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Integrierte Schaltungen
Integrierte Schaltungen sind die Schlüsselkomponenten der modernen Elektronik; jeder Computer und nahezu jedes elektrische Gerät werden erst durch den Einsatz der auf einem Silizium-Chip zusammengefassten Schaltungsstrukturen ermöglicht. Es ist Ziel des vorliegenden Lehrbuchs, alle wesentlichen Aspekte des Entwurfs, der Simulation und der Layout-Erstellung integrierter Schaltungen zu vermitteln. Ausgehend von den Bauelement-Grundlagen über die Prozesstechnik hin zu konkreten Ausführungsbeispielen erhält der Leser eine umfassende Einführung in das Gebiet der integrierten Schaltungen. Das Buch ist in vier Teile gegliedert. Nach einer Einführung in den Themenbereich der integrierten Elektronik stehen im Teil I des Buches die Beschreibung integrierter Bauelemente sowie die grundlegenden Technologien bei der Fertigung im Mittelpunkt. In den folgenden beiden Kapiteln des zweiten Teils werden anhand einfacher, industriell verfügbarer Prozesse die Grundlagen für einen prozessspezifischen Schaltungsentwurf und die zugehörige Layout-Erstellung praxisnah erläutert. Dabei wird sowohl auf die erforderlichen schaltungstechnischen Grundlagen als auch auf die gängigen Design-Methoden und Verifikationsverfahren (Simulation, Design-Rule-Check, Layout Versus Schematic) eingegangen. Die im zweiten Teil des Buches vorgestellten Prozesse und Grundregeln finden dann in den Teilen III und IV konkrete Anwendung: Anhand ausgewählter analoger und digitaler Grundschaltungen werden Rechen- und Layout-Beispiele ausführlich erläutert. Der Leser wird mit diesem Buch in die Lage versetzt, integrierte Schaltungen vom einfachen digitalen Gatter bis hin zu aufwendigen analogen Operationsverstärkerschaltungen selbst entwerfen und simulieren zu können. Die zugehörige Simulations- und Designsoftware (LT-SPICE, L-EDIT) wird dem Leser dafür im Downloadbereich des Verlages zur Verfügung gestellt. Das Buch richtet sich an Studierende der Elektrotechnik, Informatik oder Physik und kann während des Studiums angefangen bei den Grundlagen der Elektronik und Schaltungstechnik über die Halbleiter- und Prozesstechnologie bis hin zum Design integrierter Schaltungen vorlesungsbegleitend verwendet werden. Die ausführlichen Rechen- und Simulationsbeispiele sollen zudem ein Selbststudium für Quereinsteiger ermöglichen. Aus dem Inhalt Teil I - Grundlagen integrierter Schaltungen Technologien der Mikroelektronik Physikalische Grundlagen der Halbleitertechnik Integrierte Bauelemente Technologie integrierter Schaltungen Aufbau- und Verbindungstechnik Defektmechanismen und Teststrategien Teil II - Prozesse und Layout integrierter Schaltungen Standardprozesse der IC-Fertigung Entwurf integrierter Schaltungen Teil III - Analoge integrierte Schaltungen: Design, Simulation und Layout Stromspiegelschaltungen Stromquellen Spannungsreferenzen Das Differenz-Transistorpaar Operationsverstärker Einführung in die GMC-Schaltungen Teil IV - Digitale integrierte Schaltungen: Design, Simulation und Layout Grundlagen digitaler integrierter Schaltungen Design und Layout digitaler Gatter in Emitter-Gekoppelter Logik (ECL) Design und Layout digitaler Gatter in Transistor-Transistor-Logik (TTL) Design und Layout digitaler Gatter in CMOS Moderne Entwicklungen ÜBER DIE AUTOREN: Prof. Dr.-Ing. Karl-Hermann Cordes studierte Elektrotechnik an der TU Braunschweig und war anschließend viele Jahre im Schaltungsentwurf tätig, bevor er an die FH Hannover wechselte. Dort lehrt er Mikroelektronik und Entwurf integrierter Schaltungen. Er ist Mitbegründer der Firma ASIC GmbH, einem Spezialisten für die kundenspezifische Entwicklung integrierter Schaltungen. Prof. Dr. rer.nat. habil. Andreas Waag hat an der Universität Würzburg Physik studiert und ist Leiter des Instituts für Halbleitertechnik der TU Braunschweig. Er lehrt innerhalb der Studiengangs Elektrotechnik in den Vertiefungsrichtungen "NanoSystemsEngineering" und "Computers and Electronics". Forschungsschwerpunkte sind die Material-, Prozess- und Bauelemententwicklung für die Mikro- und Optoelektronik. Dipl.-Ing. Nicolas Heuck hat Elektrotechnik an der TU Braunschweig studiert, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Halbleitertechnik und betreut die Vorlesung und das Praktikum für Integrierte Schaltungen. Er beschäftigt sich mit der Verbindungstechnik sowie Back-End-Technologien für die Hochtemperatur-Elektronik. AUF DER COMPANION WEBSITE UNTER WWW.PEARSON-STUDIUM.DE: Für Dozenten: Alle Abbildungen aus dem Buch Für Studenten: Simulations- und Layoutsoftware Simulations-, Dimensionierungs- und Layoutbeispiele
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Für was werden Halbleiter verwendet?
