Integrierte Bipolarschaltungen

Will man heute ein Buch über integrierte Schaltungen schreiben, das einen rela­ tiv beschränkten Umfang haben soll, so steht man vor einer fast unlösbaren Auf­ gabe. Die tiefere Ursache hierfür liegt darin, daß diese Halbleiterbausteine ei­ nem rapiden Entwicklungsprozeß unterworfen sind und daß sich ihr Anwen­ dungsbereich immer weiter ausdehnt. Eine Folge davon ist, daß es bereits heute eine Fülle von Schaltungen gibt, deren Spektrum z. B. in der Digitaltechnik von einfachen Gatterbausteinen bis zu kompletten Mikrocomputern reicht. Um auch nur die wichtigsten Schaltungen behandeln zu können, müßte man deshalb ein umfangreiches Werk über elektronische Schaltungstechnik schreiben, wobei noch die Gefahr besteht, daß es in wenigen Jahren veraltet ist. Ähnlich gelagert sind die Probleme auf der technologischen Seite, wo zahlreiche Verfahren (mit all ih­ ren Kombinationsmöglichkeiten und Varianten) bekannt sind, die zur Herstel­ lung integrierter Schaltungen verwendet werden. Hinzu kommt das umfang­ reiche Gebiet der Entwurfstechnik (System-, Schaltungs- und Strukturentwurf), die heute durch Rechneranwendung intensiv unterstützt wird und die u. a. fun­ dierte Kenntnisse über Realisierungsmöglichkeiten, Modelle und Theorie inte­ grierter Schaltungselemente voraussetzt. Wegen der angedeuteten Problematik wurde innerhalb der Buchreihe "Halb­ leiter-Elektronik" das Gebiet der integrierten Schaltungen in einen Band über integrierte MOS-Schaltungen von H. Weiß und K. Horninger und den vorliegen­ den Band über integrierte Bipolarschaltungen aufgeteilt. Dennoch mußten wir uns aus den genannten Gründen weitgehend auf die Behandlung der Grundla­ gen beschränken, wobei allerdings auf wichtige Neuerungen nicht verzichtet wurde.

Bezeichnungen und Symbole.- 1 Einleitung.- 2 Herstellung integrierter Schaltungen.- 2.1 Struktur einer integrierten Bipolarschaltung.- 2.2 Schritte bei Entwurf und Herstellung integrierter Schaltungen ― eine Übersicht.- 2.3 Technologische Verfahren der Silizium-Planartechnik. Prozeßfolge.- 2.3.1 Fotolack-und Ätztechnik.- 2.3.2 Herstellung der Substratscheiben.- 2.3.3 Epitaxie.- 2.3.4 Dotierungsverfahren.- 2.3.4.1 Dotierungselemente in der Silizium-Planartechnik.- 2.3.4.2 Dotierungsverlauf in einem integrierten Transistor.- 2.3.4.3 Diffusion von Dotierungsatomen.- 2.3.4.4 Ionenimplantation.- 2.3.5 Herstellung von Siliziumdioxid-Schichten.- 2.3.6 Metallisierung.- 2.3.7 Prozeßfolge bei der Integration.- 2.4 Einige spezielle Isolationsverfahren.- 3 Elemente integrierter Schaltungen ― Aufbau, Eigenschaften, Dimensionierung.- 3.1 Widerstände.- 3.1.1 Spezifischer Widerstand und Driftbeweglichkeit.- 3.1.2 Dimensionierung eines typischen integrierten Widerstandes.- 3.1.3 Weitere Widerstandsformen.- 3.1.4 Quantitativer Zusammenhang zwischen Schichtwiderstand und Dotierungsprofil. Messung des Schichtwiderstandes.- 3.2 Leiterbahnkreuzungen.- 3.3 Kondensatoren und parasitäre Kapazitäten.- 3.3.1 Berechnung der Sperrschichtkapazitäten.- 3.3.2 Ausführungsformen integrierter Kondensatoren.- 3.4 pn-Dioden.- 3.5 Schottky-Dioden.- 3.6 Integrierte Transistorstrukturen.- 3.6.1 Zusammenfassung mehrerer npn-Transistoren.- 3.6.2 pnp-Transistoren.- 3.7 Ersatzschaltbilder und Kenngrößen integrierter Transistoren.- 3.7.1 Transistorersatzschaltbilder.- 3.7.2 Einige wichtige Transistorparameter.- 3.7.2.1 Stromverstärkung.- 3.7.2.2 Durchlaßspannung der Basis-Emitter-Diode.- 3.7.2.3 Basisbahnwiderstand.- 3.7.2.4 Restspannung (Sättigungsspannung) und Kollektorbahnwiderstand.- 3.7.2.5 Transitfrequenz und Basislaufzeit.- 3.7.2.6 Sättigungszeitkonstante.- 3.7.2.7 Sperrschichtkapazitäten.- 3.7.3 Zahlenbeispiel zu den Transistorparametern.- 3.7.4 Dimensionierung des Transistors zur Vermeidung von Hochstromeffekten.- 3.7.5 Kompromisse bei der Wahl der Transistorparameter.