Richi´s Lab

KA601 PCM30-Regenerator / HFO IA60

KA601 auf IA60

Auf dem hier vorliegende Die ist eine frühe Version des KA601 integriert. Der KA601 stellt mit dem KA602 einen sogenannten PCM30-Regenerator dar, einen Repeater für das pulsmodulierte Datenübertragungssystem PCM30. Entwickelt wurden die Bausteine im Institut für Nachrichtentechnik Berlin. Sehr viele Hintergrundinformationen zum KA601 und vor allem seiner Entwicklung sind auf der Webseite von Dr. G. Heinz zu finden.

Das Die ist 2,6mm x 3,0mm groß. Mittig befand sich ein Lacktropfen, der das Die als Ausschuss markierte.

Das Besondere am KA601 ist die Tatsache, dass es sich um den ersten ASIC der DDR handelt. Grundlage war der IA60 aus dem Halbleiterwerk Frankfurt Oder. Der IA60 ist ein sogenannter Master Slice IC, der einer Vielzahl von Transistoren und Widerständen enthält, aber noch keine Metalllage besitzt. Um daraus einen spezifischen Schaltkreis zu entwickeln, strukturiert man die Metalllage so, dass sie die gewünschten Verbindungen zwischen den Komponenten erzeugt.
Die Anzahl und die Platzierung der Transistoren und Widerstände ist mit dem Aufbau des Master Slice ICs festgelegt. Das ist bei der Entwicklung einer Schaltung oftmals hinderlich und führt dazu, dass die Siliziumfläche nicht optimal ausgenutzt wird. Diese Art der ASIC-Entwicklung bietet aber gleichzeitig einige Vorteile. Der Master Slice IC kann in hohen Stückzahlen produziert werden, was die Kosten senkt. Außerdem setzt man bei jeder neuen Entwicklung auf einem erprobten Prozess auf. Die Eigenschaften der einzelnen Komponenten sind bereits zu Beginn der Entwicklung sehr gut dokumentiert. Mit dieser Grundlage und da nur noch die Maske der spezifischen Metalllage erzeugt werden muss, kann die Entwicklungszeit für neue Schaltkreise merklich reduziert werden.
Eine modernere Version dieses Konzepts findet sich beim Operationsverstärker OPA676.

 

IA60 Aufbau

Die sogenannte Kundeninformationsschrift "Das HFO-ISA-System" listet die verschiedenen Varianten der IA-Reihe auf. Der IA60 ist das größte Modell mit insgesamt 463 einzelnen Elementen.

 

KA601 Detail

Im oberen Bereich des Dies befindet sich die Bezeichnung KA601 und ein stilisiertes Telefon.

 

KA601 Detail

An der linken Kante sind fünf Masken mit einer Revision 1 abgebildet. In der oberen Zahlenreihe meint man eine sechste Zahl erkennen zu können. Oberhalb der Zahlen befinden sich die Umrisse weiterer Zeichen. An dieser Stelle wurde später die Bauteilbezeichnung und die Revision des Designs festgehalten.

Bei der Herstellung dürfte ein ähnlicher Prozess zum Einsatz gekommen sein, wie er im Rahmen des IK72 aufgezeigt wurde. Man würde demnach mindestens sechs Masken erwarten: Eine Maske strukturiert die stark n-dotierten, später verdeckten Schichten, die bei npn-Transistoren als Kollektorzuleitungen dienen. Nach dem vollflächigen Auftrag einer schwächer n-dotierten Schicht erfolgt mit einer zweiten Maske die Strukturierung von isolierten Bereichen. Dazu werden in die n-dotierte Schicht p-dotierte Rahmen eingebracht und bis zum p-dotierten Substrat vorgetrieben. Eine dritte Maske generiert p-dotierte Basisflächen, in denen eine vierte Maske stark n-dotierte Emitterbereiche einbringt. Zuletzt erzeugt eine fünfte Maske Durchkontaktierungen und eine sechste Maske strukturiert die Metalllage.

 

KA601 Detail

Im rechten Bereich befinden sich die Kürzel der zwei Entwickler.

