Table Of ContentSpringer-Lehrbuch
Holger Göbel
Einführung
in die Halbleiter-
Schaltungstechnik
2.,bearbeiteteunderweiterteAuflage
UnterMitwirkungvonHenningSiemund
Mit390AbbildungenundCD-ROM
123
ProfessorDr.-Ing.HolgerGöbel
Elektronik/FachbereichET
Helmut-Schmidt-Universität
UniversitätderBundeswehrHamburg
Holstenhofweg85
22043Hamburg
[email protected]
BibliografischeInformationderDeutschenBibliothek
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ISBN-10 3-540-34029-7 2.Aufl.SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN-13 978-3-540-34029-4 2.Aufl.SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN3-540-23445-4 1.Aufl.SpringerBerlinHeidelbergNewYork
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Vorwort
Vorwort zur ersten Auflage
Die Mikroelektronik hat seit dem Aufkommen der ersten integrierten
SchaltungenAnfangder70-erJahredes20.Jahrhundertsmittlerweileinprak-
tisch allen Bereichen des täglichen Lebens Einzug gehalten. Um mit dieser
Technologieumgehenzukönnen,aberauchderenMöglichkeitenundGrenzen
realistisch einschätzen zu können, ist ein fundiertes Wissen über den Aufbau
und die Funktionsweise integrierter Schaltung unerlässlich.
DieHalbleiter-SchaltungstechnikstelltdabeigemeinsammitanderenDis-
ziplinen, wie z.B. der technischen Informatik, einen Zugang zum Verständnis
dieser wichtigen Technologie dar. Das vorliegende Buch führt den Leser in
dieHalbleiter-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
VI Vorwort
zu übertragen. Neben den wichtigsten analogen Grundschaltungen und deren
Eigenschaften, vom einstufigen Spannungsverstärker bis hin zum integrierten
Operationsverstärker, gibt das Buch auch eine Übersicht über den Entwurf
digitaler Schaltungen in unterschiedlichen Technologien.
Das Verständnis des Lehrstoffes wird dabei durch den strukturierten Auf-
bau sowie die Hervorhebung der wichtigsten Gleichungen und Textaussagen
erleichtert. Zudem sind in dem Text Verweise auf das interaktive Lernpro-
gramm S.m.i.L.E eingefügt, mit dem sich der 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
Vorwort zur zweiten Auflage
Die vorliegende zweite Auflage des Lehrbuches wurde um ein zusätzli-
ches Kapitel über die Herstellung integrierter CMOS-Schaltungen erweitert.
Gleichzeitig wurde der Teil über bipolare Logikschaltungen leicht gekürzt, so
dass nun die CMOS-Technik, als das wichtigste Verfahren zur Herstellung in-
tegrierter Schaltungen, einen ihrer Bedeutung angemessenen Umfang in dem
Buch erhält.
Dank gebührt an dieser Stelle wieder meinem Mitarbeiter Herrn Henning
Siemund sowie dem Springer-Verlag für die gewohnt professionelle Unterstüt-
zung und die sehr gute Zusammenarbeit.
Hamburg, im Sommer 2006 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 Bänderdiagramm bei Stromfluss..................... 31
1.4 Ausgleichsvorgänge im 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 Kapazitätsverhalten des pn-Übergangs ............... 56
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 Bänderdiagrammdarstellung der Diode ..................... 69
2.4.1 Regeln zur Konstruktion von Bänderdiagrammen...... 69
2.4.2 Bänderdiagramm der 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 Großsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors ...... 87
3.3.2 Schaltverhalten des Bipolartransistors................ 91
3.3.3 Kleinsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors ...... 93
3.3.4 Frequenzverhalten des Transistors ................... 97
3.3.5 Durchbruchverhalten des Bipolartransistors........... 99
3.4 Bänderdiagrammdarstellung des 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 Großsignalersatzschaltbild des MOSFET .............115
4.3.2 Schaltverhalten des MOSFET.......................117
4.3.3 Kleinsignalersatzschaltbild des MOSFET .............121
4.3.4 Durchbruchverhalten...............................123
4.4 Bänderdiagrammdarstellung des MOSFET .................124
4.4.1 Bänderdiagramm der MOS-Struktur .................124
4.4.2 Bänderdiagramm des 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 Verstärkerschaltungen mit Bipolartransistor ..........149
5.4.3 Verstärkerschaltungen mit MOSFET.................154
5.4.4 Verstärkerschaltungen mit Stromspiegel ..............158
5.4.5 Mehrstufige Verstärker .............................160
6 Transistorgrundschaltungen................................165
6.1 Emitterschaltung, Sourceschaltung.........................165
6.1.1 Kleinsignalersatzschaltbild der Emitterschaltung ......165
6.1.2 Spannungsverstärkung der Emitterschaltung ..........167
6.1.3 Eingangswiderstand der Emitterschaltung ............169
6.1.4 Ausgangswiderstand der Emitterschaltung............170
6.2 Kollektorschaltung, Drainschaltung ........................172
6.2.1 Kleinsignalersatzschaltbild der Kollektorschaltung .....172
6.2.2 Spannungsverstärkung der Kollektorschaltung.........174
6.2.3 Eingangswiderstand der Kollektorschaltung ...........175
6.2.4 Ausgangswiderstand der Kollektorschaltung...........175
6.3 Basisschaltung, Gateschaltung ............................176
6.3.1 Spannungsverstärkung der Basisschaltung ............178
6.3.2 Eingangswiderstand der Basisschaltung ..............180
6.3.3 Ausgangswiderstand der 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 Differenzverstärker zum 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 Amplituden- 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 Spannungsverstärker mit idealer Rückkopplung........252
9.2.2 Spannungsverstärker mit realer Rückkopplung ........255
9.3 Parallel-Parallel-Rückkopplung (Transimpedanzverstärker)....261
9.3.1 Transimpedanzverstärker mit idealer Rückkopplung....261
9.3.2 Transimpedanzverstärker mit realer Rückkopplung ....263
9.4 Parallel-Serien-Rückkopplung (Stromverstärker) .............268
9.4.1 Stromverstärker mit idealer Rückkopplung............268
9.4.2 Stromverstärker mit realer Rückkopplung.............269
9.5 Serien-Serien-Rückkopplung (Transadmittanzverstärker)......271
