Hoffmann Systemintegration

Vom Transistor zur großintegrierten Schaltung
3. Auflage 2012
ISBN: 978-3-486-72000-6
Verlag: De Gruyter
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 621 Seiten, Format (B × H): 170 mm x 240 mm

In dem vorliegenden Lehrbuch wird zunächst Wissen über das grundsätzliche Verhalten der verschiedensten Bauelemente integrierter Schaltungen vermittelt. Erst dann werden die wesentlichen Schaltungstechniken für den Entwurf von digitalen und analogen CMOS- und BICMOS-Schaltungen vorgestellt. Dem Autor gelingt es schlüssig, den weiten Bogen von den Grundlagen der Physik bis zu tatsächlichen Anwendungen und der Produktion von Halbleiterschaltungen zu spannen und so einen umfassenden Überblick über den Designprozess in der Mikroelektronik zu geben.

Autoren/Hrsg.

Hoffmann, Kurt

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Elektronik | Nachrichtentechnik Elektronik Schaltungsentwurf

Inhaltsverzeichnis

1;Inhaltsverzeichnis;5
2;Vorwort;11
3;Zum Inhalt des Buches;14
4;Formelzeichen und Symbole;18
5;Umrechnungsfaktoren und Konstanten;21
6;Wichtige Beziehungen;22
7;1 Grundlagen der Halbleiterphysik;29
7.1;1.1 Theorie des Bändermodells;29
7.2;1.2 Dotierte Halbleiter;34
7.3;1.3 Gleichungen für den Halbleiter im Gleichgewichtszustand;36
7.3.1;1.3.1 Fermi-Verteilungsfunktion;36
7.3.2;1.3.2 Ladungsträgerkonzentration im Gleichgewichtszustand;39
7.3.3;1.3.3 Das Dichteprodukt im Gleichgewichtszustand;41
7.3.4;1.3.4 Elektronenenergie, Spannung und elektrische Feldstärke;44
7.4;1.4 Ladungsträgertransport;46
7.4.1;1.4.1 Driftgeschwindigkeit;46
7.4.2;1.4.2 Driftstrom;48
7.4.3;1.4.3 Diffusionsstrom;51
7.4.4;1.4.4 Kontinuitätsgleichung;53
7.5;1.5 Störungen des thermodynamischen Gleichgewichts;54
7.6;1.6 Übungen;63
7.7;1.7 Literatur;66
8;2 Metallurgischer pn-Übergang;67
8.1;2.1 Inhomogener n-Typ-Halbleiter;67
8.2;2.2 Der pn-Übergang im Gleichgewichtszustand;70
8.3;2.3 Der pn-Übergang bei Anlegen einer Spannung;71
8.3.1;2.3.1 Das Dichteprodukt bei Abweichungen vom Gleichgewichtszustand;74
8.3.2;2.3.2 Stromspannungsbeziehung;76
8.3.3;2.3.3 Abweichungen von der Stromspannungsbeziehung;79
8.3.4;2.3.4 Spannungsbezugspunkt;81
8.4;2.4 Kapazitätsverhalten des pn-Übergangs;82
8.4.1;2.4.1 Sperrschichtkapazität;83
8.4.2;2.4.2 Diffusionskapazität;88
8.5;2.5 Schaltverhalten des pn-Übergangs;92
8.6;2.6 Durchbruchverhalten;94
8.7;2.7 Modellierung des pn-Übergangs;101
8.7.1;2.7.1 Diodenmodell für CAD-Anwendungen;101
8.7.2;2.7.2 Diodenmodell für überschlägige statische Berechnungen;104
8.7.3;2.7.3 Diodenmodell für überschlägige Kleinsignalberechnungen;105
8.8;2.8 Übungen;107
8.9;2.9 Literatur;109
9;3 Bipolarer Transistor;111
9.1;3.1 Herstellung einer Bipolarschaltung;111
9.2;3.2 Wirkungsweise des bipolaren Transistors;121
9.2.1;3.2.1 Stromspannungsbeziehung;123
9.2.2;3.2.2 Transistor im inversen Betrieb;130
9.2.3;3.2.3 Spannungssättigung;132
9.2.4;3.2.4 Temperaturverhalten;134
9.2.5;3.2.5 Durchbruchverhalten;136
9.3;3.3 Effekte zweiter Ordnung;139
