Kapitel 2 u. 3

Question 1

Wodurch unterscheiden sich Halbleiter von Metallen bzw. Isolatoren?

Answer 1

Halbleiter sind elektronische Materialien.

Ihre el. Leitfähigkeit kann durch geeignete Präparation bzw. äußere Einflüsse empfindlich und über viele Größenordnungen beeinflusst werden:

• (chemische) Dotierung
• Injektion durch Kontakte
• Feldeffekte
• Photogeneration

Question 2

Durch welche Effekte kann die Ladungsträgerdichte in Halbleitern beeinflusst werden?

Answer 2

• (chemische) Dotierung
• Injektion durch Kontakte
• Feldeffekte
• Photogeneration

Question 3

Skizzieren Sie die Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerdichte in Silizium in einem Arrhenius-Diagramm:

a) in intrinsischem Silizium
b) in dotiertem Silizium
c) Markieren Sie den Temperaturbereich, in dem Silizium-Elektronik u. Siliziumsensoren eingesetzt werden können.

Answer 3

Elektronendichte in /cm^3, T(K)

500-150K Plateau 10^15
-> SATURATION RANGE ~ Arveitsbereich?
Links: schräg auf 10^17 bis 800 -> EIGENLEITUNG
Rechts: schräg unter 10^14 bei 50K -> FREEZE OUT RANGE

Question 4

• Nennen Sie die drei wichtigsten Arten von elektronischen Silizium-Bauelementen.
• Beschreiben Sie Aufbau und Funktionsweise eines dieser Bauelemente genauer.

Answer 4

pn-Dioden

bipolare-Transistoren (npn)

MOSFET

N-Kanal MOSFET:

Die Ansteuerung eines MOSFETs erfolgt über eine Steuerspannung (Gate-Source-Spannung) bzw. Steuerpotential (Gate-Potential), mit ihr kann der Stromfluss von Drain nach Source beeinflusst werden.

Question 5

Was versteht man unter CMOS-Skalierung?

Answer 5

Konstant-Feld Skalierung
Simultan:
- Reduktion der horizontalen und vertikalen Dimensionen
- Reduktion der BauelementSpannungen
- Erhöhung aller Dotierkonzentrationen

-> komplexere Schaltkreise mit schnelleren Bauelementen bei unverändertem Chip-Leistungsverbrauch

Question 6

Wie verändern sich die Leistungsparameter von CMOS-Transistoren bei Miniaturisierung?

Answer 6

Miniaturisierung führt zu:
schnelleren MOS Schaltern
mit niedrigerem Leistungsverbrauch pro Bauelement

• > komplexere Schaltungen
• > bei gleicher Leistungsaufnahme
• > bei gleichem Preis!

Question 7

Durch welche Effekte wird die weitere Miniaturisierung von CMOS-Schaltungen prinzipiell erschwert?

Answer 7

• > Überhitzungsgrenze
• > Rauschgrenze

El. Leistungsdissipation pro Chipfläche nimmt mit abnehmender Gatelänge L zu!
Oberflächentemperatur steigt!
Si-Elektronik versagt bei T>125 Grad Celsius

Rauschspannung nimmt mit abnehmender Gatelänge L zu!
Signal-Rauschabstand nimmt mit angenehmer Gatelänge L ab!

FAZIT:

• > maximal verfügbare Rechenleistung ist durch die max verf. Kühlleistung limitiert.
• > ist noch relativ weit von dem fundamentalen Rauschlimit entfernt..

Question 8

Was versteht man unter computational lithography?

Answer 8

Verformung der Ausgangsmaske bis das Beugungsbild dem gewünschten Layout entspricht.
(Anpassen des Designs an Machbarkeit der Lithographie)

Question 9

Einkristallines Silizium ist ein vielseitig verwendbares Sensormaterial.

a) Nennen Sie die fünf wichtigsten Sensorsignaldomänen.
b) Nennen Sie für jede dieser Domänen einen Wandlungseffekt, der durch das Sensormaterial Silizium unterstützt wird.
c) Betrachten Sie eine dieser Domänen genauer und beschreiben Sie wie mit Hilfe eines elektronischen Siliziumbauelements die nicht-elektrische Eingangsgröße in ein elektrisches Ausgangssignal umgesetzt werden kann.

Answer 9

• Thermisch (pn-Diode)
• Mechanisch (Piezo n oder p)
• Magnetisch (Magnetotransistor)
• Elektromagnetische Strahlung (PIN - Photodiode)
• Chemisch (ChemFET)

Temperaturmessung:
Treibt man einen Konstantstrom durch eine pn-Diode, so ist der entstehende Spannungsabfall direkt proportional zu der absoluten Temperarur. ~ Widerstand ändert sich mit der Temp