Einführung in die Halbleiter-Schaltungstechnik:
Gespeichert in:
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin
Springer Vieweg
2014
|
| Ausgabe: | 5., aktualisierte Aufl. |
| Schriftenreihe: | Springer-Lehrbuch
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| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XIII, 424 S. graph. Darst. |
| ISBN: | 9783642538681 9783642538698 |
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INHALTSVERZEICHNIS
LISTE DER VERWENDETEN SYMBOLE 1
1 GRUNDLAGEN DER HALBLEITERPHYSIK 7
1.1 GRUNDLEGENDE BEGRIFFE 7
1.1.1 DAS BAENDERMODELL 7
1.1.2 SILIZIUM ALS HALBLEITER 9
1.1.3 DAS THERMODYNAMISCHE GLEICHGEWICHT 11
1.1.4 DOTIERTE HALBLEITER 13
1.2 GRUNDGLEICHUNGEN DER HALBLEITERPHYSIK 18
1.2.1 BERECHNUNG DER LADUNGSTRAEGERDICHTEN 18
1.2.2 BESTIMMUNG DER LAGE DES FERMINIVEAUS 25
1.3 LADUNGSTRAEGERTRANSPORT, STROM 28
1.3.1 ELEKTRONEN- UND LOECHERSTROM 28
1.3.2 DRIFTSTROM 28
1.3.3 DIFFUSIONSSTROM 30
1.3.4 BAENDERDIAGRAMM BEI STROMFLUSS 31
1.4 AUSGLEICHSVORGAENGE IM HALBLEITER 33
1.4.1 STARKE UND SCHWACHE INJEKTION 33
1.4.2 DIE KONTINUITAETSGLEICHUNG 35
1.4.3 TEMPORAERE STOERUNG DES GLEICHGEWICHTS 36
1.4.4 LOKALE STOERUNG DES GLEICHGEWICHTS 39
2 DIODE 45
2.1 AUFBAU UND WIRKUNGSWEISE DER DIODE 45
2.1.1 DIODE IM THERMODYNAMISCHEN GLEICHGEWICHT 45
2.1.2 DIODE BEI ANLEGEN EINER AEUSSEREN SPANNUNG 49
2.2 ABLEITUNG DER DIODENGLEICHUNG 50
2.2.1 DIODE MIT LANGEN ABMESSUNGEN 50
2.2.2 DIODE MIT KURZEN ABMESSUNGEN 55
2.2.3 ABWEICHUNG VON DER IDEALEN DIODENKENNLINIE 55
2.2.4 KAPAZITAETSVERHALTEN DES PN-UEBERGANGS 56
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VIII INHALTSVERZEICHNIS
2.3 MODELLIERUNG DER DIODE 63
2.3.1 GROSSSIGNALERSATZSCHALTUNG DER DIODE 63
2.3.2 SCHALTVERHALTEN DER DIODE 63
2.3.3 KLEINSIGNALERSATZSCHALTUNG DER DIODE 66
2.3.4 DURCHBRUCHVERHALTEN DER DIODE 68
2.4 BAENDERDIAGRAMMDARSTELLUNG DER DIODE 69
2.4.1 REGELN ZUR KONSTRUKTION VON BAENDERDIAGRAMMEN 69
2.4.2 BAENDERDIAGRAMM DER DIODE 70
2.5 METALL-HALBLEITER-UEBERGAENGE 71
2.5.1 ELEKTRONENAFFINITAET UND AUSTRITTSARBEIT 72
2.5.2 METALL-HALBLEITER-UEBERGANG MIT N-HALBLEITER 73
2.5.3 METALL-HALBLEITER-UEBERGANG MIT P-HALBLEITER 78
3 BIPOLARTRANSISTOR 81
3.1 AUFBAU UND WIRKUNGSWEISE DES BIPOLARTRANSISTORS 81
3.1.1 NPN- UND PNP-TVANSISTOR 81
3.1.2 FUNKTION DES BIPOLARTRANSISTORS 82
3.2 ABLEITUNG DER TRANSISTORGLEICHUNGEN 85
