Inhaltsverzeichnis. 1 Einleitung 17

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 17 2 Grundlagen der Halbleiter Halbleiter im Periodensystem der Elemente Halbleiter zwischen Nichtleiter und Leiter Aufbau der Atome Bohrsches Atommodell Elektronenpaarbindung, Kristallgitter Schalenmodell und Wechselwirkung Bändermodell und Fermi-Statistik Direkte und indirekte Halbleiter Quanten und Wellen Direkte Rekombination Indirekte Rekombination Eigenleitung Eigenleitungsdichte Ladungsträgerlebensdauer Beweglichkeit Störstellenleitung Dotieren Störstetlenleitung im Bändermodell Allgemeines zu dotierten Halbleitern Einfluss der Temperatur auf dotierte Halbleiter Auswirkung der Temperatur auf Halbleiterbauelemente 50 3 Der pn-übergang Der pn-übergang ohne äußere Spannung Derideale abrupte pn-übergang Diffusion und Rekombination im pn-grenzgebiet Ladungsträgerdichte Raumladungsdichte Diffusionsspannung Sperrschichtweite Sperrschichtkapazität Energiebänder-Modell des pn-übergangs Der pn-übergang mit äußerer Spannung Äußere Spannung in Sperrrichtung 59 Bibliografische Informationen digitalisiert durch

2 8 Inhaltsverzeichnis Äußere Spannung in Flussrichtung Durchbruchmechanismen beim pn-übergang Lawinen-Durchbruch Zener-Durchbruch Überlappung von Lawinen- und Zener-Effekt Thermischer Durchbruch (2. Durchbruch) Durchgriff (punch-through) Schaltverhalten des pn-übergangs Einschaltvorgang Aus- und Umschaltvorgang Gesamtkennlinie des pn-übergangs Halbleiter-Metall-Übergang 79 Halbleiterdioden Ausführung Aufbau Elektrische Funktion Bauarten Verhalten einer Diode Kennünienbereiche Näherungen für die Diodenkennlinie Beschreibung durch Gleichungen Bestimmung der Diodenparameter mit Regressionsverfahren Kleinsignalverhalten von Dioden Schaltverhalten von Dioden Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter Temperaturabhängigkeit des Sperrstromes Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung Zusammenfassung: Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter Kenn- und Grenzdaten von Dioden Î Grenzspannungen Grenzströme Sperrstrom Maximale Verlustleistung Auszüge aus Datenblättern von Dioden Silizium-Epitaxial-Planar-Diode IN Silizium-Diffusions-Dioden IN N Herstellungsmethoden für pn-übergänge Legierungstechnik Planartechnik Aufbau von Halbleiterdioden Einzeldiode integrierte Diode 120

3 In ha Its Verzeichnis 4.11 Diodentypen Schaltdiode, Universaldiode Gleichrichterdiode Schottky-Diode Suppressordiode Temperatursensoren DIAC Zenerdiode, Z-Diode Avalanchediode Stromregeldiode Leuchtdiode (Lumineszenzdiode, LED) Organische Leuchtdiode (OLED) Laserdiode (LD) Fotodiode Solarzelle Kapazitätsdiode (Varaktor-Diode) pin-diode Tunneldiode (Esaki-Diode) Rückwärtsdiode (Backwarddiode) Gunndiode IMPATT-Diode TRAPATT-Diode BARITT-Diode DOVETT-Diode Ladungsspeicherungsdiode Speicherschaltdiode (Step-Recovery-Diode) Magnetdiode 209 Bipolare Transistoren Definition und Klassifizierung von Transistoren Grundsätzlicher Aufbau des Transistors Richtung von Strömen und Spannungen Betriebszustände (Arbeitsbereiche) Aktiver Zustand (Normalbetrieb, Vorwärtsbetrieb) Gesättigter Zustand (Sättigungsbetrieb) Gesperrter Zustand (Sperrbetrieb) Inverser Zustand (Inversbetrieb, Rückwärtsbetrieb) Signatdynamik und Signalgröße Funktionsweise Die drei Grundschaltungen des Bipolartransistors Einsatz ats Verstärker oder Schalter Verstärkerbetrieb Schalterbetrieb 228

