Einführung in die Halbleiter-Schaltungstechnik

333 Pages·2005·2.483 MB·German

by  Professor Dr.-Ing. Holger Göbel (auth.)

Springer-Lehrbuch
Holger Göbel
Einführung
in die Halbleiter-
Schaltungstechnik
Unter Mitwirkung von Henning Siemund
Mit363Abbildungen
123
ProfessorDr.-Ing.HolgerGöbel
Elektronik/FachbereichET
Helmut-Schmidt-Universität
UniversitätderBundeswehrHamburg
Holstenhofweg85
22043Hamburg
[email protected]
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Vorwort
Die Mikroelektronik hat seit dem Aufkommen der ersten integrierten Schal-
tungenAnfang der 70-erJahredes 20.Jahrhundertsmittlerweile in praktisch
allenBereichendestäglichenLebensEinzug gehalten.UmmitdieserTechno-
logie umgehen zu können, aber auch deren Möglichkeiten und Grenzen reali-
stisch einschätzen zu können, ist ein fundiertes Wissen über den Aufbau und
die Funktionsweise integrierter Schaltung unerlässlich.
Die Halbleiter-SchaltungstechnikstelltdabeigemeinsammitanderenDis-
ziplinen, wie z.B. der technischen Informatik, einen Zugang zum Verständnis
dieser wichtigen Technologie dar. Das vorliegende Buch führt den Leser in
die Halbleiter-SchaltungstechnikeinundbasiertaufVorlesungenzudenThe-
men Elektronik und integrierte Schaltungen, die von dem Autor im Grund-
undHauptstudiumdesStudiengangesElektrotechnikanderHelmut-Schmidt-
Universität/UniversitätderBundeswehrinHamburgseit1997gehaltenwer-
den.
Die Motivation zum Schreiben dieses Buches waren neben dem Wunsch
von Studierenden nach einem kompakten und dennoch leicht verständlichen
Skript zahlreiche Anfragen nach dem an der Professur für Elektronik der
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr in Hamburg ent-
wickelten interaktiven Lehr- und Lernprogramm S.m.i.L.E, welches nun als
Beilage zu diesem Buch erscheint.
Das Buch ist so aufgebaut, dass es dem Leser die grundlegenden Prinzi-
pien und die Funktionsweise von Bauelementen und Schaltungen vermittelt,
ohneihnjedochmiteinerFüllevonInformationenzuüberfordern.Sowirddie
Halbleiterphysiknursoweiterklärt,wiesiezumVerständnisderFunktionder
wichtigsten Halbleiterbauelemente nötig ist, welche dann in den nachfolgen-
den Kapiteln des Buches beschrieben werden. Auch in der Schaltungstechnik
beschränkt sich das Buch auf die wichtigsten Grundschaltungen, wobei die
entsprechenden Gleichungen so abgeleitet werden, dass der Leser in die La-
ge versetzt wird, die Vorgehensweise auch auf andere, komplexe Schaltungen
zu übertragen.Neben den wichtigstenanalogenGrundschaltungenund deren
Eigenschaften, vom einstufigen Spannungsverstärkerbis hin zum integrierten
VI Vorwort
Operationsverstärker, gibt das Buch auch eine Übersicht über den Entwurf
digitaler Schaltungen in unterschiedlichen Technologien.
Das Verständnis des Lehrstoffes wirddabei durch den strukturiertenAuf-
bau sowie die Hervorhebung der wichtigsten Gleichungen und Textaussagen
erleichtert. Zudem sind in dem Text Verweise auf das interaktive Lernpro-
grammS.m.i.L.E eingefügt, mit dem sichder Leser komplexe Zusammenhän-
ge mit Hilfe interaktiver Applets selbst veranschaulichen kann. Das gleiche
gilt für die in dem Buch vorgestellten Schaltungen, zu denen PSpice-Dateien
zurVerfügunggestelltwerden,dieesdemLeserermöglichen,dieFunktionder
Schaltungen an praktischen Beispielen selbst nachzuvollziehen.
BedankenmöchtesichderAutorandieserStellebeiallen,diezumEntste-
hen dieses Werkes beigetragen haben. Dies gilt vor allem für Herrn Henning
Siemund, der nicht nur die Programmierung der Applets für das Programm
S.m.i.L.E übernommen, sondern auch das Manuskript korrekturgelesen hat.