9.3.1;3.3.1 Abhängigkeit der Stromverstärkung vom Kollektorstrom;139
9.3.2;3.3.2 Basisweitenmodulation;143
9.3.3;3.3.3 Emitterrandverdrängung;150
9.4;3.4 Abweichende Transistorstrukturen;153
9.5;3.5 Modellierung des bipolaren Transistors;156
9.5.1;3.5.1 Transistormodell für CAD-Anwendungen;156
9.5.2;3.5.2 Transistormodell für überschlägige statische Berechnungen;162
9.5.3;3.5.3 Transistormodell für überschlägige Kleinsignalberechnungen;163
9.5.4;3.5.4 Bestimmung der Transitzeit;166
9.6;3.6 Übungen;171
9.7;3.7 Literatur;175
10;4 Feldeffekttransistor;177
10.1;4.1 Herstellung einer CMOS-Schaltung;177
10.2;4.2 MOS-Struktur;184
10.2.1;4.2.1 Charakteristik der MOS-Struktur;184
10.2.2;4.2.2 Kapazitätsverhalten der MOS-Struktur;188
10.2.3;4.2.3 Flachbandspannung;190
10.3;4.3 Gleichungen der MOS-Struktur;193
10.3.1;4.3.1 Ladungen in der MOS-Struktur;193
10.3.2;4.3.2 Oberflächenspannung bei starker Inversion;197
10.3.3;4.3.3 Einsatzspannung und Substratsteuereffekt;199
10.4;4.4 Wirkungsweise des MOS-Transistors;203
10.4.1;4.4.1 Transistorgleichungen bei starker Inversion;204
10.4.2;4.4.2 Genauere Transistorgleichungen bei starker Inversion;211
10.4.3;4.4.3 Transistorgleichungen bei schwacher Inversion;213
10.4.4;4.4.4 Temperaturverhalten des MOS-Transistors;215
10.5;4.5 Effekte zweiter Ordnung;218
10.5.1;4.5.1 Beweglichkeitsdegradation;218
10.5.2;4.5.2 Kanallängenmodulation;220
10.5.3;4.5.3 Kurzkanaleffekte;222
10.5.4;4.5.4 Heiße Ladungsträger;227
10.5.5;4.5.5 Gateinduzierter Drainleckstrom;228
10.5.6;4.5.6 Durchbruchverhalten des MOS-Transistors;230
10.5.7;4.5.7 Latch-Up Effekt;231
10.6;4.6 MOS-Transistoren mit hoher Spannungsfestigkeit;234
10.7;4.7 Modellierung des MOS-Transistors;247
10.7.1;4.7.1 CAD-Anwendungen;247
10.7.2;4.7.2 Überschlägige statische und transiente Berechnungen;255
10.7.3;4.7.3 Überschlägige Kleinsignalberechnungen;258
10.8;4.8 Übungen;261
10.9;4.9 Anhang A: Schwache Inversion;267
10.10;4.10 Literatur;272
11;5 Grundlagen digitaler CMOS-Schaltungen;275
11.1;5.1 Geometrische Entwurfsunterlagen;275
11.2;5.2 Elektrische Entwurfsregeln;282
11.3;5.3 MOS-Inverter;288
11.3.1;5.3.1 Verarmungsinverter;289
11.3.2;5.3.2 Anreicherungsinverter;292
11.3.3;5.3.3 P-Last-Inverter;294
11.3.4;5.3.4 Komplementärinverter;296
11.3.5;5.3.5 Serien- und Parallelschaltung von Transistoren;303
11.4;5.4 Schaltverhalten der MOS-Inverter;304
11.5;5.5 Treiberschaltungen;314
11.5.1;5.5.1 Super-Treiber;314
11.5.2;5.5.2 Bootstrap-Treiber;316
11.6;5.6 Eingangs- / Ausgangsschaltungen;319
11.6.1;5.6.1 Eingangsschaltungen;320
11.6.2;5.6.2 Ausgangstreiber;323
11.6.3;5.6.3 Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle;331
11.6.4;5.6.4 ESD-Schutz;346
11.7;5.7 Übungen;350
11.8;5.8 Literatur;353
12;6 Schaltnetze und Schaltwerke;355
12.1;6.1 Statische Schaltnetze;355
12.1.1;6.1.1 Statische Gatterschaltungen;355
12.1.2;6.1.2 Layout statischer Gatterschaltungen;358
12.1.3;6.1.3 Transfer-Gatterschaltungen;361
12.2;6.2 Getaktete Schaltnetze;364
12.2.1;6.2.1 Getaktete Gatterschaltungen (C2MOS);364
12.2.2;6.2.2 Dominoschaltungen;367
