Der HS-1135RH ist ein strahlungsresistenter Operationsverstärker, der ursprünglich von Harris Semiconductor entwickelt wurde und den mittlerweile Intersil produziert. Der Eingangswiderstand beträgt 2MΩ. Bei einer Stromaufnahme von 6,9mA bietet der HS-1135RH eine 3dB-Bandbreite von 350MHz und eine maximale Slewrate von 1,2kV/µs.
Der HS-1135RH bietet eine einstellbare Begrenzung des Ausgangspegels. Das Datenblatt zeigt den Teil der Schaltung, der diese Funktion für das obere Limit darstellt. Das Potential Vh legt über die Transistoren Qn6, Qp6, Qp5 und Qn5 fest, ab wann Strom vom Eingang des Ausgangspuffers abgeleitet wird. Zurück in den normalen Betrieb wechselt der Operationsverstärker in weniger als einer Nanosekunde.
Das Datenblatt beschreibt das im Package enthaltene Die genauer. Auch die obere Metalllage ist dort abgebildet. Demnach wurden 89 Transistoren auf einer Fläche von 1,50mm x 1,48mm integriert. Der dafür verwendete Prozess lautet UHF-1. Dabei kommt ein sogenannter bonded Wafer mit dielektrischer Isolation zum Einsatz. Der spezielle Aufbau verhindert, dass freie Ladungsträger, die durch Strahlung entstehen können, zu einem Latchup führen.
Eine Beschreibung des UHF-1 Prozesses findet sich in der Veröffentlichung "UHF-1: A High Speed Complementary Bipolar Analog Process on SOI" aus dem IEEE Bipolar Circuits and Technology Meeting von 1992. Der Prozess bietet zwei Polysilizium- und zwei Metalllagen. Besonders herausgehoben werden die leistungsfähigen PNP-Transistoren. Die Grenzfrequenz der NPN-Transistoren liegt typischerweise bei 9GHz, die Grenzfrequenz der PNP-Transistoren liegt bei 5,5GHz. Der Verstärkungsfaktor wird mit 100 (NPN) und 40 (PNP) angegeben.
Die Veröffentlichung zeigt den Aufbau eines PNP-Transistors, der hier zum besseren Verständnis nachkoloriert wurde. Die Grundlage bilden zwei Wafer, die über eine isolierende Oxidschicht miteinander verbunden sind. In den oberen Wafer wird zuerst eine starke p-Dotierung eingebracht, wo sie später als Kollektorzuleitung fungiert (dunkelrot).
Die stark dotierte und entsprechend niederohmige Kollektorzuleitung ist eine wichtige Voraussetzung, um PNP-Transistoren mit guten elektrischen Eigenschaften aufbauen zu können. Bei älteren DI-Prozessen war es nicht möglich eine tief liegende, starke p-Dotierung zu integrieren. Der IEEE-Veröffentlichung nach lag das daran, dass eine solche p-Dotierung früher im Prozess hätte eingebracht werden müssen. Die folgenden Prozessschritte mit ihren hohen Temperaturen würden dann zu einer unvorteilhaften Verteilung der Dotierung führen.
Im UHF-1 Prozess erfolgt nach dem Einbringen der Kollektorzuleitung die epitaktische Abscheidung eine schwächer p-dotierte Schicht, die später den Kollektorbereich darstellt (rot). Erst nach diesem Schritt wird die Isolation der aktiven Bereiche komplettiert. Dazu erzeugt ein Prozess tiefe Gräben, die bis zur Isolationsschicht zwischen den Wafern führen. Die Gräben werden mit Siliziumoxid ausgekleidet und mit Polysilizium aufgefüllt.
Die epitaktisch aufgetragene Kollektorschicht wird um den aktiven Bereich des Transistors herum ein Stück weit herunter geätzt und mit einer dicken Oxidschicht aufgefüllt. Diese Maßnahme reduziert die Basis-Kollektor-Kapazität und die Basis-Substrat- Kapazität. Die erste Polysiliziumlage (gelb) enthält eine n-Dotierung, die man als Basiszuleitung in das darunter liegende Silizium diffundieren lässt (dunkelblau). In den aktiven Bereich wird danach die eigentliche Basisdotierung eingebracht (hellblau). Die Transistorstruktur ist auf Grund des Aufbaus selbstjustierend ("self-aligned").
