Electronics I. (In German)

A tárgy első féléve az aktív elemek (tranzisztorok) felépítésével, működésével, elektromos jellemzőivel, valamint a félvezetős mikroelektronika jellegzetes alkatrészeivel, alapáramköreivel, tervezési módszereivel foglalkozik.

Félvezető anyagok: többségi és kisebbségi hordozók, diffúziós és sodródási áram, folytonossági egyenlet. (Erősen támaszkodva a Fizika 3. félévére.)

A félvezető pn átmenet. Kivitel. Potenciálgát, kiürített réteg. Az ideális dióda egyenlet. A valóságos karakterisztika. A differenciális ellenállás, a tértöltési és a diffúziós kapacitás. Kapcsoló működés. A gyakorlati kivitel. Zener, Schottky és varicap dióda. Munkapontszerkesztés, példák a diódák alkalmazására.

A bipoláris tranzisztorok. A planáris tranzisztor felépítése. A tranzisztorhatás és a működési tartományok. A Ebers-Moll helyettesítőkép egyenletek. A gyakorlati karakterisztikák. Nagyfrekvenciás tulajdonságok, határfrekvenciák. Kisjelű fizikai valamint négypólus helyettesítő képek, valamint ezek elemeinek meghatározása. A kapcsolóüzemű működés.

A tirisztor felépítése, működési elve, karakterisztikája, jellemző paraméterei. Bebillenés feltétele, feszültség és áramváltozás sebességének korlátai, katódrövidzár szerepe.

A MOS dióda. Akkumuláció, kiürítés, inverzió. A küszöbfeszültség. A MOSFET felépítése, kivitelezése. Működési elv, karakterisztikák. Növekményes és kiürítéses működés. Az egyszerű négyzetes karakterisztika egyenlet. Csatornarövidülés, szubsztrát hatás. Szubmikronos MOS tranzisztorok. Kapacitások, dinamikus tulajdonságok. A JFET felépítése, működési elve, karakterisztikái.

Az IC technológia fő vonásai. Szelet, chip, maszkok, csíkszélesség, illesztés. Szerelés, tokozás. A mélységi struktúra kialakítása. Oxidálás, epitaxia, diffúzió, ion-implantáció. A felületi struktúra kialakítása: litográfia, maszkolás.Vákuumpárologtatás, fémösszeköttetések létrehozása.

Passzív és aktív alkatrészek megvalósítása IC-kben. Ellenállások és kondenzátorok megvalósítása. Nemlinearitás, frekvenciafüggés, parazita hatások. Összekötő vezetékek az IC-ben: az ellenállás és a szórt kapacitás nagyságrendje, impulzusátvitel, késleltetés. A MOS és a bipoláris tranzisztorok jellegzetes kivitele. A szigetelés problémái.

Analóg alapkapcsolások alapfogalmai. Közös (földelt) emitteres, közös bázisú, közös kollektoros, közös source, közös drain kapcsolás. Munkapontbeállítás, munkapont stabilitás. A kisjelű működés. Erősítés, bemeneti és kimeneti ellenállás. Két-tranzisztoros kapcsolások (Darlington, kaszkód kapcsolás, bipoláris és MOS differenciálerősítő, áramtükör). Egyszerű OTA áramkör.

Digitális alapáramkörök. Jellemző paraméterek: szintek, zavarvédettség, terjedési idő, stb. A transzfer karakterisztika és a komparálási feszültség fogalma. A fontosabb logikai áramkörcsaládok (CMOS, nMOS, TTL) bevezetése. Az alapkapuk felépítése, tulajdonságai. Az áramkörcsaládok összehasonlítása.

A passzív terhelésű nMOS inverterek. A W/L arányok jelentősége. A transzfer karakterisztika. Layout-rajz. A CMOS inverter áramkör kapcsolása, felépítése. Transzfer karakterisztika, egymásba-vezetés. A dinamikus fogyasztás okai, számítása. A TTL kapu felépítése, működése.

Logikai kapuk kialakítása passzív terheléssel (nMOS). Logikai kapuk CMOS kivitelben. Méretezési szabályok. A komplex kapuk és előnyeik. Inverter kapcsolási időinek számítása kapacitív terhelésnél. Terjedési idő nagyságrendek. A ring oszcillátor mint mérőáramkör. A power-delay szorzat.

Vonal- és busz-meghajtó áramkörök n-MOS és CMOS kivitelben. Megoldások a háromállapotú kimenet biztosítására. A transzfer gate működése, alkalmazása nMOS és CMOS áramkörben.

Órajellel vezérelt CMOS, pszeudo nMOS. Dinamikus CMOS áramkörök, az előtöltési elv. Tárolók megvalósítása sztatikus, transzfer gate-es és dinamikus kivitelben. Áramköri példák.

Memóriák: a memória-chip tipikus felépítése. ROM memóriák. Maszkkal programozott, MOS tranzisztoros ROM felépítése, működése, layout-ja. Bipoláris beégetett PROM. EPROM és EEPROM memóriák. Sztatikus MOS RAM memória cellája, író-olvasó áramköre. Dinamikus MOS RAM memóriák: az egytranzisztoros cella felépítése, működése. A töltésmegosztás problémája a cella és a bitvonal között. A frissítés szükséges gyakorisága.

Az IC-k számítógépes tervezése. Tervezési módszerek, hierarchikus tervezés. Viselkedési, logikai és áramköri szimuláció. Layout tervezés. Automatizált tervezés: silicon compiler. Maszk ellenőrzés (szabály ellenőrzés, visszafejtés).

A berendezés-orientált (ASIC) áramkörök. Az irányzat kialakulásának okai, feltételei. A jellegzetes típusok. Elem-mátrix és kapu-mátrix áramkörök felépítése. A standard cellás felépítés. Követelmények a cellakönyvtárral szemben. A programozható logikai eszközök (PLA, PLD, stb.) .

Az integrált áramkörök tesztelési kérdései. Sztatikus, funkcionális és dinamikus mérés. A teszt szekvencia generálás problémája. Tesztelhetőre tervezés, scan design, beépített önteszt.

Elektronikus áramkörök termikus problémái. Az IC alkatrészek terhelhetősége. Disszipáció, hőelvezetés, hűtés. Termikus csatolások az IC-kben.

Kitekintés: GaAs MeSFET áramkörök, optikai-elektromos IC-k, mikromechanika, integrált mikrorendszerek.