Richi´s Lab

National Semiconductor LM306

LM306H

LM306H

Der LM306 ist ein Operationsverstärker, der darauf optimiert wurde als schneller Komparator zu arbeiten und so Schaltzeiten von typischerweise 28ns ermöglicht. Die Lowside-Endstufe am Ausgang kann laut Datenblatt Ströme bis zu 10mA zur Masse ableiten. Der Überstromschutz spricht allerdings frühestens bei 175mA an. Diese Angabe und ein Applikationsbeispiel in dem der LM306 eine Glühlampe treibt, lassen vermuten, dass die 10mA ein Schreibfehler sind und der zulässige Strom eher bei 100mA liegt. Texas Instruments spezifiziert 100mA. Die maximal zulässige Sperrspannung liegt mit 24V weit oberhalb der Versorgungsspannung, die bis zu +15V betragen darf. Der LM306 benötigt eine negative Versorgungsspannung, die sich allerdings zwischen -3V und -15V bewegen darf. Zwei sogenannte Strobe-Eingänge ermöglichen es den Ausgang zu deaktivieren.

Prinzipiell kann man jeden Operationsverstärker als Komparator nutzen, indem man auf eine Rückkopplung verzichtet. Das führt allerdings dazu, dass die Verstärkerstufen maximal ausgesteuert werden, also die Transistoren in Sättigung arbeiten. Wechselt die Spannung an den Eingängen ihre Polarität, so benötigt der Operationsverstärker eine nicht unerhebliche Zeit die voll ausgesteuerten Transistoren wieder zu sperren und damit den Ausgang umzuschalten. Außerdem reduziert der immer enthaltene Kompensationskondensator die maximal mögliche Schaltgeschwindigkeit. Ein Komparator ist derart optimiert, dass er sehr schnell schalten kann, dafür eignet er sich nicht mehr für den Einsatz als Operationsverstärker mit Rückkopplung.

 

LM306H Die

Das Die besitzt die Abmessungen 1,1mm x 0,8mm und trägt die Bezeichnung 106. Der LM106 ist die etwas enger spezifizierte Variante des Komparators. Bei der Herstellung kamen sechs Masken zum Einsatz. Die Kennzeichnung mit einem A lässt darauf schließen, dass der Maskensatz bis zum Zeitpunkt der Herstellung dieses Teils nicht überarbeitet werden mussten. Das E mit dem Unterstrich passt nicht ins Bild. Es könnte das Logo eines Entwicklers sein. Eines der unteren Bondpads zeigt deutlich eine Beschädigung. Es scheint, dass hier der erste Bondvorgang fehlschlagen ist.

 

LM306H Schaltplan

Das Datenblatt enthält einen detaillierten Schaltplan. Am Eingang befindet sich ein Differenzverstärker bestehend aus einer Stromsenke (gelb), zwei Eingangstransistoren und zwei Kollektorwiderständen (orange). Die negative Versorgung wird nur für die gelbe Stromsenke benötigt, was auch erklärt, warum die Spannung zwischen -3V und -15V liegen darf. Die Transistoren Q3/Q4 (blau/rosa) puffern das Ausgangssignal des Differenzverstärkers. Die Z-Diode D1 generiert ein lokales Bezugspotential.

Der Transistor Q4 (rosa) steuert den Treibertransistor Q7 der Endstufe (rot). Die beiden Strobe-Eingänge können den Steuerstrom des Treibertransistors ableiten und so den Ausgang deaktivieren. Die Treiberstufe um den Transistor Q7 steuert den Endstufentransistor Q10. Im Emitterpfad des Endstufentransistors befindet sich der Überstromschutz (grün). Der Spannungsabfall am Widerstand R7 aktiviert bei Bedarf den Transistor Q11 und leitet dessen Treiberstrom ab. Der graue Schaltungsteil liefert einen Pull-Up-Strom, der für einen sauberen High-Pegel am Ausgang sorgt.

Der dunkelgrüne Schaltungsteil oberhalb des orangen Differenzverstärkers sorgt dafür, dass die Transistoren im Signalpfad nicht zu stark ausgesteuert werden und in Sättigung gehen. Die Ströme durch die Transistoren Q3/Q4 reduzieren über die dunkelgrüne Schaltung den Stromfluss in den Differenzverstärker, so dass die Transistoren im linearen Bereich bleiben und bei Bedarf schnell umschalten können.

Der türkise Schaltungsteil dient dazu die Treiberstufe in einem optimalen Arbeitspunkt zu halten. Wird der Transistor Q7 ausgesteuert, so aktiviert dieser den Endstufentransistor Q10. Der Low-Pegel am Ausgang sorgt für einen gewissen Stromfluss über den türkisen Schaltungsteil, was die Aussteuerung des Transistors Q7 wieder etwas reduziert.

 

LM306H Die Schaltungsteile

Die einzelnen Komponenten des Schaltplans lassen sich problemlos auf das Die übertragen.

