Richi´s Lab

HFO IK72 Differenzverstärker

IK72

Der IK72 ist der erste in der DDR entwickelte, monolithisch intigrierte Analogschaltkreis. Die Entwicklung erfolgte im F/E-Bereich des Halbleiterwerk Frankfurt Oder (HFO) in Stahnsdorf und lieferte 1972 erste Bauteile.
Der IK72 stellt einen Differenzverstärker inklusive Stromsenke dar, der für diverse Schaltungen genutzt werden kann. Ein integrierter Differenzverstärker hat gegenüber eines diskret aufgebauten Differenzverstärker den großen Vorteil, dass die Transistoren sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen und auch auf relativ gleichen Temperaturniveaus arbeiten.

Über den IK72 ist nur sehr wenig bekannt. Die bisher online verfügbaren Informationen beschränkten sich auf ein Schaltungsbeispiel aus einer RFE-Zeitschrift (1974/18) und einer qualitativ nicht allzu hochwertigen Aufnahme des Dies inklusive dem Versuch einer Schaltungsrekonstruktion.
Das RFE-Schaltungsbeispiel zeigt den IK72 als Differenzverstärker aus zwei Transistoren mit einem dritten, gemeinsamen Transistor an den Emittern. Der Artikel weist aber bei diesem Schaltbild auch darauf hin, dass "nur der beschaltete Teil dargestellt" wurde.
Die ältere optische Analyse des mutmaßlichen IK72 führte ebenfalls zu einem Differenzverstärker mit Stromsenke. Um die Stromsenke wären demnach zusätzlich drei Widerstände angeordnet. Es zeigte sich allerdings, dass das analysierte Bauteil gar kein IK72 war.

Das hier zu sehende Modell ist mit einer Papier-Banderole gekennzeichnet und stammt von einem Entwickler, der 1975 damit eine PLL-Schaltung entwickeln sollte. Es handelt sich folglich mit ziemlicher Sicherheit wirklich um einen IK72.

 

IK72

IK72

Die vollständige Bezeichnung lautet IK72-13 0109.

 

IK72

Das Package besitzt 12 Pins. Bei diesem Bauteil wurden einige sehr kurz abgeschnitten.

 

IK72 Aufbau

Im Inneren zeigt sich, dass 10 der 12 Pins mit dem Die verbunden wurden. Ein Pin definiert zusätzlich das Gehäusepotential.

 

IK72 Die

Die Abmessungen des Dies betragen ungefähr 700µm x 600µm.
Auf dem Die befinden sich zwei Partikel, die sich weder mit Druckluft, noch durch Spülen mit Isopropanol entfernen lassen. Eine mechanische Reinigung könnte die Bondpads beschädigen und sollte daher vorerst vermieden werden.

 

IK72 Die

Das Die beherbergt fünf Elemente, deren Funktion teilweise relativ offensichtlich ist. Rechts befinden sich zwei symmetrische Transistoren, die mit verbundenen Emittern einen Differenzverstärker darstellen. Darunter befindet sich ein weiterer Transistor, der zum Beispiel als Stromsenke verwendet werden kann.

In den Ecken des Dies sind geometrische Formen platziert, die wahrscheinlich die Positionierung der Masken erleichtern und eine Überprüfung des Fertigungsprozess ermöglichen.

 

 

 

 

IK72 Die Differenz-Transistor

IK72 Die Differenz-Transistor

Rechts sind die zwei symmetrischen Transistoren des eigentlichen Differenzverstärkers integriert. Die minimale Strukturbreite liegt im Bereich von 5µm. Die Flussspannungen der pn-Übergänge bewegen sich zwischen 0,76V und 0,78V.

 

Transistor Aufbau

Das Buch Mikroelektronik von W. Glaser und G. Kohl (1970, Naumburg) zeigt wie NPN-Transistoren zu dieser Zeit üblicherweise aufgebaut wurden. Die Konstruktion heutiger Bipolartransistoren unterscheidet sich nicht grundsätzlich.