Dank gilt ebenso Herrn Prof. Günther Benstetter für die wertvollen Hinwei-
se und Anregungen zu den ersten Kapiteln des Buches sowie Frau Daniela
Fehland für die Hilfe bei der Erfassung des Textes. Nicht unerwähnt sei auch
der Springer-Verlag für die Unterstützung, die gute Zusammenarbeit und die
Geduld bis zur Fertigstellung des Manuskripts.
Hamburg, im Frühjahr 2005 Holger Göbel
Inhaltsverzeichnis
Liste der verwendeten Symbole................................ 1
1 Grundlagen der Halbleiterphysik .......................... 7
1.1 Grundlegende Begriffe.................................... 7
1.1.1 Das Bändermodell................................. 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 Ladungsträgerdichten................ 18
1.2.2 Bestimmung der Lage des Ferminiveaus .............. 25
1.3 Ladungsträgertransport,Strom............................ 28
1.3.1 Elektronen- und Löcherstrom ....................... 28
1.3.2 Driftstrom........................................ 28
1.3.3 Diffusionsstrom ................................... 30
1.3.4 Bänderdiagrammbei Stromfluss..................... 31
1.4 Ausgleichsvorgängeim Halbleiter .......................... 33
1.4.1 Starke und schwache Injektion ...................... 33
1.4.2 Die Kontinuitätsgleichung .......................... 35
1.4.3 Temporäre Störung des Gleichgewichts ............... 36
1.4.4 Lokale Störung 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 äußeren 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 Kapazitätsverhaltendes pn-Übergangs ............... 56
VIII Inhaltsverzeichnis
2.3 Modellierung der Diode .................................. 63
2.3.1 Großsignalersatzschaltungder Diode ................. 63
2.3.2 Schaltverhalten der Diode .......................... 63
2.3.3 Kleinsignalersatzschaltungder Diode................. 66
2.3.4 Durchbruchverhaltender Diode ..................... 68
2.4 Bänderdiagrammdarstellungder Diode ..................... 69
2.4.1 Regeln zur Konstruktion von Bänderdiagrammen...... 69
2.4.2 Bänderdiagrammder Diode......................... 70
3 Bipolartransistor .......................................... 73
3.1 Aufbau und Wirkungsweise des Bipolartransistors ........... 73
3.1.1 npn- und pnp-Transistor ........................... 73
3.1.2 Funktion des Bipolartransistors ..................... 74
3.2 Ableitung der Transistorgleichungen ....................... 77
3.2.1 Transistor im normalen Verstärkerbetrieb ............ 77
3.2.2 Transistor im inversen Verstärkerbetrieb.............. 82
3.2.3 Transistor im Sättigungsbetrieb ..................... 83
3.2.4 Ausgangskennlinienfeld des Transistors............... 84
3.2.5 Basisweitenmodulation (Early-Effekt) ................ 85
3.3 Modellierung des Bipolartransistors........................ 87
3.3.1 Großsignalersatzschaltbilddes Bipolartransistors ...... 87
3.3.2 Schaltverhalten des Bipolartransistors................ 91
3.3.3 Kleinsignalersatzschaltbilddes Bipolartransistors...... 93
3.3.4 Frequenzverhalten des Transistors ................... 97
3.3.5 Durchbruchverhaltendes Bipolartransistors........... 99
3.4 Bänderdiagrammdarstellungdes Bipolartransistors ..........100
4 Feldeffekttransistor ........................................103
4.1 Aufbau und Wirkungsweise des Feldeffekttransistors .........103
4.1.1 n-Kanal MOS-Feldeffekttransistor ...................103
4.1.2 p-Kanal MOS-Feldeffekttransistor ...................105
4.1.3 Transistortypen und Schaltsymbole ..................105
4.2 Ableitung der Transistorgleichungen .......................107
4.2.1 Stromgleichung ...................................107
4.2.2 Ausgangskennlinienfeld.............................110
4.2.3 Übertragungskennlinie .............................113
4.2.4 Kanallängenmodulation ............................113
4.3 Modellierung des MOSFET...............................115
4.3.1 Großsignalersatzschaltbilddes MOSFET .............115
4.3.2 Schaltverhalten des MOSFET.......................117
4.3.3 Kleinsignalersatzschaltbilddes MOSFET .............121
