Einführung in die Halbleiter-Schaltungstechnik

Transkript

1 Springer-Lehrbuch Einführung in die Halbleiter-Schaltungstechnik Bearbeitet von Holger Göbel Neuausgabe Buch. XVI, 395 S. ISBN Format (B x L): 15,5 x 23,5 cm Weitere Fachgebiete > Technik > Elektronik > Schaltungsentwurf Zu Leseprobe schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 Inhaltsverzeichnis Liste der verwendeten Symbole Grundlagen der Halbleiterphysik Grundlegende Begriffe DasBändermodell Silizium als Halbleiter DasthermodynamischeGleichgewicht Dotierte Halbleiter Grundgleichungen der Halbleiterphysik Berechnung der Ladungsträgerdichten Bestimmung der Lage des Ferminiveaus Ladungsträgertransport, Strom Elektronen-undLöcherstrom Driftstrom Diffusionsstrom BänderdiagrammbeiStromfluss AusgleichsvorgängeimHalbleiter StarkeundschwacheInjektion Die Kontinuitätsgleichung TemporäreStörungdesGleichgewichts LokaleStörungdesGleichgewichts Diode Aufbau und Wirkungsweise der Diode Diode im thermodynamischen Gleichgewicht Diode bei Anlegen einer äußeren Spannung AbleitungderDiodengleichung DiodemitlangenAbmessungen DiodemitkurzenAbmessungen Abweichung von der idealen Diodenkennlinie Kapazitätsverhalten des pn-übergangs

3 X Inhaltsverzeichnis 2.3 Modellierung der Diode GroßsignalersatzschaltungderDiode SchaltverhaltenderDiode Kleinsignalersatzschaltung der Diode DurchbruchverhaltenderDiode BänderdiagrammdarstellungderDiode Regeln zur Konstruktion von Bänderdiagrammen BänderdiagrammderDiode Metall-Halbleiter-Übergänge Elektronenaffinität und Austrittsarbeit Metall-Halbleiter-Übergang mit n-halbleiter Metall-Halbleiter-Übergang mit p-halbleiter Bipolartransistor Aufbau und Wirkungsweise des Bipolartransistors npn- und pnp-transistor Funktion des Bipolartransistors AbleitungderTransistorgleichungen Transistor im normalen Verstärkerbetrieb Transistor im inversen Verstärkerbetrieb Transistor im Sättigungsbetrieb Ausgangskennlinienfeld des Transistors Basisweitenmodulation (Early-Effekt) Modellierung des Bipolartransistors Großsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors Schaltverhalten des Bipolartransistors Kleinsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors FrequenzverhaltendesTransistors Durchbruchverhalten des Bipolartransistors Bänderdiagrammdarstellung des Bipolartransistors Feldeffekttransistor Aufbau und Wirkungsweise des Feldeffekttransistors n-kanalmos-feldeffekttransistor p-kanalmos-feldeffekttransistor TransistortypenundSchaltsymbole AbleitungderTransistorgleichungen Stromgleichung Ausgangskennlinienfeld Übertragungskennlinie Kanallängenmodulation Modellierung des MOSFET Großsignalersatzschaltbild des MOSFET SchaltverhaltendesMOSFET Kleinsignalersatzschaltbild des MOSFET

4 Inhaltsverzeichnis XI Durchbruchverhalten BänderdiagrammdarstellungdesMOSFET BänderdiagrammderMOS-Struktur BänderdiagrammdesMOSFET Wirkungsweise des Transistors im Bänderdiagramm Substratsteuereffekt Kurzkanaleffekt Der Transistor als Verstärker Grundlegende Begriffe und Konzepte ÜbertragungskennlinieundVerstärkung Arbeitspunkt und Betriebsarten Gleichstromersatzschaltung Arbeitspunkteinstellung mit 4-Widerstandsnetzwerk Arbeitspunkteinstellung beim Bipolartransistor Arbeitspunkteinstellung beim MOSFET Arbeitspunkteinstellung mit Stromspiegeln Stromspiegel DimensionierungdesStromspiegels WechselstromanalysevonVerstärkern Kleinsignalersatzschaltung Verstärkerschaltungen mit Bipolartransistor Verstärkerschaltungen mit MOSFET Verstärkerschaltungen mit Stromspiegel MehrstufigeVerstärker 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-PullAusgangsstufe...191

