Inhaltsverzeichnis. 1 Einleitung... 1

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Grundlagen der Halbleiter Halbleiter im Periodensystem der Elemente Halbleiter zwischen Nichtleiter und Leiter Aufbau der Atome Bohr sches 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 Störstellenleitung im Bändermodell Allgemeines zu dotierten Halbleitern Einfluss der Temperatur auf dotierte Halbleiter Auswirkung der Temperatur auf Halbleiterbauelemente Der pn-übergang Der pn-übergang ohne äußere Spannung Der ideale abrupte pn-übergang Diffusion und Rekombination im pn-grenzgebiet Ladungsträgerdichte Raumladungsdichte VII

2 VIII Inhaltsverzeichnis Diffusionsspannung Sperrschichtweite Sperrschichtkapazität Energiebänder-Modell des pn-übergangs Der pn-übergang mit äußerer Spannung Äußere Spannung in Sperrrichtung Verbreiterung der Grenzschicht Sperrsättigungsstrom Sperrschichtweite und Sperrschichtkapazität Äußere Spannung in Flussrichtung Durchbruchmechanismen beim pn-übergang Lawinendurchbruch Zener-Durchbruch Überlappung von Lawinen- und Zener-Effekt Thermischer Durchbruch (2. Durchbruch) Durchgriff (punch-through) Schaltverhalten des pn-übergangs Einschaltvorgang Kapazitives Verhalten (die Spannung steigt langsamer als der Strom) Induktives Verhalten (Überschwingen der Spannung) Aus- und Umschaltvorgang Unterbrechen des Durchlassstromes Umschalten von Fluss- in Sperrbetrieb Gesamtkennlinie des pn-übergangs Halbleiter-Metall-Übergang Halbleiterdioden Ausführung Aufbau Elektrische Funktion Bauarten Verhalten einer Diode Kennlinienbereiche Durchlassbereich Sperrbereich Durchbruchbereich Näherungen für die Diodenkennlinie Näherung 0. Ordnung Näherung 1. Ordnung Näherung 2. Ordnung Beschreibung durch Gleichungen... 80

3 Inhaltsverzeichnis IX Bestimmung der Diodenparameter mit Regressionsverfahren Kleinsignalverhalten von Dioden Arbeitspunkt Gleichstromwiderstand Wechselstromwiderstand Differenzieller Widerstand Wirkung des differenziellen Widerstandes Schaltverhalten von Dioden Ideales Schaltverhalten Umschalten von Sperr- in Flussrichtung Umschalten von Fluss- in Sperrrichtung Ein- und Ausschalten bei ohmsch-induktiver Last Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter Temperaturabhängigkeit des Sperrstromes Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung Zusammenfassung: Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter Kenn- und Grenzdaten von Dioden Grenzspannungen Grenzströme Sperrstrom Maximale Verlustleistung Auszüge aus Datenblättern von Dioden Silizium-Epitaxial-Planar-Diode 1N Silizium-Diffusions-Dioden 1N N Herstellungsmethoden für pn-übergänge Legierungstechnik Planartechnik Diffusion Epitaxie Ionenimplantation Kontaktierung Aufbau von Halbleiterdioden Einzeldiode Spitzendioden Flächendioden Leistungsdioden Gehäuse Integrierte Diode Diodentypen Schaltdiode, Universaldiode Gleichrichterdiode Schottky-Diode

4 X Inhaltsverzeichnis Suppressordiode Temperatursensoren DIAC Dreischichtdiode Fünfschichtdiode Vierschichtdiode Anwendungen der Mehrschichtdioden Kennwerte von Mehrschichtdioden Zenerdiode, Z-Diode Avalanchediode Stromregeldiode Leuchtdiode (Lumineszenzdiode, LED) Grundsätzliches Funktionsprinzip Herstellung Material und Farben, Spektrum Technische Ausführung, Aufbau Flächen- und Kantenstrahler Wirkungsgrad Eigenschaften Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen und Einsatzbereiche Organische Leuchtdiode (OLED) Vorteile Nachteile Organische Materialien Aufbau Funktionsweise Aktivmatrix- und Passivmatrix-Displays Laserdiode (LD) Grundlagen Realisierungsbedingungen für die Funktion der Laserdiode Aufbau der Materialschichten Aufbau des Laserresonators, DFB-, DBR-Laser Kenngrößen Eigenschaften und Besonderheiten Anwendungen Beispiel für Datenblattangaben einer Laserdiode Fotodiode Funktionsweise Betriebsarten