4.3.4 Durchbruchverhalten...............................123
4.4 Bänderdiagrammdarstellungdes MOSFET .................124
4.4.1 Bänderdiagrammder MOS-Struktur .................124
4.4.2 Bänderdiagrammdes MOSFET .....................127
Inhaltsverzeichnis IX
4.4.3 Wirkungsweise des Transistors im Bänderdiagramm....128
4.4.4 Substratsteuereffekt ...............................129
4.4.5 Kurzkanaleffekt ...................................129
5 Der Transistor als Verstärker ..............................131
5.1 Grundlegende Begriffe und Konzepte.......................131
5.1.1 Übertragungskennlinie und Verstärkung..............131
5.1.2 Arbeitspunkt und Betriebsarten.....................133
5.1.3 Gleichstromersatzschaltung .........................135
5.2 Arbeitspunkteinstellung mit 4-Widerstandsnetzwerk .........136
5.2.1 Arbeitspunkteinstellung beim Bipolartransistor .......136
5.2.2 Arbeitspunkteinstellung beim MOSFET..............139
5.3 Arbeitspunkteinstellung mit Stromspiegeln .................142
5.3.1 Stromspiegel......................................142
5.3.2 Dimensionierung des Stromspiegels ..................146
5.4 Wechselstromanalyse von Verstärkern ......................147
5.4.1 Kleinsignalersatzschaltung..........................147
5.4.2 Verstärkerschaltungenmit Bipolartransistor ..........149
5.4.3 Verstärkerschaltungenmit MOSFET.................154
5.4.4 Verstärkerschaltungenmit Stromspiegel ..............158
5.4.5 Mehrstufige Verstärker.............................160
6 Transistorgrundschaltungen................................165
6.1 Emitterschaltung, Sourceschaltung.........................165
6.1.1 Kleinsignalersatzschaltbildder Emitterschaltung ......165
6.1.2 Spannungsverstärkungder Emitterschaltung ..........167
6.1.3 Eingangswiderstand der Emitterschaltung ............169
6.1.4 Ausgangswiderstandder Emitterschaltung............170
6.2 Kollektorschaltung,Drainschaltung ........................172
6.2.1 Kleinsignalersatzschaltbildder Kollektorschaltung .....172
6.2.2 Spannungsverstärkungder Kollektorschaltung.........174
6.2.3 Eingangswiderstand der Kollektorschaltung...........175
6.2.4 Ausgangswiderstandder Kollektorschaltung...........175
6.3 Basisschaltung,Gateschaltung ............................176
6.3.1 Spannungsverstärkungder Basisschaltung ............178
6.3.2 Eingangswiderstand der Basisschaltung ..............180
6.3.3 Ausgangswiderstandder Basisschaltung ..............180
6.4 Push-Pull Ausgangsstufe .................................182
7 Operationsverstärker ......................................185
7.1 Der einstufige Differenzverstärker..........................185
7.1.1 Funktion des Differenzverstärkers....................185
7.1.2 Gleichstromanalyse des Differenzverstärkers...........186
7.1.3 Kleinsignalanalyse des Differenzverstärkers ...........186
7.2 Mehrstufige Differenzverstärker............................192
X Inhaltsverzeichnis
7.2.1 CMOS Differenzeingangsstufe.......................192
7.2.2 Verbesserte Differenzeingangsstufe...................196
7.2.3 Mehrstufiger Differenzverstärker.....................198
7.2.4 Vom Differenzverstärkerzum Operationsverstärker ....200
7.3 Schaltungen mit idealen Operationsverstärkern..............203
7.3.1 Invertierender Verstärker ...........................203
7.3.2 Nichtinvertierender Verstärker ......................205
7.3.3 Addierer .........................................206
7.3.4 Subtrahierer ......................................207
7.3.5 Filterschaltungen..................................208
8 Frequenzverhalten analoger Schaltungen...................211
8.1 Grundlegende Begriffe....................................211
8.1.1 Frequenz- und Phasengang .........................211
8.1.2 Die komplexe Übertragungsfunktion .................216
8.1.3 Verhalten im Zeitbereich ...........................220
8.2 Übertragungsfunktionen von Verstärkerschaltungen ..........223
8.2.1 Komplexe Übertragungsfunktion und Grenzfrequenz ...223