3.2.1 TRANSISTOR IM NORMALEN VERSTAERKERBETRIEB 85
3.2.2 TRANSISTOR IM INVERSEN VERSTAERKERBETRIEB 90
3.2.3 TRANSISTOR IM SAETTIGUNGSBETRIEB 91
3.2.4 AUSGANGSKENNLINIENFELD DES TRANSISTORS 92
3.2.5 BASISWEITENMODULATION (EARLY-EFFEKT) 93
3.3 MODELLIERUNG DES BIPOLARTRANSISTORS 95
3.3.1 GROSSSIGNALERSATZSCHALTBILD DES BIPOLARTRANSISTORS 95
3.3.2 SCHALTVERHALTEN DES BIPOLARTRANSISTORS 99
3.3.3 KLEINSIGNALERSATZSCHALTBILD DES BIPOLARTRANSISTORS 101
3.3.4 FREQUENZVERHALTEN DES TRANSISTORS 105
3.3.5 DURCHBRUCHVERHALTEN DES BIPOLARTRANSISTORS 107
3.4 BAENDERDIAGRAMMDARSTELLUNG DES BIPOLARTRANSISTORS 108
4 FELDEFFEKTTRANSISTOR 111
4.1 AUFBAU UND WIRKUNGSWEISE DES FELDEFFEKTTRANSISTORS 111
4.1.1 N-KANAL MOS-FELDEFFEKTTRANSISTOR 111
4.1.2 P-KANAL MOS-FELDEFFEKTTRANSISTOR 113
4.1.3 TRANSISTORTYPEN UND SCHALTSYMBOLE 113
4.2 ABLEITUNG DER TRANSISTORGLEICHUNGEN 115
4.2.1 STROMGLEICHUNG 115
4.2.2 AUSGANGSKENNLINIENFELD 118
4.2.3 UEBERTRAGUNGSKENNLINIE 121
4.2.4 KANALLAENGENMODULATION 121
4.3 MODELLIERUNG DES MOSFET 123
4.3.1 GROSSSIGNALERSATZSCHALTBILD DES MOSFET 123
4.3.2 SCHALTVERHALTEN DES MOSFET 125
4.3.3 KLEINSIGNALERSATZSCHALTBILD DES MOSFET 129
INHALTSVERZEICHNIS IX
4.3.4 DURCHBRUCHVERHALTEN 131
4.4 BAENDERDIAGRAMMDARSTELLUNG DES MOSFET 132
4.4.1 BAENDERDIAGRAMM DER MOS-STRUKTUR 132
4.4.2 BAENDERDIAGRAMM DES MOSFET 135
4.4.3 WIRKUNGSWEISE DES TRANSISTORS IM BAENDERDIAGRAMM. 136
4.4.4 SUBSTRATSTEUEREFFEKT 137
4.4.5 KURZKANALEFFEKT 137
OPTOELEKTRONISCHE BAUELEMENTE 139
5.1 GRUNDLEGENDE BEGRIFFE 139
5.1.1 KENNGROESSEN OPTISCHER STRAHLUNG 139
5.1.2 LADUNGSTRAEGERGENERATION UND FOTOEFFEKT 142
5.1.3 DIREKTE UND INDIREKTE HALBLEITER 144
5.2 FOTOWIDERSTAND 148
5.2.1 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE 148
5.2.2 STROMGLEICHUNG 149
5.2.3 KENNGROESSEN 150
5.3 FOTODIODE 152
5.3.1 AUFBAU UND FUNKTION 152
5.3.2 STROMGLEICHUNG 153
5.3.3 KENNGROESSEN 154
5.3.4 BETRIEBSARTEN DER FOTODIODE 155
5.4 SOLARZELLE 156
5.4.1 FUNKTION UND BESCHATTUNG 156
5.4.2 KENNGROESSEN 157
5.5 FOTOTRANSISTOR 159
5.6 LUMINESZENZDIODE 160
5.6.1 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE 160
5.6.2 KENNGROESSEN 161
DER TRANSISTOR ALS VERSTAERKER 165
6.1 GRUNDLEGENDE BEGRIFFE UND KONZEPTE 165
6.1.1 UEBERTRAGUNGSKENNLINIE UND VERSTAERKUNG 165
6.1.2 ARBEITSPUNKT UND BETRIEBSARTEN 167
6.1.3 GLEICHSTROMERSATZSCHALTUNG 169
6.2 ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG MIT 4-WIDERSTANDSNETZWERK 170