 

LM306H Die Masken

LM306H Die Detail Transistor

Die abgebildeten Masken lassen sich mit einem Blick auf die Transistoren relativ problemlos den Fertigungsprozessen zuordnen (siehe dazu auch die Analyse des Differenzverstärkers IK72). Das grundlegende Substrat ist p-dotiert. Darauf installiert man mit der ersten Maske (braunes A) stark n-dotierte Bereiche, die später niederohmige Kollektorzuleitungen darstellen. Bei den Transistoren ist diese unterste Struktur nur noch als Kontur zu erahnen.

Das Die wird dann vollflächig mit einer n-dotierten Schicht überzogen. Die zweite Maske (dunkelgrün) formt mit einer starken p-Dotierung Rahmenstrukturen, die die einzelnen Komponenten der Schaltung aufnehmen. Die Rahmenstrukturen erstrecken sich bis zum p-dotierten Substrat, so dass sich isolierende Wannen ausbilden.

Die hellgrüne Maske bringt oberhalb der vergrabenen, stark n-dotierten Schicht eine p-dotierte Basisfläche auf. Die Basisfläche ist beim hier dargestellten Transistor etwas breiter, erstreckt sich aber selbstverständlich nicht bis zum rechten Kollektoranschluss. Zwischen der Basisfläche und der vergrabenen, stark n-dotierten Schicht befindet sich ein Rest der vollflächig aufgetragenen, n-dotierten Schicht, die den eigentlichen Kollektor darstellt.

Über die rötliche Maske wird in die Basis-Fläche eine starke n-Dotierung eingebracht, die als Emitter fungiert. Dieselbe n-Dotierung wird auch verwendet, um die vergrabene Kollektorzuleitung niederohmig zu kontaktieren. Die Umrisse dieses Bereichs sind oberhalb des Kollektoranschlusses zu erkennen.

Die Maske, deren Revision unten rechts abgebildet ist, definiert die Durchkontaktierungen durch die schützende Siliziumoxidschicht, bevor die letzte Maske die Metalllage strukturiert. In der Metallage sind gerade so die Konturen der Durchkontaktierungen zu erkennen. Interessant ist die fleckige Struktur innerhalb des Buchstaben, der für die Maske der Durchkontaktierungen steht. Es könnte sich dabei um Korrosionserscheinungen handeln. An dieser Stelle fehlt sowohl die Siliziumoxidschicht als auch die Metalllage, so dass das darunter liegende Silizium freiliegt.

 

LM306H Die Detail Output Transistor

Der Endstufentransistor nimmt auf Grund seiner höheren Stromtragfähigkeit sehr viel mehr Fläche ein als die kleinen Transistoren innerhalb der Schaltung. Um die Stromtragfähigkeit darstellen zu können, besteht der Endstufentransistor aus 12 parallel geschalteten Emitter-Flächen. Auf Emitterwiderstände konnte wahrscheinlich wegen der Konzentration auf einer verhältnismäßig kleinen Fläche verzichtet werden. Die beidseitige Kollektoranbindung sorgt für eine relativ gleichmäßige Stromzuführung. An der linken unteren Ecke ist mit einer kleinen p-Dotierung die Diode D6 in den braunen, n-dotierten Kollektorbereich integriert.

Bemerkenswert ist der zusätzliche Rahmen des Endstufentransistors. Die Spannungsversorgung des LM306 darf maximal +/-15V betragen. Das bedeutet, dass für fast alle Transistoren eine Spannungsfestigkeit von etwas mehr als 15V ausreichend ist. Am Endstufentransistor sind allerdings bis zu 24V zulässig. Das hohe Potential liegt an der Kollektorfläche an, die deswegen extra isoliert werden musste. Auf der üblichen Isolation mit der starken p-Dotierung befindet sich ein breiterer Rahmen des p-dotierten Basismaterials. Das dürfte bis zu einer gewissen Tiefe zu einer erhöhten Spannungsfestigkeit führen, da sich neben dem Isolationsrahmen ein Bereich mit einer schwächeren p-Dotierung ausbildet. Eine schwächere Dotierung führt bei pn-Übergängen üblicherweise zu höheren Spannungsfestigkeiten. Die tieferen Bereiche sind zwar noch genauso aufgebaut wie bei den kleineren Transistoren. In diesen Bereichen ist die Dotierung der Isolationsrahmen aber prozessbedingt niedriger, da sie von oben in das Silizium eindiffundiert. Entsprechend ergibt sich im unteren Bereich sowieso eine höhere Spannungsfestigkeit.

Die starke n-Dotierung der Emitterbereiche und der Kollektorkontaktierung wird hier dunkelgrün abgebildet, was nicht zur Farbe der obigen Maskenrevisionen zu passen scheint. Dabei ist zu bedenken, dass sich die Farben nicht durch die tatsächlichen Farben der Schichten ergeben, sondern durch Resonanzen innerhalb der dünnen Schichten. Unterschiedliche Schichtdicken, auch der darüber und der darunter liegenden Schichten, können entsprechend bei gleichen Materialien zu unterschiedlichen Farben führen. Dieser Zusammenhang ist auch beim folgenden Doppeltransistor Q3/Q6 gut zu erkennen.

