Systemintegration - Vom Transistor zur großintegrierten Schaltung

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Zum Inhalt des Buches

Formelzeichen und Symbole

Umrechnungsfaktoren und Konstanten

Wichtige Beziehungen

1 Grundlagen der Halbleiterphysik

1.1 Theorie des Bändermodells

1.2 Dotierte Halbleiter

1.3 Gleichungen für den Halbleiter im Gleichgewichtszustand

1.3.1 Fermi-Verteilungsfunktion

1.3.2 Ladungsträgerkonzentration im Gleichgewichtszustand

1.3.3 Das Dichteprodukt im Gleichgewichtszustand

1.3.4 Elektronenenergie, Spannung und elektrische Feldstärke

1.4 Ladungsträgertransport

1.4.1 Driftgeschwindigkeit

1.4.2 Driftstrom

1.4.3 Diffusionsstrom

1.4.4 Kontinuitätsgleichung

1.5 Störungen des thermodynamischen Gleichgewichts

1.6 Übungen

1.7 Literatur

2 Metallurgischer pn-Übergang

2.1 Inhomogener n-Typ-Halbleiter

2.2 Der pn-Übergang im Gleichgewichtszustand

2.3 Der pn-Übergang bei Anlegen einer Spannung

2.3.1 Das Dichteprodukt bei Abweichungen vom Gleichgewichtszustand

2.3.2 Stromspannungsbeziehung

2.3.3 Abweichungen von der Stromspannungsbeziehung

2.3.4 Spannungsbezugspunkt

2.4 Kapazitätsverhalten des pn-Übergangs

2.4.1 Sperrschichtkapazität

2.4.2 Diffusionskapazität

2.5 Schaltverhalten des pn-Übergangs

2.6 Durchbruchverhalten

2.7 Modellierung des pn-Übergangs

2.7.1 Diodenmodell für CAD-Anwendungen

2.7.2 Diodenmodell für überschlägige statische Berechnungen

2.7.3 Diodenmodell für überschlägige Kleinsignalberechnungen

2.8 Übungen

2.9 Literatur

3 Bipolarer Transistor

3.1 Herstellung einer Bipolarschaltung

3.2 Wirkungsweise des bipolaren Transistors

3.2.1 Stromspannungsbeziehung

3.2.2 Transistor im inversen Betrieb

3.2.3 Spannungssättigung

3.2.4 Temperaturverhalten

3.2.5 Durchbruchverhalten

3.3 Effekte zweiter Ordnung

3.3.1 Abhängigkeit der Stromverstärkung vom Kollektorstrom

3.3.2 Basisweitenmodulation

3.3.3 Emitterrandverdrängung

3.4 Abweichende Transistorstrukturen

3.5 Modellierung des bipolaren Transistors

3.5.1 Transistormodell für CAD-Anwendungen

3.5.2 Transistormodell für überschlägige statische Berechnungen

3.5.3 Transistormodell für überschlägige Kleinsignalberechnungen

3.5.4 Bestimmung der Transitzeit

3.6 Übungen

3.7 Literatur

4 Feldeffekttransistor

4.1 Herstellung einer CMOS-Schaltung

4.2 MOS-Struktur

4.2.1 Charakteristik der MOS-Struktur

4.2.2 Kapazitätsverhalten der MOS-Struktur

4.2.3 Flachbandspannung

4.3 Gleichungen der MOS-Struktur

4.3.1 Ladungen in der MOS-Struktur

4.3.2 Oberflächenspannung bei starker Inversion

4.3.3 Einsatzspannung und Substratsteuereffekt

4.4 Wirkungsweise des MOS-Transistors

4.4.1 Transistorgleichungen bei starker Inversion

4.4.2 Genauere Transistorgleichungen bei starker Inversion

4.4.3 Transistorgleichungen bei schwacher Inversion

4.4.4 Temperaturverhalten des MOS-Transistors

4.5 Effekte zweiter Ordnung

4.5.1 Beweglichkeitsdegradation

4.5.2 Kanallängenmodulation

4.5.3 Kurzkanaleffekte

4.5.4 Heiße Ladungsträger

4.5.5 Gateinduzierter Drainleckstrom

4.5.6 Durchbruchverhalten des MOS-Transistors

4.5.7 Latch-Up Effekt

4.6 MOS-Transistoren mit hoher Spannungsfestigkeit

4.7 Modellierung des MOS-Transistors

4.7.1 CAD-Anwendungen

4.7.2 Überschlägige statische und transiente Berechnungen

4.7.3 Überschlägige Kleinsignalberechnungen

