Поэлементный разбор внутренностей простейшей микросхемы — ULN2003

    В предыдущих статьях с фотографиями кристаллов микросхем (1, 2, 3) — в комментариях писали о том, что было бы неплохо разобрать простую микросхему по деталям — чтобы было понятно «что есть что» на самом низком уровне, и где там «магический дым» прячется. Я долго не мог выбрать микросхему, в схеме которой можно было бы разобраться за несколько минут — но наконец решение было найдено: ULN2003 — массив транзисторов Дарлингтона.

    Несмотря на свою простоту, микросхема до сих пор широко используется и производится. ULN2003 состоит из 21 резистора, 14 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. 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 :-)

    Zeptobars

    66,00

    Компания

    Поделиться публикацией
    Комментарии 36
      +4
      Замечательная статья, спасибо! А будут еще посты про устройство других часто используемых микросхем? Например L293D, ATtiny2313, Mega8, NE555 и т.д.? Уж очень хочется посмотреть как они устроены внутри, а то многие с ними работают, да не многие видят полную картину.
        +2
        Посмотрите в профиле у автора — там много таких статей :)
          +4
          Фотографии этих чипов есть, как уже заметили.
          А вот на транзисторном уровне их разобрать — было бы крайне сложно, т.к. там сотни-тысячи-десятки тысяч транзисторов.
          Но общее представление о том, что они из себя представляют — получить можно.
            +2
            Ну и если ответить по cуществу по вашим названиям, то TB6560AHQ (тоже драйвер степперов, L293 — надо будет «открыть»), ATtiny13a, ATmega8, NE556.
              +2
              Ух, потрясающе, спасибо! Тогда делаю предложение в сторону FT232 и Realtek'овских чипов :) А еще (если это конечно возможно) было бы здорово посмотреть на беспроводные контроллеры (ZigBee, Z-wave). Извините за наглость, просто уж очень любопытно))
                +1
                Есть PL2303, я думаю, что похож на FT232.
                0
                Крохи ATtiny10 фото не сделаете?
              +1
              Кажется, что схема именования транзисторов совпадает с этой, только снизу уже R3, а не R1:
              image
              Но непонятно, что с коллектором у Т2. Да и у Т1 непонятно, чего уж там: почему контакт, который идёт к базе, не будет работать как контакт к коллектору? Он же симметрично расположен. Или под ним изолятор из оксида кремния, которого нет на коллекторе?
                0
                «Или под ним изолятор из оксида кремния, которого нет на коллекторе» — совершенно верно.
                Непосредственно под контактом к коллектору (и к эмиттеру/базе тоже) — в изоляторе дырка.

                На последней фотографии это хорошо видно, там контакт к базе уже не в фокусе, т.к. лежит выше (там объектив с меньшей глубиной резкости).
                  +2
                  Тогда я правильно понимаю, что у Т2 контакты коллектора — это те 2 длинных контакта, идущих от OUT (на верхнем ваша надпись Т1, прямо под нижним Т2), а контакты к эмиттеру и базе Т1 идут прямо поверх коллектора Т1, вторым этажом как бы? И коллекторы у Т1 и Т2 — это физически один и тот же кусок кремния? Если так — то как разделяются транзисторы из соседних блоков микросхемы, просто достаточно большое расстояние между ними? Или кремниевая пластина не вся легированная в N-проводимость, а только под активными элементами, между ними работает как изолятор?

                  В общем, было бы очень круто, если бы вы смогли нарисовать «послойную» схемку, как эти транзисторы появляются на голой кремневой пластинке. В институте вскользь рассказывали на лекции по микроэлектронике, но с фотографией явно нагляднее.
                    +1
                    Послойную схему фотографиями рисовать не очень просто, потому что в ходе технологического процесса слои не только наращиваются, но и стравливаются. Даже относительно простой цикл изготовления КМОП-микросхемы — это полсотни операций, не считая изготовления металлизации, и наснимать что-то сильно подробнее сегодняшнего поста вряд ли имеет смысл, потому что за пачкой фотографий потеряется наглядность, а многого просто нельзя будет увидеть.
                      0
                      Насчет коллекторов — да, это они идут от OUT. Т.к. коллекторы обоих транзисторов по схеме соединены — то они и могут быть выполнены на одном куске кремния.

                      Контакты к эмиттеру и базе — как и вся металлизация — идет выше стекла, с кремнием она соприкасается в «дырках» непосредственно над нужными местами транзистора.

                      Изоляция между соседними каналами — pn переходом, там каждый канал взят в «прямоугольничек» отличающегося цвета, он виден если посмотреть фотографию в полном разрешении.

                  +1
                  Спасибо большое! Последняя фотка просто шикарна, побольше бы таких.
                    +4
                    Спасибо! Восторг просто непередаваемый.

                    А можете ещё объяснить, что это за мудрёная структура на краю Т2?

