Eine der besten Referenzspannungsquellen ist die von Linear Technology entwickelte LTZ1000. Analog Devices hat nun mit der ADR1000 ein verbessertes Modell entwickelt, das auf der LTZ1000 basiert. Funktionsweise und Pinning sind gleich, die Ausgangsspannung der ADR1000 ist mit 6,62V aber deutlich niedriger als die 7,2V der LTZ1000. Die Langzeitstabilität der ADR1000 beträgt initial 8,9ppm. Nach einer Alterung über 3000 Stunden sinkt dieser Wert auf 0,5ppm. Besonders bemerkenswert ist das geringe Rauschen, das nur 0,9µVpp beträgt.
Die hier vorliegende ADR1000 stammt aus dem Jahr 2018 und wurde von Marcus Hasenstab / http://www.harerod.de gespendet.
Das Datenblatt der ADR1000 zeigt, dass sich der grundsätzliche Aufbau nicht von der LTZ1000 unterscheidet. Der Heizer ist minimal niederohmiger und es wurde der Substratwiderstand R0 mit eingezeichnet. Es handelt sich weiterhin um eine Kombination aus einer Z-Diode und der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors (Q1). Passend ausgelegt kompensieren sich die Temperaturkoeffizienten der beiden pn-Übergänge und es stellt sich eine sehr temperaturstabile Spannung ein.
Die ADR1000 besitzt wie die LTZ1000 einen Heizer, der die Temperatur der Komponenten möglichst konstant hält. Das Schaltbild weist auf die parasitären Dioden hin, die sich zwischen dem Referenzspannungskreis und dem Heizer ausbilden. Der Transistor Q2 dient im Rahmen der Temperaturregelung als Temperatursensor.
Im Gehäuse zeigen sich einige kleinere Unterschiede zur LTZ1000. In der ADR1000 kam für jedes Potential nur ein Bonddraht zum Einsatz. In der LTZ1000 erfolgte die Anbindung des Heizers auf der Seite des Massepotentials über drei Bonddrähte. Die Vermutung war, dass an dieser Stelle das Potential trotz des Heizerstroms möglichst niedrig sein sollte, damit die parasitären Dioden immer sicher sperren.
In der LTZ1000 ist der Pin 4 lediglich über einen Bonddraht mit dem Die verbunden. Durch das Substrat führt auch das Gehäuse das Potential des Pin 4. Bei der LTZ1000A ist das Substrat sogar gänzlich vom Gehäuse isolidert. In der ADR1000 ist der Pin 4 direkt mit dem Gehäuse verbunden. Das erhöht die Gefahr von kapazitiven Störeinkopplungen über das Gehäuse.
Das Die ist mit einer Art Kleber im Gehäuse befestigt. Die LTZ1000 war ebenfalls ins das Gehäuse geklebt, allerdings mit einer sehr viel dünneren Schicht. Bei der LTZ1000A kam dann ein Polymer zum Einsatz, das angeblich Glasperlen enthielt. Im LT1088 ist ein ähnliches Material zu finden, dort ist der Kleber allerdings angeblich mit Luftblasen durchzogen. Von der LTZ1000 zur LTZ1000A hat man den Wärmewiderstand von 80K/W auf 400K/W erhöht. Ein hoher Wärmewiderstand verbessert die thermische Stabilität der Referenzspannung, da die Temperatur des Dies unabhängiger von der Umgebungstemperatur ist. In der ADR1000 hat man sich mit einem Wärmewiderstand von 216K/W zufriedengegeben.
In dem frühen Muster der ADR1001 wurde wieder das Material mit den Glasperlen eingesetzt.
Der seitliche Abschluss des Dies sieht sehr sauber aus. Beim Heraustrennen der Dies aus dem Wafer kommt es immer zu kleinen Schäden in der Kristallstruktur. Für die meisten Schaltungen ist das nicht relevant, solange man etwas Abstand zur Kante des Dies hält. Bei sehr stabilen Referenzspannungsquellen wie der ADR1000 können sich derartige Störstellen aber angeblich durchaus negativ auf das Ausgangssignal auswirken.
