Mikroprozessor und
Chiptechnologie
I
1
1 Halbleiterfunktionen
2
8 Halbleiterbauelemente
8 Halbleiterbauelemente
8.1
8.2
8.3
8.4

Grundlagen
Dioden
Transistoren
Einfache Grundschaltungen
Als „halbleitend“ werden diejenigen Werkstoffe bezeichnet,
deren spezifischer Leitwert zwischen dem von metallischen
Leitern und dem von echten Isolatoren liegt.
FHDW G. Hellberg © 2007
3
8.1 Grundlagen (i)

Die wichtigsten beiden Halbleiterwerkstoffe sind Silicium
und Germanium.
FHDW G. Hellberg © 2007
4
8.1 Grundlagen (ii)

Die 4-fach besetzten Außenschalen der Atome führen zu
einer Atombindung .
FHDW G. Hellberg © 2007
5
8.1 Grundlagen (iii)

Jeweils 5 Atome schließen sich zu einer räumlichen Struktur
zusammen. (Kristallgitter).
FHDW G. Hellberg © 2007
6
8.1 Grundlagen (IV)

Kristallgitter in zweidimensionaler Darstellung.
FHDW G. Hellberg © 2007
7
8.1 Grundlagen (V)
Thermische Eigenleitung durch Rekombination und
Paarbildung.

FHDW G. Hellberg © 2007
8
8.1 Grundlagen (VI)
Richtungsgesteuerte Eigenleitung durch Anlegen eines
elektrischen Feldes.

FHDW G. Hellberg © 2007
9
8.1 Grundlagen (VIII)

Die Eigenleitfähigkeit von Halbleitern kann durch den Einbau
von sog. Fremd- bzw. Störatomen stark beeinflußt werden.

Dieser Vorgang wird als „Dotieren“ oder auch „Dopen“
bezeichnet.

Der Grad der Verunreinigung bestimmt die sog.
„Störstellenleitfähigkeit“.

Zum dotieren eignen sich Stoffe mit 3 oder 5 Valenzelektronen.

5-wertige Stoffe führen zu einer n - Dotierung und werden
deshalb auch als „Donatoren“(Elektronenspender) bezeichnet.
(z.B. Phosphor und Arsen)

3-wertige Stoffe führen zu einer p - Dotierung und werden
deshalb auch als „Akzeptoren“(Elektronenempfänger)
bezeichnet. (z.B. Gallium und Indium)
FHDW G. Hellberg © 2007
10
8.1 Grundlagen (X)
Lochleitfähigkeit eines pLeiters.

Plus
Minus
FHDW G. Hellberg © 2007
11
8.1 Grundlagen (XI)
Herstellungsprinzip eines
stoßstellenfreien pnÜberganges durch
Eindiffundieren der 3wertigen Fremdatome.

pn-Übergang ohne
angelegte Spannung

FHDW G. Hellberg © 2007
12
8.1 Grundlagen (XII)

Entstehung einer Raumladungszone innerhalb der Sperrschicht durch Diffusion von Ladungsträgern.
FHDW G. Hellberg © 2007
13
8.1 Grundlagen (XIII)

Bei gleichpoligem Anschluß
einer Spannungsquelle
(Plus an p -, Minus an
n - Material, wird die
Sperrschicht abgebaut.

Bei dieser Polung wird der
pn-Übergang also in
Durchlaßrichtung betrieben.
FHDW G. Hellberg © 2007
14
8.1 Grundlagen (XIV)

Bei gegenpoligem Anschluß
einer Spannungsquelle
(Plus an n -, Minus an
p - Material, wird die
Sperrschicht größer.

Bei dieser Polung wird der
pn-Übergang also in
Sperrichtung betrieben.
FHDW G. Hellberg © 2007
15
8.2 Dioden (i)

Dioden bestehen aus einem Halbleiterkristall mit einem
P/N-Übergang.

Da durch diesen P/N-Übergang der Strom nur in eine Richtung
fließen kann, werden Gleichrichter- und Schaltdioden als
stromrichtungsabhängige Bauelemente bezeichnet.

Von der Durchlaßrichtung sind die Bezeichnungen der
Anschlüsse abgeleitet.

Die Elektrode am p-dotierten Kristall wird als Anode (griech.
Eingang), die Elektrode am n-dotierten Kristall als Katode
(griech. Hinabweg) bezeichnet.
FHDW G. Hellberg © 2007
16
8.2 Dioden (ii)
FHDW G. Hellberg © 2007
17
8.2 Dioden (iii)
Es wird zwischen Germanium- und Silizium-Dioden
unterschieden.