Die Grundlage bildet ein p-dotiertes Substrat (blau). Dort wo später der Transistor entstehen soll, wird eine stark n-dotierte Schicht erzeugt (rot/weiß unten). Diese Schicht sorgt später dafür, dass das Kollektorpotential möglichst niederohmig vom Kollektoranschluss zum aktiven Bereich übertragen wird. Auf dem Substrat trägt man danach eine gleichmäßige n-dotierte Schicht auf (rot), die den eigentlichen Kollektor darstellt. Um verschiedene Transistoren und andere Elemente voneinander zu isolieren, werden tiefe, p-dotierte Rahmenstrukturen aufgebaut. Die entstehnden pn-Übergänge unterbinden ungewollte Stromflüsse über das Die. Im abgegrenzten, n-dotierten Kollektorbereich kann als nächstes eine p-dotierte Basiswanne eingebracht werden. Zuletzt erfolgt die Platzierung des n-dotierten Emitterbereichs innerhalb dieser Basiswanne.

Zwischen den beschriebenen Schritten erfolgen sehr viele Zwischenschritte, die es erst ermöglichen die einzelnen Bereiche so auszubilden, wie sie hier dargestellt sind. Dazu gehören zum Beispiel das Auftragen, das Belichten, das teilweise und das komplette Abtragen von photosensitiven Schichten, das Generieren und Abtragen von Siliziumoxidschichten und diverse andere Prozessschritte.

 

IK72 Die Differenz-Transistor

Basierend auf dem üblichen Herstellungsprozess kann man versuchen die sichtbaren Strukturen der IK72-Transistoren ihren Funktionen zuzuordnen.

Um alle aktiven Elemente ist ein zusammenhängender Rahmen zu erkennen, der höchstwahrscheinlich die p-dotierten Isolationsbereiche darstellt und sich bis zum p-dotierten Substrat erstreckt. Im Inneren befindet sich die n-dotierte Kollektorfläche. Die Kante im Bereich zwischen dieser, sicher n-dotierten, Kollektorfläche und dem äußeren Isolationsrahmen lässt sich nicht eindeutig zuordnen. Sie ist aber vermutlich auf den Fertigungsprozess zurückführen und stellt keine Änderung der Dotierung dar. Das würde bedeuten, das sich im äußeren Bereich, der im Bild nicht markiert ist, ebenfalls eine n-Dotierung befindet. Unterhalb des Kollektoranschlusses ist ansatzweise noch die stärkere n-Dotierung zu erkennen. Die stärkere n-Dotierung unterhalb des Transistors ist nicht sichtbar. Links des Kollektoranschluss befindet sich die p-dotierte Basisfläche. Diese Fläche wird zweimal kontaktiert. Das reduziert den Widerstand der Basiskontaktierung und erhöht so die maximal mögliche Schaltgeschwindigkeit. Die gleiche Anbindung wurde auch beim HF-Transistorarray SL2364 im Gould 4074 gewählt. Innerhalb der Basisfläche ist dann noch der n-dotierte Emitterbereich integriert.

 

IK72 Die Transistor

IK72 Die Transistor

Der dritte Transistor, mit dessen Hilfe sich zum Beispiel eine Stromsenke realisieren lässt, ist etwas anders aufgebaut als die Transistoren des Differenzverstärkers. Die grundsätzliche Abfolge der unterschiedlich dotierten Schichten ist die gleiche, allerdings existiert nur ein Basis-Anschluss (oben) und der Aufbau ist quadratischer, wodurch er weniger Fläche einnimmt. Höchstwahrscheinlich besitzt diese Bauform eine niedrigere Grenzfrequenz.
In seiner einfachsten Funktion steuert der Transistor nur einen konstanten Strom, wo etwas schlechtere Eigenschaften kaum relevant sind. Setzt man allerdings zwei der Differenzverstärker in einem Analogmultiplizierer ein, so können die Anforderungen an den unteren Transistor ebenso hoch sein wie an die oberen Transistoren.

 

IK72 Die Widerstand

IK72 Die Widerstand

In der oberen linken Ecke des Dies wurde über einen passend dotierten Streifen ein Widerstand integriert.

 

Widerstandskennwerte

Das bereits erwähnte Buch Mikroelektronik stellt auch typische Spezifikationen von integrierten Widerständen dar.
Widerstände lassen sich mit Hilfe des p-dotierten Basismaterials oder mit Hilfe des n-dotierten Emittermaterials realisieren. Die beiden Materialien decken verschiedene Anforderungsbereiche ab. Im BA222 sind die verschiedenen Widerstandarten real zu sehen.