 

KA601 npn vertical

KA601 npn vertical

Wo Bauelemente nicht kontaktiert wurden, lassen sich die einzelnen Strukturen und ihre Funktionen gut identifizieren. Hier ist ein einfacher, vertikaler npn-Transistor zu sehen. Der Transistor befindet sich in einer n-dotieren Fläche, die den Kollektor darstellt. Die Fläche ist von p-dotiertem Material umgeben. Es ergibt sich eine Sperrschicht, die den Transistor von anderen Schaltungsteilen isoliert. Innerhalb der Rahmenstruktur sind die Kanten eines Rechtecks zu erkennen. Hierbei handelt es sich um die tiefer liegende, stark n-dotierte Schicht, die eine niederohmige Zuleitung zum aktiven Bereich des Kollektors darstellt. An der oberen und der unteren Kante befinden sich rote, stark n-dotierte Streifen, die als niederohmige Kontaktierungen des Kollektors dienen. In den Ecken sind vier Durchkontaktierungen platziert, über die der Kollektor in die Schaltung eingebunden werden kann.

Das mittige, dunkelgrüne Rechteck ist p-dotiert und stellt den Basisbereich dar, der eine Durchkontaktierung besitzt.

Innerhalb des Basisbereichs ist der stark n-dotierte Emitter mit einer Durchkontaktierung integriert. Während der Ausbildung des Emitters wird auch die starke n-Dotierung des Kollektoranschlusses in das Die eingebracht.

Auf dem Master Slice IC ist die Platzierung der Transistoren und Widerstände fest vorgeben. Da zur Verschaltung der Bauelemente nur eine Metalllage zur Verfügung steht, ist es sehr hilfreich, dass der npn-Transistor vier Kollektoranschlüsse bietet. Die hochdotierte Kollektorzuleitung kann zur Unterquerung anderer Metallleitungen genutzt werden.

 

KA601 npn power

KA601 npn power

KA601 npn power

Neben den kleinen npn-Transistoren bietet das Die auch vier npn-Leistungstransistoren. Der Aufbau ist grundsätzlich der gleiche. Zwei große Durchkontaktierungen legen stark n-dotierte Bereiche auf der Kollektorfläche frei. Den Rahmen der tiefer liegenden Kollektorzuleitung ist am linken Rand noch ansatzweise zu erkennen.

Innerhalb des n-dotierten Kollektorbereichs befindet sich der p-dotierte Basisbereich, der über zwei große Kontaktflächen in die Schaltung eingebunden werden kann.

Innerhalb der Basisfläche befinden sich wiederum sechs stark n-dotierte Emitterbereiche, die vollflächige Durchkontaktierungen bieten.

 

KA601 pnp lateral

KA601 pnp lateral

Das Die bietet außerdem laterale pnp-Transistoren. Die n-dotierte Fläche, die bei npn-Transistoren als Kollektor dient, wird bei diesem pnp-Transistortyp als Basis genutzt. Die tiefer liegende, stark n-dotierte Schicht dient hier entsprechend der niederohmigen Weiterleitung des Basispotentials.

Die p-Dotierung, die bei npn-Transistoren die Basis darstellt, wird im pnp-Transistor sowohl für die Kollektor- als auch für die Emitterfläche genutzt. Während bei den vertikalen npn-Transistoren der aktive Basisbereich sehr dünn ist, ergibt sich bei einem lateralen pnp-Transistor eine sehr breite Basis. Dieser Aufbau ist der Grund für die schlechteren Eigenschaften eines lateralen pnp-Transistors.

Bei den pnp-Transistoren des IA60 können die zwei Basiskontakte genutzt werden, um eine Leitung der Metalllage zu unterqueren. Die beiden Kollektorkontakte C1 und C2 sind dagegen voneinander isoliert. Das bietet allerdings einen anderen Vorteil. Man kann einen Kollektor mit der Basis verbinden und erhält auf einer verhältnismäßig kleinen Fläche einen einfachen Stromspiegel.

 

KA601 pnp substrat

KA601 pnp substrat

Neben den lateralen pnp-Transistoren bietet das Die auch vertikale pnp-Transistoren, die in Bezug auf die Stromverstärkung und die Grenzfrequenz sehr viel bessere Eigenschaften aufweisen. Nachteilig ist dabei allerdings, dass der Kollektor fest mit dem Substrat also dem negativen Versorgungspotential verbunden ist.

Die vertikalen pnp-Transistoren basieren wie die lateralen pnp-Transistoren auf einer n-dotierten Basisfläche. Dieser Bereich wird über eine starke n-Dotierung kontaktiert. Die tiefer liegende, stark n-dotierte Schicht fehlt hier, da sich zwischen der oberen, n-dotierten Fläche und dem p-dotierten Substrat die Basis-Kollektor-Grenzfläche ausbilden soll.

