VLSI-Entwurf. Modelle und Schaltungen von Professor Dr.-Ing. Kurt Hoffmann 3., durchgesehene Auflage

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1 VLSI-Entwurf Modelle und Schaltungen von Professor Dr.-Ing. Kurt Hoffmann 3., durchgesehene Auflage Mit 307 Bildern, 15 Tabellen, 14 Beispielen und 77 Aufgaben R. Oldenbourg Verlag München Wien 1996

2 Inhaltsverzeichnis Fonnelzeichen und Symbole 13 Umrechnungsfaktoren und Konstanten Grundlagen der Halbleiterphysik Theorie des Bändermodells Dotierte Halbleiter Gleichungen für den Halbleiter im thermodyn. Gleichgewicht Fermi-Verteilungsfunktion Ladungsträgerkonzentration im thermodyn. Gleichgewicht Das Dichteprodukt im thermodyn. Gleichgewicht Elektronenenergie, Spannung und elektrische Feldstärke Ladungsträgertransport Driftgeschwindigkeit Driftstrom Diffusionsstrom Kontinuitätsgleichung Störungen des thermodyn. Gleichgewichts 44 Übungen 52 Die wichtigsten Beziehungen 54 Literaturhinweise Die Diode Inhomogener n-typ-halbleiter Der pn-übergang im thermodyn. Gleichgewicht Die pn-diode bei Anlegen einer Spannung Die pn-diode in Durchlaßrichtung Die pn-diode in Sperrichtung Das Dichteprodukt bei Abweichungen v.thermodyn.gleichgewicht PN-Diodengleichung Ideale Diodengleichung Abweichungen von der idealen Diodengleichung Spannungsbezugspunkt Kapazitätsverhalten des pn-übergangs Sperrschichtkapazität Diffusionskapazität Modellierung der pn-diode Dynamisches Großsignal-Ersatzschaltbild Kleinsignal-Ersatzschaltbild Diodenmodell für CAD-Anwendungen Schaltverhalten der pn-diode Temperaturverhalten Durchbruchverhalten Metall-Halbleiter-Übergang 98

3 6 Inhaltsverzeichnis Schottky-Diode Ohmsche Kontakte 105 Übungen 107 Die wichtigsten Beziehungen 110 Literaturhinweise Bipolarer Transistor Wirkungsweise des bipolaren Transistors Transistor im normalen Verstärkerbetrieb Transistor im inversen Verstärkerbetrieb Transistor im normalen Sättigungsbetrieb Effekte zweiter Ordnung Abhängigkeit der Stromverstärkung vom Arbeitspunkt Basisweitenmodulation Emitterrandverdrängung Temperaturverhalten Durchbruchverhalten Modellierung des bipolaren Transistors Dynamisches Großsignal-Ersatzschaltbild Kleinsignal-Ersatzschaltbild Transistormodell für CAD-Anwendungen Modellrahmen Transportmodell Gummel-Poon-Modell 163 Übungen 174 Die wichtigsten Beziehungen 177 Literaturhinweise Integrierte bipolare Schaltungen Herstellung einer integrierten bipolaren Schaltung Transistorstrukturen Zusammenfassung mehrerer npn-transistoren pnp-transistor Passive Bauelemente Widerstände Kondensatoren Dioden Bipolarer Inverter Störabstand beim Inverter Schaltverhalten des Inverters Ungesättigter Inverter Gesättigte Gatterschaltungen Transistor-Transistor Logik (TTL) Ungesättigte Gatterschaltungen Schottky-TTL CML-Schaltungen ECL-Schaltungen 220

4 Inhaltsverzeichnis 7 Übungen 227 Die wichtigsten Beziehungen 229 Literaturhinweise Feldeffekttransistor MOS-Struktur Charakteristik der MOS-Struktur Kapazitätsverhalten der MOS-Struktur Flachbandspannung Gleichungen der MOS-Struktur Ladung in der Raumladungszone Ladung in der Inversionsschicht Einsatzspannung Wirkungsweise des MOS-Transistors u Ableitung der Transistorgleichunger\ Genauere Transistorgleichungen Effekte zweiter Ordnung Beweglichkei tsdegradation 26l Kanallängenmodulation Einsatzspannungsveränderung bei kleinen Geometrien MOS-Transistor bei schwacher Inversion Implantierte MOS-Transistoren Temperaturverhalten des MOS-Transistors Durchbruchverhalten des MOS-Transistors Bipolareffekte bei MOS-Transistoren Modellierung des MOS-Transistors Dynamisches Großsignal-Ersatzschaltbild Kleinsignal-Ersatzschaltbild Transistormodell für CAD-Anwendungen Modellrahmen Inneres Transistormodell Ladungsmodell des inneren Transistors Bestimmung der Modellparameter Sonderbauelemente Ladungsverschiebeelemente Ein-Transistor-Speicherzelle Nichtflüchtige Speicherzellen 301 Übungen 304 Die wichtigsten Beziehungen 308 Literaturhinweise Grundlagen integrierter MOS-Schaltungen Herstellung einer integrierten CMOS-Schaltung Herstellung einer integrierten NMOS-Schaltung Geometrische Entwurfsregeln Elektrische Entwurfsregeln CAD-Werkzeuge beim physikalischen Entwurf integr. Schaltungen 325

5 8 Inhaltsverzeichnis 6.6 MOS-Inverter NMOS-Inverter CMOS-Inverter Schaltverhalten der NMOS-Inverter Schaltverhalten der CMOS-Inverter Dimensionierung der MOS-Inverter Treiberschaltungen Transfer-Elemente 356 Übungen 357 Die wichtigsten Beziehungen 362 Literaturhinweise Schaltnetze und Schaltwerke in CMOS-Technik Statische Schaltnetze Statische Gatterschaltungen Layout statischer Gatterschaltungen Transfer - Gatterschaltungen Getaktete Schaltnetze Getaktete Gatterschaltungen (C 2 MOS) Dominoschaltungen Modifizierte Dominoschaltung (NORA) Differentiell kaskadierte Schaltung (DCVS) Schaltverhalten der Gatter Logische Felder Dekoder Programmierbare Logikanordnung (PLA) Schaltwerke Flipflops Register und Zähler MOS-Speicher 399 Übungen 415 Literaturhinweise Integrierte BICMOS-Schaltungen Herstellung einer BICMOS-Schaltung Vergleich von CMOS- und Bipolargattern BICMOS-Treiber und -Gatter Bandabstands-Referenzspannung ECL-Peripherieschaltungen Statische BICMOS-Speicher 444 Übungen 448 Literaturhinweise 450 Sachregister 452