Halbleiter werden in einer Vielzahl von elektronischen Geräten und Anwendungen verwendet. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil von Computerchips, die in Computern, Smartphones, Tablets und anderen elektronischen Geräten verwendet werden. Halbleiter werden auch in der Telekommunikationstechnologie eingesetzt, z.B. in Mobiltelefonen, Satelliten und Funkgeräten. Darüber hinaus spielen Halbleiter eine wichtige Rolle in der Energieerzeugung und -umwandlung, z.B. in Solarzellen und Leistungselektronik. Sie werden auch in der Medizintechnik eingesetzt, z.B. in medizinischen Bildgebungsgeräten und Implantaten.
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Was ist der Verstärkungsfaktor und wie kann er in der Elektronik und Signalverarbeitung verwendet werden, um die Leistung von Schaltungen zu steigern?
Der Verstärkungsfaktor ist das Verhältnis der Ausgangs- zur Eingangsleistung einer Schaltung. In der Elektronik wird er verwendet, um schwache Signale zu verstärken und somit die Leistung von Schaltungen zu steigern. Durch die gezielte Anpassung des Verstärkungsfaktors kann die Effizienz und Genauigkeit von elektronischen Geräten verbessert werden.
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Wo werden Darlington-Schaltungen verwendet?
Darlington-Schaltungen werden häufig in Verstärkern und Schaltern eingesetzt, um eine hohe Verstärkung und einen hohen Stromtreiber zu erreichen. Sie finden Anwendung in Audioverstärkern, Motorsteuerungen, Leistungstransistoren und anderen Hochstromanwendungen.
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Wer kann die Begriffe Halbleiter, Mikrochip, Mikrocontroller und Leistungshalbleiter einordnen?
Ein Halbleiter ist ein Material, das den elektrischen Stromfluss in gewissem Maße ermöglicht. Ein Mikrochip ist eine kleine elektronische Schaltung, die aus Halbleitermaterialien hergestellt wird und Informationen verarbeitet. Ein Mikrocontroller ist ein integrierter Schaltkreis, der einen Mikroprozessor, Speicher und Peripheriegeräte enthält und zur Steuerung von elektronischen Geräten verwendet wird. Leistungshalbleiter sind spezielle Halbleiterbauelemente, die für hohe Leistungen und Spannungen ausgelegt sind und in der Leistungselektronik eingesetzt werden.
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Was ist der Verstärkungsfaktor und wie wird er in der Elektronik und in der Signalverarbeitung verwendet?
Der Verstärkungsfaktor ist das Verhältnis zwischen der Ausgangs- und Eingangsgröße eines Systems. In der Elektronik wird er verwendet, um das Eingangssignal zu verstärken oder zu schwächen, um die gewünschte Ausgangsgröße zu erreichen. In der Signalverarbeitung wird der Verstärkungsfaktor genutzt, um das Signal zu verstärken oder zu filtern, um Rauschen zu reduzieren und die Signalqualität zu verbessern.
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Welchen Transistor verwendet man bei einer solchen Schaltung?
Es gibt verschiedene Transistortypen, die in einer Schaltung verwendet werden können, abhängig von den Anforderungen und dem Verwendungszweck. Für eine einfache Schaltung wie eine Verstärkerschaltung kann ein Bipolartransistor wie der NPN- oder PNP-Typ verwendet werden. Für Schaltungen mit höheren Leistungsanforderungen oder bei Verwendung hoher Frequenzen kann ein Feldeffekttransistor (FET) wie ein MOSFET oder ein JFET verwendet werden. Die Auswahl des Transistortyps hängt von den spezifischen Anforderungen der Schaltung ab.
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Wie kann ein Transistor als Verstärker verwendet werden?
Ein Transistor kann als Verstärker verwendet werden, indem er in einem Schaltkreis so konfiguriert wird, dass er kleine Eingangssignale verstärkt. Dies geschieht durch die Anwendung einer geeigneten Bias-Spannung, um den Transistor in den aktiven Bereich zu bringen, und durch die Verwendung von Rückkopplungsschaltungen, um die Verstärkung zu steuern. Das verstärkte Signal kann dann an einen Ausgang übertragen werden, um eine größere Leistung oder Spannung bereitzustellen.
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Wie kann ein Transistor als Schalter verwendet werden?
Ein Transistor kann als Schalter verwendet werden, indem man ihn entweder in den Sättigungszustand oder in den Sperrzustand bringt. Im Sättigungszustand wird der Transistor leitend und ermöglicht den Stromfluss, während er im Sperrzustand nicht leitend ist und den Stromfluss blockiert. Durch die Steuerung der Basis-Emitter-Spannung kann man den Transistor zwischen diesen beiden Zuständen schalten und somit als Schalter verwenden.
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