Richi´s Lab

HFO DL020D

DL020D

Der im Halbleiterwerk Frankfurt Oder produzierte DL020D enthält zwei NAND-Gatter mit jeweils vier Eingängen. Er entspricht einem 74LS20. Als Low Power Schottky TTL sollte der DL020 ähnlich schnell, aber stromsparender schalten als der D220, der ebenfalls zwei NAND-Gatter mit vier Eingängen enthält. U1 steht für eine Produktion im Januar 1986.

 

DL020D Die

Die Abmessungen des Dies betragen 1,1mm x 1,0mm. Der symmetrische Aufbau ist ebenso deutlich zu erkennen, wie die große Menge ungenutzter Elemente. Das Design war offensichtlich darauf ausgelegt mit einem Wechsel der Metalllage andere Logikbausteine darstellen zu können.

 

DL020D Die Analyse

DL020D Die Analyse

DL020D Die Analyse

DL020D Schaltplan

Mit dem Hintergrundwissen wie eine 74LS-Logikschaltung üblicherweise aufgebaut ist, lässt sich die Schaltung des DL020 einigermaßen problemlos aus den Strukturen herauslesen. Die Dioden D1-D4 isolieren die Eingänge gegeneinander. Da sie sich im Signalpfad befinden, kommen Schottky-Dioden zum Einsatz, die schnelle Schaltzeiten bieten. Bei den Dioden D5-D8 scheint es sich um normale Dioden zu handeln. Sie schützen die Schaltung vor negativen Potentialen.

Liegt an keinem Eingang ein Low-Pegel an, so sorgt der Widerstand R1 für einen High-Pegel, der damit den Transistor Q5 durchsteuert. Q5 ist ein Schottky-Transistor. Eine Schottky-Diode zwischen Basis und Kollektor sorgt dafür, dass der Transistor nicht in Sättigung geht und damit schneller wieder sperren kann. Trotz der Schottky-Diode besitzt der Transistor zusätzlich einen Widerstand zwischen Basis und Emitter, über den die freien Ladungsträger aus dem aktiven Bereich abfließen können.

Am Transistor Q5 werden die Potentiale abgegriffen, die in der Endstufe den Highside- und den Lowsidetransistor aussteuern. Der Highsidetransistor ist eine Darlingtonschaltung aus den Transistoren Q7 und Q8. Dabei ist Q7 ein Schottky-Transistor, der schnelle Abschaltzeiten garantiert. An der Stelle von Q8 ist dann ein normaler Transistor ausreichend. Auch hier sind Basis-Emitter-Widerstände integriert (R6/R7). Der Widerstand R8 ist notwendig, da beim Umschalten kurzzeitig Lowside- und Highsidetransistor gleichzeitig leitend werden. In diesem Zeitraum sollte der Strom begrenzt werden.

Q9 ist der Lowside-Transistor, der am Ausgang den Low-Pegel darstellt. Auch hier handelt es sich um einen Schottky-Transistor. Auffällig ist das überraschend komplexe Netzwerk R3/R4/Q6, das sich auch in den 74LS-Logikbausteinen anderer Hersteller findet, aber selten genauer beschrieben wird. Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q6 sorgt wahrscheinlich für ein schnelleres Einschalten des Lowside-Transistors Q9.

 

DL020D Die Detail Analyse

Auch wenn die Bildqualität nicht ideal ist, so kann man mit etwas Hintergrundwissen zum üblichen Aufbau eines 74LS-Logikbausteins auf die Funktion der einzelnen Bereiche schließen. (Siehe dazu auch den typischen Aufbau eines Transistors im Rahmen des IK72.) Hier sind zwei der Eingangsstrukturen zu sehen, links ungenutzt, rechts kontaktiert. Von unten wird das Eingangssignal zugeführt, die horizontal verlaufende Leitung ist an das Massepotential angebunden. Am oberen Kontakt werden die Eingänge zusammengefasst.

Man könnte meinen das es sich hier um einen Transistor handelt, es ist allerdings keine Basisfläche zu erkennen, in der sich zwei der drei Kontakte befinden müssten. Stattdessen scheinen der obere und der untere Kontakt mit der n-dotierten Fläche verbunden zu sein. Der untere Kontakt ist dabei deutlich schlanker ausgeführt. Mit dem Hintergrundwissen, dass sich an den Eingängen einer 74LS-Logik üblicherweise Schottky-Dioden befinden, sind diese Strukturen durchaus logisch. Der untere Kontakt befindet sich mich Sicherheit auf einer stark n-dotierten Fläche, die dafür sorgt, dass ein ohmscher Kontakt zwischen Metalllage und n-Dotierung entsteht. Durch die hohe Dotierung ist auch eine kleine Fläche ausreichend. Der gerade noch zu erkennende Umriss ist wahrscheinlich die Durchkontaktierung in der isolierenden Siliziumoxid. Die Grenzen des stark n-dotierten Bereichs sind hier nicht zu erkennen. Eine tiefer liegende, stark n-dotierte Schicht leitet Ladungen zum obersten Kontakt, wo die Metalllage direkt auf der schwächer n-dotierten Schicht aufliegt. An der Grenzfläche bildet sich so eine Schottky-Diode aus. Der größere Kontaktbereich ist wahrscheinlich auf Grund der geringeren Leitfähigkeit der schwächer n-dotierten Fläche notwendig.

Interessant ist der mittlere Kontakt. In den meisten 74LS-Schaltplänen befinden sich an jedem Eingang zwei Schottky-Dioden. Hier scheinen die Schutzdioden als normale Dioden ausgeführt worden zu sein. Davon kann man ausgehen, weil um den Umriss der Durchkontaktierung ein weiterer Umriss zu erkennen ist. Eine starke n-Dotierung würde an dieser Stelle keinen sinnvollen Zweck erfüllen, sie würde sogar einen niederohmgien Pull-Down-Widerstand erzeugen. Eine p-Dotierung erzeugt dagegen eine konventionelle Diode. Die konventionelle Diode ist zwar langsamer als eine Schottky-Diode, hat in der Funktion als Schutzdiode aber wahrscheinlich vorteilhafte Eigenschaften. Vielleicht ist sie beim vorliegenden Prozess leistungsfähiger.

 

DL020D Die Detail Analyse

Auch die Schottky-Transistoren lassen sich erkennen. Üblicherweise unterscheidet sich der Aufbau der Schottky-Transistoren kaum vom Aufbau normaler Transistoren. Es reicht aus den Basiskontaktbereich so zu vergrößern, dass nicht nur der Basis- sondern auch der Kollektorbereich kontaktiert wird. Am Übergang zum Kollektorbereich bildet sich die gewünschte Schottky-Diode aus. Der Doppelkontakt ist sogar bei den kleineren Transistoren zu erkennen. Die Basiskontakte sind verhältnismäßig groß und besitzen eine Kante, wo unter der Metalllage Basis- und Kollektorbereich aufeinandertreffen (blaue Pfeile).

Beim großen Lowside-Transistor links unten im Bild ist im Bereich des Basiskontakts ein verhältnismäßig großes Quadrat zu erkennen. Das Quadrat ist eine Aussparung in der Basisfläche, durch die die Metalllage die Kollektorfläche kontaktieren kann.

 

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