Hey, welche Bauelemente können in der Mikroelelektronik eigentlich
integriert werden? Meistens wird ja der Herstellungsprozess von
Transistoren beschrieben, aber eine Schaltung besteht ja auch aus
Widerständen, Kondensatoren und Spulen. Ist es auch möglich diese 3
Grundbauelemente auf einem Wafer zu fertigen? Bei Widerständen und
Kondensatoren kann ich mir das in etwa ja noch vorstellen, aber
spätestens bei Induktivitäten wüsste ich nicht mehr, wie man diese
(praxisnah) monolithisch bauen kann.
Ist das überhaupt möglich? Wird es in der Praxis auch gemacht oder hilft
man sich dort mit anderen Tricks?
Grüße
Man versucht alles mit Transistoren zu erschlagen. Für die Induktivität
siehe z.B. https://de.wikipedia.org/wiki/Gyrator.
Selbst Widerstände werden gerne transistorisiert, das geht einfacher als
den Aufwand für eine richtig dimensionierte Widerstandsschicht zu
betreiben.
Axel G. schrieb:> Selbst Widerstände werden gerne transistorisiert, das geht einfacher als> den Aufwand für eine richtig dimensionierte Widerstandsschicht zu> betreiben.
Das hört sich interessant an, wie geht das denn ungefähr? Ein Transistor
zeigt ja eigentlich in keiner Weise ein Verhalten eines Widerstandes.
student01 schrieb:> Axel G. schrieb:>> Selbst Widerstände werden gerne transistorisiert, das geht einfacher als>> den Aufwand für eine richtig dimensionierte Widerstandsschicht zu>> betreiben.>> Das hört sich interessant an, wie geht das denn ungefähr? Ein Transistor> zeigt ja eigentlich in keiner Weise ein Verhalten eines Widerstandes.
Tja, Student00, dann solltest du vielleicht noch ein paar Vorlesungen
abwarten.
> Man versucht alles mit Transistoren zu erschlagen.
Sie versuchen, aber das geht nicht so gut, weil ein echter Kondensator
oder Resistor eben besser ist. Deswegen weden sie meistens noch
benötigt.
Ah, danke. Der Artikel von CircuitToday ist wirklich gut. Aber offenbar
werden Spulen tatsächlich nicht so gerne hergestellt:
>No satisfactory integrated inductors exist. If high Q inductors with inductance >of values larger than 5μH are required, they are usually supplied by a wound >inductor which is connected externally to the chip. Therefore, the use of >inductors is normally avoided when integrated circuits are used.
Die Idee mit dem Kondensator aus einer umgekehrtgepolten Diode stufe ich
aber irgendwie als schwierig ein. Die Sperrschichtkapazität ist ja
spannungsabhängig, ist bestimmt nicht leicht mit der beschränkung
Schaltungen zu bauen
Ist das niederohmige P-Substrat der Grund für die Leckströme, die in
Prozessoren auftreten können?
Warum benutzt man eigentlich gerade P-Substrate und nicht intrinsisches
Silizium (==>noch niedrigere Leitfähigkeit bei Raumtemperatur)?
Ein Leckstrom ist ein elektrischer Strom, der über einen Pfad fließt,
der nicht zur Leitung von Strom vorgesehen ist.
Leckströme werden mehr und mehr zum Problem, je kleiner die Strukturen
werden, in den Halbleiter gefertigt werden. Die Isolationsschichten sind
mittlerweile nur noch wenige Atomlagen (!) dick, wodurch sich leichter
Elektronen ihren Weg bahnen können.
student01 schrieb:> Das hört sich interessant an, wie geht das denn ungefähr? Ein Transistor> zeigt ja eigentlich in keiner Weise ein Verhalten eines Widerstandes.
Häufig werden Widerstände auch durch Konstantstromquellen ersetzt, die
dann aus 2 oder mehr Transistoren bestehen und nebenbei auch meist
schaltungstechnische Vorteile bringen. Ein Transistor lässt sich meist
sogar wesentlich platzsparender Integrieren als ein Widerstand.
Kondensatoren werden üblicherweise aus Metall-Isolator-Halbleiter (MIS)
oder Metall-Isolator-Metall (MIM) Schichtstapeln aufgebaut, das ist kein
zu großes Problem und man bekommt mit einigen Tricks sogar relativ hohe
Kapazitäten hoher Güte.
Spulen werden tatsächlich gemieden, sicherlich gibt es da auch Ausnahmen
aber im Allgemeinen ist das Erzeugen einer hohen Induktivität
platzintensiv.
Stefan U. schrieb:> Ich habe schon Mikroskop-Bilder von Chips gesehen, in denen Spulen,> Antennen und sogar Transformatoren untergebracht waren.