4 10 Inhaltsverzeichnis 5.9 Kennlinien des Transistors Eingangskennlinie Ausgangskennlinie Steuerkennlinien Rückwirkungskennlinie Vierquadranten-Kennlinienfeld Durchbruchspannungen und Grenzströme Durchbruch l.art Durchbruch 2. Art Grenzströme Maximale Verlustleistung Statischer Betrieb Putsbetrieb Erlaubter Arbeitsbereich Rauschen beim Bipolartransistor Allgemeines zum Rauschen Beschreibung stochastischer Signale Rauschquellen beim Bipolartransistor Rauschzahl Beschreibung durch Gleichungen Abhängigkeiten der Stromverstärkung Abhängigkeit der Stromverstärkung vom Arbeitspunkt Abhängigkeit der Stromverstärkung von der Grundschaltung Stromverstärkung in Abhängigkeit der Frequenz, Grenzfrequenzen Dynamisches Schaltverhalten des Bipolartransistors Schaltzeiten Modelle und Ersatzschaltungen des Bipolartransistors Die physikalische Ersatzschaltung Die formale Ersatzschaltung Wechselstrom-Kleinsignalersatzschaltbild Aufbau und Herstellungserfahren von Bipolartransistoren Spitzentransistor Legierungstransistor Mesatransistor Planartransistor, Hetero-Bipolartransistor (HBT) Darlington-Transistor Verlauf der Stromverstärkung Schaltverhalten Kleinsignalverhalten Weitere Besonderheiten des Darlington-Transistors 325

5 Inhaltsverzeichnis 11 Feldeffekttransistoren Allgemeine Eigenschaften Funktionsprinzip und Klassifikation Praxis mit Feldeffekttransistoren Unterschiede zwischen unipolaren und bipolaren Transistoren Die drei Grundschaltungendes Feldeffekttransistors Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-FET )FET ohne äußere Spannung / variabel, /^klein und konstant / ßS variabel, / cs = U DS und U es variabel Kennlinien des JFET, Beschreibung durch Gleichungen Temperaturabhängigkeit der JFET-Parameter Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise des MOSFETs MOS-Kondensator, Grundlagen des MOSFETs Aufbau eines n-kanal-mosfets Wirkungsweise des n-kanal-mosfets, Anreicherungstyp Wirkungsweise des n-kanal-mosfets, Veraimungstyp Kennlinien des MOSFETs, Beschreibung durch Gleichungen MOSFET als steuerbarer Widerstand Temperaturabhängigkeit der MOSFET-Parameter Modelle und Ersatzschaltungen des Feldeffekttransistors Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Kleinsignalmodell Grenzdaten und Sperrströme Durchbruchspannungen Grenzströme Sperrströme Maximale Verlustleistung Erlaubter Arbeitsbereich Der FET als Schalter Schaltstufen mit FET Dynamisches Verhalten von FET-Schaltstufen Rauschen beim Feldeffekttransistor Spezielle Bauformen von Feldeffekttransistoren Leistungs-MOSFETs Intelligente Leistungs-FETs Weitere Bauformen von FETs Insulated Gate Bipolar Transistor ( GBT) Struktureller Aufbau NPT-und PT-Struktur Funktionsweise 398

