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E-Book

Systemintegration

Vom Transistor zur großintegrierten Schaltung

AutorKurt Hoffmann
VerlagDe Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr2012
Seitenanzahl621 Seiten
ISBN9783486720006
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis84,95 EUR
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.

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis5
Vorwort11
Zum Inhalt des Buches14
Formelzeichen und Symbole18
Umrechnungsfaktoren und Konstanten21
Wichtige Beziehungen22
1 Grundlagen der Halbleiterphysik29
1.1 Theorie des Bändermodells29
1.2 Dotierte Halbleiter34
1.3 Gleichungen für den Halbleiter im Gleichgewichtszustand36
1.3.1 Fermi-Verteilungsfunktion36
1.3.2 Ladungsträgerkonzentration im Gleichgewichtszustand39
1.3.3 Das Dichteprodukt im Gleichgewichtszustand41
1.3.4 Elektronenenergie, Spannung und elektrische Feldstärke44
1.4 Ladungsträgertransport46
1.4.1 Driftgeschwindigkeit46
1.4.2 Driftstrom48
1.4.3 Diffusionsstrom51
1.4.4 Kontinuitätsgleichung53
1.5 Störungen des thermodynamischen Gleichgewichts54
1.6 Übungen63
1.7 Literatur66
2 Metallurgischer pn-Übergang67
2.1 Inhomogener n-Typ-Halbleiter67
2.2 Der pn-Übergang im Gleichgewichtszustand70
2.3 Der pn-Übergang bei Anlegen einer Spannung71
2.3.1 Das Dichteprodukt bei Abweichungen vom Gleichgewichtszustand74
2.3.2 Stromspannungsbeziehung76
2.3.3 Abweichungen von der Stromspannungsbeziehung79
2.3.4 Spannungsbezugspunkt81
2.4 Kapazitätsverhalten des pn-Übergangs82
2.4.1 Sperrschichtkapazität83
2.4.2 Diffusionskapazität88
2.5 Schaltverhalten des pn-Übergangs92
2.6 Durchbruchverhalten94
2.7 Modellierung des pn-Übergangs101
2.7.1 Diodenmodell für CAD-Anwendungen101
2.7.2 Diodenmodell für überschlägige statische Berechnungen104
2.7.3 Diodenmodell für überschlägige Kleinsignalberechnungen105
2.8 Übungen107
2.9 Literatur109
3 Bipolarer Transistor111
3.1 Herstellung einer Bipolarschaltung111
3.2 Wirkungsweise des bipolaren Transistors121
3.2.1 Stromspannungsbeziehung123
3.2.2 Transistor im inversen Betrieb130
3.2.3 Spannungssättigung132
3.2.4 Temperaturverhalten134
3.2.5 Durchbruchverhalten136
3.3 Effekte zweiter Ordnung139
3.3.1 Abhängigkeit der Stromverstärkung vom Kollektorstrom139
3.3.2 Basisweitenmodulation143
3.3.3 Emitterrandverdrängung150
3.4 Abweichende Transistorstrukturen153
3.5 Modellierung des bipolaren Transistors156
3.5.1 Transistormodell für CAD-Anwendungen156
3.5.2 Transistormodell für überschlägige statische Berechnungen162
3.5.3 Transistormodell für überschlägige Kleinsignalberechnungen163
3.5.4 Bestimmung der Transitzeit166
3.6 Übungen171
3.7 Literatur175
4 Feldeffekttransistor177
4.1 Herstellung einer CMOS-Schaltung177
4.2 MOS-Struktur184
4.2.1 Charakteristik der MOS-Struktur184
4.2.2 Kapazitätsverhalten der MOS-Struktur188
4.2.3 Flachbandspannung190
4.3 Gleichungen der MOS-Struktur193
4.3.1 Ladungen in der MOS-Struktur193
4.3.2 Oberflächenspannung bei starker Inversion197
4.3.3 Einsatzspannung und Substratsteuereffekt199
4.4 Wirkungsweise des MOS-Transistors203
4.4.1 Transistorgleichungen bei starker Inversion204
4.4.2 Genauere Transistorgleichungen bei starker Inversion211
4.4.3 Transistorgleichungen bei schwacher Inversion213
4.4.4 Temperaturverhalten des MOS-Transistors215
4.5 Effekte zweiter Ordnung218
4.5.1 Beweglichkeitsdegradation218
4.5.2 Kanallängenmodulation220
4.5.3 Kurzkanaleffekte222
4.5.4 Heiße Ladungsträger227
4.5.5 Gateinduzierter Drainleckstrom228
4.5.6 Durchbruchverhalten des MOS-Transistors230
4.5.7 Latch-Up Effekt231
4.6 MOS-Transistoren mit hoher Spannungsfestigkeit234
4.7 Modellierung des MOS-Transistors247
4.7.1 CAD-Anwendungen247
