Einführung in die Halbleiter- Schaltungstechnik

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1 Holger Göbel Einführung in die Halbleiter- Schaltungstechnik Unter Mitwirkung von Henning Siemund Mit 363 Abbildungen 4y Springer

2 Inhaltsverzeichnis 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 Ladungsträger dichten Bestimmung der Lage des Ferminiveaus Ladungsträgertransport, Strom Elektronen- und Löcherstrom Driftstrom Diffusionsstrom Bänderdiagramm bei Stromfluss 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 VIII Inhaltsverzeichnis 2.3 Modellierung der Diode Großsignalersatzschaltung der Diode Schaltverhalten der Diode Kleinsignalersatzschaltung der Diode Durchbruchverhalten der Diode Bänderdiagrammdarstellung der Diode Regeln zur Konstruktion von Bänderdiagrammen Bänderdiagramm der Diode 70 3 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 Schaltverhalten des Bipolartransistors Kleinsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors Frequenzverhalten des Transistors Durchbruchverhalten des Bipolartransistors Bänderdiagrammdarstellung des Bipolartransistors 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 Durchbruchverhalten Bänderdiagrammdarstellung des MOSFET Bänderdiagramm der MOS-Struktur Bänderdiagramm des MOSFET 127

4 Inhaltsverzeichnis Wirkungsweise des Transistors im Bänderdiagramm 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 Kleinsignalersatzschaltbild der Emitterschaltung SpannungsVerstärkung der Emitterschaltung Eingangswiderstand der Emitterschaltung Ausgangswiderstand der Emitterschaltung Kollektorschaltung, Drainschaltung Kleinsignalersatzschaltbild der Kollektorschaltung Spannungsverstärkung der Kollektorschaltung Eingangs widerst and der Kollektorschaltung Ausgangswiderstand der Kollektorschaltung Basisschaltung, Gateschaltung Spannungsverstärkung der Basisschaltung Eingangswiderstand der Basisschaltung Ausgangswiderstand der Basisschaltung Push-Pull Ausgangsstufe Operationsverstärker Der einstufige Differenzverstärker Funktion des Differenzverstärkers Gleichstromanalyse des Differenzverstärkers Kleinsignalanalyse des Differenzverstärkers Mehrstufige Differenzverstärker 192 IX

5 X Inhaltsverzeichnis CMOS Differenzeingangsstufe Verbesserte Differenzeingangsstufe Mehrstufiger Differenzverstärker Vom Differenzverstärker zum Operationsverstärker Schaltungen mit idealen Operationsverstärkern Invertierender Verstärker Nichtinvertierender Verstärker Addierer Subtrahierer Filterschaltungen Frequenzverhalten analoger Schaltungen Grundlegende Begriffe Frequenz- und Phasengang Die komplexe Übertragungsfunktion Verhalten im Zeitbereich Übertragungsfunktionen von Verstärkerschaltungen Komplexe Übertragungsfunktion 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 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) Transimpedanzverstärker mit idealer Rückkopplung Transimpedanzverstärker mit realer Rückkopplung Parallel-Serien-Rückkopplung (Stromverstärker) Stromverstärker mit idealer Rückkopplung Stromverstärker mit realer Rückkopplung Serien-Serien-Rückkopplung (Transadmittanzverstärker) 271

6 Inhaltsverzeichnis 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) ECL-Schaltungen MOS-Logikschaltungen n-mos-inverterschaltungen CMOS-Komplementärinverter Entwurf von CMOS-Gattern Dimensionierung von CMOS-Gattern C 2 MOS Logik Domino-Logik NORA-Logik 319 A Anhang 321 A.l Äquivalente Zweipole 321 A.l.l Bestimmung von Ersatzspannungsquellen 321 A.l.2 Bestimmung von Ersatzsstromquellen 322 A.2 Ein- und Ausgangswiderstand von Verstärkern 323 A.2.1 Bestimmung des Eingangswiderstandes 323 A.2.2 Bestimmung des Ausgangswiderstandes 323 A.3 Vierpolparameter 324 A.3.1 Darstellung von Vierpolen mit g-parametern 324 A.3.2 Darstellung von Vierpolen mit h-parametern 325 A.3.3 Darstellung von Vierpolen mit y-parametern 325 A.3.4 Darstellung von Vierpolen mit z-parametern 326 Literatur 327 Sachverzeichnis 329 XI