- 4 Integrierte Digitalschaltungen.- 4.1 Die wichtigsten Kenngrößen digitaler Grundschaltungen.- 4.1.1 Logische Grundfunktionen.- 4.1.2 Übertragungskennlinie und Spannungspegel.- 4.1.3 Störabstände.- 4.1.4 Verlustleistung.- 4.1.5 Definition der Schaltzeiten.- 4.1.6 Gütemaß integrierter Digitalschaltungen (DP-Produkt).- 4.2 Der Transistorinverter als einfachste Digitalschaltung.- 4.2.1 Der gesättigte Transistorinverter.- 4.2.1.1 Spannungspegel und Kennlinien.- 4.2.1.2 Schaltverhalten.- 4.2.2 Der ungesättigte Transistorinverter mit Schottky-Diode.- 4.2.2.1 Vorbemerkung und Prinzip.- 4.2.2.2 Ausführung und Dimensionierung eines SD-Transistors.- 4.2.2.3 Vergleich der SD-Technik mit gesättigten Schaltungen.- 4.3 Direkt gekoppelte Transistorlogik (DCTL) und Widerstand-Transistor-Logik (RTL).- 4.4 Dioden-Transistor-Logik (DTL).- 4.4.1 Prinzipielle Funktionsweise und Grundschaltungen.- 4.4.2 DTL mit Schottky-Dioden.- 4.5 DTL mit hohem Störabstand.- 4.6 Transistor-Transistor-Logik (TTL).- 4.6.1 Prinzipielle Funktionsweise, Vergleich mit der DTL.- 4.6.2 Grundgatter der gesättigten Standardfamilie.- 4.6.2.1 NAND-Gatter mit offenem Kollektor am Ausgang.- 4.6.2.2 NAND-Gatter mit Gegentaktausgang.- 4.6.3 Maßnahmen zur Verbesserung der Eigenschaften des Gegentaktausgangs. Die „Tri-State-TTL“.- 4.6.4 „Interne“ TTL-Gatter.- 4.6.5 Ungesättigte TTL-Schaltungen mit Schottky-Dioden.- 4.6.6 Einige Daten verschiedener TTL-Familien.- 4.7 Stromschaltertechnik (ECL, E2CL u. a.).- 4.7.1 Der Stromschalter.- 4.7.2 Zwei wichtige Schaltungskonzepte der Stromschaltertechnik: ECL und E2CL.- 4.7.3 Leitungsansteuerung mit ECL- und E2CL-Schaltungen, Vergleich mit der TTL.- 4.7.4 Ein typisches ECL-Gatter.- 4.7.5 ECL mit verbesserter Spannungs- und Temperaturkompensation.- 4.7.6 Spezielle Schaltungsprinzipien der ECL.- 4.7.7 Einige Daten verschiedener ECL-Familien.- 4.7.8 ECL-Schaltungen mit kleiner Verlustleistung. Die rückgekoppelte ECL.- 4.8 Schaltkreistechniken und Systemkonzepte für hochintegrierte Logikbausteine.- 4.8.1 Technische Voraussetzungen für einen hohen Integrationsgrad.- 4.8.2 Grundgatter für hochintegrierte Schaltungen.- 4.8.3 Integrierte Injektionslogik (I2L bzw. MTL).- 4.8.3.1 Prinzip und grundlegende Eigenschaften.- 4.8.3.2 Realisierung logischer Funktionen.- 4.8.3.3 Ausgangsfächerung und Bedeutung der „Aufwärtsstromverstärkung“.- 4.8.3.4 Technologische Realisierung.- 4.8.3.5 Ein- und Ausgangsstufen.- 4.8.3.6 Verzögerungszeit eines I2L-Gatters.- 4.8.3.7 Maßnahmen zur Verringerung der Schaltzeit. I2L mit Schottky-Dioden.- 4.8.4 Eine grundlegende Bemerkung zum Leistungsverbrauch und zum tDP-Produkt bipolarer Digitalschaltungen.- 4.8.5 Systemkonzepte für hochintegrierte Logikbausteine.- 4.9 Bipolarspeicher.- 4.9.1 Vorbemerkung zu den Halbleiterspeichern.- 4.9.2 Lese/Schreib-Speicher.- 4.9.2.1 Aufbau eines Speicherchips.- 4.9.2.2 Speicherzellen.- 4.9.3 Festwertspeicher.- 4.9.3.1 Maskenprogrammierte Festwertspeicher (ROM).- 4.9.3.2 Elektrisch programmierbare Festwertspeicher (PROM).- 4.9.4 Daten einiger käuflicher Bipolarspeicher.- 5 Integrierte Analogschaltungen.- 5.1 Vorbemerkung.- 5.2 Das Transistorpaar, Offsetstrom und Offsetspannung.- 5.3 Stromspiegelschaltungen.- 5.3.1 Grundschaltung ― Eigenschaften und Anwendungen.- 5.3.2 Modifizierte Stromspiegelschaltungen.- 5.4 Differenzverstärker.- 5.4.1 Differenzverstärker mit Emitterkopplung, Grundschaltung und Varianten.- 5.4.2 Differenzverstärker mit Basiskopplung.- 5.4.3 Differenzverstärker mit kleinen Eingangsruheströmen.- 5.5 Endstufen.- 5.6 Einfache Referenzspannungsschaltungen.- 5.7 Bandabstands-Referenz.- 5.8 Multiplizierer.- 5.9 Operationsverstärker.- 5.9.1 Idealer und realer Operationsverstärker.- 5.9.2 Schaltung und Eigenschaften eines typischen Operationsverstärkers.- 5.9.3 Weitere Typen von Operationsverstärkern.- 6 Anhang.