Die Durchlaß- oder auch Schleusenspannung Us für GE-Dioden
beträgt ca. 0,3 Volt, die für Si-Dioden etwa 0,7 Volt.

Auch die Sperrspannung Urmax ist bei beiden Typen
unterschiedlich. Bei Ge-Dioden beträgt sie 40 – ca. 100 Volt, bei
Si-Dioden 80 – ca. 1500 Volt. (siehe Kennlinie, nächste Folie)

FHDW G. Hellberg © 2007
18
8.2 Dioden (IV)
FHDW G. Hellberg © 2007
19
8.2 Dioden (V)
Charakteristische
Eigenschaften von
Si-Ge und (Se)Dioden

FHDW G. Hellberg © 2007
20
8.2 Dioden (VI)

Anwendungsbeispiel: Diode als Schalter
FHDW G. Hellberg © 2007
21
8.2 Dioden (VII)

Sonderfall: Z-Diode
Z-Dioden oder auch Zener-Dioden (nach dem Wissensch. C.
Zener) sind Sonderformen der Si-Dioden, bei denen die
Sperrschicht durch besondere Dotierung sehr dünn gehalten
wird.

Dadurch
ist die Durchbruchsspg. Urmax wesentlich niedriger
(ca. 1-10 Volt).
Diesen
charakteristischen Effekt (Zener-Effekt macht man sich
zu Nutze, indem man die Z-Diode immer in Sperrichtung betreibt.
Durch
den sich ergebenden typischen Kennlinienverlauf lassen
sich Z-Dioden gut zur Spannungsstabilisierung kleiner
Gleichspannungen einsetzen.
FHDW G. Hellberg © 2007
22
8.2 Dioden (VIII)
Spgs. Stabilisierung mit ZDiode


Kennlinien
FHDW G. Hellberg © 2007
23
8.2 Dioden (IX)
Strom- und SpannungsKennlinie einer Z-Diode

FHDW G. Hellberg © 2007
24
8.3 Transistor (i)

Bipolare Transistoren werden in PNP- und NPNTypen unterschieden.
FHDW G. Hellberg © 2007
25
8.3 Transistor (ii)
Bipolare Transistoren gibt es in den verschiedensten
Bauformen und für unterschiedliche Einsatzbereiche.

FHDW G. Hellberg © 2007
26
8.3 Transistor (iii)
Die ersten Bipolaren Transistoren wurden nach dem
Legierungsverfahren hergestellt. (siehe Diode)

FHDW G. Hellberg © 2007
27
8.3 Transistor (IV)
Schematische Darstellung der Funktionsweise von
Transistoren NPN, PNP

FHDW G. Hellberg © 2007
28
8.3 Transistor (V)

Betriebsspannungen und -ströme beim NPN-Transistor
FHDW G. Hellberg © 2007
29
8.3 Transistor (VI)

Betriebsspannungen und -ströme beim PNP-Transistor
FHDW G. Hellberg © 2007
30
8.3 Transistor (VII)
Grundsätzlich gilt: Bei Transistoren
läßt sich durch einen kleinen
Basisstrom ein viel größerer
Kollektorstrom steuern.

Diese
Eigenschaft bezeichnet man
als Stromverstärkung.
Typische Werte für die
Stromverstärkung liegen im Bereich
zwischen 100 und 300.

FHDW G. Hellberg © 2007
31
8.3 Transistor (VIII)

Bei Feldeffekttransistoren (FET‘s) erfolgt die Steuerung des
Stromflusses durch ein elektrisches Feld.

Es wird zwischen den Sperrschicht-FET‘s und den MOS-FET‘s
unterschieden (Metall-Oxide-Semiconductor)
FHDW G. Hellberg © 2007
32
8.3 Transistor (IX)

FET‘s (unipolare Transistoren) in unterschiedlichen Bauformen.
FHDW G. Hellberg © 2007
33
8.3 Transistor (X)

FET‘s (unipolare Transistoren) in unterschiedlichen Bauformen.
FHDW G. Hellberg © 2007
34
8.3 Transistor (XI)
Sperrschicht - FET‘s arbeiten nach dem Prinzip der
Kanalabschnürung.

FHDW G. Hellberg © 2007
35
8.3 Transistor (XII)
Selbstleitende MOS-FET‘s
werden auch als Verarmungstypen bezeichnet und
arbeiten ebenfalls nach dem
Prinzip der
Kanaleinschnürung.