Auch in Controllern oder eher im Bereich MEMS?
student01 schrieb:> Warum benutzt man eigentlich gerade P-Substrate und nicht intrinsisches> Silizium
Gerade bei Prozessoren benutzt man sowas doch gar nicht mehr. Das ist
SOI Technologie (Silicon on Insulator) oder lieg ich da falsch?
Fpga K. schrieb:> Transistor ist ein Kunstwort aus TRANSfer resISTOR, also> "steuerbarer Widerstand".
So wie Condom - in Latein heißt das so wie "gemeinsame Kuppel",
also alles überspannend, umhüllend...
Kenner schrieb:> Ein Leckstrom ist ein
Fluss, der irgendwo anders hin fließt?
Bodo schrieb:> student01 schrieb:>> Das hört sich interessant an, wie geht das denn ungefähr? Ein Transistor>> zeigt ja eigentlich in keiner Weise ein Verhalten eines Widerstandes.>> Häufig werden Widerstände auch durch Konstantstromquellen ersetzt, die> dann aus 2 oder mehr Transistoren bestehen und nebenbei auch meist> schaltungstechnische Vorteile bringen.
Yep. Ebenfalls gern verwendet: Stromspiegel und Strombänke (ein
Strom-spiegel mit mehrere Ausgängen). Einfach mal ein paar Datenblätter
von Analog-IC anschauen (z.B. OPV) da sind oft Innenschaltungen
abgedruckt.
>> Warum benutzt man eigentlich gerade P-Substrate und nicht intrinsisches>> Silizium>> Gerade bei Prozessoren benutzt man sowas doch gar nicht mehr. Das ist> SOI Technologie (Silicon on Insulator) oder lieg ich da falsch?
Kommt drauf an. SOI ist deutlich teurer. Deswegen lohnt sich das nur bei
IC mit entsprechend hohen Preisen.
Bodo schrieb:> student01 schrieb:>> Das hört sich interessant an, wie geht das denn ungefähr? Ein Transistor>> zeigt ja eigentlich in keiner Weise ein Verhalten eines Widerstandes.>> Häufig werden Widerstände auch durch Konstantstromquellen ersetzt, die> dann aus 2 oder mehr Transistoren bestehen und nebenbei auch meist> schaltungstechnische Vorteile bringen. Ein Transistor lässt sich meist> sogar wesentlich platzsparender Integrieren als ein Widerstand.
Der Trick ist, das man nicht das Bauteil nachbauen muß um dessen
Funktion nachzubilden. Also wo man einen definierten Strom benötigt kann
man das durch ein Widerstandsnetzwerk erreichen oder durch eine
Konstantstromquelle.
Ebenso kann man eine galvanische Trennung durch einen Trafo wie auch
durch einen optokoppler erreichen. Letzteres ist gut integrierbar, der
Trafo nicht.
> Spulen werden tatsächlich gemieden, sicherlich gibt es da auch Ausnahmen> aber im Allgemeinen ist das Erzeugen einer hohen Induktivität> platzintensiv.
Oder gar unmöglich, deshalb realisiert Schaltregler auch als Minimodule:
Steuer-IC und Speicherspule in einem mikromodule verkappt.
MfG,
student01 schrieb:> Warum benutzt man eigentlich gerade P-Substrate und nicht intrinsisches> Silizium (==>noch niedrigere Leitfähigkeit bei Raumtemperatur)?
Ich habe heute nochmal darüber nachgedacht und eigentlich ist es total
einfach. Wenn man intrinsisches Silizium nehmen würde, dann würde es
keine isolierenden PN-Übergänge mehr an den Inseln der Bauelemente
geben.
Es ist zu beachten, dass es keinen perfekten Kristall gibt
(Entropieargument der Thermodynamik). In realen Kristallen beträgt die
intrinsische Störstellenkonzentration ca. 5·1013 cm−3, d. h. jedes
milliardste Atom gehört zu einem anderen Element; durch extrinsische
Störstellen (Dotierung) lässt sich die Ladungsträgerdichte und damit die
Leitfähigkeit weiter steigern.
Da der Ionisationsgrad der Störstellen von der Temperatur abhängt, nimmt
die Ladungsträgerdichte zunächst mit der Temperatur zu
(Störstellenreserve). Bei Raumtemperatur sind (bei Silizium)
normalerweise alle Störstellen ionisiert (Störstellenerschöpfung), und
die Ladungsträgerdichte hängt nicht mehr von der Temperatur, sondern von
der Dotierkonzentration ab; dieser Fall wird als extrinsisch bezeichnet.
Erhöht man die Temperatur weiter, verliert der Halbleiter seinen
Charakter als n-dotiert oder p-dotiert, da zunehmend mehr Ladungsträger
durch die intrinsische Ladungsträgergeneration generiert werden. Das
Halbleitermaterial wird wieder intrinsisch, weil die thermische Energie
nun ausreicht, Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband anzuregen. Bei
Silizium-Halbleiterbauelementen wird deshalb eine maximale
Betriebstemperatur von 125 °C angegeben.