4.8 Übungen

4.9 Anhang A: Schwache Inversion

4.10 Literatur

5 Grundlagen digitaler CMOS-Schaltungen

5.1 Geometrische Entwurfsunterlagen

5.2 Elektrische Entwurfsregeln

5.3 MOS-Inverter

5.3.1 Verarmungsinverter

5.3.2 Anreicherungsinverter

5.3.3 P-Last-Inverter

5.3.4 Komplementärinverter

5.3.5 Serien- und Parallelschaltung von Transistoren

5.4 Schaltverhalten der MOS-Inverter

5.5 Treiberschaltungen

5.5.1 Super-Treiber

5.5.2 Bootstrap-Treiber

5.6 Eingangs- / Ausgangsschaltungen

5.6.1 Eingangsschaltungen

5.6.2 Ausgangstreiber

5.6.3 Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle

5.6.4 ESD-Schutz

5.7 Übungen

5.8 Literatur

6 Schaltnetze und Schaltwerke

6.1 Statische Schaltnetze

6.1.1 Statische Gatterschaltungen

6.1.2 Layout statischer Gatterschaltungen

6.1.3 Transfer-Gatterschaltungen

6.2 Getaktete Schaltnetze

6.2.1 Getaktete Gatterschaltungen (C2MOS)

6.2.2 Dominoschaltungen

6.2.3 Modifizierte Dominoschaltung (NORA-Domino)

6.2.4 Differenziell kaskadierte Schaltung (DCVS)

6.2.5 Schaltverhalten von Gattern

6.3 Gatterschaltungen für hohe Taktraten

6.4 Logische Felder

6.4.1 Dekoder

6.4.2 Komplementärdekoder

6.4.3 Programmierbare Logikanordnung (PLA)

6.5 Schaltwerke

6.5.1 Flip-Flops

6.5.2 Zwei-Takt-Register

6.5.3 Ein-Takt-Register

6.5.4 Takterzeugung

6.6 Übungen

6.7 Literatur

7 MOS-Speicher

7.1 Nur-Lese-Speicher (ROM)

7.2 Elektrisch programmierbare und optisch löschbare Speicher

7.2.1 EPROM Speicherarchitektur

7.2.2 Stromspannungswandler

7.3 Elektrisch umprogrammierbare Speicher

7.3.1 Elektrisch umprogrammierbare Speicherzellen

7.3.2 Flash-Speicher-Architekturen

7.3.3 NROM

7.3.4 Chip-interne Spannungserzeugung

7.4 Statische Speicher

7.4.1 Statische Speicherzellen

7.4.2 SRAM Speicherarchitektur

7.4.3 Address Transition Detection (ATD)

7.5 Dynamische Halbleiterspeicher

7.5.1 Ein-Transistor-Speicherzellen

7.5.2 DRAM-Speicher-Grundschaltungen

7.5.3 DRAM Speicherarchitektur

7.5.4 Alpha-Strahlempfindlichkeit

7.6 Übungen

7.7 Literatur

8 Grundlagen analoger CMOS-Schaltungen

8.1 Stromspiegelschaltungen

8.1.1 Verbesserte Stromsenken

8.2 Source-Folger

8.3 Einfache Verstärkerstufen

8.3.1 Miller-Effekt

8.3.2 Differenzielle Eingangsstufe mit symmetrischem Ausgang

8.3.3 Differenzielle Eingangsstufe mit unsymmetrischem Ausgang

8.4 Übungen

8.5 Anhang B: Übertragungsfunktion

8.6 Weiterführende Literatur

9 CMOS-Verstärkerschaltungen

9.1 Miller-Verstärker

9.2 Gefalteter Kaskode-Verstärker

9.3 Gefalteter Kaskode-Verstärker mit AB-Ausgangsstufe

9.4 Übungen

9.5 Literatur

10 BICMOS-Schaltungen

10.1 Stromschaltungstechniken

10.1.1 CML-Schaltungen

10.1.2 ECL-Schaltungen

10.2 BICMOS-Treiber und -Gatter

10.3 Bandabstand-Spannungsquellen

10.4 Analoge Anwendungen

10.4.1 Offset-Verhalten von Bipolar- und MOS-Transistor

10.4.2 Kleinsignalverhalten von Bipolar- und MOS-Transistor

10.5 BCD-Technik

10.5.1 Schaltverhalten des DMOS-Transistors

10.5.2 Stromquellen

10.5.3 DMOS-Treiber

10.5.4 Schutzschaltungen

10.6 Übungen

10.7 Literatur

11 Systemintegration bei begrenztem Leistungsverbrauch

11.1 Transistor Skalierung

11.2 Reduzierung des dynamischen Leistungsverbrauchs

11.3 Reduzierung der Standby-Leistung

11.4 Dynamisches Energiemanagement

12 Sachregister