12.2.3;6.2.3 Modifizierte Dominoschaltung (NORA-Domino);369
12.2.4;6.2.4 Differenziell kaskadierte Schaltung (DCVS);370
12.2.5;6.2.5 Schaltverhalten von Gattern;372
12.3;6.3 Gatterschaltungen für hohe Taktraten;374
12.4;6.4 Logische Felder;381
12.4.1;6.4.1 Dekoder;381
12.4.2;6.4.2 Komplementärdekoder;382
12.4.3;6.4.3 Programmierbare Logikanordnung (PLA);386
12.5;6.5 Schaltwerke;389
12.5.1;6.5.1 Flip-Flops;389
12.5.2;6.5.2 Zwei-Takt-Register;397
12.5.3;6.5.3 Ein-Takt-Register;400
12.5.4;6.5.4 Takterzeugung;403
12.6;6.6 Übungen;406
12.7;6.7 Literatur;408
13;7 MOS-Speicher;411
13.1;7.1 Nur-Lese-Speicher (ROM);412
13.2;7.2 Elektrisch programmierbare und optisch löschbare Speicher;414
13.2.1;7.2.1 EPROM Speicherarchitektur;416
13.2.2;7.2.2 Stromspannungswandler;418
13.3;7.3 Elektrisch umprogrammierbare Speicher;420
13.3.1;7.3.1 Elektrisch umprogrammierbare Speicherzellen;420
13.3.2;7.3.2 Flash-Speicher-Architekturen;427
13.3.3;7.3.3 NROM;433
13.3.4;7.3.4 Chip-interne Spannungserzeugung;438
13.4;7.4 Statische Speicher;442
13.4.1;7.4.1 Statische Speicherzellen;442
13.4.2;7.4.2 SRAM Speicherarchitektur;446
13.4.3;7.4.3 Address Transition Detection (ATD);447
13.5;7.5 Dynamische Halbleiterspeicher;449
13.5.1;7.5.1 Ein-Transistor-Speicherzellen;450
13.5.2;7.5.2 DRAM-Speicher-Grundschaltungen;454
13.5.3;7.5.3 DRAM Speicherarchitektur;462
13.5.4;7.5.4 Alpha-Strahlempfindlichkeit;466
13.6;7.6 Übungen;468
13.7;7.7 Literatur;472
14;8 Grundlagen analoger CMOS-Schaltungen;475
14.1;8.1 Stromspiegelschaltungen;476
14.1.1;8.1.1 Verbesserte Stromsenken;479
14.2;8.2 Source-Folger;482
14.3;8.3 Einfache Verstärkerstufen;485
14.3.1;8.3.1 Miller-Effekt;489
14.3.2;8.3.2 Differenzielle Eingangsstufe mit symmetrischem Ausgang;492
14.3.3;8.3.3 Differenzielle Eingangsstufe mit unsymmetrischem Ausgang;496
14.4;8.4 Übungen;502
14.5;8.5 Anhang B: Übertragungsfunktion;504
14.6;8.6 Weiterführende Literatur;512
15;9 CMOS-Verstärkerschaltungen;513
15.1;9.1 Miller-Verstärker;513
15.2;9.2 Gefalteter Kaskode-Verstärker;524
15.3;9.3 Gefalteter Kaskode-Verstärker mit AB-Ausgangsstufe;527
15.4;9.4 Übungen;532
15.5;9.5 Literatur;533
16;10 BICMOS-Schaltungen;535
16.1;10.1 Stromschaltungstechniken;536
16.1.1;10.1.1 CML-Schaltungen;536
16.1.2;10.1.2 ECL-Schaltungen;543
16.2;10.2 BICMOS-Treiber und -Gatter;546
16.3;10.3 Bandabstand-Spannungsquellen;552
16.4;10.4 Analoge Anwendungen;562
16.4.1;10.4.1 Offset-Verhalten von Bipolar- und MOS-Transistor;563
16.4.2;10.4.2 Kleinsignalverhalten von Bipolar- und MOS-Transistor;564
16.5;10.5 BCD-Technik;572
16.5.1;10.5.1 Schaltverhalten des DMOS-Transistors;577
16.5.2;10.5.2 Stromquellen;579
16.5.3;10.5.3 DMOS-Treiber;580
16.5.4;10.5.4 Schutzschaltungen;583
16.6;10.6 Übungen;589
16.7;10.7 Literatur;591
17;11 Systemintegration bei begrenztem Leistungsverbrauch;593
17.1;11.1 Transistor Skalierung;593
17.2;11.2 Reduzierung des dynamischen Leistungsverbrauchs;595
17.3;11.3 Reduzierung der Standby-Leistung;599
17.4;11.4 Dynamisches Energiemanagement;605
18;12 Sachregister;617