从 LTZ1000 内部结构看 GM7402 设计细节

昨天不是写了基准源吗？我看了下，里面有一些小参数，它们微小，但是对待最终的结果有不小的影响：

看着三个参数

看着三个参数

“低漂移 0.8 ppm/°C（典型值），1.5 ppm/°C（最大值）”是 GM7402 最核心的技术指标之一，反映了它的温度稳定性（Temperature Coefficient of Output Voltage, TC₍Vₒ₎）。

PPM扫盲

“PPM” 是 “Parts Per Million” 的缩写，中文意思是 “百万分之一”。这是一个常用的相对比率单位，用来表示极小的误差、浓度或漂移量。它相当于：

不同PPM（温度漂移系数）下的基准电压漂移示意图

不同PPM（温度漂移系数）下的基准电压漂移示意图

横轴：温度（-40°C 到 +140°C）

纵轴：输出电压变化量（单位 µV，相对于 25°C 的参考点）

可以看到：

1 ppm/°C 的漂移极小，几乎是一条平线；100 ppm/°C 则随温度变化明显，温度升高会导致电压漂移约 ±16 µV；PPM 值越大 → 稳定性越差、温漂越严重。这张图直观说明了 “PPM 就是温度导致的相对变化速率”。

温漂的定义

“温漂”表示当环境温度变化时，基准电压输出的偏移量。 以 ppm/°C 为单位（百万分率每摄氏度），定义为：

其中：

：输出电压随温度变化的差值（V）

：标称输出电压（V）

：温度变化（°C）

代入 GM7402 的实际数值举例

假设输出 Vout = 2.5 V，温度范围 –55 °C → +125 °C（ΔT = 180 °C）：

典型漂移 0.8 ppm/°C：

最大漂移 1.5 ppm/°C：

也就是说，在从 –55°C 到 +125°C 的极端环境变化中，输出电压的漂移仅为 ±0.36 ~ 0.68 mV；对应到 5 V 输出时也只约 ±0.7 mV ~ 1.35 mV。

工程意义

TL431

TL431

ADR445

ADR445

这意味着：

在 16~24 bit ADC 中，参考误差对输出数据几乎不可见；系统无需温度补偿环路即可维持满量程精度；在医疗、计量、导航、车载传感器系统中无需外部热校准。

为什么能做到 0.8 ppm/°C

GM7402 相比前代（GM7400/7401 约 1.5 ppm/°C typ）能进一步降低温漂，关键在于：

采用深埋齐纳（Buried Zener）核心：齐纳击穿电压在特定电流下对温度几乎不敏感（天然接近平坦曲线）。

什么是深埋齐纳（Buried Zener）核心？

我直接搜索了一下。。。没想到有一篇文章还挺靠前：

就这个了

就这个了

不是吧？我都忘了这个是我写的了。。。

不是吧？我都忘了这个是我写的了。。。

这是过年时候写的。

深埋齐纳二极管（Buried Zener Diode）

是一种专门设计的 高稳定性参考二极管结构，用于提供极其稳定的基准电压；它是通过在硅片内部深层掺杂与隔离结构实现的 “埋入型齐纳结”，与普通表面齐纳有本质不同。

普通齐纳（表面型）是在硅片表面形成 PN 结；深埋齐纳， 是把齐纳结“埋”在基片下面（通常深几微米），远离表面电荷与氧化层界面，从而：降低噪声；提高温度稳定性；抑制老化与漂移。

结构原理（剖面概念图）

        表面层 ──────────────────── ← 这里是金属接触与保护层
             │
             │  <— 表面杂质区（P+）
             │
        ─────┼────────────────────  ← 绝缘层（Field Oxide）
             │
             │
             ▼
         ┌──────────────┐
         │   P+ 区域     │ ← 齐纳结上端
         │──────────────│
         │   N++ 区域    │ ← 齐纳结下端（埋层）
         └──────────────┘
             │
             │
        ─────┴────────────────────  ← 基片（P型）

特点：齐纳结埋在深层（通常 >3 µm）；上下有多层隔离，减少表面电荷影响；采用 N++ / P+ 高掺杂形成“隧穿式反向击穿”；击穿电压约 6.8–7.2 V，在这个范围内温度系数接近零。

温度补偿机理

深埋齐纳的核心优势在于其零温度系数点（ZTC，Zero Temp Coefficient Point）。

击穿电压受两种效应影响：

1. 齐纳效应（隧穿击穿）：电压随温度上升而略减小；
2. 雪崩效应（碰撞电离）：电压随温度上升而略增加；

在 约 6.8 V 附近，两种效应抵消 → 温度漂移趋近 0；因此，深埋齐纳基准通常工作在 6.9 V 附近，再经分压放大或缓冲输出为常见的 2.5 V、5 V 等精密基准电压。