 

LM306H Die Detail Dual-Transistor

Da die Kollektoren der Transistoren Q3 und Q6 elektrisch miteinander verbunden sind, wurden sie in eine gemeinsame Kollektorfläche integriert. Die vergrabene stark n-dotierte Schicht erstreckt sich entsprechend über die aktiven Bereiche beider Transistoren. Kontaktiert wird die Kollektorzuleitung ganz rechts. Der Transistor Q3 besitzt links eine stark n-dotierte Kollektor-Kontaktfläche, die allerdings nicht genutzt wird. Hier zeigt sich, dass diese starke n-Dotierung auf der weniger n-dotierten Fläche derart rot erscheint, wie sie sich auch bei den Maskenrevisionen darstellt. Wo die starke n-Dotierung die vergrabene Schicht überlappt ändert sich die Farbe bereits wieder leicht.

Zwei p-dotierte Basisflächen bilden die beiden Transistoren Q3 und Q6 aus. Im Transistor Q3 befindet sich ein stark n-dotierter Emitter. Im Transistor Q6 sind Basis und Kollektor miteinander verbunden. Die Metalllage verdeckt die Details des Kontaktbereichs.

 

 

LM306H Die Schäden

LM306H Die Schäden Detail

Der geöffnete LM306 wurde sieben Monate bei nicht kontrollierten aber recht moderaten Umgebungsbedingungen gelagert (15-25°C, <60% r.F.). Das hat anscheinend ausgereicht, dass es zu einer vollflächigen Korrosion des Bausteins kam. Abgesehen vom äußeren Rand haben sich auf dem kompletten Die kleine Punkte gebildet. Der Halbleiter ist eigentlich mit einer Siliziumoxidschicht vor Umwelteinflüssen geschützt. Wie beim MAA723 deutlich zu sehen ist, kann diese Schicht aber durchaus Schäden aufweisen. Wahrscheinlich entstanden beim vorliegenden LM306 über die Jahre ähnliche Schäden, die mit der vorliegenden Bildqualität nicht sichtbar sind, aber bereits einen Stoffaustausch mit der Umgebung ermöglichen. Vermutlich war die Atmosphäre im Gehäuse ausreichend inert, dass darin noch keine Schäden entstanden.

 

 

LM306H Die Leuchten

Wie beim UA723 kann man auch beim LM306 im Betrieb den Leuchteffekt der aktiven Z-Dioden erkennen.

 

LM306H Die Leuchten schaltend

Bringt man den Baustein mit einem langsamen Rechtecksignal dazu zwischen High und Low umzuschalten, so zeigen sich die unterschiedlichen Strompfade in den beiden logischen Zuständen (Video des Ablaufs).

Von oben nach unten leuchten hier die Z-Dioden D1, D2 und D3.

 

LM306H Schaltplan

Dass sich nicht ein einfacher "Wechselblinker-Effekt" ergibt, erklärt sich mit einem Blick auf den Schaltplan. Gibt der LM306 einen Low-Pegel aus, so sorgt ein Steuerstrom dafür, dass der Transistor Q7 leitend wird. Der Stromfluss durch diesen Treiberpfad lässt die Z-Diode D3 aufleuchten. Der Low-Pegel am Ausgang führt außerdem zu einem verhältnismäßig hohen Stromfluss über den Pfad Q8/D2/D6, der die Z-Diode D2 aufleuchten lässt. Des Weiteren sorgt der Low-Pegel am Ausgang dafür, dass aus dem Transistor Q9 ein verhältnismäßig hoher Strom fließt. Das reduziert den Stromfluss über D1, die entsprechend etwas dunkler leuchtet.

Gibt der LM306 einen High-Pegel aus, so sperrt der Transistor Q7 und der Leuchteffekt in der Z-Diode D3 verschwindet. Genau genommen fließt auch in diesem Zustand ein minimaler Strom durch die Treiberstufe. Wie beschrieben, sorgt das dafür, dass der Komparator schnell wieder umschalten kann. Der Strom ist allerdings so klein, dass er die Z-Diode D3 nicht zum Leuchten bringt. Der minimale Ruhestrom im Treiberpfad verursacht im Endstufenpfad über den Verstärkungsfaktor des Transistors Q10 einen etwas höheren Ruhestrom durch die Z-Diode D2, die entsprechend auch bei einem High-Pegel am Ausgang noch leuchtet, wenn auch dunkler. Der High-Pegel am Ausgang reduziert den Stromfluss über Q9 erheblich, was wiederum mehr Strom über die Z-Diode D1 abfließen lässt, die entsprechend heller leuchtet.

 

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