In der n-dotierten Schicht ist ein p-dotierter Bereich eingebracht, der den Emitter darstellt. Die aktiven Flächen zwischen Emitter und Basis und zwischen Basis und Kollektor sind größer und die Abstände kleiner als bei einem lateralen pnp-Transistor. Beides wirkt sich positiv auf die Stromverstärkung und die Grenzfrequenz aus.

Der Kollektoranschluss kontaktiert zwei Flächen. Die den ganzen Transistor umgebende Fläche ist der stark p-dotierte Isolationsbereich, der einen niederohmigen Kontakt zum Substrat herstellt. Im oberen Teil des Transistors wurde ein weniger stark p-dotierter Bereich integriert. Es handelt sich dabei um das gleiche Material, das auch den Emitter abbildet. Dieser Bereich optimiert wahrscheinlich die Eigenschaften des Transistors. Das Substrat ist relativ schwach p-dotiert, was für den Kollektor eines Transistors wünschenswert ist. Höhere Dotierungen reduzieren die Sperrspannung. Die Isolationsflächen sind stark p-dotiert. Würde man sie zu nah an den aktiven Bereich des Transistors heranführen, so wäre die Sperrspannung wahrscheinlich nicht ausreichend. Der schwächer p-dotierte Bereich an der oberen Kante sorgt vermutlich für eine niederohmigere Anbindung des Kollektors, reduziert aber die Sperrspannung nicht allzu sehr.

 

KA601 resistor

Um mit wenig Aufwand möglichst unterschiedliche Widerstände darstellen zu können, wurden auf dem IA60 Widerstandsstreifen mit mehreren Kontakten integriert. Die Widerstandsstreifen bestehen aus dem p-dotierten Material, dass bei den npn-Transistoren den Basisbereich ausbildet. Die Streifen befinden sich in einem n-dotierten Bereich, wodurch sich eine Sperrschicht ausbildet, die die einzelnen Widerstände voneinander isoliert.

 

KA601 jumper

KA601 jumper

Um sicher zu stellen, dass sich zwischen den Widerständen eine stabile Sperrschicht ausbildet, wird die n-dotierte Fläche mit dem höchsten Potential der Schaltung, üblicherweise dem positiven Versorgungspotential, verbunden. Dazu ist in die n-dotierte Fläche ein stark n-dotierter Streifen eingelassen. Der Streifen kontaktiert die tiefere, stark n-dotierte Fläche, die das Potential niederohmig zu allen Widerständen transportiert.

 

KA601 pinch resistor

KA601 pinch resistor

Für höhere Widerstandswerte sind auf dem IA60 sogenannte Pinch-Widerstände integriert. Die Grundlage ist auch hier ein p-dotierter Streifen in einer n-dotierten Fläche. Über den Widerstandsstreifen ist eine rote, stark n-dotierte Fläche aufgebracht, die den wirksamen Querschnitt reduziert und so den Widerstand erhöht.

Die rote, stark n-dotierte Fläche ist mit der umgebenden n-dotierten Fläche verbunden. Das Potential dieser Flächen muss immer mit dem positiveren Potential des Widerstands verbunden sein, damit die pn-Übergänge nicht leitend werden. Aus diesem Grund ist der Kontakt R1 zweigeteilt. Er realisiert die Verbindung zum p-dotierten Widerstandsstreifen und kontaktiert gleichzeitig über einen stark n-dotierten Bereich die n-dotierte Fläche und den Pinch-Bereich. In der Schaltung muss dann sichergestellt sein, dass der Kontakt R1 immer positiver ist als der Kontakt R2.

 

IA60 Bauteilspezifikationen

Die bereits erwähnte HFO-Kundeninformationsschrift listet die Eigenschaften der aktiven Elemente auf. Hier werden die schlechteren Eigenschaften der pnp-Transistoren deutlich. Die Grenzfrequenz liegt bei nur 7MHz gegenüber den 300MHz der npn-Transistoren. Die Stromverstärkung wird mit 10-50 angegeben. Die lateralen pnp-Transistoren befinden sich sicher am unteren Ende dieser Spanne. Eine Stromverstärkung von 50 erreichen höchstens die Substrat-pnp-Transistoren. Die npn-Transistoren bieten dagegen eine Verstärkung von 50-200.

 

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