5 Inhaltsverzeichnis XI Aufbau Eigenschaften Ausführungsformen Anwendungen Solarzelle Aufbau einer Silizium-Solarzelle Solarzellentypen Verluste in Solarzellen Eigenschaften von Solarzellen Kenndaten der Solarzelle Ersatzschaltbild der Solarzelle Bypass-Diode Kapazitätsdiode (Varaktor-Diode) Allgemeines Funktionsweise und Eigenschaften Ersatzschaltung, Güte Grenzfrequenz f c (cut-off-frequency) Temperaturabhängigkeit Anwendungen pin-diode Funktion Anwendungen der pin-diode Tunneldiode (Esaki-Diode) Grundlegendes zur Quantenphysik Tunneleffekt Aufbau und Funktion der Tunneldiode Ersatzschaltung Anwendungen der Tunneldiode Rückwärtsdiode (Backwarddiode) Gunndiode Gunn-Effekt Aufbau der Gunndiode Funktionsweise der Gunndiode Anwendungen der Gunndiode IMPATT-Diode Funktionsweise der IMPATT-Diode Anwendungen der IMPATT-Diode TRAPATT-Diode BARITT-Diode DOVETT-Diode Ladungsspeicherungsdiode

6 XII Inhaltsverzeichnis Speicherschaltdiode (Step-Recovery-Diode) Magnetdiode Aufbau Funktionsweise Eigenschaften und Anwendungen Bipolare Transistoren Definition und Klassifizierung von Transistoren Grundsätzlicher Aufbau des Transistors Richtungen von Strömen und Spannungen Betriebszustände (Arbeitsbereiche) Aktiver Zustand (Normalbetrieb, Vorwärtsbetrieb) Gesättigter Zustand (Sättigungsbetrieb) Gesperrter Zustand (Sperrbetrieb) Inverser Zustand (Inversbetrieb, Rückwärtsbetrieb) Signaldynamik und Signalgröße Funktionsweise Die drei Grundschaltungen des Bipolartransistors Einsatz als Verstärker oder Schalter Verstärkerbetrieb Schalterbetrieb Kennlinien des Transistors Eingangskennlinie Verlauf der Eingangskennlinie Differenzieller Eingangswiderstand Ausgangskennlinie Ausgangskennlinienfeld für Spannungs- und Stromsteuerung Aktiver Bereich Übersteuerungsbereich Sperrbereich Differenzieller Ausgangswiderstand Steuerkennlinien Strom-Steuerkennlinie Spannungs-Steuerkennlinie Rückwirkungskennlinie Vierquadranten-Kennlinienfeld Durchbruchspannungen und Grenzströme Durchbruch 1. Art Basis-Emitter-Diode Basis-Kollektor-Diode Kollektor-Emitter-Strecke

7 Inhaltsverzeichnis XIII Durchbruch 2.Art Grenzströme Maximale Verlustleistung Statischer Betrieb Pulsbetrieb Erlaubter Arbeitsbereich Rauschen beim Bipolartransistor Allgemeines zum Rauschen Beschreibung stochastischer Signale Rauschquellen beim Bipolartransistor Thermisches Rauschen (Widerstandsrauschen) Schrotrauschen (Schottky-Rauschen) /f -Rauschen Popcorn-Rauschen Generations-Rekombinations-Rauschen Stromverteilungsrauschen Avalanche-Rauschen Rauschzahl Definition und Eigenschaften Bereich weißes Rauschen Bereich 1=f -Rauschen Bereich hoher Frequenzen Beschreibung durch Gleichungen Abhängigkeiten der Stromverstärkung Abhängigkeit der Stromverstärkung vom Arbeitspunkt Abhängigkeit der Stromverstärkung von der Grundschaltung Stromverstärkung der Basisschaltung Stromverstärkung der Emitterschaltung Stromverstärkung der Kollektorschaltung Umrechnung der Stromverstärkungen Stromverstärkung in Abhängigkeit der Frequenz, Grenzfrequenzen ˇ-Grenzfrequenz Transitfrequenz Maximale Schwingfrequenz Dynamisches Schaltverhalten des Bipolartransistors Schaltzeiten Einschaltverzögerung t d Anstiegszeit t r Speicherzeit t s Abfallzeit t f Verkürzung der Schaltzeiten