6.2.1 ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG BEIM BIPOLARTRANSISTOR 170
6.2.2 ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG BEIM MOSFET 173
6.3 ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG MIT STROMSPIEGELN 176
6.3.1 STROMSPIEGEL 176
6.3.2 DIMENSIONIERUNG DES STROMSPIEGELS 180
6.4 WECHSELSTROMANALYSE VON VERSTAERKERN 181
6.4.1 KLEINSIGNALERSATZSCHALTUNG 181
6.4.2 VERSTAERKERSCHALTUNGEN MIT BIPOLARTRANSISTOR 183
6.4.3 VERSTAERKERSCHALTUNGEN MIT MOSFET 188
INHALTSVERZEICHNIS
6.4.4 VERSTAERKEJSCHALTUNGEN MIT STROMSPIEGEL 192
6.4.5 MEHRSTUFIGE VERSTAERKER 194
TRANSISTORGRUNDSCHALTUNGEN 199
7.1 EMITTERSCHALTUNG, SOURCESCHALTUNG 199
7.1.1 WECHSELSTROMERSATZSCHALTBILD DER EMITTERSCHALTUNG . 199
7.1.2 SPANNUNGSVERSTAERKUNG DER EMITTERSCHALTUNG 201
7.1.3 EINGANGSWIDERSTAND DER EMITTERSCHALTUNG 203
7.1.4 AUSGANGSWIDERSTAND DER EMITTERSCHALTUNG 204
7.2 KOLLEKTORSCHALTUNG, DRAINSCHALTUNG 207
7.2.1 WECHSELSTROMERSATZSCHALTBILD DER KOLLEKTORSCHALTUNG . 207
7.2.2 SPANNUNGSVERSTAERKUNG DER KOLLEKTORSCHALTUNG 208
7.2.3 EINGANGSWIDERSTAND DER KOLLEKTORSCHALTUNG 209
7.2.4 AUSGANGSWIDERSTAND DER KOLLEKTORSCHALTUNG 210
7.3 BASISSCHALTUNG, GATESCHALTUNG 211
7.3.1 SPANNUNGSVERSTAERKUNG DER BASISSCHALTUNG 213
7.3.2 EINGANGSWIDERSTAND DER BASISSCHALTUNG 215
7.3.3 AUSGANGSWIDERSTAND DER BASISSCHALTUNG 216
7.4 PUSH-PULL AUSGANGSSTUFE 217
OPERATIONSVERSTAERKER 221
8.1 DER EINSTUFIGE DIFFERENZVERSTAERKER 221
8.1.1 FUNKTION DES DIFFERENZVERSTAERKERS 221
8.1.2 GLEICHSTROMANALYSE DES DIFFERENZVERSTAERKERS 222
8.1.3 KLEINSIGNALANALYSE DES DIFFERENZVERSTAERKERS 222
8.2 MEHRSTUFIGE DIFFERENZVERSTAERKER 228
8.2.1 CMOS DIFFERENZEINGANGSSTUFE 228
8.2.2 VERBESSERTE DIFFERENZEINGANGSSTUFE 232
8.2.3 MEHRSTUFIGER DIFFERENZVERSTAERKER 234
8.2.4 VOM DIFFERENZVERSTAERKER ZUM OPERATIONSVERSTAERKER . 237
8.3 SCHALTUNGEN MIT IDEALEN OPERATIONSVERSTAERKERN 239
8.3.1 INVERTIERENDER VERSTAERKER 239
8.3.2 NICHTINVERTIERENDER VERSTAERKER 241
8.3.3 ADDIERER 243
8.3.4 SUBTRAHIERER 243
8.3.5 FILTERSCHALTUNGEN 244
FREQUENZVERHALTEN ANALOGER SCHALTUNGEN 247
9.1 GRUNDLEGENDE BEGRIFFE 247
9.1.1 AMPLITUDEN- UND PHASENGANG 247
9.1.2 DIE KOMPLEXE UEBERTRAGUNGSFUNKTION 252
9.1.3 VERHALTEN IM ZEITBEREICH 256
9.2 UEBERTRAGUNGSFUNKTIONEN VON VERSTAERKERSCHALTUNGEN 259
9.2.1 KOMPLEXE UEBERTRAGUNGSFUNKTION UND GRENZFREQUENZ . 259