Mit der richtigen Belichtung erkennt man sofort, dass in der ADR1000 zwei Metalllagen zum Einsatz kamen.
Die Kantenlänge des Dies beträgt 1,88mm. Der Aufbau ist der LTZ1000 sehr ähnlich. Die Heizerstrukturen wurden vereinfacht. Die ADR1000 besitzt lediglich zwei parallel geschaltete Heizkreise und keine weiteren Vorhalte.
Das Design stammt aus dem Jahr 2017.
MDR und SW sind Kürzel der beteiligten Entwickler.
Wie die LTZ1000 besitzt auch die ADR1000 ungenutzte Bondpads. Bei der ADR1000 führen diese Potentiale allerdings zur Referenzspannungsquelle.
Die zwei Metalllagen machen den Bereich der Referenzspannungsquelle unübersichtlicher. Es ist aber trotzdem noch gut erkennbar, dass der Aufbau grundsätzlich der gleiche ist wie in der LTZ1000.
In der Mitte befindet sich die spezielle Struktur der vergrabenen Z-Diode, die mit dem zugehörigen Transistor Q1 verflochten ist. Die Verlegung der Z-Diode unter die Oberfläche führt zu einer stabileren Durchbruchspannung, da sich dort weniger Störstellen befinden. Die starke Integration von Z-Diode und Transistor Q1 garantiert, dass die beiden Bauteile möglichst gleiche Temperaturen aufweisen, so dass sich deren Temperaturkoeffizienten so gut es geht kompensieren. Diagonal führen vier lange Kollektorzuleitungen zum Transistor Q1. Wagerecht und senkrecht sind die vier Transistoren angeordnet, die gemeinsam als Q2 die Temperaturmessung ermöglichen.
Die zwei Metalllagen vereinfachten die Leitungsführung, wodurch man auf Unterquerungen im Silizium verzichten konnte. Das Die der ADR1000 bietet außerdem zwei zusätzliche Kontakte, die eine echte Vierleitermessung der Referenzspannung ermöglichen. Vref und GND sind direkt am Anschluss der Referenzspannungsquelle ZD/Q1 aufgeteilt. Während über Vref und GND der Arbeitsstrom fließt, könnte man über Vrefs und GNDs die unbeeinflusste Referenzspannung abgreifen.
Zum besseren Verständnis sind die Potentiale in diesem Bild eingefärbt.
Im normalen Betrieb arbeitet die Z-Diode im Lawinendurchbruch (hier bei 5mA). Dabei werden die Atome verhältnismäßig unkontrolliert ionisiert. Die Rekombination erzeugt entsprechend unterschiedliche Wellenlängen, was insgesamt zu einem gelblichen Licht führt.
Die Leuchterscheinung stellt sich dort ein, wo man die vergrabene Z-Diode erwartet. Im Vergleich zur LTZ1000 scheint das Leuchten bei der ADR1000 etwas gleichmäßiger zu sein. Vielleicht ist der modernere Herstellungsprozess der Grund dafür, da er homogenere Strukturen erzeugt.
Entfernt man die Siliziumoxid- und Metallschichten, so kann man einen ungestörten Blick auf die aktiven Bereiche werfen. (Siehe dazu auch das Kapitel Abtragen von Siliziumoxidschichten.) Die unterschiedlichen Strukturen setzen sich farblich leider nicht ab, man kann aber die einzelnen Elemente erahnen.
Die Application Note 82 von Linear Technology zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer buried Z-Diode. Man nutzt die starke p-Dotierung, die sonst aktive Bereiche voneinander isoliert als Anodenmaterial. Unter der buried Z-Diode ist eine starke n-Dotierung eingebracht, die bei Bipolartransistoren als niederohmige Kollektorzuleitung dient. Sie sorgt dafür, dass die starke p-Dotierung nicht das leicht p-dotierte Substrat berührt. Auf der starken p-Dotierung wird zusätzlich die schwächere p-Dotierung aufgebracht, die sonst die Basisbereiche generiert. Über diese Fläche wird die Anode kontaktiert. Eine starke n-Dotierung, wie sie üblicherweise beim Emitter genutzt wird, bildet die Kathode der Z-Diode. Der aktive Bereich dieser Z-Diode befindet sich dann unterhalb der starken n-Dotierung. Das Bild stellt die Verhältnisse vereinfacht dar. Tatsächlich befindet sich mittig unter der Emitterdotierung die stärkste p-Dotierung. Sie setzt sich zusammen aus der Isolationsdotierung, die punktuell mittig eingebracht wird und sich dann zur Seite hin abschwächt und der Basisdotierung. Der Durchbruch erfolgt somit innerhalb des Dies und nicht an der Oberfläche, wo sich bei den konventionellen Z-Dioden die höchsten Konzentrationen der Dotierstoffe einstellen.