4.7.2 Überschlägige statische und transiente Berechnungen255
4.7.3 Überschlägige Kleinsignalberechnungen258
4.8 Übungen261
4.9 Anhang A: Schwache Inversion267
4.10 Literatur272
5 Grundlagen digitaler CMOS-Schaltungen275
5.1 Geometrische Entwurfsunterlagen275
5.2 Elektrische Entwurfsregeln282
5.3 MOS-Inverter288
5.3.1 Verarmungsinverter289
5.3.2 Anreicherungsinverter292
5.3.3 P-Last-Inverter294
5.3.4 Komplementärinverter296
5.3.5 Serien- und Parallelschaltung von Transistoren303
5.4 Schaltverhalten der MOS-Inverter304
5.5 Treiberschaltungen314
5.5.1 Super-Treiber314
5.5.2 Bootstrap-Treiber316
5.6 Eingangs- / Ausgangsschaltungen319
5.6.1 Eingangsschaltungen320
5.6.2 Ausgangstreiber323
5.6.3 Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle331
5.6.4 ESD-Schutz346
5.7 Übungen350
5.8 Literatur353
6 Schaltnetze und Schaltwerke355
6.1 Statische Schaltnetze355
6.1.1 Statische Gatterschaltungen355
6.1.2 Layout statischer Gatterschaltungen358
6.1.3 Transfer-Gatterschaltungen361
6.2 Getaktete Schaltnetze364
6.2.1 Getaktete Gatterschaltungen (C2MOS)364
6.2.2 Dominoschaltungen367
6.2.3 Modifizierte Dominoschaltung (NORA-Domino)369
6.2.4 Differenziell kaskadierte Schaltung (DCVS)370
6.2.5 Schaltverhalten von Gattern372
6.3 Gatterschaltungen für hohe Taktraten374
6.4 Logische Felder381
6.4.1 Dekoder381
6.4.2 Komplementärdekoder382
6.4.3 Programmierbare Logikanordnung (PLA)386
6.5 Schaltwerke389
6.5.1 Flip-Flops389
6.5.2 Zwei-Takt-Register397
6.5.3 Ein-Takt-Register400
6.5.4 Takterzeugung403
6.6 Übungen406
6.7 Literatur408
7 MOS-Speicher411
7.1 Nur-Lese-Speicher (ROM)412
7.2 Elektrisch programmierbare und optisch löschbare Speicher414
7.2.1 EPROM Speicherarchitektur416
7.2.2 Stromspannungswandler418
7.3 Elektrisch umprogrammierbare Speicher420
7.3.1 Elektrisch umprogrammierbare Speicherzellen420
7.3.2 Flash-Speicher-Architekturen427
7.3.3 NROM433
7.3.4 Chip-interne Spannungserzeugung438
7.4 Statische Speicher442
7.4.1 Statische Speicherzellen442
7.4.2 SRAM Speicherarchitektur446
7.4.3 Address Transition Detection (ATD)447
7.5 Dynamische Halbleiterspeicher449
7.5.1 Ein-Transistor-Speicherzellen450
7.5.2 DRAM-Speicher-Grundschaltungen454
7.5.3 DRAM Speicherarchitektur462
7.5.4 Alpha-Strahlempfindlichkeit466
7.6 Übungen468
7.7 Literatur472
8 Grundlagen analoger CMOS-Schaltungen475
8.1 Stromspiegelschaltungen476
8.1.1 Verbesserte Stromsenken479
8.2 Source-Folger482
8.3 Einfache Verstärkerstufen485
8.3.1 Miller-Effekt489
8.3.2 Differenzielle Eingangsstufe mit symmetrischem Ausgang492
8.3.3 Differenzielle Eingangsstufe mit unsymmetrischem Ausgang496
8.4 Übungen502
8.5 Anhang B: Übertragungsfunktion504
8.6 Weiterführende Literatur512
9 CMOS-Verstärkerschaltungen513
9.1 Miller-Verstärker513
9.2 Gefalteter Kaskode-Verstärker524
9.3 Gefalteter Kaskode-Verstärker mit AB-Ausgangsstufe527
9.4 Übungen532
9.5 Literatur533
10 BICMOS-Schaltungen535
10.1 Stromschaltungstechniken536
10.1.1 CML-Schaltungen536
10.1.2 ECL-Schaltungen543
10.2 BICMOS-Treiber und -Gatter546
10.3 Bandabstand-Spannungsquellen552
10.4 Analoge Anwendungen562
10.4.1 Offset-Verhalten von Bipolar- und MOS-Transistor563
10.4.2 Kleinsignalverhalten von Bipolar- und MOS-Transistor564
10.5 BCD-Technik572
10.5.1 Schaltverhalten des DMOS-Transistors577
10.5.2 Stromquellen579
10.5.3 DMOS-Treiber580
10.5.4 Schutzschaltungen583
10.6 Übungen589
10.7 Literatur591
11 Systemintegration bei begrenztem Leistungsverbrauch593
11.1 Transistor Skalierung593
11.2 Reduzierung des dynamischen Leistungsverbrauchs595
11.3 Reduzierung der Standby-Leistung599
11.4 Dynamisches Energiemanagement605
12 Sachregister617

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