Einführung in die Halbleiter-Schaltungstechnik

427 Pages·2019·4.923 MB·German

by  Holger Göbel

Holger Göbel
Einführung in
die Halbleiter-
Schaltungstechnik
6. Auflage
Einführung in die Halbleiter-Schaltungstechnik
Holger Göbel
Einführung in die Halbleiter-
Schaltungstechnik
6., aktualisierte Auflage
HolgerGöbel
Helmut-Schmidt-Universität/
UniversitätderBundeswehrHamburg
Hamburg,Deutschland
ErgänzendesMaterialzudiesemBuchfindenSieauf
https://www.springer.com/de/book/9783662565629.
ISBN978-3-662-56562-9 ISBN978-3-662-56563-6(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-56563-6
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DieAnschriftderGesellschaftist:HeidelbergerPlatz3,14197Berlin,Germany
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
DieMikroelektronikhatseitdemAufkommendererstenintegriertenSchaltungenAnfang
der 70-er Jahre des 20. Jahrhundertsmittlerweile in praktisch allen Bereichen des tägli-
chenLebensEinzuggehalten.UmmitdieserTechnologieumgehenzukönnen,aberauch
deren Möglichkeiten und Grenzen realistisch einschätzen zu können, ist ein fundiertes
WissenüberdenAufbauunddieFunktionsweiseintegrierterSchaltungunerlässlich.
DieHalbleiter-SchaltungstechnikstelltdabeigemeinsammitanderenDisziplinen,wie
z.B.dertechnischenInformatik,einenZugangzumVerständnisdieserwichtigenTechno-
logie dar. Das vorliegendeBuch führtden Leser in die Halbleiter-Schaltungstechnik ein
und basiert auf Vorlesungen zu den Themen Elektronikund integrierteSchaltungen, die
von dem Autor im Grund- und Hauptstudium des Studienganges Elektrotechnik an der
Helmut-Schmidt-Universität/UniversitätderBundeswehrinHamburgseit1997gehalten
werden.
Die Motivation zum Schreiben dieses Buches waren neben dem Wunsch von Stu-
dierenden nach einem kompakten und dennoch leicht verständlichen Skript zahlreiche
AnfragennachdemanderProfessurfürElektronikderHelmut-Schmidt-Universität/Uni-
versitätderBundeswehrinHamburgentwickelteninteraktivenLehr-undLernprogramm
S.m.i.L.E,welchesnunalsBeilagezudiesemBucherscheint.
Das Buch ist so aufgebaut, dass es dem Leser die grundlegenden Prinzipien und die
FunktionsweisevonBauelementenundSchaltungenvermittelt,ohneihnjedochmiteiner
FüllevonInformationenzuüberfordern.SowirddieHalbleiterphysiknursoweiterklärt,
wie sie zum Verständnis der Funktion der wichtigsten Halbleiterbauelemente nötig ist,
welchedannindennachfolgendenKapitelndesBuchesbeschriebenwerden.Auchinder
SchaltungstechnikbeschränktsichdasBuchaufdiewichtigstenGrundschaltungen,wobei
dieentsprechendenGleichungensoabgeleitetwerden,dassderLeserindieLageversetzt
wird,dieVorgehensweiseauchaufandere,komplexeSchaltungenzuübertragen.Neben
den wichtigsten analogen Grundschaltungen und deren Eigenschaften, vom einstufigen
Spannungsverstärker bis hin zum integrierten Operationsverstärker, gibt das Buch auch
eineÜbersichtüberdenEntwurfdigitalerSchaltungeninunterschiedlichenTechnologien.
DasVerständnisdesLehrstoffeswirddabeidurchdenstrukturiertenAufbausowiedie
HervorhebungderwichtigstenGleichungenundTextaussagenerleichtert.Zudemsindin
demTextVerweiseaufdasinteraktiveLernprogrammS.m.i.L.Eeingefügt,mitdemsich
V
VI AusdemVorwortzurerstenAuflage
der Leser komplexe Zusammenhänge mit Hilfe interaktiver Applets selbst veranschau-
lichen kann. Das gleiche gilt für die in dem Buch vorgestellten Schaltungen, zu denen
PSpice-DateienzurVerfügunggestelltwerden,dieesdemLeserermöglichen,dieFunk-
tionderSchaltungenanpraktischenBeispielenselbstnachzuvollziehen.
Hamburg,Deutschland HolgerGöbel
Frühjahr2005
Vorwort zur sechsten Auflage
Die sechste Auflage ist inhaltlich, bis auf kleinere Korrekturen, mit der fünften Aufla-
ge identisch. Insbesondere wurde bei dem das Buch begleitenden Schaltungssimulator
PSpiceanderVersion9.1festgehalten,dadiesenichtnureinfacherzubedienenist,son-
dern auch weniger Einschränkungen unterliegt als die aktuelle Version des Programms.
GeänderthatsichhingegenderBuchsatz,sodassdasBuchnunauchaufmobilenEndge-
rätenkomfortabelgelesenwerdenkann.EntsprechendesgiltfürdiedasBuchergänzenden
Applets, die von der Webseite http://smile.hsu-hh.de aufrufbar sind. Diese wurden hin-