                      +2
                      А это видимо подключают к земле прямоугольники, изолирующие разные части микросхемы за счет pn-перехода.

                      Эти линии — области легированного кремния создают диоды, включенные так, что они всегда закрыты. Ток в эти изолирующие кольца пойдет только если на коллекторе например будет -0.7В и ниже.

                        0
                        Что-то типа защиты от перенапряжения?
                          +1
                          В первую очередь изоляция соседних частей схемы, иначе коллекторы всех 14 транзисторов были бы соединены.
                          Ну и да, паразитные отрицательные импульсы — будут сливаться в землю на этом «диоде».
                            +1
                            Про разделяющие полосы было понятно из статьи, что они для изоляции. Я не понимал, зачем их ещё и заземлять — да и то не просто заземлять, а каким-то кольцевым проводником, образующим, похоже, дополнительные диоды в месте заземления.
                        0
                        Неправильное предположение
                        +1
                        Интересно было бы увидеть какой процент DIP- или SOIC-корпуса занимает сам кристалл.
                          +2
                          Размер кристалла — несколько миллиметров. То есть он занимает совсем небольшую часть корпуса.
                            +3
                            Едва ли десятую часть. Вот например 7805:
                            image

                            А вот кристалл:
                            image

                            Жаль у меня нет микроскопа. Это максимум что можно получить с макрообъектива:
                            image
                              0
                              Как вариант вебку переделать в микроскоп
                              habrahabr.ru/sandbox/52699/
                                0
                                Да можно макрик перевернуть. Адаптер стоит $10, а будет лучше гораздо.
                                  +1
                                  Самый сложный вопрос — это освещение. Металлографический микроскоп освещает объект через объектив, такой же эффект будет сложно реализовать.
                            +3
                            А зачем большой транзистор — треугольный?
                              0
                              Поддерживаю вопрос, попробую угадать — для плавного открытия транзистора?
                                +2
                                Возможно, для одинаковой плотности тока по всей площади транзистора.
                                  +3
                                  Сам транзистор — имеет одинаковую ширину по всей длине, меняется только ширина контактов к нему, в соответствии с проходящим током в каждой точке.
                                    +1
                                    Насколько я понимаю, от транзистора-то нужен только pn-переход

                                    Вот ответьте на такой вопрос: понятно, p-n переход, двойной слой, все дела. Или там два перехода с тонкой прослойкой между ними.

                                    А как же выводы-то к ним подключают? Разве не образуется всяких потенциальных ям или барьеров на каждом таком переходе «металл-полупроводник»? Какие-то это последствия влечёт?
                                      +1
                                      Контакт металл-полупроводник — это отдельный большой вопрос )

                                      Почему при контакте металла с полупроводником не получается диод Шоттки? Получается, но контакты изготавливают так, чтобы этот диод Шоттки получился очень дерьмовый, и контакт становился Омическим.

                                      Давным давно этого добивались термообработкой, чтобы кремний и алюминий растворились друг в друге, и четкой границы между ними не было, и сильно легировали область непосредственно под контактами — и тогда тоже диод Шоттки не получался.

                                      Ну а в более современных микросхемах — используют промежуточные слои между металлизацией и кремнием, которые не образуют диод Шоттки — в частности силициды металлов (силицид титана и проч.).
                                  0
                                  Какие свойства приобретёт кремний если добавить p и n присадки вместе?
                                  Возможно ли сделать коллектор и эмиттер одинаковыми, чтобы транзистор одинаково плохо работал в обе стороны?
                                    0
                                    Будет как собственный полупроводник с другой проводимостью. Никаких особых свойств.
                                    Бывают даже полупроводники «только из присадок» — их кристаллическая структура состоит из равного количества элемента III и V, группы например GaAs. Небольшой перевес одного или другого компонента превращает его в n или p.

                                    Возможно сделать. Но я вот затрудняюсь представить себе схему, в которой это было бы нужно. Обычно транзистор в схеме работает исключительно в одну сторону, и именно поэтому есть смысл его оптимизировать для работы в эту сторону.
                                      0
                                      Спасибо.

                                      Я имею в виду лишь теоретическую возможность. Или, если угодно, просто поприкалываться, меняя на макетке ноги транзистора местами.
                                      0
                                      p и n вместе — кого больше, тот и «победит».

                                      Такой транзистор точно можно сделать. В обратную сторону он и так работает — просто пробивное напряжение маленькое (3-4 вольта), и коэффициент статической передачи тока — 5 вместо 500. В транзисторном компьютере, который я разрабатываю — в нескольких местах используется именно такой режим работы.
                                        0
                                        Спасибо.

                                        Раз уж речь внезапно пошла о практическом применении, то на ум приходят ещё игрушки-обучалки для самых маленьких, кто может легко перепутать ноги. У меня такая проблема была с одной из моих первых схем.

                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                    Самое читаемое