8.2.2 Berechnung der Grenzfrequenzen ....................225
8.3 Grenzfrequenz von Verstärkergrundschaltungen..............230
8.3.1 Emitterschaltung..................................231
8.3.2 Miller-Effekt......................................233
8.3.3 Emitterschaltung mit Gegenkopplungswiderstand......234
8.3.4 Kollektorschaltung ................................236
8.3.5 Basisschaltung ....................................239
8.4 Methoden zur Abschätzung der Grenzfrequenzen ............241
8.4.1 Kurzschluss-Zeitkonstanten-Methode.................241
8.4.2 Leerlauf-Zeitkonstanten-Methode....................243
9 Rückkopplung in Verstärkern..............................247
9.1 Grundlegende Begriffe....................................247
9.1.1 Prinzip der Gegenkopplung .........................247
9.1.2 Rückkopplung und Verzerrungen ....................248
9.1.3 Rückkopplung und Frequenzgang....................249
9.1.4 Rückkopplungsarten ...............................251
9.2 Serien-Parallel-Rückkopplung(Spannungsverstärker).........252
9.2.1 Spannungsverstärkermit idealer Rückkopplung........252
9.2.2 Spannungsverstärkermit realer Rückkopplung ........255
9.3 Parallel-Parallel-Rückkopplung(Transimpedanzverstärker)....261
9.3.1 Transimpedanzverstärkermit idealer Rückkopplung....261
9.3.2 Transimpedanzverstärkermit realer Rückkopplung ....263
9.4 Parallel-Serien-Rückkopplung(Stromverstärker) .............268
9.4.1 Stromverstärkermit idealer Rückkopplung............268
9.4.2 Stromverstärkermit realer Rückkopplung.............269
9.5 Serien-Serien-Rückkopplung (Transadmittanzverstärker)......271
Inhaltsverzeichnis XI
9.5.1 Transadmittanzverstärkermit idealer Rückkopplung ...271
9.5.2 Transadmittanzverstärkermit realer Rückkopplung ....272
9.6 Rückkopplung und Oszillatoren ...........................274
9.6.1 Übertragungsfunktion der rückgekoppeltenAnordnung .274
9.6.2 Schwingbedingung.................................278
9.6.3 Schleifenverstärkung der rückgekoppelten Anordnung ..279
9.7 Stabilität und Kompensation von Verstärkerschaltungen......281
9.7.1 Bode-Diagramm des Operationsverstärkers ...........282
9.7.2 Stabilitätskriterium................................284
9.7.3 Kompensation durch Polverschiebung ................286
9.7.4 Kompensation durch Polaufsplittung.................289
10 Logikschaltungen ..........................................293
10.1 Grundlegende Begriffe....................................293
10.1.1 Dioden-Transistor-Logik(DTL) .....................295
10.1.2 Transistor-Transistor-Logik(TTL)...................296
10.1.3 ECL-Schaltungen..................................297
10.2 MOS-Logikschaltungen...................................303
10.2.1 n-MOS-Inverterschaltungen.........................303
10.2.2 CMOS-Komplementärinverter.......................305
10.2.3 Entwurf von CMOS-Gattern........................311
10.2.4 Dimensionierung von CMOS-Gattern ................312
2
10.2.5 C MOS Logik.....................................315
10.2.6 Domino-Logik.....................................318
10.2.7 NORA-Logik .....................................319
A Anhang....................................................321
A.1 Äquivalente Zweipole ....................................321
A.1.1 Bestimmung von Ersatzspannungsquellen.............321
A.1.2 Bestimmung von Ersatzsstromquellen ................322
A.2 Ein- und Ausgangswiderstandvon Verstärkern ..............323
A.2.1 Bestimmung des Eingangswiderstandes...............323
A.2.2 Bestimmung des Ausgangswiderstandes ..............323
A.3 Vierpolparameter........................................324
A.3.1 Darstellung von Vierpolen mit g-Parametern..........324
A.3.2 Darstellung von Vierpolen mit h-Parametern..........325
A.3.3 Darstellung von Vierpolen mit y-Parametern..........325
A.3.4 Darstellung von Vierpolen mit z-Parametern..........326
Literatur ......................................................327
Sachverzeichnis ................................................329