FHDW G. Hellberg © 2007
36
8.3 Transistor (XIII)

Selbstsperrende MOS-FET‘s
werden auch als Anreicherungstypen bezeichnet.
FHDW G. Hellberg © 2007
37
8.4 Einfache Grundschaltungen (i)
Logische Bauelemente können mit diskreten Halbleitern
aufgebaut werden.

FHDW G. Hellberg © 2007
38
8.4 Einfache Grundschaltungen (ii)
Logische Bauelemente können mit diskreten Halbleitern
aufgebaut werden.

FHDW G. Hellberg © 2007
39
9 Schaltkreisfamilien (i)
9.1 Schaltungseigenschaften
9.2 TTL-Schaltungen
9.3 CMOS-Schaltungen
Verknüpfungsglieder werden fast ausschliesslich aus Halbleitern
aufgebaut.

Verknüpfungsglieder mit gleichen Schaltungseigenschaften bilden
eine Schaltkreisfamilie.

FHDW G. Hellberg © 2007
40
9.1 Schaltungseigenschaften (i)
Die Schaltungseigenschaften von logischen Bauelementen
werden in verschiedene Bereiche unterteilt:


Pegelbereiche und Übertragungskennlinie

Schaltzeiten

Lastfaktoren

Störsicherheit
FHDW G. Hellberg © 2007
41
9.1 Schaltungseigenschaften (ii)
Aus der Übertragungskennlinie kann der H- und L-Bereich
abgelesen werden. (Signalpegel)

FHDW G. Hellberg © 2007
42
9.1 Schaltungseigenschaften (iii)
Die Signallaufzeit ist die Impulsverzögerung zwischen Ein- und
Ausgang beim Umschalten von L auf H.

FHDW G. Hellberg © 2007
43
9.1 Schaltungseigenschaften (IV)
Während der Signalübergangszeit ändert sich die AusgangsSpannung von 10% auf 90% des H- bzw. L-Pegels am Eingang.

FHDW G. Hellberg © 2007
44
9.1 Schaltungseigenschaften (V)

Beispiel: Typisches Schaltverhalten eines Transistors.
FHDW G. Hellberg © 2007
45
9.2 TTL-Schaltungen (i)
TTL bedeutet Transistor-Transistor-Logik. TTL-Glieder werden
ausschliesslich mit bipolaren Transistoren und als monolitisch
integrierte Schaltungen gefertigt.

Bei TTL-Schaltungen wirkt ein offener Eingang so, als läge er auf
High-Pegel (5V).

FHDW G. Hellberg © 2007
46
9.2 TTL-Schaltungen (ii)
Durch die Multi-Emitter-Technik entstehen an der gemeinsamen
Basis räumlich voneinander getrennte PN-Übergänge.

FHDW G. Hellberg © 2007
47
9.2 TTL-Schaltungen (iii)

NAND-Glied mit TTL-Technik
FHDW G. Hellberg © 2007
48
9.2 TTL-Schaltungen (IV)

Unterfamilien der TTL-Glieder:
FHDW G. Hellberg © 2007
49
9.3 CMOS-Schaltungen (i)

CMOS-Schaltglieder benötigen eine extrem geringe Leistung.

Integrierte Schaltungen lassen sich mit sehr großer Integrationsdichte herstellen und werden hauptsächlich als NAND und NOR - Glieder produziert.

Für gängige Bauteile werden ausschließlich selbstsperrende
MOS-FET‘s verwendet.

Bei der Verarbeitung von MOS-Bauteilen sind besondere
Sicherheitsmaßnahmen zu treffen, da diese sehr anfällig
gegen statische Aufladung sind.
FHDW G. Hellberg © 2007
50
9.3 CMOS-Schaltungen (ii)

Selbstsperrende
MOS-FET‘s als
Inverter geschaltet.
FHDW G. Hellberg © 2007
51
9.3 CMOS-Schaltungen (iii)

Beim CMOS-NICHT-Glied ist stets ein Transistor gesperrt und
der andere durchgesteuert.
FHDW G. Hellberg © 2007
52
53
2 Chipherstellung
54
55
3 Beispiele
56
Intel 8080
57
Intel 8088
58
Intel 80286
59
Intel 80386
60
Intel 80486
61
Intel 80586
62
Intel 80686
63
64
Pentium Pro
65
66
67
68
69

Foliensatz Teil III