 

IK72 Die Widerstand

 Die linke Zuführung der Metalllage kontaktiert neben dem Streifen des Basismaterials (blau) auch einen vermutlich stark n-dotierten Bereich (dunkelrot). Über diesen Pfad wird die n-dotierte Wanne (rot), in der sich der Widerstand befindet, auf ein definiertes Potential gelegt.
Auch hier sind zusätzliche Treppen in der Struktur erkennbar, die höchstwahrscheinlich keine spezielle Funktion darstellen und daher den Verdacht bestärken, dass sie fertigungsbedingt sind.

Die Verschaltung auf dem Die ermöglicht es den Widerstand von außen zu vermessen, wobei sich ein Wert von 2,08kΩ bestimmen lässt. In der Fläche des Widerstands finden 18 Quadrate Platz. Mit den 2,08kΩ ergibt sich somit ein spezifischer Widerstand von 116Ω/sq, was ganz gut zu den obigen Kennwerten für eine Basisdiffusion passt.

Über die Abmessungen des Widerstands kann man sogar die Belastbarkeit abschätzen. Mit einer Länge von 140µm und einer Breite von 9µm ergibt sich eine Fläche von 0,00012mm². Nach der obigen Tabelle kann man mit einer Belastbarkeit von 0,25mW bis 5,7mW rechnen. Was nach sehr wenig klingt kann an der Basis eines Transistors durchaus ausreichend sein.

 

IK72 Die Diode

IK72 Die Diode

An der Basis des unteren Transistors befindet sich zusätzlich ein als Diode verschalteter Transistor. Dass sich die Struktur wie eine Diode verhält, lässt sich relativ gut bestimmen, da sie beidseitig an Gehäusepins angebunden ist.
Genauer betrachtet ist eine dritte npn-Transistorvariante zu erkennen. Links kontaktiert die Metalllage eine dunkle Fläche, die höchstwahrscheinlich einen hochdotierten n-Bereich darstellt. Der darüber angebundene Kollektor nimmt die ganze Fläche ein. Der rechte dunkle Block besteht genauer betrachtet aus einem größeren Rechteck, in dem sich ein kleineres Rechteck befindet. Das größere Rechteck stellt die Basis dar, das kleinere Rechteck ist der Emitter des Transistors. Die Verbindung von Basis und Emitter durch die Metalllage führt dazu, dass sich die Struktur wie eine Diode verhält.

 

IK72 Die Substratanschluss

Das Substrat kontaktiert ein eigener Pin. Die exklusive Anbindung ermöglicht es das Substrat an eine niedrigeres Potential anzubinden, als im IC selbst verfügbar ist. Das führt dazu, dass sich die pn-Grenzflächen, die die Transistoren voneinander isolieren, verbreitern, in Folge weniger Leckströme fließen und sich parasitäre Kapazitäten reduzieren.

 

 

 

 

IK72 Die Übersicht

IK72 Die Verschaltung

Zusammengefasst ergibt sich die dargestellte Schaltung. Der IK72 stellt einen Differenzverstärker mit einem Transistor im Emitterpfad dar. Der Transistor Q3 kann als Stromsenke verwendet werden oder man kann ihn mit einem Signal beaufschlagen und mit einem zweiten IK72 einen Analogmutliplizierer aufbauen.

Die Basis des Transistors Q3 ist mehrfach angebunden. Der Pin 4 ermöglicht einen direkten, niederohmigen Durchgriff auf die Basis. Alternativ kann der Widerstand R1 als Basiswiderstand genutzen werden. Die Diode D1 könnte es, parallel geschaltet zum Basiswiderstand, ermöglichen das Abschalten des Transistors zu beschleunigen. Mit dieser Parallelschaltung kann mehr Strom von der Basis abfließen, die freien Ladungsträger werden schneller abgeleitet und der Transistor schaltet schneller ab.
Wahrscheinlicher ist allerdings, dass der Widerstand und die Diode in der Verschaltung als Stromsenke genutzt wurden, um den Stromwert unabhängiger von der Temperatur zu machen. Der Temperaturdrift der Diode reduziert dann bei erhöhter Temperatur die Referenzspannung an der Basis und kompensiert damit das Absinken der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q3.

 

 

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