这方面的佼佼者是：

这颗活爹基准源

这颗活爹基准源

看懂我上面写的 PPM 就会知道：

这个参数的含金量

这个参数的含金量

这个画住的地方就是二极管的位置

这个画住的地方就是二极管的位置

TO-5 的封装可以看的更加的清晰

TO-5 的封装可以看的更加的清晰

开盖图

开盖图

芯片内部全貌，显示两个主要功能区——基准源区与加热区。

核心结构：齐纳二极管 + 晶体管 Q1→ 二者形成温度互补组合，输出稳定电压。

Q2 是温度传感器，用来检测芯片内部温度，控制加热器。

芯片内部还有寄生二极管，用来隔离加热电流对参考区的干扰。

三条金线连接到加热器的正极端（引脚 1），这意味着它是高电位节点。→ 这种设计避免了加热电流对内部电势平衡的破坏。

图片含义总结：

1. 金线连接图：显示三重金线连接加热器正极；
2. 芯片封装剖析：揭示基板与引脚 4 间的 100 Ω 电阻隔离；
3. 说明加热区与参考区隔离的电气理由。

加热器环形结构

加热器环形结构

多个绿色环形结构围绕中央核心，这些绿色环是 加热电阻环（heater rings）：外层两圈并联形成主加热器；内层四圈可独立控制；内外环之间通过键合点串/并连接，便于温控优化；右上角另有一块基板接触垫，用于监控加热均匀性。

这些环状加热结构能实现极低的温度梯度（≈0.01°C），确保齐纳与晶体管在完全一致的温度下工作。

核心“埋入式齐纳 + 晶体管”区

中央部分放大图，彩色层区清晰标出 Zener 与 Q1 结构。

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结构说明：

蓝色点：晶体管 Q1 的发射极；

黑色环：Q1 的基极（也是齐纳阳极）；

红线：齐纳阴极；

白线：Q1 集电极；

黄色/灰色线：温度检测晶体管 Q2。

关键原理：

齐纳结（雪崩击穿）与 Q1 的 BE 结（负温度系数）互相补偿；组合输出约 7V，温漂几乎为 0；两者必须紧贴放置以维持温度一致；齐纳为深埋式（Buried Zener），避开表面杂质与氧化界面，降低长期漂移。

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它的基本思想是：

利用齐纳击穿的正温度系数与晶体管 BE 结的负温度系数相互补偿，实现几乎零温漂的输出电压。

整个结构呈 同心环布局：

中心：Zener + Q1 组合；

外圈：4 颗 Q2 温度监测晶体管；

更外圈：加热环（见前面的图）；

所有结区被 粉红色的 P-N 隔离框 环绕，用以电隔离并减少漏电流。

使用 LTZ1000 再说一次原理

齐纳部分

采用 深埋结构（Buried Zener），其有源区位于表面以下几微米；工作在 雪崩击穿模式（约 6.9 V）；由于击穿电压随温度上升略增（正温度系数）。

晶体管 Q1 部分

BE 结电压随温度上升而下降（负温度系数）；将其与齐纳电压串联后，总温度系数接近 0；因此组合输出非常稳定（约 7.15 V）。

热耦合

两者直接相邻放置，热耦合紧密；确保任何温度波动同步影响两者；外层加热器维持稳定温度（通常 50°C–70°C）。

整体基准电压输出：

在约 6.9 V 附近达到温度系数为零的点。

齐纳发光现象

齐纳在雪崩击穿时的微光照片

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在雪崩击穿（工作电流≈4 mA）时，载流子复合产生可见光；发光位置表明击穿区位于环下方（即深埋层内部）；亮光集中在缺陷点 → 表明能量主要集中在单一区域；还可看到 Q1 的发射结也微弱发光（亮度较低），发光均匀性代表结区质量好。

这些照片揭示了雪崩击穿区的位置与均匀性，可用于评估器件内部质量与失效点。

过载损伤

被损坏的 LTZ1000 芯片

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过大电流导致内部环形端子与齐纳结烧毁；绿色加热环金属层剥落；灰白色斑点为烧蚀区；加热器区域也受到热冲击损伤。

强调 LTZ1000 在雪崩区工作时必须严格限流，否则热击穿极易永久损坏芯片。

二阶曲率补偿：在带隙补偿支路中加入二阶温度项，修正非线性弯曲。（这个我昨天就写过了）

总结

“低漂移 0.8 ppm/°C（典型值），1.5 ppm/°C（最大值）”，意味着 GM7402 的输出电压在整个 –55 °C ~ +125 °C 范围内几乎不随温度变化，这个参数确实是很厉害了。

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GM7400（1.5 ppm/°C）：漂移曲线斜率最大，温度变化 180 °C 时约 ±0.68 mV。

GM7401（1.35 ppm/°C）：略优，漂移减少约 10–15%。

GM7402（0.8 ppm/°C，深埋齐纳架构）：曲线几乎水平，全温区漂移仅 ±0.36 mV。

这说明随着架构演进（带隙 → 低压带隙 → 深埋齐纳复合），温度稳定性提升约 2 倍，体现 GM7402 已进入准实验室级稳定区。因为网上只有老外给 LTZ1000 的开盖图，国内只能说用了这样的架构，但是也不知道具体设计是怎么样的，但是还是蛮有参考意义的，至少看到了齐纳二极管，不是吗？