Integrierte MOS-Schaltungen PDF
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Über diese Basisbände hinaus sind weitere Einzelbände erschienen bzw. vor gesehen, die den technisch wichtigen Halbleiterbauelementen gewidmet sind. Alle diese von Spezialisten verfaßten Bände sind so aufgebaut, daß sie bei ent sprechenden Vorkenntnissen auch einzeln verwendet werden können. Nachstehendes Schema gibt einen Überblick über die Konzeption der Buch reihe. Wir hoffen, mit diesem "Baukasten prinzip" der auch heute noch fort schreitenden Entwicklung am ehesten gerecht werden zu können und so den Le sern ein ftir Studium und Berufsarbeit brauchbares Instrument in die Hand zu geben. Einführung 1 2 Grundlagen der Bauelemente der Halbleiter-Elektronik Halbleiter-Elektronik Vertiefung 5 I B3 änderstruktur und P n -t'bergänge Stromtransport Technologie Einzelhalbleiter 6 Bipolare Transistoren 8 Signal verarbeitende Aktive Mikro Dioden wellendioden 10 11 Optoelektronik I: Optoelektronik II: Lumineszenz- und Fotodioden und Laserdioden Solarzellen l 12 J Thyristoren -- ._---- Integrierte 13 14 Schaltungen Integrierte Integrierte Bipolarschaltungen ~lOS-Schaltungen Sonderthemen R15a uschen 1 Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork Halbleiter-Elektronik Herausgegeben von W. Heywang und R. Müller Band 14 H. Weiß, K. Horninger Integrierte MOS-Schaltungen Mit 181 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1982 Or. rer. nat. HERBERT WEISS t o. Professor, Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften VI Universität Erlangen-Nürnberg Or. techno KARLHEINRICH HORNINGER Fachgruppenleiter, Siemens AG, Zentrale Aufgaben Informationstechnik, München Or. rer. nat. WALTER HEYWANG Leiter der Zentralen Forschung und Entwicklung der Siemens AG, München Professor an der Technischen Universität München Or. techno RUOOLF MÜLLER Professor, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Elektronik der Technischen Universität München CIP'Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Halbleiter-Elektronik Hrsg. von W. Heywang u. R. Müller. - Berlin, Heidelberg, New York: Springer. NE: Heywang, Walter [Hrsg.] Bd. 14. -Weiss, Herbert: Integrierte MOS-Schaltungen Weiss, Herbert: Integrierte MOS-Schaltungen/H. Weiss; K. Horninger. (Halbleiter-Elektronik; Bd. 14) NE: Horninger, Karlheinrich:; GT ISBN 978-3-540-11545-8 ISBN 978-3-662-07944-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-07944-7 Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Überset zung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photome chanischem oder ähnlichem Weg und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergütungsansprüche des § 54, Abs.2 UrhG werden durch die »Verwertungsgesellschaft Wort«, München, wahrgenommen. '" Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1982 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Yor!< 1982 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. 2362/3020-543210 Geleitwort der Herausgeber Die moderne Halbleitertechnik hat ihren Anfang genommen mit dem Bi polartransistor . So stützte sich die Integration zunächst auf die Bi polartechnik . Heute wird sie aber mindestens ebenso von der technolo gisch einfacheren MOS-Technik getragen, mit der die mit Abstand höchsten Integrationsstufen erreicht wurden. Diese Tatsache berück sichtigt der vorliegende Band von Weiß und Horninger mit einer gene rellen Einführung in die physikalischen Grundlagen der MOS-Technik und die damit realisierbaren Schaltungen (analoge und digitale Schal tungen sowie Speicher) . Kurz vor Fertigstellung des gesamten Manuskriptes erlag Professor Dr. Herbert Weiß einem Ski unfall. Die Herausgeber sind davon über zeugt, daß dieses Buch dazu beiträgt, sein hohes wissenschaftliches Ansehen lebendig zu halten. Das Buch wurde von Beginn an in Doppelautorenschaft konzipiert. Herr Horninger hat nach dem Unfall von Herrn Weiß auch dessen Kapi tel zu Ende geführt, wofür wir ihm besonderen Dank schulden. München, im Sommer 1982 W. Heywang . R. Müller 5 Vorwort Innerhalb von etwa 20 Jahren seit dem Erscheinen der ersten integrier ten Schaltungen auf dem Markt erreicht die MOS-Technik heute den höchsten Grad der Integration in der Halbleitertechnik. Die Gründe für diese stürmische Entwicklung sind neben der Möglichkeit, MOS-Tran sistoren sehr dicht zu packen. auch das einfache Prinzip und der ein fache Aufbau des MOS-Transistors. Der Zweck dieses Buches ist es, einen Oberblick über die MOS-Technik sowie die mit ihr verbundenen Möglichkeiten zu geben. Es wendet sich gleichermaßen an den Technologen wie an den Schaltungs ingenieur , die gemeinsam eine integrierte Schaltung entwickeln und herstellen. Mit steigendem Integrationsgrad wird es jedoch möglich, ganze Systeme auf dem Chip zu integrieren. Das Buch wendet sich daher auch an den Systemarchitekten , der eine Schaltung konzipiert, und der über die technologischen und