9.2.2 BERECHNUNG DER GRENZFREQUENZEN 261
INHALTSVERZEICHNIS XI
9.3 GRENZFREQUENZ VON VERSTAERKERGRUNDSCHALTUNGEN 266
9.3.1 EMITTERSCHALTUNG 267
9.3.2 MILLER-EFFEKT 269
9.3.3 EMITTERSCHALTUNG MIT GEGENKOPPLUNGSWIDERSTAND 270
9.3.4 KOLLEKTORSCHALTUNG 272
9.3.5 BASISSCHALTUNG 275
9.4 METHODEN ZUR ABSCHAETZUNG DER GRENZFREQUENZEN 277
9.4.1 KURZSCHLUSS-ZEITKONSTANTEN-METHODE 277
9.4.2 LEERLAUF-ZEITKONSTANTEN-METHODE 279
RUECKKOPPLUNG IN VERSTAERKERN 283
10.1 GRUNDLEGENDE BEGRIFFE 283
10.1.1 PRINZIP DER GEGENKOPPLUNG 283
10.1.2 RUECKKOPPLUNG UND VERZERRUNGEN 284
10.1.3 RUECKKOPPLUNG UND FREQUENZGANG 285
10.1.4 RUECKKOPPLUNGSARTEN 286
10.2 SERIEN-PARALLEL-RUECKKOPPLUNG (SPANNUNGSVERSTAERKER) 288
10.2.1 SPANNUNGSVERSTAERKER MIT IDEALER RUECKKOPPLUNG 288
10.2.2 SPANNUNGSVERSTAERKER MIT REALER RUECKKOPPLUNG 291
10.3 PARALLEL-PARALLEL-RUECKKOPPLUNG (TRANSIMPEDANZVERSTAERKER). 297
,10.3.1 TRANSIMPEDANZVERSTAERKER MIT IDEALER RUECKKOPPLUNG. 297
10.3.2 TRANSIMPEDANZVERSTAERKER MIT REALER RUECKKOPPLUNG . 299
10.4 PARALLEL-SERIEN-RUECKKOPPLUNG (STROMVERSTAERKER) 304
10.4.1 STROMVERSTAERKER MIT IDEALER RUECKKOPPLUNG 304
10.4.2 STROMVERSTAERKER MIT REALER RUECKKOPPLUNG 305
10.5 SERIEN-SERIEN-RUECKKOPPLUNG (TRANSADMITTANZVERSTAERKER) 307
10.5.1 TRANSADMITTANZVERSTAERKER MIT IDEALER RUECKKOPPLUNG . 307
10.5.2 TRANSADMITTANZVERSTAERKER MIT REALER RUECKKOPPLUNG . 308
10.6 RUECKKOPPLUNG UND OSZILLATOREN 310
10.6.1 UEBERTRAGUNGSFUNKTION DER RUECKGEKOPPELTEN ANORDNUNG . 310
10.6.2 SCHWINGBEDINGUNG 314
10.6.3 SCHLEIFENVERSTAERKUNG DER RUECKGEKOPPELTEN ANORDNUNG . 315
10.7 STABILITAET UND KOMPENSATION VON VERSTAERKERSCHALTUNGEN 317
10.7.1 BODE-DIAGRAMM DES OPERATIONSVERSTAERKERS 318
10.7.2 STABILITAETSKRITERIUM 320
10.7.3 KOMPENSATION DURCH POLVERSCHIEBUNG 322
10.7.4 KOMPENSATION DURCH POLAUFSPLITTUNG 325
LOGIKSCHALTUNGEN 329
11.1 GRUNDLEGENDE BEGRIFFE 329
11.1.1 DIODEN-TRANSISTOR-LOGIK (DTL) 331
11.1.2 TRANSISTOR-TRANSISTOR-LOGIK (TTL) 332
11.2 MOS-LOGIKSCHALTUNGEN 333
11.2.1 N-MOS-INVERTERSCHALTUNGEN 334
11.2.2 CMOS-KOMPLEMENTAERINVERTER 334
XII
INHALTSVERZEICHNIS
11.2.3 ENTWURF VON CMOS-GATTERN 341
11.2.4 DIMENSIONIERUNG VON CMOS-GATTERN 342
11.2.5 C
2
MOS LOGIK 345
11.2.6 DOMINO-LOGIK 348
11.2.7 NORA-LOGIK 349
12 HERSTELLUNG INTEGRIERTER SCHALTUNGEN IN CMOS-TECHNIK . 351
12.1 EINFUEHRUNG 351
12.1.1 DIE CMOS-TECHNOLOGIE 352
12.1.2 GRUNDSAETZLICHER PROZESSABLAUF 353
12.2 SCHICHTTECHNIK 354
