Einführung in die Halbleiter- Schaltungstechnik

Transkript

1 Holger Göbel Einführung in die Halbleiter- Schaltungstechnik 3., bearbeitete und erweiterte Auflage Unter Mitwirkung von Henning Siemund Mit 436 Abbildungen und CD-ROM Springer

2 Liste der verwendeten Symbole 1 1 Grundlagen der Halbleiterphysik Grundlegende Begriffe Das Bändermodell Silizium als Halbleiter Das thermodynamische Gleichgewicht Dotierte Halbleiter Grundgleichungen der Halbleiterphysik Berechnung der Ladungsträgerdichten Bestimmung der Lage des Ferminiveaus Ladungsträgertransport, Strom Elektronen- und Löcherstrom Driftstrom Diffusionsstrom Bänderdiagramm bei Stromiluss Ausgleichsvorgänge im Halbleiter Starke und schwache Injektion Die Kontinuitätsgleichung Temporäre Störung des Gleichgewichts Lokale Störung des Gleichgewichts 39 2 Diode Aufbau und Wirkungsweise der Diode Diode im thermodynamischen Gleichgewicht Diode bei Anlegen einer äußeren Spannung Ableitung der Diodengleichung Diode mit langen Abmessungen Diode mit kurzen Abmessungen Abweichung von der idealen Diodenkennlinie Kapazitätsverhalten des pn-übergangs 56

3 2.3 Modellierung der Diode Großsignalersatzschaltung der Diode Schaltverhalten der Diode Kleinsignalersatzschaltung der Diode Durchbruchverhalten der Diode Bänderdiagrammdarstellung der Diode Regeln zur Konstruktion von Bänderdiagraninien Bänderdiagramm der Diode Metall-Halbleiter-Übergänge Elektronenaffinität und Austrittsarbeit Metall-Halbleiter-Übergang mit n-halbleiter Metall-Halbleiter-Übergang mit p-halbleiter 78 Bipolartransistor Aufbau und Wirkungsweise des Bipolartransistors npn- und pnp-transistor Funktion des Bipolartransistors Ableitung der Transistorgleichungen Transistor im normalen Verstärkerbetrieb Transistor im inversen Verstärkerbetrieb Transistor im Sättigungsbetrieb Ausgangskennlinienfeld des Transistors Basisweitenmodulation (Early-Effekt) Modellierung des Bipolartransistors Großsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors Schalt verhalten des Bipolartransistors Kleinsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors Frequenz verhalten des Transistors Durchbruchverhalten des Bipolartransistors Bänderdiagrammdarstellung des Bipolartransistors 108 Feldeffekttransistor Aufbau und Wirkungsweise des Feldeffekttransistors n-kanal MOS-Feldeffekttransistor p-kanal MOS-Feldeffekttransistor Transistortypen und Schaltsymbole Ableitung der Transistorgleichungen Stromgleichung Ausgangskennlinienfeld Übertragungskennlinie Kanallängenmodulation Modellierung des MOSFET Großsignalersatzschaltbild des MOSFET Schaltverhalten des MOSFET Kleinsignalersatzschaltbild des MOSFET 129

4 XI Durchbruchverhalten Bänderdiagrammdarstellung des MOSFET Bänderdiagramm der MOS-Struktur Bänderdiagramm des MOSFET Wirkungsweise des Transistors im Banderdiagramm Substratsteuereffekt Kurzkanaleffekt Der Transistor als Verstärker Grundlegende Begriffe und Konzepte Übertragungskennlinie und Verstärkung Arbeitspunkt und Betriebsarten Gleichstromersatzschaltung Arbeitspunkteinstellung mit 4-Widerstandsnetzwerk Arbeitspunkteinstellung beim Bipolartransistor Arbeitspunkteinstellung beim MOSFET Arbeitspunkteinstellung mit Stromspiegeln Stromspiegel Dimensionierung des Stromspiegels Wechselstromanalyse von Verstärkern Kleinsignalersatzschaltung Verstärkerschaltungen mit Bipolartransistor Verstärkerschaltungen mit MOSFET Verstärkerschaltungen mit Stromspiegel Mehrstufige Verstärker Transistorgrundschaltungen Emitterschaltung, Sourceschaltung Wechselstromersatzschaltbild der Emitterschaltung Spannungsverstärkung der Emitterschaltung Eingangswiderstand der Emitterschaltung Ausgangswiderstand der Emitterschaltung Kollektorschaltung, Drainschaltung Wechselstromersatzschaltbild der Kollektorschaltung Spannungsverstärkung der Kollektorschaltung Eingangswiderstand der Kollektorschaltung Ausgangswiderstand der Kollektorschaltung Basisschaltung, Gateschaltung Spannungsverstärkung der Basisschaltung Eingangswiderstand der Basisschaltung Ausgangswiderstand der Basisschaltung Push-Pull Ausgangsstufe 191