sichtlich Bedienung und Darstellung ebenfalls für die Nutzung auf mobilen Endgeräten
optimiert.
Hamburg,Deutschland HolgerGöbel
Frühjahr2018
VII
Liste der verwendeten Symbole
Formelzeichen
Name Bedeutung Einheit
a;A Übertragungsfunktion
A.s/ komplexeÜbertragungsfunktion
A.j!/ Frequenzgang
jA.j!/j Amplitudengang
a(cid:2) ÜbertragungsfunktiondererweitertenSchaltung
A Fläche m2
A Spannungsverstärkung 1
u
Au0 SpannungsverstärkungdervereinfachtenSchaltung 1
B StromverstärkungimNormalbetrieb 1
N
B StromverstärkungimInversbetrieb 1
I
C Kapazität F
C Lastkapazität F
L
C Oxidkapazität F
ox
C0 KapazitätproFläche Fm(cid:3)2
C Basis-Emitterkapazität F
BE
C Basis-Kollektorkapazität F
BC
C Diffusionskapazität F
d
C Sperrschichtkapazität F
j
C SperrschichtkapazitätbeiU D0VSperrspannung F
j0 pn
d Oxiddicke m
ox
D DiffusionskoeffizientderElektronen m2s(cid:3)1
n
D DiffusionskoeffizientderLöcher m2s(cid:3)1
p
E ElektrischeFeldstärke Vm(cid:3)1
E Bestrahlungsstärke Wm(cid:3)2
e
E MaximalwertderelektrischenFeldstärke Vm(cid:3)1
max
E Beleuchtungsstärke lx
v
E Photonenbestrahlungsstärke s(cid:3)1m(cid:3)2
ph
IX
X ListederverwendetenSymbole
Name Bedeutung Einheit
F.W/ Fermiverteilung 1
g Diodenleitwert AV(cid:3)1
D
g Steilheit AV(cid:3)1
m
g Transistoreingangsleitwert AV(cid:3)1
(cid:2)
g Transistorausgangsleitwert AV(cid:3)1
0
G Generationsrate m(cid:3)3s(cid:3)1
G Gleichtaktunterdrückung 1
G Fotogenerationsrate m(cid:3)3s(cid:3)1
ph
i Impuls kgms(cid:3)1
i Kleinsignalstrom A
I Strom,allgemein A
I(cid:3) Quellenvektor A
I Basisstrom A
B
I Kollektorstrom A
C
I Drain-Source-Strom A
DS
I Strahlstärke Wsr(cid:3)1
e
I Emitterstrom A
E
I Gatestrom A
G
I Fotostrom A
ph
I primärerFotostrom A
pp
I Lichtstärke cd
v
I SperrstromderDiode A
S
I TransfersättigungsstromdesBipolartransistors A
S
I TransferstromdesBipolartransistors A
T
j Stromdichte Am(cid:3)2
j imaginäreEinheit
j Diffusionsstromdichte Am(cid:3)2
Diff
j Driftstromdichte Am(cid:3)2
Drift
j Gesamtstromdichte Am(cid:3)2
ges
j Elektronenstromdichte Am(cid:3)2
n
j Löcherstromdichte Am(cid:3)2
p
k Rückkopplungsfaktor
k VerstärkungsfaktordesProzesses(n-MOS) AV(cid:3)2
n
k VerstärkungsfaktordesProzesses(p-MOS) AV(cid:3)2
p
l Länge,allgemein m
l KanallängedesFeldeffekttransistors m
L Strahldichte Wsr(cid:3)1m(cid:3)2
e
L DiffusionslängederElektronen m
n
L DiffusionslängederLöcher m
p
L Leuchtdichte cdm(cid:3)2
v
M Kapazitätskoeffizient 1
ListederverwendetenSymbole XI
Name Bedeutung Einheit
n Elektronendichte m(cid:3)3
n NullstellederÜbertragungsfunktion rads(cid:3)1
n ElektronendichteverteilunginderBasis m(cid:3)3
B
n Intrinsicdichte m(cid:3)3
i
n Elektronendichteimn-Gebiet m(cid:3)3
n
n Elektronendichteimp-Gebiet m(cid:3)3
p
n ElektronendichteimthermodynamischenGleichgewicht m(cid:3)3
0
n0 Überschusselektronendichte m(cid:3)3
N Emissionskoeffizient 1
N.W/ Zustandsdichte m(cid:3)3
N Akzeptordichte m(cid:3)3
A
N ÄquivalenteZustandsdichteanderLeitungsbandkante m(cid:3)3
C
N Donatordichte m(cid:3)3
D
N ÄquivalenteZustandsdichteanderValenzbandkante m(cid:3)3
V
p Löcherdichte m(cid:3)3
p PolstellederÜbertragungsfunktion rads(cid:3)1
p0 Überschusslöcherdichte m(cid:3)3
p Löcherdichteimn-Gebiet m(cid:3)3
n
p Löcherdichteimp-Gebiet m(cid:3)3
p
p LöcherdichteimthermodynamischenGleichgewicht m(cid:3)3
0
Q Ladung,allgemein As
Q Diffusionsladung As
d
Q Sperrschichtladung As
j
r Transistoreingangswiderstand VA(cid:3)1
(cid:2)
r Transistorausgangswiderstand VA(cid:3)1
0
R Rekombinationsrate m(cid:3)3s(cid:3)1
R Widerstand,allgemein VA(cid:3)1
R Lastwiderstand VA(cid:3)1
a
R Ausgangswiderstand VA(cid:3)1
aus
Raus0 AusgangswiderstanddervereinfachtenSchaltung VA(cid:3)1
R(cid:2) AusgangswiderstanddererweitertenSchaltung VA(cid:3)1
aus
R Quellwiderstand VA(cid:3)1
e
R Eingangswiderstand VA(cid:3)1
ein
Rein0 EingangswiderstanddervereinfachtenSchaltung VA(cid:3)1
R(cid:2) EingangswiderstanddererweitertenSchaltung VA(cid:3)1
ein
R Rückkopplungswiderstand VA(cid:3)1
k
R(cid:2) Flächenwiderstand VA(cid:3)1
t Abfallzeit s
f
t Anstiegszeit s
r
t Speicherzeit s
S
T Temperatur K