12.2.1 GASPHASENABSCHEIDUNG 355
12.2.2 EPITAXIE 355
12.2.3 THERMISCHE OXIDATION 356
12.2.4 KATHODENZERSTAEUBUNG 357
12.2.5 IONENIMPLANTATION 357
12.2.6 SCHLEUDERBESCHICHTUNG 358
12.3 AETZTECHNIK 358
12.3.1 NASSAETZEN 359
12.3.2 PHYSIKALISCHES TROCKENAETZEN 359
12.3.3 CHEMISCHES TROCKENAETZEN 360
12.3.4 CHEMISCH PHYSIKALISCHES TROCKENAETZEN 360
12.3.5 CHEMISCH MECHANISCHES POLIEREN 360
12.4 LITHOGRAFIE 361
12.4.1 PRINZIP DER FOTOLITHOGRAFIE 361
12.4.2 KENNGROESSEN DER FOTOLITHOGRAFIE 361
12.5 DER CMOS-PROZESS 361
12.5.1 PROZESSABLAUF 361
12.6 LAYOUT VON CMOS-SCHALTUNGEN 369
12.6.1 HERSTELLUNGSEBENEN UND MASKEN 369
12.6.2 CMOS-INVERTER 370
12.6.3 2-FACH NOR-GATTER 371
12.7 ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN DER ENTWURFSEBENEN 372
12.7.1 METALLEBENE 372
12.7.2 KONTAKTE UND VIAS 376
12.7.3 POLYSILIZIUMEBENE 377
12.7.4 IMPLANTATIONSEBENE 378
12.7.5 WANNEN 378
12.8 PARASITAERE BAUELEMENTE 380
12.8.1 DICKOXIDTRANSISTOR 380
12.8.2 PARASITAERER BIPOLARTRANSISTOR 380
12.8.3 PARASITAERER THYRISTOR 381
12.9 ASIC 384
12.9.1 GATE ARRAYS 384
12.9.2 STANDARDZELLEN 384
INHALTSVERZEICHNIS XIII
12.9.3 PLD 385
13 RECHNERGESTUETZTER SCHALTUNGSENTWURF 387
13.1 EINFUEHRUNG 387
13.1.1 ENTWURFSABLAUF 387
13.1.2 SIMULATIONSWERKZEUGE FUER DEN SCHALTUNGSENTWURF 389
13.1.3 SIMULATIONSARTEN 389
13.2 AUFBAU EINES SCHALTUNGSSIMULATORS 392
13.2.1 SCHALTUNGSEINGABE UND NETZLISTE 392
13.2.2 MODELLGLEICHUNGEN UND PARAMETERUEBERGABE 393
13.3 AUFSTELLEN DER NETZWERKGLEICHUNGEN BEI DER
SCHALTUNGSSIMULATION 395
13.3.1 NETZWERK MIT STROMQUELLEN 395
13.3.2 NETZWERK MIT SPANNUNGSQUELLEN 399
13.3.3 BERUECKSICHTIGIMG GESTEUERTER QUELLEN 401
13.3.4 BERUECKSICHTIGUNG NICHTLINEARER BAUELEMENTE 403
13.3.5 BERUECKSICHTIGUNG VON INDUKTIVITAETEN UND KAPAZITAETEN. 406
A ANHANG 411
A.L AEQUIVALENTE ZWEIPOLE 411
A.L.L BESTIMMUNG VON ERSATZSPANNUNGSQUELLEN 411
A.L.2 BESTIMMUNG VON ERSATZSSTROMQUELLEN 412
A.2 EIN- UND AUSGANGSWIDERSTAND VON VERSTAERKERN 413
A.2.1 BESTIMMUNG DES EINGANGSWIDERSTANDES 413
A.2.2 BESTIMMUNG DES AUSGANGS WIDERSTANDES 413
A.3 VIERPOLPARAMETER 414
A.3.1 DARSTELLUNG VON VIERPOLEN MIT G-PARAMETERN 414
A.3.2 DARSTELLUNG VON VIERPOLEN MIT /I-PARAMETERN 415
A.3.3 DARSTELLUNG VON VIERPOLEN MIT Y-PARAMETERN 415
A.3.4 DARSTELLUNG VON VIERPOLEN MIT Z-PARAMETERN 416
LITERATUR 417
SACHVERZEICHNIS 421 |
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