5 XII Inhaltsverzeichnis 7 Operationsverstärker DereinstufigeDifferenzverstärker FunktiondesDifferenzverstärkers Gleichstromanalyse des Differenzverstärkers Kleinsignalanalyse des Differenzverstärkers MehrstufigeDifferenzverstärker CMOSDifferenzeingangsstufe VerbesserteDifferenzeingangsstufe MehrstufigerDifferenzverstärker Vom Differenzverstärker zum Operationsverstärker Schaltungen mit idealen Operationsverstärkern InvertierenderVerstärker NichtinvertierenderVerstärker Addierer Subtrahierer Filterschaltungen Frequenzverhalten analoger Schaltungen Grundlegende Begriffe Amplituden-undPhasengang DiekomplexeÜbertragungsfunktion VerhaltenimZeitbereich Übertragungsfunktionen von Verstärkerschaltungen Komplexe Übertragungsfunktion und Grenzfrequenz BerechnungderGrenzfrequenzen Grenzfrequenz von Verstärkergrundschaltungen Emitterschaltung Miller-Effekt Emitterschaltung mit Gegenkopplungswiderstand Kollektorschaltung Basisschaltung Methoden zur Abschätzung der Grenzfrequenzen Kurzschluss-Zeitkonstanten-Methode Leerlauf-Zeitkonstanten-Methode Rückkopplung in Verstärkern Grundlegende Begriffe PrinzipderGegenkopplung RückkopplungundVerzerrungen RückkopplungundFrequenzgang Rückkopplungsarten Serien-Parallel-Rückkopplung (Spannungsverstärker) Spannungsverstärker mit idealer Rückkopplung Spannungsverstärker mit realer Rückkopplung Parallel-Parallel-Rückkopplung (Transimpedanzverstärker)

6 Inhaltsverzeichnis 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 Übertragungsfunktion der rückgekoppelten Anordnung Schwingbedingung Schleifenverstärkung der rückgekoppelten Anordnung Stabilität und Kompensation von Verstärkerschaltungen Bode-Diagramm des Operationsverstärkers Stabilitätskriterium Kompensation durch Polverschiebung Kompensation durch Polaufsplittung 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 MOSLogik Domino-Logik NORA-Logik Herstellung integrierter Schaltungen in CMOS-Technik Einführung DieCMOS-Technologie Grundsätzlicher Prozessablauf Schichttechnik Gasphasenabscheidung Epitaxie ThermischeOxidation Kathodenzerstäubung Ionenimplantation Schleuderbeschichtung Ätztechnik Nassätzen PhysikalischesTrockenätzen...333

7 XIV Inhaltsverzeichnis ChemischesTrockenätzen ChemischphysikalischesTrockenätzen ChemischmechanischesPolieren Lithografie PrinzipderFotolithografie KenngrößenderFotolithografie DerCMOS-Prozess Prozessablauf LayoutvonCMOS-Schaltungen HerstellungsebenenundMasken CMOS-Inverter fach NOR-Gatter ElektrischeEigenschaftenderEntwurfsebenen Metallebene KontakteundVias Polysiliziumebene Implantationsebene Wannen ParasitäreBauelemente Dickoxidtransistor ParasitärerBipolartransistor ParasitärerThyristor ASIC GateArrays Standardzellen PLD Rechnergestützter Schaltungsentwurf Einführung Entwurfsablauf Simulationswerkzeuge für den Schaltungsentwurf Simulationsarten Aufbau eines Schaltungssimulators SchaltungseingabeundNetzliste Modellgleichungen und Parameterübergabe Aufstellen der Netzwerkgleichungen bei der Schaltungssimulation NetzwerkmitStromquellen NetzwerkmitSpannungsquellen BerücksichtigunggesteuerterQuellen Berücksichtigung nichtlinearer Bauelemente Berücksichtigung von Induktivitäten und Kapazitäten.. 380

8 Inhaltsverzeichnis XV A Anhang A.1 ÄquivalenteZweipole A.1.1 BestimmungvonErsatzspannungsquellen A.1.2 BestimmungvonErsatzsstromquellen A.2 Ein- und Ausgangswiderstand von Verstärkern A.2.1 BestimmungdesEingangswiderstandes A.2.2 Bestimmung des Ausgangswiderstandes A.3 Vierpolparameter A.3.1 Darstellung von Vierpolen mit g-parametern A.3.2 Darstellung von Vierpolen mit h-parametern A.3.3 Darstellung von Vierpolen mit y-parametern A.3.4 Darstellung von Vierpolen mit z-parametern Literatur Sachverzeichnis...393