8 XIV Inhaltsverzeichnis 5.17 Modelle und Ersatzschaltungen des Bipolartransistors Die physikalische Ersatzschaltung Das Ebers-Moll-Modell Transportmodell Gummel-Poon-Modell Gleichstrom-Kleinsignalersatzschaltbild Die formale Ersatzschaltung Allgemeines zum Vierpol h-parameter Bestimmung der h-parameter aus den Kennlinien Umrechnung der h-parameter zwischen Grundschaltungen Umrechnung von h-parametern für andere Arbeitspunkte y-parameter Umrechnung zwischen y- und h-parametern s-parameter Vierpolparameter und physikalisches Ersatzschaltbild Berechnung des Betriebsverhaltens Wechselstrom-Kleinsignalersatzschaltbild Aufbau und Herstellungsverfahren von Bipolartransistoren Spitzentransistor Legierungstransistor Mesatransistor Planartransistor Herstellung von Einzeltransistoren, innerer Aufbau Bauformen, Gehäuse von Einzeltransistoren Integrierte Transistoren, Herstellung und innerer Aufbau Herstellungsprozess am Beispiel eines npn-transistors Emitterrandverdrängung Hetero-Bipolartransistor (HBT) Darlington-Transistor Verlauf der Stromverstärkung Stromverstärkung im Bereich Stromverstärkung im Bereich 2 und Schaltverhalten Kleinsignalverhalten Weitere Besonderheiten des Darlington-Transistors

9 Inhaltsverzeichnis XV 6 Feldeffekttransistoren Allgemeine Eigenschaften Funktionsprinzip und Klassifikation Praxis mit Feldeffekttransistoren Unterschiede zwischen unipolaren und bipolaren Transistoren Die drei Grundschaltungen des Feldeffekttransistors Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-FET JFET ohne äußere Spannung U GS variabel, U DS klein und konstant U DS variabel, U GS D U DS und U GS variabel Kennlinien des JFET, Beschreibung durch Gleichungen Begriffe Kennlinienarten Übertragungskennlinie Ausgangskennlinienfeld Temperaturabhängigkeit der JFET-Parameter Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise des MOSFETs MOS-Kondensator, Grundlagen des MOSFETs Aufbau eines n-kanal MOSFET Anreicherungstyp Verarmungstyp Wirkungsweise des n-kanal MOSFET, Anreicherungstyp Wirkungsweise des n-kanal MOSFET, Verarmungstyp Kennlinien des MOSFETs, Beschreibung durch Gleichungen n-kanal MOSFET, Anreicherungstyp n-kanal MOSFET, Verarmungstyp MOSFET als steuerbarer Widerstand Temperaturabhängigkeit der MOSFET-Parameter Modelle und Ersatzschaltungen des Feldeffekttransistors Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Kleinsignalmodell Gleichstrom-Kleinsignalersatzschaltbild Wechselstrom-Kleinsignalersatzschaltbild Grenzfrequenzen bei Kleinsignalbetrieb Grenzdaten und Sperrströme Durchbruchspannungen Gate-Durchbruch Drain-Source-Durchbruch Grenzströme Drainstrom

10 XVI Inhaltsverzeichnis Rückwärtsdiode Gatestrom 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 Allgemeines, Vorteile, Einsatzgebiete FET mit DMOS-Struktur FET mit VMOS-Struktur HEXFET SIPMOS-Transistor LDMOS-Transistor FREDFET Intelligente Leistungs-FETs TEMPFET (Temperature Protected FET) PROFET (Protected FET) Weitere Bauformen von FETs Dual-Gate MOSFET MESFET HEMT (MODFET) ISFET ENFET TFT-Transistor Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Struktureller Aufbau NPT- und PT-Struktur Funktionsweise IGBT Latch-Up Kennlinien Vorwärtssperrzustand Durchlasszustand Rückwärtsbetrieb Schaltverhalten Übersicht Ein- und Ausschalten im Detail, Vergleich MOSFET IGBT Trench-IGBT

