatur aufweisen.
Um die inneren Elemente sind vier parallel geschaltete Transistoren angeordnet. Hierbei handelt es sich um den Transistor Q2, der zur Temperaturmessung genutzt wird. Der Emitter ist mit dem Emitter des Transistors Q1 verbunden (blau). Die gelbe Leitung kontaktiert die Basis, die graue Leitung den Kollektor des Transistors Q2.
Die Zenerdiode selbst ist, wie bei hochqualitativen Referenzspannungsquellen üblich, eine Subsurface-Zenerdiode, auch buried Zenerdiode genannt. Der aktive Bereich befindet sich in diesem Fall, wie der Name schon sagt, unterhalb der Oberfläche. Damit umgeht man die tendenziell höhere Störstellendichte an der Oberfläche des Halbleiters, die zu einem höheren Langzeitdrift führen würde.
Mit verschiedenen Belichtungen und Betrachtungswinkeln lassen sich die einzelnen Strukturen relativ gut erkennen.
Das Design stammt anscheinend aus dem Jahr 1983.
Die Zeichenfolge SZKP könnte für "Super Zener Kelvin Probing" stehen. Als Super Zener wird die Kombination von Zenerdiode und Transistor bezeichnet. Kelvin Probing bezieht sich auf die Kontaktierung der Kombination, die verhindern soll, dass der Strom zur Arbeitspunkteinstellung die Referenzspannung beeinflusst.
Die Zeichen MG und CN sind Namenskürzel der Entwickler. MG steht für Mark Glanville, CN steht für Carl Nelson.
In der linken oberen Ecke befindet sich ein interessantes Logo, das angeblich für "Super-Zener" steht.
Während die Z-Diode leitet, arbeitet sie zumindest zum Teil im Lawinendurchbruch. Wie bereits bei vielen Bipolartransistoren gezeigt, ist dabei im Bereich der Sperrschicht ein Leuchten zu erkennen. Rekombinieren Ladungsträger in einem Siliziumhalbleiter, so emittieren sie üblicherweise kein Licht im sichtbaren Bereich. Bei einem Lawinendurchbruch erfolgen allerdings energetisch undefinierte Ionisierungen im Kristallgitter. Fallen diese freien Elektronen in ihre Ausgangspositionen zurück, so strahlen sie in entsprechend undefinierten Wellenlängen, also auch im Bereich des sichtbaren Lichts.
Das Leuchten lässt erkennen, dass sich der wirksame Bereich der Z-Diode
unterhalb des kontaktierten Rings befindet. Das erscheint stimmig, schließlich
handelt es sich um eine buried Z-Diode.
Die Leuchterscheinungen befinden sich jedes Mal an den selben Stellen.
Nach den Versuchen mit dem Leistungstransistor BUX22 kann man davon
ausgehen, dass sich dort Störstellen befinden, an denen der
Lawinendurchbruch bevorzugt erfolgt.
Der Strom durch die Diode beträgt hier ungefähr 4mA.
Mit dem selben Versuchsaufbau kann man die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q1 identifizieren. Diese Sperrschicht leuchtet etwas schwächer. Sie befindet sich an der Grenzfläche zwischen dem Ring, der an seinem unteren Ende die Z-Diode abbildet und dem innersten Kreis, der den Emitter des Transistors Q1 darstellt. Die Stromdichte ist im Bereich des kontaktierenden Halbkreises sehr viel höher als in der anderen Hälfte, weswegen sich der Leuchteffekt nur dort einstellt.
Beim Betrieb im Lawinendurchbruch ist immer auf eine ausreichende Strombegrenzung zu achten. Ein zu hoher Strom führt schnell zur Zerstörung der Strukturen, wie es hier deutlich zu sehen ist. Auf dem Die sind mehrere überlastete Bereiche zu erkennen. Anscheinend kam es nach der Zerstörung im Inneren der LTZ1000 zu weiteren thermischen Schäden entlang der Heizerringe.
Der initiale Schaden entstand höchstwahrscheinlich in der Z-Diode links des inneren, ringförmigen Anschlusses. An dieser Stelle ist ein hellgrauer Fleck zu erkennen. An der äußeren Kante des grünen Rings zeigt sich eine umfangreiche Zerstörung der Metalllage.
Die LTZ1000 ist mit dem Gehäuseboden verklebt, was einen etwas höheren Wärmewiderstand mit sich bringt als eine gelötete Verbindung. Die thermische Isolation sorgt dafür, dass die Die-Temperatur weniger von der Gehäusetemperatur beeinflusst wird und sich somit der verbleibende Temperaturdrift noch weniger auswirkt. Die etwas teurere LTZ1000A ist dagegen mit einem speziellen, thermisch isolierenden Polymer im Gehäuse befestigt. Angeblich enthält dieses Polymer Glasperlen. Im LT1088 kommen zwei modifizierte LTZ1000-Dies zum Einsatz. Dort findet sich ein mit Kugeln durchzogenes Material als Die Attach. Für den LT1088 existiert eine Application Note, die aber vermuten lässt, dass sich dort Luftblasen, keine Glasperlen im Polymer befinden.
