Systemintegration Vom Transistor zur großintegrierten Schaltung von Kurt Hoff mann 2., korrigierte und erweiterte Auflage Oldenbourg Verlag München Wien
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 1 1.1 Theorie des Bändermodells 1 1.2 Dotierte Halbleiter 6 1.3 Gleichungen für den Halbleiter im Gleichgewichtszustand 8 1.3.1 Fermi-Verteilungsfunktion 8 1.3.2 Ladungsträgerkonzentration im Gleichgewichtszustand 11 1.3.3 Das Dichteprodukt im Gleichgewichtszustand 13 1.3.4 Elektronenenergie, Spannung und elektrische Feldstärke 16 1.4 Ladungsträgertransport 18 1.4.1 Driftgeschwindigkeit 18 1.4.2 Driftstrom 20 1.4.3 Diffusionsstrom 23 1.4.4 Kontinuitätsgleichung 25 1.5 Störungen des thermodynamischen Gleichgewichts 26 1.6 35 1.7 38 2 Metallurgischer pn-übergang 39 2.1 Inhomogener n-typ-halbleiter 39 2.2 Der pn-übergang im Gleichgewichtszustand 42 2.3 Der pn-übergang bei Anlegen einer Spannung 44 2.3.1 Das Dichteprodukt bei Abweichungen vom Gleichgewichtszustand 46 2.3.2 Stromspannungsbeziehung 48 2.3.3 Abweichungen von der Stromspannungsbeziehung 51 2.3.4 Spannungsbezugspunkt 53
VI 2.4 2.4.1 2.4.2 2.5 2.6 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.6 3.7 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 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 54 55 60 64 66 70 70 73 75 76 78 79 79 89 91 98 100 102 104 107 107 111 118 121 124 124 130 131 134 139 143 145 145 152 152 156 158 161 161 165 167
Inhaltsverzeichnis 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.5.6 4.5.7 4.6 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.8 4.9 4.10 5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.7 5.8 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 171 172 179 181 183 186 186 188 190 195 196 198 199 202 211 211 219 222 225 231 236 239 239 246 252 253 256 258 260 267 268 278 278 281 283 284 287 293 309 313 316
VIII 6 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.6 6.7 7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.6 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 319 319 319 322 325 328 328 331 333 334 336 338 345 345 346 350 353 353 361 364 367 370 372 375 376 378 380 382 384 384 391 397 402 406 406 410 411 413 414 419 425 429 431
7.7 436 8 Grundlagen analoger CMOS-Schaltungen 439 8.1 Stromspiegelschaltungen 440 8.1.1 Verbesserte Stromsenken 443 8.2 Source-Folger 446 8.3 Einfache Verstärkerstufen 449 8.3.1 Miller-Effekt 453 8.3.2 Differenzielle Eingangsstufe mit symmetrischem Ausgang 456 8.3.3 Differenzielle Eingangsstufe mit unsymmetrischem Ausgang 460 8.4 467 8.5 Anhang B: Übertragungsfunktion 469 8.6 Weiterführende 476 9 CMOS-Verstärkerschaltungen 477 9.1 Miller-Verstärker 477 9.2 Gefalteter Kaskode-Verstärker 488 9.3 Gefalteter Kaskode-Verstärker mit AB-Ausgangsstufe 491 9.4 496 9.5 497 10 BICMOS-Schaltungen 499 10.1 Stromschaltungstechniken 500 10.1.1 CML-Schaltungen 500 10.1.2 ECL-Schaltungen 507 10.2 BICMOS-Treiber und-gatter 510 10.3 Bandabstand-Spannungsquellen 516 10.4 Analoge Anwendungen 526 10.4.1 Offset-Verhalten von Bipolar-und MOS-Transistor 527 10.4.2 Kleinsignalverhalten von Bipolar- und MOS-Transistor 528 10.5 BCD-Technik 536 10.5.1 Schaltverhalten des DMOS-Transistors 541 10.5.2 Stromquellen 543 10.5.3 DMOS-Treiber 544 10.5.4 Schutzschaltungen 547 10.6 553 10.7 555 11 Sachregister 557 IX