11 Inhaltsverzeichnis XVII 7 Thyristoren Einteilung der Thyristoren Einrichtungs-Thyristortriode (Thyristor) Grundlagen der Funktionsweise Aufbau Strom-Spannungs-Kennlinie Betrieb in Sperrrichtung Betrieb in (Vorwärts-)Blockierrichtung Der Zündvorgang Erläuterung des Zündvorgangs mit Hilfe des Zweitransistormodells Die Zündbedingung Zündung ohne Steuerstrom (I G D 0) Zündung durch den Steuerstrom Löschen des Thyristors Kennlinie des Steuerkreises Temperaturabhängigkeit Dynamische Eigenschaften Kritische Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du=dt Kritische Stromanstiegsgeschwindigkeit di=dt Einschaltverhalten Ausschaltverhalten Spannungs- und Stromgrenzwerte Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor Funktionsweise der Phasenanschnittsteuerung Berechnung der Änderung der Leistungsaufnahme Zusammenfassung der Eigenschaften von Thyristoren Vergleich von Thyristor und mechanischem Schalter Spezielle Bauformen des Thyristors Zweirichtungs-Thyristordiode (TRIAC) Einrichtungs-Thyristortetrode Asymmetrisch sperrende Thyristoren Rückwärts leitender Thyristor (RCT) Asymmetrisch sperrender Thyristor (ASCR) Gate Turn-Off Thyristor (GTO) Übersicht Halbleiterstruktur Stationäre Strom-Spannungskennlinie Vorgang beim Abschalten Zusammenfassung der Eigenschaften des GTO MOS-gesteuerter Thyristor (MCT) Übersicht

12 XVIII Inhaltsverzeichnis Halbleiterstruktur Schalteigenschaften des p-mct Zusammenfassung der Eigenschaften von MCTs Lichtgesteuerter Thyristor (LTT) Feldgesteuerter Thyristor (FCT) Übersicht Schalteigenschaften des FCT Gate-Commutated Thyristor (GCT, IGCT) Unijunction-Transistor (UJT) Wirkungsweise Anwendung Operationsverstärker Allgemeines, Überblick Schaltsymbol, Anschlüsse Ausführungsformen Betriebsspannungen Operationsverstärker-Typen Normaler Operationsverstärker Transkonduktanz-Verstärker Transimpedanz-Verstärker Strom-Verstärker Der normale Operationsverstärker Begriffsdefinitionen Differenzverstärkung, Leerlaufspannungsverstärkung V Übertragungskennlinie Gleichtaktverstärkung, Gleichtaktunterdrückung Eingangswiderstände Differenzeingangswiderstand Gleichtakteingangswiderstand Ausgangswiderstand Eingangsströme Eingangsruhestrom Offsetstrom (Eingangsfehlstrom) Offsetspannung Verstärkungseinstellung durch Gegenkopplung Verstärkungs-Bandbreiteprodukt Frequenzgang der Leerlaufverstärkung Erhöhung der Bandbreite durch Gegenkopplung Frequenzgangkorrektur Mehrstufiger Verstärker Schwingbedingung

13 Inhaltsverzeichnis XIX Amplituden- und Phasenrand Prinzip der Frequenzgangkorrektur Frequenzgangkorrektur am Operationsverstärker 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) Grundschaltung des Differenzverstärkers Realisierung der Konstantstromquelle Übertragungskennlinie des npn-differenzverstärkers Übertragungskennlinie des n-kanal MOSFET-Differenzverstärkers Die Koppelstufe Die Ausgangsstufe Tipps zum praktischen Einsatz von Operationsverstärkern Grundlagen integrierter Halbleiterschaltungen Allgemeines zu integrierten Schaltungen Definition und Arten der Integration Hybride Integration Monolithische Integration Multi Chip Module Vor- und Nachteile integrierter Schaltungen Einteilung integrierter Schaltungen Integrationsgrad Befestigungsart auf der Leiterplatte Technologie Schaltzeiten Temperaturbereiche Schaltungsart Anwendungsbereich Programmierbare Logik Zugänglichkeit Kenngrößen digitaler Schaltkreise Betriebsspannung

