TU BRAUNSCHWEIG
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Vorlesung (2V/2Ü)

Für Studenten ab dem 6. Semester der Diplomstudiengänge Elektrotechnik, Wirtschaftsingenieurwesen/Elektrotechnik, Informations-Systemtechnik
Für Studenten der Masterstudiengänge Elektrotechnik, Wirtschaftsingenieurwesen/Elektrotechnik, Informations-Systemtechnik

Ort: Seminarraum des Instituts für Elektronische Bauelemente und Schaltungstechnik (BST)

Zeit: Nach Vereinbarung

Vortragender: Prof. Meinerzhagen und Mitarbeiter des BST

Anmeldung: Sekretariat des BST
(Es stehen nur 9 Plätze zur Verfügung. Es wird daher dazu geraten, sich rechtzeitig anzumelden)

Motivation

Das wichtigste Werkzeug beim Design von analogen Schaltungen ist die numerische Schaltkreissimulation. Die Genauigkeit der Schaltkreissimulation hängt sehr stark von der Genauigkeit der in der Schaltkreissimulation verwendeten kompakten analytischen Bauelementmodelle ab. Kritisch sind dabei insbesondere die analytischen Modelle für die in der Schaltung verwendeten Transistoren. Diese analytischen Modelle werden heute vorwiegend auf der Basis der numerischen Bauelementsimulation entwickelt, da die numerischen Bauelementmodelle in der Lage sind, das Verhalten eines Bauelementes bei vorgegebener Bauelementstruktur vorherzusagen. Analytische Modelle sind im Gegensatz dazu bei moderneren Technologien nicht vorhersagefähig, sondern benötigen zum Erreichen der geforderten Genauigkeit eine Vielzahl von empirischen Anpassparametern, die sich nicht direkt aus der Bauelementstruktur ableiten lassen.

Fazit: Nur mit Hilfe der numerischen Bauelementsimulation ist es heute möglich, die physikalische Bauelementstruktur mit dem elektrischen Schaltkreisverhalten eines integrierten Bauelementes in zuverlässiger Weise zu verbinden, ohne das Bauelement selbst herzustellen und zu vermessen. Daher ist die numerische Bauelementsimulation sowohl für das Design als auch das Verständnis moderner integrierter Bauelemente extrem wichtig.

Ziele der Vorlesung

Erstes Ziel der Vorlesung ist es, eine Einführung in die Technik der numerischen Bauelementsimulation und deren Anwendung zur Unterstützung der numerischen Schaltkreissimulation (SPICE) zu geben. Dies betrifft sowohl die praktische Anwendung als auch die physikalischen und numerische Grundlagen der numerischen Bauelementsimulation. Das zweite Ziel der Vorlesung ist es, wichtige analytische Bauelementmodelle der Schaltkreissimulation (z.B. SPICE DIODE MODEL und MOSFET MODELS) mit Hilfe der numerischen Bauelementsimulation herzuleiten und bezüglich ihrer Genauigkeit zu beurteilen.

Durchführung

Die Vorlesung und die dazugehörige Übung entwickeln sich entlang wichtiger Anwendungsbeispiele. Dabei wird in der Vorlesung zunächst der notwendige theoretische Hintergrund bereitgestellt. Die zugehörige Übung ist eine Kleingruppenübung, bei der die Studenten die zur Behandlung des Anwendungsbeispiels notwendigen Simulationen nach entsprechender Anleitung selbst durchführen und auswerten. Im folgenden sind die Themen der Anwendungsbeispiele kurz aufgelistet:

Kapazitive Kopplung von Leiterbahnen auf Integrierten Schaltungen
- Kapazitätsmatrizen, Laplacegleichung, Diskretisierung der Laplaceoperators, Randbedingungen, Numerische Lösung, analytische Näherungen

Eindimensionale Diode
- im Gleichgewicht
Dotierungsprofile, Fermipotential, Boltzmann-Statistik, Nichtlineare Poissongleichung, Newtonsches Verfahren, Randbedingungen des Makropotentials und der Majoritätsträgers an ohmschen Kontakten, Verarmungsnäherung, Austrittsarbeitsdifferenz, Analytische Modellierung der Raumladungszonen
- im Fluss- und Sperrspannungsfall
Drift-Diffusions-Modell, Einstein-Relation, Quasifermipotentiale, Gummel-Relaxation, Abschätzung des Diskretisierungsfehlers, Raumladungszonen, Ladungsspeicherung, SRH-Generation und deren Einfluss auf die Diodenkennlinie, spannungsabhängige quasistatische Kleinsignalkapazität, analytisches Kompaktmodell des DC-Diodenstroms im Schaltkreissimulator SPICE, AC-Analyse der numerischen Bauelementsimulation, Quasistatisches Transientes Großsignalmodell der Diode in SPICE

CMOS-Transistor
- Beschreibung der verschiedenen Betriebszustände: (Akkumulation, Inversion, Verarmung), Gatesteuerung, Substratsteuerung, Einsatzspannung, numerische Verarmungsnäherung, Gradual Channel Approximation, Analytische Lösung der eindimensionalen Poissongleichung, Analytische Beschreibung der Einsatzspannung und der Inversions- und Substratladung in SPICE, CV-Kennlinien, Level 1 DC MOS Modell in SPICE, AC-Analyse, Y-Parameter, quasistatischer Grosssignalmodellansatz in SPICE, vereinfachtes Kleinsignalersatzschaltbild mit reziproken Kapazitäten für Handrechnungen




aktualisiert: 29.10.2010

Verantwortlich: Michael Hinz
Feedback an: m.hinz@tu-braunschweig.de