SlideShare ist ein Scribd-Unternehmen logo
Grundlagen zur CMOS-Technologie
G   dl         CMOS T h l i

        (Hochintegrierte Systeme I)




                                      1
Vorteile der CMOS Technik

•   CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor

Wesentliche Pluspunkte:
• Niedrige Leistungsaufnahme
• Gute Skalierbarkeit   Was bedeutet „Skalierbarkeit“ ???
• Hohe Geschwindigkeit
                   g
• Hohe Packungsdichte




                                                            2
Der MOS-Transistor

•   Symbole:
    G = Gate, D = Drain, S = Source
        G t       D i        S




                                              3
Kennlinienfeld I

•   Ausgang




                                                    I
                                                        DS


                                                             V
                                                              DS


                                                  V
                                                   GS




     Vt = threshold voltage = Schwellenspannung
                                                                   4
Kennlinienfeld II

•   Eingang

                       Id = IDS
                       Vtn = Vt eines n Kanal Transistors
                                      n-Kanal




                                                            5
Typen von MOS-Transistoren I

•   N- und P-Kanal, Enhancement und Depletion
     ◦ Enhancement = Anreicherungstyp, Depletion = Verarmungstyp




                                                                   6
Typen von MOS-Transistoren II

•   Physikalischer Aufbau eines N-Kanal-Transistors




                                    Kanal:   Ladungsträger = Elektronen


                                                                          7
Typen von MOS-Transistoren III

•   Physikalischer Aufbau eines P-Kanal Transistors




                                Kanal:   Ladungsträger = Löcher


                                                                  8
Stromgleichungen

•   n-Kanal Transistor
     ◦ (β = Verstärkungsfaktor, Leitfähigkeitskonstante)
     ◦ Linearer Bereich (Triodenbereich, 0 < UDS < UGS - UT):


                                      ⎡                       U DS ⎤
                                                                2
                         I DS   = β ⋅ ⎢(U GS − U T ) ⋅ U DS −      ⎥
                                      ⎣                        2 ⎦

     ◦ Sättigungsbereich ( 0 < UGS - UT < UDS ):


                                  β
                         I DS =       ⋅ (U GS − U T )
                                                    2

                                  2

                                                                       9
Geometrie des MOS-Transistors

Vom Designer beeinflussbare Größen:

          W
 β = β0 ⋅
          L
         μ ⋅ε
β0 = ⋅
         tox
μ = Beweglichkeit der Ladungsträger
i K l μn > μ p
im Kanal,
ε = ε 0 ⋅ ε SiO 2


tox = Dicke d Gateisolators SiO 2
       i k des    i l        i


                                  W −6 A
(Beispiel : tox = 25nm ⇒ β = 60     10   2
                                           )
                                  L    V
                                                    10
Schaltereigenschaften I

Diagramm: Pass-Transistor mit Lastkapazität




              US = VDD            US = VSS                    US = VDD US = VSS
Uin = VSS     Uout = VSS          High-Z        Uin = VSS     High-Z        Uout = VSS+ Utp
Uin = VDD     Uout = VDD-Utn High-Z             Uin = VDD High-Z            Uout = VDD

⇒ „leitet Low-Pegel gut, High-Pegel schlecht“
   l it t L   P   l t Hi h P      l hl ht“      ⇒ „leitet Low-Pegel schlecht, High-Pegel gut“
                                                   l it t L   P   l hl ht Hi h P       l t“


                                                                                            11
Schaltereigenschaften II

•   Merkregeln


                 Schaltereigenschaften von Enhancement-MOSFETs
                    n-Kanal Typ
                            l                           p-Kanal Typ
                                                               l
         leitet, falls Gatespannung hoch   leitet, falls Gatespannung niedrig
                 g g
                 gegenüber Source                   g g
                                                    gegenüber Source
                   überträgt                           überträgt
         hohe Spannungspegel schlecht          hohe Spannungspegel gut
               niedrige Pegel gut               niedrige Pegel schlecht




                                                                                12
Der CMOS Inverter I

•   Schaltereigenschaften




                                            UIN    n-    p-       UOUT
                                                  Kanal Kanal
                                           Vss    sperrt leitet   Vdd
                                           Vdd    leitet sperrt   Vss




                                                                         13
Der CMOS Inverter II

•   Schaltermodell




                                            14
Der CMOS Inverter III

•   Übertragungsverhalten




                                                15
Physikalisches Layout I

•   Elemente:
     ◦ Komponenten:
          Aktiv: MOS - Transistor
          Passiv: Widerstände Kapazitäten (parasitär)
                  Widerstände,