14 XX Inhaltsverzeichnis Pegelbereiche und Übertragungskennlinie logischer Schaltungen Spannungspegel, Störabstand Lastfaktoren Ausgangsstufen Schaltzeiten Verlustleistung Logikbaureihen Übersicht Bipolare Schaltkreisfamilien Übersicht MOS-Schaltkreisfamilien Bipolare Schaltkreisfamilien RTL DTL ECL I 2 L TTL Funktion TTL-Ausgangsschaltungen TTL-Schaltungsvarianten TTL-kompatible High-Speed-CMOS-Logik MOS-Schaltkreisfamilien Vorteile von MOSFETs in integrierten Schaltungen PMOS-Technologie NMOS-Technologie CMOS-Technologie Allgemeine Eigenschaften Statische CMOS-Logik CMOS-Inverter CMOS-Gatter Prinzipieller Aufbau von CMOS-Bauelementen Eingangs-Schutzschaltung Latch-up-Effekt Transmissionsgatter Dynamische CMOS-Logik BICMOS-Logik Halbleiterspeicher Einteilung digitaler Halbleiterspeicher Allgemeiner Aufbau der Speicherbausteine Speicherorganisation Der Adressdekoder Die Speicherzelle Aufbau von Speicherbausteinen, Zusammenfassung

15 Inhaltsverzeichnis XXI Busleitungen, Steuersignale Kenndaten Kapazität und Organisation eines Speicherbausteines Zeitverhalten von Speichern Einteilung der Tabellenspeicher Einteilung der Festwertspeicher Masken-ROM Mit Programmiergerät programmierbare PROMs PROM, ein Mal programmierbar EPROM, löschbar und mehrfach programmierbar In der Schaltung lösch- und programmierbare PROMs EEPROM (E 2 PROM, Electrically Erasable PROM) Flash-EEPROM MRAM (Magnetic Random Access Memory) Grundlagen, magnetoresistive Effekte Funktionsweise Lese- und Schreibvorgang FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) Grundlagen, Ferroelektrika Aufbau und Funktionsweise Lese- und Schreibvorgang OUM (Ovonic Unified Memory) Einteilung der flüchtigen Speicher Statisches RAM (SRAM) Die SRAM-Speicherzelle Die SRAM-Speichermatrix Spezielle Typen statischer RAM Dynamisches RAM (DRAM) Die Ein-Transistor-DRAM-Zelle Architektur und interne Steuerung Lesevorgang Schreibvorgang Refresh-Arten Organisationsarten und Typen von DRAMs Anwendungsspezifische Integrierte Bausteine Einsatz von ASICs Einteilung von ASICs Full-Custom-ASIC Standardzellen-ASIC Gate Array Programmierbare Logikbausteine

16 XXII Inhaltsverzeichnis 11.3 Entwurfsablauf eines ASIC Vorüberlegungen Infrastruktur Technologie Entwurfsstrategie Stückzahlen, Kosten, Zeit Schaltungsentwicklung Entwurfsschritte Handrechnung Schaltungseingabe Schaltplaneingabe Hardwarebeschreibungssprachen Schaltungssynthese Simulation Grundlagen Parameterstreuungsabschätzung Layout Layerbezeichnungen Schematic Driven Layout Automatische Platzierung und Verdrahtung Mixed-Mode Layoutregeln Dummystrukturen zur Nachkorrektur Testpads Entwurfsprüfung ERC DRC LVS Fertigung Allgemeines Maskenerstellung Single Run MPW-Run Backup-Wafer Mechanischer Aufbau Bonddrähte Mechanische Spannungen im Substrat Test Anforderungen und Fehlerarten Teststrategie Fehlermodelle Prüfpfadtechnik

17 Inhaltsverzeichnis XXIII Boundary Scan Testarten Einteilung programmierbarer Logikbausteine Übersicht und Begriffe Architektur anwenderprogrammierbarer Logikschaltkreise Kurzdarstellung von Verbindungsstrukturen Elementare kombinatorische Schaltkreise Grundsätzliches zur Architektur Technologien Wichtige Kennwerte PAL Kombinatorische PALs Sequenzielle (Registered) PALs GAL CPLD FPGA Interne Struktur eines FPGA Vorteile von FPGAs, Anwendungsgebiete Aufbau eines FPGA Architektur und Verdrahtung Wahl eines FPGA Programmiertechnologien Liste verwendeter Formelzeichen Literatur Sachverzeichnis

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