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Systemintegration

Vom Transistor zur großintegrierten Schaltung

Autor	Kurt Hoffmann
Verlag	De Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr	2012
Seitenanzahl	621 Seiten
ISBN	9783486720006
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	84,95 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

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

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