Systemintegration (eBook)

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

" [...] Insgesamt gibt dieses Buch einen hervorragenden Überblick über die Grundlagen und den Designprozess in der Mikroelektronik. [...] besonders geeignet für Studenten der Physik und Elektrotechnik, die sich schon zu Beginn des Studiums mit der Materie der Mikrolelektronik beschäftigen wollen. [...] In einem Satz: In der deutschsprachigen Fachliteratur über Mikroelektronik ist dieses Buch einzigartig und ein Muss für jede Fachbibliothek." (Herbert Benzinger, Infineon) "Ein außerordentlich umfangreiches und schlüssig aufgebautes Lehrbuch, das einen weiten Bogen von den Grundlagen der Physik bis zu tatsächlichen Anwendungen und der Produktion von Halbleiterschaltungen spannt." (Dr. Georg Eggers, Infineon) "Studenten ist das Buch als Vertiefungsliteratur jederzeit zu empfehlen." (Prof. Dr. Wilfried Meyberg, Fachhochschule München) "Bauelemente integrierter Schaltungen werden umfassend vom Entwurf bis zur Anwendung mit theoretischem Hintergrund behandelt. Gut!" Prof. Dr. Ulrich Brunsmann, FH Aschaffenburg "Umfangreiche Darstellung zur Schaltungsintegration; aktuelle Entwicjlungen werden dargestellt; kein vergleichbares Werk zu diesem Lehrgeboet z.zt. bekannt; Übungsaufgaben mit Lösungen (leider nur im Internet) verfügbar" Prof. Dr. Ing. habil Mathias Vogel, Hochschule Mittweida "Entspricht weitgehend meinen Erwartungen, weil eine tiefergehende Modellierung von Transistorschaltungen behandelt wird und besonders die Integration von Schaltungen gut dargestellt wird; vorteilhaft sind die begleitenden Übungsaufgaben." Prof. H. Beikirch, Uni Rostock