Technische Implementierung H oder 1 Digitaltechnik
Verbotener Bereich
L oder 0
Technologie
Logische 0
Logische 1
TTL
0..0,8 V
2,4 .. 5,0 V
CMOS
0.. 30% VDD
70 .. 100% VDD
GTL+
-0,3 .. 0,82 V
1,22 .. 1,5 V
RSL
1,4 .. 1,8 V
1,0 .. 1,4 V
Technische Informatik 1 + E-Technik
WS 16/17
Dr. Kurt Sutter
Kap. 3
Folie 2
Halbleiter Leiter – Halbleiter - Isolator Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, den man hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit sowohl als Leiter als auch als Nichteiter betrachten kann. Halbleiter sind Festkörper mit kristalliner Struktur. Beeinflussung der Leitfähigkeit durch Einbringung von „Störstellen“. Unter Störstellen versteht man fehlende oder überzählige Atome im Kristallgitter der Halbleiter oder den ersatzweisen oder zusätzlichen Einbau von Fremdatomen. Dotierung mit Donatoren, d.h. mit Atomen die ein Elektron mehr haben. Dotierung mit Akzeptoren, d.h. mit Atomen die ein Elektron weniger haben. Technische Informatik 1 + E-Technik
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Folie 3
Halbleiter
Donatoren:
Si
Si
Si
Akzeptoren
Si
Si
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Si
Si
Si P
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Si
Si
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Si
Al Si
Kap. 3
Folie 4
Die Diode Dioden sind Halbleiterbauelemente, die Strom nur in einer Richtung durchlassen. Sie bestehen aus den zwei Elektroden Anode und Kathode und lassen nur dann einen Stromfluss zu, wenn die Anode positiver ist als die Kathode.
Diodenkennlinien:
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Folie 5
Dioden – Dotierung des Halbleiters Eine Seite ist n-dotiert (hat einen Überschuß an Elektronen) und die andere ist p-dotiert (hat einen Mangel an Elektronen).
-
n-leitend
-
-
p-leitend
-
-
+
+
+
+ -
+
+
+
+
} Rekombination in Grenzschicht (Diffusionsstrom) → ladungsträgerarme Zone
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Folie 6
Diode: Anlegen eines elektrischen Feldes
Sperrrichtung n-dotierter Bereich → positive Spannungsquelle p-dotierter Bereich → negative Spannungsquelle
n
p
-
+
-
Vergrößerung der
+ -
ladungsträgerarmen Zone
+
Sperrschicht entsteht. Es fließt kein Strom.
+
_
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Folie 7
Diode: Anlegen eines elektrischen Feldes
Durchlassrichtung: n-dotierter Bereich → negative Spannungsquelle p-dotierter Bereich → positive Spannungsquelle n
p -
+
-
Ladungsträgerarme Zone wird
+ -
abgebaut.
+
Sperrschicht verschwindet. Strom fließt.
_ +
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Folie 8
Der Transistor Der Transistor ist ein aktives Bauelement, das als stromgesteuerte Stromquelle beschrieben werden kann: Ein kleiner Basis-Strom steuert den größeren Kollektor-Emitter-Strom. Für Betrachtungen bezüglich der Schaltfähigkeit lässt sich der Transistor jedoch stark vereinfachen. Mechanisches Modell: Collector Basis
Emitter
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Folie 9
Bipolare Transistoren Kristall aus 3 aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnder Dotierung je nach Zonenfolge: npn oder pnp Transistor
-
-
-
n
p
n
+ -
+
-
+
-
+ +
-
+
-
-
ladungsträgerarme Zonen durch Rekombination Diffusionsstrom Steuerwirkung nur dann, wenn ein pn-Übergang in Sperr- und der andere in Durchlassrichtung gepolt ist. bipolarer Transistor Technische Informatik 1 + E-Technik
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Folie 10
Bipolare Transistoren – Wirkungsprinzip
Durchlaßrichtung
n -
Sperrrichtung
p +
-
+
-
-
+
Emitter Drain
n
-
Basis Gate
Kollektor Source
}
Steuerspannung Hinreichend schmale Basiszone: Überlagerung der Sperrschicht durch ladungsträger-angereicherte Zone des in Durchlassrichtung geschalteten pn-Übergangs => Emitter-Kollektor-Strom. Technische Informatik 1 + E-Technik
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Folie 11
Schichtaufbau von integrierten Transistoren MOS Transistoren (unipolare Transistoren) MOS: Metal Oxide Semiconductor (Metall-Oxid-Halbleiter). MOS-Transistoren sind sogenannte Feldeffekttransistoren (FET): Steuerung durch Wirkung eines elektrischen Feldes. Unipolar, da pn-Übergänge gleichgepolt.
Polysilizium (früher: Metall) Isolierschicht aus SiO2
Source
Hier: NMOS
n+
Gate
Drain 25nm
n+
Kanal
p Substrat < 5 µm ~ 10 -20 µm
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Folie 12
Funktionalität des MOS-Transistors
Ohne Spannung zwischen Source und Drain keine Leitfähigkeit, da pn-Übergang am Drain in Sperrrichtung.
n
pp
Source
n Drain
“Kondensatorplatten” Gatekontakt und Kanal, dazwischen Siliziumoxidschicht. Anlegen
einer positiven Steuerspannung: Aufladung des Kondensators: Influenz negativer Ladungen im Kanal, Kompensation der vorhandenen positiven Ladungen oberhalb einer Schwellenspannung Bildung einer n-leitenden Inversionsschicht In dieser Schicht Aufhebung der pn-Übergänge => durchgehend leitende Verbindung Widerstandsabnahme mit zunehmender Steuerspannung
Der Transistor als Schalter Bipolarer Transistor (npn Typ) Collector Basis
Emitter
IBE = 0
sperrend
IBE > 0
leitend
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Folie 16
Die TTL Logikfamilie
+5 Volt
+5 Volt
leitend von interner Logik
IOH
+5 Volt
sperrend
Ausgang sperrend
Ausgangsstufe
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leitend
Ströme bei log. 1
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IOL
Ströme bei log. 0
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Folie 17
Inverter in TTL
Eingangsstufe
Ausgangsstufe
Zwischenstufe Technische Informatik 1 + E-Technik
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Folie 18
Nand-Gatter in TTL
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Folie 19
Fanout / Fanin +5 Volt
leitend
IOH = n * IIH
sperrend
IIH
IIH In1
...
IIH In2
IIH
In3
Inn
Größe von IOH
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Folie 20
Darstellung im Datenblatt
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Folie 21
CMOS Complementary MOS-Logik Einfacher kompakter Aufbau Reine Spannungssteuerung Sehr kleine Leistungsaufnahme im statischen Betrieb Kein statischer Stromverbrauch Geringe Wärmeentwicklung auf Chip Ideal für Hochintegration
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Folie 22
Der Transistor als Schalter Bipolarer Transistor (npn Typ)
Schutz gegen statische Entladung Unbenutzte Eingänge eines Bauteiles nie offen lassen Offener Eingang nimmt Potential im verbotenen Bereich an -> Beide Transistoren dauernd offen -> hoher Querstrom belastet das Bauteil
Spannung eines Eingangs darf nicht wesentlich über Betriebsspannung liegen
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Folie 26
BiCMOS
Kombination von Feldeffekttransistoren und Bipolartransistoren Eingang und logische Verknüpfung in CMOS Ausgangsstufe Bipolar Anwendungen z.B. im Bereich von leistungselektronischen Schaltungsteilen