schaltungstechnischen Grundlagen Bescheid wissen sollte, da die Voraussetzung zum Gelingen eines hochkomplexen VLSI Schaltkreises die Kenntnis der Probleme des Partners ist. Das Buch wendet sich aber auch an Studenten der Physik, der Elektro technik und der Informatik, die sich neu in das Gebiet der integrierten MOS-Schaltungen einarbeiten wollen. Besonders für sie werden daher nach einer eingehenden Betrachtung des MOS-Kondensators die Grund struktur des MOS-Transistors sowie die aus diesem abgeleiteten Bau elemente beschrieben. Die Herstellungstechniken sowie die dabei auf tretenden Probleme werden erläutert. Anschließend werden die Schal tungstechniken von integrierten MOS-Schaltungen und ihre Entwurfs techniken eingehend behandelt. 6 Den Herren E. Musil, R. Hezel, N. Lieske, H. Klar und H.-J. Pfleiderer sowie Prof. K. Goser danke ich auch im Namen meines ver storbenen Koautors für wertvolle Anregungen und kritische Anmerkun gen zum Manuskript. Den Damen H. Berger, R. Röhrich und G. VOlkmann sowie meiner Frau möchte ich an dieser Stelle für das Schreiben des Manuskripts danken. Dem Springer-Verlag sei für die Betreuung und Sorgfalt bei der Drucklegung des Buches besonderer Dank gesagt. München, im Sommer 1982 K. Horninger 7 Inhaltsverzeichnis Bezeichnungen und Symbole ............................ 11 1 Einleitung ... 15 Literatur zu 1 . 22 2 MOS-Bauelemente .......... . 23 2.1 Arten von MOS-Transistoren 25 2.2 MOS-Kondensator ...... . 28 2.3 Kapazität des MOS-Kondensators 34 2.4 Kennlinien des MOS-Transistors 45 2.5 Verfeinerte Theorie .... . 54 2.6 Dynamisches Verhalten .. . 69 2.7 Ladungsverschiebeelemente (CCD) ........... . · 76 2.8 Transistoren mit veränderlicher Schwellenspannung . · 85 2.9 Rauschen des MOS-Transistors .. 89 Literatur zu 2 ............... . . . 91 3 MOS-Techniken ................... · 94 3.1 Aluminium -Gate-Technik mit p-Kanal · 94 3.2 Silizium-Gate-Technik mit n-Kanal .. 103 3.3 Komplementäre Techniken. 107 3.4 Ionenimplantation ....... 112 3.5 DMOS- und VMOS-Technik. 118 3.6 Herstellung der Masken 120 3.7 Feine Strukturen 124 Li teratur zu 3 ...... 132 8 4 MOS-Grundschaltungen 134 4.1 Der Inverter in statischer Technik 134 4.1.1 Übertragungsfunktionen des Inverters 136 4.1.2 Schaltzeiten des MOS-Inverters 151 4.1. 3 Störsicherheit . 162 4.1.4 Vergleich der verschiedenen Inverterarten 164 4.1.5 Der MOS-Transistor als Transferelement (Transfergatter ) ........ . 166 4.2 Der Inverter in dynamischer Technik ....... . 168 4.2.1 Der Inverter mit getakteten Lastelementen 168 4.2.2 Der "Bootstrap"-Inverter 169 4.3 Bistabile MOS-Schaltungen .... 174 4.4 MOS-Logik in statischer Technik 180 4.4.1 Einfache Gatter in MOS . 180 4.4.2 Addierstufen in statischer Technik. 188 4.5 MOS-Logik in dynamischer Technik. 194 4.6 MOS-Schieberegister ......... . 199 4.6.1 Schieberegister in dynamischer Technik 199 4.6.2 Schieberegister in statischer Technik. 206 4.6. 3 Zähler ................. . 208 4.6.4 Schieberegister für Analogsignale 210 4.7 Speicherschaltungen 221 4.7.1 Speicher mit dynamischer Informations- speicherung ................. . 222 4.7.2 Speicher mit ,statischer Informations- speicherung ................. . 228 4.7.3 Speicher mit nichtflüchtiger Informations- speicherung .................... . 232 4.7.4 Peripherieschaltwlg für Halbleiterspeicher 234 4.7.5 Strahlungsempfindlichkeit . 250 4.8 MOS-Analogschaltungen ...... . 252 4.8.1 Das Kleinsignalersatzschaltbild . 254 4.8.2. MOS-Analogverstärker ... 257 4.8.3 MOS-Operationsverstärker. 261 4.8.4 Filterschalt ungen 263 Li teratur zu 4 ........... . 273 9 5 Entwurfstechnik für integrierte MOS-Schaltungen . . . . . . . . . 275 5.1 Rechnerunterstützte Analyseverfahren und -programme. 275 5.2 Entwurfsunterlagen . . . . . . . . . 281 5.3 Geometrischer Entwurf (Layout). 284 5.3.1 Erstellen des Layouts ............. . 284 5.3.2 Hilfsmittel für die Erstellung des Layouts 288 5.4 Datenaufnahme 289 Literatur zu 5 ..... 289 291 6.1 Festverdrahtete Schaltungen. 291 6.2 Programmierbare Schaltungen. 295 6.3 Programmgesteuerte Schaltungen. 298 6.4 Entwicklungsablauf bei den verschiedenen Schaltungsarten ........ . 302 6.5 Die Bedeu tung der Software .. 305 6.6 Abgrenzung der Lösungswege . 306 6.7 Entwickl ungstrends ... 309 6.8 Ausbeute lind Redundanz 310 6.9 Prüffreundlicher Entwurf 316 6.9.1 Gründe für das Prüfproblem · 317 6.9.2 Grundprinzipien für einen prüffreundlichen Entwurf .................. . · 318 6.10 Analyse integrierter Schaltkreise mit dem Elektronenstrahl ................. . · 324 6.10.1 Eigenschaften der Elektronensonde . 325 6.10.2 Abbildung mit Hilfe des Elektronenstrahls . 325 6.10.3 Messung mit Hilfe des Elektronenstrahls 329 6.10.4 Übersicht über Prüfmethoden 330 Literatur zu 6 ................... . 331 7 Ausblick 334 Literatur zu 7 ... 339 Sachverzeichnis ................................... 340 10
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