5 Operationsverstärker Der einstufige Differenzverstärker Funktion des Differenzverstärkers Gleichstromanalyse des Differenzverstärkers Kleinsignalanalyse des Differenzverstärkers Mehrstufige Differenzverstärker CMOS Differenzeingangsstufe Verbesserte Differenzeingangsstufe Mehrstufiger Differenzverstärker Vom Differenzverstärker zum Operationsverstärker Schaltungen mit idealen Operationsverstärkern Invertierender Verstärker Nichtinvertierender Verstärker Addierer Subtrahierer Filterschaltungen 218 Frequenzverhalten analoger Schaltungen Grundlegende Begriffe Amplituden- und Phasengang Die komplexe Ubertragungsfunktion Verhalten im Zeitbereich Übertragungsfunktionen von Verstärkerschaltungen Komplexe Ubertragungsfunktion und Grenzfrequenz Berechnung der Grenzfrequenzen Grenzfrequenz von Verstärkergrundschaltungen Emitterschaltung Miller-Effekt Emitterschaltung mit Gegenkopplungswiderstand Kollektorschaltung Basisschaltung Methoden zur Abschätzung der Grenzfrequenzen Kurzschluss-Zeitkonstanten-Methode Leerlauf-Zeitkonstanten-Methode 253 Rückkopplung in Verstärkern Grundlegende Begriffe Prinzip der Gegenkopplung Rückkopplung und Verzerrungen Rückkopplung und Frequenzgang Rückkopplungsarten Serien-Parallel-Rückkopplung (Spannungsverstärker) Spannungsverstärker mit idealer Rückkopplung Spannungsverstärker mit realer Rückkopplung Parallel-Parallel-Rückkopplung (Transimpedanzverstärker)

6 XIII Transimpedanzverstärker mit idealer Rückkopplung Transimpedanzverstärker mit realer Rückkopplung Parallel-Serien-Rückkopplung (Stromverstärker) Stromverstärker mit idealer Rückkopplung Stromverstärker mit realer Rückkopplung Serien-Serien-Rückkopplung (Transadmittanzverstärker) Transadmittanzverstärker mit idealer Rückkopplung Transadmittanzverstärker mit realer Rückkopplung Rückkopplung und Oszillatoren Ubertragungsfunktion der rückgekoppelten Anordnung Schwingbedingung Schleifenverstärkung der rückgekoppelten Anordnung Stabilität und Kompensation von Verstärkerschaltungen Bode-Diagramm des Operationsverstärkers Stabilitätskriterium Kompensation durch Polverschiebung Kompensation durch Polaufsplittung 299 Logikschaltungen Grundlegende Begriffe Dioden-Transistor-Logik (DTL) Transistor-Transistor-Logik (TTL) MOS-Logikschaltungen n-mos-inverterschaltungen CMOS-Komplementärinverter Entwurf von CMOS-Gattern Dimensionierung von CMOS-Gattern C 2 MOS Logik Domino-Logik NORA-Logik 323 Herstellung integrierter Schaltungen in CMOS-Technik Einführung Die CMOS-Technologie Grundsätzlicher Prozessablauf Schichttechnik Gasphasenabscheidung Epitaxie Thermische Oxidation Kathodenzerstäubung Ionenimplantation Schleuderbeschichtung Ätztechnik Nassätzen Physikalisches Trockenätzen 333

7 XIV Inhaltsverzeichnis Chemisches Trockenätzen Chemisch physikalisches Trockenätzen Chemisch mechanisches Polieren Lithografie Prinzip der Fotolithografie Kenngrößen der Fotolithografie Der CMOS-Prozess Prozessablauf Layout von CMOS-Schaltungen Herstellungsebenen und Masken CMOS-Inverter fach NOR-Gatter Elektrische Eigenschaften der Entwurfsebenen Metallebene Kontakte und Vias Polysiliziumebene Implantationsebene Wannen Parasitäre Bauelemente Dickoxidtransistor Parasitärer Bipolartransistor Parasitärer Thyristor ASIC Gate Arrays Standardzellen PLD Rechnergestützter Schaltungsentwurf Einführung Entwurfsablauf Simulationswerkzeuge für den Schaltungsentwurf Simulationsarten Aufbau eines Schaltungssimulators Schaltungseingabe und Netzliste Modellgleichungen und Parameterübergabe Aufstellen der Netzwerkgleichungen bei der Schaltungssimulation Netzwerk mit Stromquellen Netzwerk mit Spannungsquellen Berücksichtigung gesteuerter Quellen Berücksichtigung nichtlinearer Bauelemente Berücksichtigung von Induktivitäten und Kapazitäten.. 380

8 XV A Anhang 385 A.l Äquivalente Zweipole 385 A.l.l Bestimmung von Ersatzspannungsquellen 385 A.l.2 Bestimmung von Ersatzsstromquellen 386 A.2 Ein- und Ausgangswiderstand von Verstärkern 387 A.2.1 Bestimmung des Eingangswiderstandes 387 A.2.2 Bestimmung des Ausgangswiderstandes 387 A.3 Vierpolparameter 388 A.3.1 Darstellung von Vierpolen mit (/-Parametern 388 A.3.2 Darstellung von Vierpolen mit ^.-Parametern 389 A.3.3 Darstellung von Vierpolen mit y-parametern 389 A.3.4 Darstellung von Vierpolen mit ^-Parametern 390 Literatur 391 S achverzeichnis 393