11 Августа 2013

ULN2003 - поэлементный разбор на уровне транзисторов

Часто нам писали, что хоть фотографии кристаллов микросхем, которые мы публикуем - интересные и красивые, как оно устроено на самом низком уровне - не понятно. Конечно, разобраться в микросхеме на миллион транзисторов непросто - потому мы возьмем более простой пример: ULN2003 - массив транзисторов Дарлингтона.

Несмотря на свою простоту, микросхема до сих пор широко используется и производится. ULN2003 состоит из 21 резистора, 14 биполярных транзисторов и 7 диодов. Применяют её для управления относительно мощной нагрузкой (до 50 вольт / 0.5 ампер) от ножки микроконтроллера (или других цифровых микросхем). Каноническое применение - для управления мощными 7-и сегментными светодиодными индикаторами.

Сам кристалл

Выглядит следующим образом. Размер кристалла - 2.53x1.71 мм.
Цвета несколько усилены относительно натуральных, под контактными площадками металл поврежден кислотой (и приобрел такой коричневый цвет):


Как видим, 7 каналов абсолютно идентичны, потому будем рассматривать только один. К счастью для нас, схема каждого канала нам известна - и мы можем в неё подглядывать:



А теперь 1 канал с отмеченными элементами. Сопоставление конкретных элементов схеме - оставляю как домашнее задание для читателя.


Но как же сделан сам транзистор? Известно, что внутренняя структура планарного биполярного npn транзистора при производстве получается следующая:



Тонкая база - "подныривает" под эмиттер. Не смотря на то, что и на коллекторе и на эмиттере - кремний легирован в тип n, отличается концентрация легирующей примеси и толщина : это делают для того, чтобы оптимизировать транзистор для "усиления тока" в одном направлении.

Зная это - мы можем внимательнее посмотреть на 1 транзистор, и понять где там что. Кремний, легированный в разный тип - немного отличается по цвету. Невооруженному взгляду это практически не заметно - но тут насыщенность цветов и контраст выкручены почти на максимум. Пусть 2 эмиттера включенных параллельно вас не смущают - они работают как 1 бОльшей площади.

Для того, чтобы соединения не "закорачивали" то, что не нужно - поверхность кремния покрыта слоем прозрачного стекла (SiO2), в котором есть отверстия непосредственно над местами, где вывод соединяется с нужным местом на транзисторе. Это хорошо видно на следующей фотографии, т.к. глубина резкости на этом объективе меньше, и например соединение к базе - уже не в фокусе, т.к. расположено выше, над слоем стекла.

Коллекторы обоих транзисторов - это фактически единое целое, т.к. по схеме они соединены. Соседние каналы изолированы pn-переходом, можно увидеть прямоугольник немного отличающегося цвета вокруг каждого канала на общей фотографии высокого разрешения.


Как видим, никакой магии внутри нет :-)