Die Emitterdotierung (dunkelrot) bringt die zweite Polysiliziumlage (dunkelgelb) mit sich, die auf die Basisschicht aufgebracht wird. Ein NPN-Transistor ist abgesehen von den invertierten Dotierungen genauso aufgebaut.
Neben zwei Metalllagen (hellgrün/dunkelgrün) bietet der Prozess UHF-1 auch abgleichbare NiCr-Widerstände.
Im Gehäuse findet sich neben dem Die ein kleiner Quader, der es vereinfacht den Boden des Gehäuses und damit das Substrat zu kontaktieren. Dieser Kontakt ist hier besonders wichtig, da das Substrat ansonsten isoliert wäre und ein undefiniertes Potential aufweisen würde.
Ganz oben an der Kante des Dies meint man eine Schicht zu erkennen, die ungefähr 10µm hoch ist. Wahrscheinlich handelt es sich um den oberen, isolierten Bereich des Wafers. Beim OPA627 scheint die isolierte Schicht 20µm hoch zu sein.
Die Schaltung ist noch relativ übersichtlich aufgebaut.
In der rechten oberen Ecke findet sich das Logo von Harris Semiconductor. Die Zahl 93 steht wahrscheinlich für das Jahr 1993, ein Jahr nach der IEEE-Veröffentlichung. 50749A03 könnte eine interne Bezeichnung des Designs sein. 21C, 22B und 23B scheinen die Maskenbezeichnungen und -revisionen für die beiden Metalllage und die Durchkontaktierungen dazwischen zu sein. SRJ und RJD könnten Kürzel der Entwickler sein.
Die verschiedenen Muster an der oberen Kante des Dies zeigen, dass bei der Fertigung sehr viele Masken zum Einsatz kamen. Die Muster ermöglichen es die Ausrichtung der Masken zueinander zu überprüfen.
Die beiden Teststrukturen in der unteren rechten Ecke des Dies stellen mit Sicherheit einen NPN- und einen PNP-Transistor dar. Optisch lassen sich die Strukturen gerade noch erahnen. Die vielen Schichten erzeugen eine unregelmäßige Oberflächenstruktur, die es erschwert die relevanten Konturen zu erkennen.
Ein großes Testpad ist extra mit "NO BOND" gekennzeichnet. Von dort führt eine Leitung über den Umfang des Dies herum zum negativen Versorgungspotential. In der oberen rechten Ecke befinden sich in dieser Leitung zwei orthogonal angeordnete Widerstände. Über den Zweck dieser langen Leitung kann man nur spekulieren. Vielleicht wird der Pfad genutzt, wenn Widerstände abgeglichen werden.
In der unteren linken Ecke sind zwei Widerstände integriert, die sich über Testpunkte vermessen lassen.
Auch wenn sich die Schaltung auf Grund der zwei Polysilizium- und der zwei Metalllagen nur schwer im Detail analysieren lässt, so kann man doch ganz gut erahnen, dass sich der eigentliche Operationsverstärker in der Mitte des Dies befindet. Es scheint sich um den klassischen Aufbau zu handeln, bei dem die Schaltung symmetrisch um die Mitte herum angeordnet ist. Rechts sind die größeren Endstufentransistoren zu erkennen. Etwas weiter links sind zwei Kondensatoren integriert, die höchstwahrscheinlich die Frequenzkompensation realisieren.
Einen großen Teil der Fläche nimmt ein Widerstandsarray ein, das höchstwahrscheinlich für einen Offset-Abgleich genutzt wird. Teilweise sind Spuren eines Abgleichprozesses zu erkennen.
An den Signaleingängen und den Clampingeingängen sind überraschend große Schutzstrukturen integriert.