6 12 Inhaltsverzeichnis IGBT Latch-Up Kennlinien Schaltverhalten Trench-IGBT 407 Thyristoren Einteilung der Thyristoren Einrichtungs-Thyristortriode (Thyristor) Grundlagen der Funktionsweise Aufbau Strom-Spannungs-Kennlinie Der Zündvorgang Löschen des Thyristors Kennlinie des Steuerkreises Temperaturabhängigkeit Dynamische Eigenschaften Spannungs- und Stromgrenzwerte Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor Zusammenfassung der Eigenschaften von Thyristoren Vergleich von Thyristor und mechanischem Schalter Spezielle Bauformen des Thyristors Zweirichtungs-ThyristordiodefTRIAC) Einrichtungs-Thyristortetrode Asymmetrisch sperrende Thyristoren Gate Turn-Off Thyristor (GTO) MOS-gesteuerter Thyristor (MCT) Lichtgesteuerter Thyristor (LTT) Feldgesteuerter Thyristor (FCT) Gate-Com m utated Thyristor (GCT, IGCT) Unijunction-Transistor (UJT) 445 Operationsverstärker Allgemeines, Überblick Schaltsymbol, Anschlüsse Ausführungsformen Betriebsspannungen Operationsverstärker-Typen Normaler Operationsverstärker Transkonduktanz-Verstärker Transimpedanz-Verstärker Strom-Verstärker Der normale Operationsverstärker Begriffsdefinitionen 457

7 Inhaltsverzeichnis Differenzverstärkung, Leertaufspannungsverstärkung V a Übertragungskennlinie Gleichtaktverstärkung, Gleichtaktunterdrückung Eingangswiderstände Ausgangswiderstand Eingangsströme Offsetspannung Verstärkungseinstellung durch Gegenkopplung Verstärkungs-Bandbreiteprodukt Frequenzgangkorrektur Spannungsbereich und Stromaufnahme Temperaturbereich Anstiegsgeschwindigkeit Maximale Ausgangsspannung Einschwingzeit (Settling Time) Zeitverzögerung nach Überlast Rauschen Der ideale Operationsverstärker Interner Aufbau von Operationsverstärkern Übersicht Die Eingangsstufe (Differenzverstärker) Die Koppelstufe Die Ausgangsstufe Tipps zum praktischen Einsatz von Operationsverstärkern 503 Grundlagen integrierter Halbleiterschaltungen Allgemeines zu integrierten Schaltungen Definition und Arten der Integration Vor- und Nachteile integrierter Schaltungen Einteilung integrierter Schaltungen Kenngrößen digitaler Schaltkreise Betriebsspannung Pegelbereiche und Übertragungskennlinie logischer Schaltungen Spannungspegel, Störabstand Lastfaktoren Ausgangsstufen Schaltzeiten Verlustleistung Logikbaureihen Übersicht bipolare Schaltkreisfamilien Übersicht MOS-Schaltkreisfamilien Bipolare Schaltkreisfamilien RTL 525

8 14 Inhaltsverzeichnis DTL ECL I 2 L TTL MOS-Schaltkreisfamilien Vorteile von MOSFETs in integrierten Schaltungen PMOS-Technologie NMOS-Technologie CMOS-Technologie BICMOS-Logik Halbleiterspeicher 561 Î0.1 Einteilung digitaler Halbleiterspeicher Allgemeiner Aufbau der Speicherbausteine Speicherorganisation Der Adressdekoder Die Speicherzelle Aufbau von Speicherbausteinen, Zusammenfassung Busle/tungert, Steuersignale Kenndaten Einteilung der Tabellenspeicher Einteilung der Festwertspeicher Masken-ROM Mit Programmiergerat programmierbare PROMs In der Schaltung lösch- und programmierbare PROMs MRAM (Magnetic Random Access Memory) FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) Einteilung der flüchtigen Speicher Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM) Anwendungsspezifische integrierte Bausteine Einsatz von ASICs Einteilung von ASICs Full-Custom-ASIC Standardzellen-ASiC Gate Array Programmierbare Logikbausteine Entwurfsablauf eines ASIC Vorüberlegungen Schaltungsentwkklung Schaltungseingabe Simulation, 622

9 Inhaltsverzeichnis Layout Entwurfsprüfung Fertigung Mechanischer Aufbau Test Einteilung programmierbarer Logikbausteine Übersicht und Begriffe Architektur anwenderprogrammierbarer Logikschaltkreise PAL GAL CPLD FPGA Literaturverzeichnis 661 Stichwortverzeichnis 665