Die Z-Dioden der LTZ1000 und der ADR1000 scheinen grundsätzlich nach diesem Prinzip aufgebaut zu sein. Sie sind allerdings ringförmig ausgeführt, um in der Mitte den zugehörigen Transistor aufnehmen zu können. Außerdem entsprechen die Abmessungen der Bereiche nicht ganz den hier dargestellten Verhältnissen.
Die vier Transistoren zur Temperaturmessung (blau) sind klassisch aufgebaut. Die Grundlage bildet die tief integrierte Kollektorzuleitung. Im äußeren Bereich ist sie von einer Fläche überlagert, die die tief liegende Zuleitung kontaktiert. Nach rechts folgen der Basisbereich und darin integriert der Emitterbereich des Transistors.
Die vier Kollektorzuleitungen des inneren Transistors (grün) legen vom Außenbereich bis in das Zentrum der Referenzspannungsquelle einen weiten Weg zurück. Im Inneren befindet sich eine runde Emitterfläche mit einem auffällig kleinen Kontakt zur Metalllage. Die runde Basisfläche des Transistors hat einen großen Durchmesser und wird an der Außenkante kontaktiert.
Die Kontaktierung der Anode der Z-Diode erfolgt über die Basisfläche und den Basisanschluss des zugehörigen Transistors. Die Anode selbst befindet sich unter dem inneren ringförmigen Bereich, der die Kathode abbildet. Anders als in der Application Note dargestellt, ist die Kathode hier breiter als die Anode. Das erkennt man daran, dass der hellgraue Kontaktbereich zur Metalllage so breit ist, dass der den kompletten Ring und nicht nur den inneren Teil elektrisch anbindet.
Die beiden Schnittbilder zeigen den Aufbau der Referenzspannungsquelle. Von außen wird an vier Stellen über tief liegende, stark n-dotierte Kollektorzuleitungen das Kollektorpotential in die Mitte geführt, wo sich der aktive Bereich des Transistors befindet. Der äußere ringförmige Anschluss kontaktiert über einen stark p-dotierten Isolationsbereich die Basisfläche des Transistors, die Anode der Z-Diode und auch das Substrat. Der innere ringförmige Anschluss kontaktiert eine starke n-Dotierung, die die Kathode der Z-Diode bildet. Die starke n-Dotierung befindet sich über einem Isolationsbereich, der stark p-dotiert die Anode der Z-Diode darstellt. Es sind keine Strukturen erkennbar, die auf eine tief liegende n-Dotierung unter der Z-Diode verweisen würde. Man kann entsprechend davon ausgehen, dass dieser Isolationsbereich auch mit dem Substrat verbunden ist.
Von der ADR1000 sind einige Bauteile aus den Jahren 2017 und 2018 im Umlauf. Dabei handelt es sich um Engineering Samples. Neuere Bauteile scheinen erst wieder ab 2021 produziert worden zu sein. Angeblich unterscheiden sich die ersten Chargen von den späteren nur durch die Langzeit-Hochtemperatur-Lagerung nach der Fertigung. Mit diesem Prozess lassen sich der Langzeitdrift und das Rauschen verbessern. Das hier zu sehende Modell ist sehr viel jünger und stammt aus dem Jahr 2021.
Die Bauteile aus dem neueren Produktionszyklus sind genauso aufgebaut wie die älteren Bauteile. Es sind keine Unterschiede zu erkennen.
