Systemintegration. Vom Transistor zur großintegrierten Schaltung von Kurt Hoff mann. 2., korrigierte und erweiterte Auflage

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1 Systemintegration Vom Transistor zur großintegrierten Schaltung von Kurt Hoff mann 2., korrigierte und erweiterte Auflage Oldenbourg Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Vorwort Zum Inhalt des Buches Formelzeichen und Symbole Umrechnungsfaktoren und Konstanten Wichtige Beziehungen V XI XIV XVIII XXI XXII 1 Grundlagen der Halbleiterphysik Theorie des Bändermodells Dotierte Halbleiter Gleichungen für den Halbleiter im Gleichgewichtszustand Fermi-Verteilungsfunktion Ladungsträgerkonzentration im Gleichgewichtszustand Das Dichteprodukt im Gleichgewichtszustand Elektronenenergie, Spannung und elektrische Feldstärke Ladungsträgertransport Driftgeschwindigkeit Driftstrom Diffusionsstrom Kontinuitätsgleichung Störungen des thermodynamischen Gleichgewichts Metallurgischer pn-übergang Inhomogener n-typ-halbleiter Der pn-übergang im Gleichgewichtszustand Der pn-übergang bei Anlegen einer Spannung Das Dichteprodukt bei Abweichungen vom Gleichgewichtszustand Stromspannungsbeziehung Abweichungen von der Stromspannungsbeziehung Spannungsbezugspunkt 53

3 VI Kapazitätsverhalten des pn-übergangs Sperrschichtkapazität Diffusionskapazität Schaltverhalten des pn-übergangs Durchbruchverhalten Modellierung des pn-übergangs Diodenmodell für CAD-Anwendungen Diodenmodell für überschlägige statische Berechnungen Diodenmodell für überschlägige Kleinsignalberechnungen Bipolarer Transistor Herstellung einer Bipolarschaltung Wirkungsweise des bipolaren Transistors Stromspannungsbeziehung Transistor im inversen Betrieb Spannungssättigung Temperaturverhalten Durchbruchverhalten Effekte zweiter Ordnung Abhängigkeit der Stromverstärkung vom Kollektorstrom Basisweitenmodulation Emitterrandverdrängung Abweichende Transistorstrukturen Modellierung des bipolaren Transistors Transistormodell für CAD-Anwendungen Transistormodell für überschlägige statische Berechnungen Transistormodell für überschlägige Kleinsignalberechnungen Bestimmung der Transitzeit Feldeffekttransistor Herstellung einer CMOS-Schaltung MOS-Struktur Charakteristik der MOS-Struktur Kapazitätsverhalten der MOS-Struktur Flachbandspannung Gleichungen der MOS-Struktur Ladungen in der MOS-Struktur Oberflächenspannung bei starker Inversion Einsatzspannung und Substratsteuereffekt Inhaltsverzeichnis

4 Inhaltsverzeichnis Wirkungsweise des MOS-Transistors Transistorgleichungen bei starker Inversion Genauere Transistorgleichungen bei starker Inversion Transistorgleichungen bei schwacher Inversion Temperaturverhalten des MOS-Transistors Effekte zweiter Ordnung Beweglichkeitsdegradation Kanallängenmodulation Kurzkanaleffekte Heiße Ladungsträger Gateinduzierter Drainleckstrom Durchbruchverhalten des MOS-Transistors Latch-Up Effekt MOS-Transistoren mit hoher Spannungsfestigkeit Modellierung des MOS-Transistors CAD-Anwendungen Überschlägige statische und transiente Berechnungen Uberschlägige Kleinsignalberechnungen Anhang A: Schwache Inversion Grundlagen digitaler CMOS-Schaltungen Geometrische Entwurfsunterlagen Elektrische Entwurfsregeln MOS-Inverter Verarmungsinverter Anreicherungsinverter P-Last-Inverter Komplementärinverter Serien- und Parallelschaltung von Transistoren Schaltverhalten der MOS-Inverter Treiberschaltungen Super-Treiber Bootstrap-Treiber Eingangs- / Ausgangsschaltungen Eingangsschaltungen Ausgangstreiber Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle ESD-Schutz

5 VIII Schaltnetze und Schaltwerke Statische Schaltnetze Statische Gatterschaltungen Layout statischer Gatterschaltungen Transfer-Gatterschaltungen Getaktete Schaltnetze Getaktete Gatterschaltungen (C 2 MOS) Dominoschaltungen Modifizierte Dominoschaltung (NORA-Domino) Differenziell kaskadierte Schaltung (DCVS) Schaltverhalten von Gattern Gatterschaltungen für hohe Taktraten Logische Felder Dekoder Komplementärdekoder Programmierbare Logikanordnung (PLA) Schaltwerke Flip-Flops Zwei-Takt-Register Ein-Takt-Register Takterzeugung MOS-Speicher Nur-Lese-Speicher (ROM) Elektrisch programmierbare und optisch löschbare Speicher EPROM Speicherarchitektur Stromspannungswandler Elektrisch umprogrammierbare Speicher Elektrisch umprogrammierbare Speicherzellen Flash-Speicher-Architekturen NROM Chip-interne Spannungserzeugung Statische Speicher Statische Speicherzellen SRAM Speicherarchitektur Address Transition Detection (ATD) Dynamische Halbleiterspeicher Ein-Transistor-Speicherzellen DRAM-Speicher-Grundschaltungen DRAM Speicherarchitektur Alpha-Strahlempfindlichkeit Inhaltsverzeichnis

6 Grundlagen analoger CMOS-Schaltungen Stromspiegelschaltungen Verbesserte Stromsenken Source-Folger Einfache Verstärkerstufen Miller-Effekt Differenzielle Eingangsstufe mit symmetrischem Ausgang Differenzielle Eingangsstufe mit unsymmetrischem Ausgang Anhang B: Übertragungsfunktion Weiterführende CMOS-Verstärkerschaltungen Miller-Verstärker Gefalteter Kaskode-Verstärker Gefalteter Kaskode-Verstärker mit AB-Ausgangsstufe BICMOS-Schaltungen Stromschaltungstechniken CML-Schaltungen ECL-Schaltungen BICMOS-Treiber und-gatter Bandabstand-Spannungsquellen Analoge Anwendungen Offset-Verhalten von Bipolar-und MOS-Transistor Kleinsignalverhalten von Bipolar- und MOS-Transistor BCD-Technik Schaltverhalten des DMOS-Transistors Stromquellen DMOS-Treiber Schutzschaltungen Sachregister 557 IX