    ◦ Verbindungsleitungen:
                g       g
         Polysilizium, Aluminium (Metall, ggf. in mehreren Ebenen)
    ◦ Kontakte zwischen Ebenen




                                                                     16
Physikalisches Layout II

•   Schaltbild, Layout, Prozess




                                                   17
Physikalisches Layout III

•   Schaltbild, Layout, Prozess




                                                   18
Physikalisches Layout IV

•   Varianten eines Inverters


        Metal‐p+ 
        Kontakt

       p‐Diffusion

                                   Metal
                                   M l
       Polysilizium




       n‐Diffusion
        Metal‐n+ 
        Kontakt
        K    k




                                                 19
Symbolisches Layout

•   Stickdiagramm




                                          20
Gatter I

•       2-fach NAND
         ◦ Boolesche Funktion:               out = in1 ∧ in 2



                 2fach NAND

in1       in2   out   Qn1 Qn2 Qp1 Qp2

    0     0     1     sperrt sperrt leitet   leitet

    0     1     1     sperrt leitet   leitet sperrt

    1     0     1     leitet sperrt sperrt leitet

    1     1     0     leitet   leitet sperrt sperrt




                                                                 21
Gatter II

•   3-fach NOR
     ◦ Boolesche Funktion:   out = in1 ∨ in 2 ∨ in3




                                                      22
Gatter III

•   Gemeinsame Eigenschaften:

    ◦   Aufbau aus komplementärer Parallel-/Reihenschaltung
    ◦   Begrenzte Kaskadierung serieller Transistoren
    ◦   Vorzugsweise NANDs benutzen
    ◦   Pro booleschen Term ein Transistorpaar
                                           p
    ◦   Keine statische Stromaufnahme




                                                              23
Komplexgatter (AOI)

•   Aufwandsreduzierung
•   Boolesche Funktion:     out = ((in1 ∨ in 2 ) ∧ in3 ) ∨ (in 4 ∧ in5 )




                                                                           24
Transmission Gates




cntl
  tl      trm1
          t 1       trm2
                    t 2      n-Kanal
                               K     l   p-Kanal
                                           K     l
 0     hochohmig hochohmig    sperrt      sperrt
 1       =trm2     =trm1      leitet      leitet




                                                     25

Weitere ähnliche Inhalte

Andere mochten auch

FLATS
FLATS FLATS
Proyecto desarrollo de competencias comunicativas en los docentes
Proyecto desarrollo de competencias comunicativas en los docentesProyecto desarrollo de competencias comunicativas en los docentes
Proyecto desarrollo de competencias comunicativas en los docentes
laura elena aragon hope
 
Virus y vacunas
Virus y vacunasVirus y vacunas
Virus y vacunas
jimenez_esperanza_
 
Müllabfuhr *Entwurf*
Müllabfuhr   *Entwurf*Müllabfuhr   *Entwurf*
Müllabfuhr *Entwurf*
Wolfgang Gross
 
Christina Beck: Wissenschaftskommunikation im Internet
Christina Beck: Wissenschaftskommunikation im InternetChristina Beck: Wissenschaftskommunikation im Internet
Christina Beck: Wissenschaftskommunikation im Internet
Stefanie Kollenberg, Raabe Verlag
 
MMT 27: Facebook von 0 auf 142.139 – vom Aufbau einer Fanpage bis zur strateg...
MMT 27: Facebook von 0 auf 142.139 – vom Aufbau einer Fanpage bis zur strateg...MMT 27: Facebook von 0 auf 142.139 – vom Aufbau einer Fanpage bis zur strateg...
MMT 27: Facebook von 0 auf 142.139 – vom Aufbau einer Fanpage bis zur strateg...
MMT - Multimediatreff
 
Frauen ueber40
Frauen ueber40Frauen ueber40
Frauen ueber40
Georg Montsch
 
Vorlesungsaufzeichnung
VorlesungsaufzeichnungVorlesungsaufzeichnung
Vorlesungsaufzeichnung
QIM_Mittweida
 
Präsentation denkmal2014 leipzig
Präsentation denkmal2014 leipzigPräsentation denkmal2014 leipzig
Präsentation denkmal2014 leipzig
Wolfgang Gross
 
Presentacion liderazgo
Presentacion liderazgoPresentacion liderazgo
Presentacion liderazgo
David Queche
 
Lernen in der Cloud - SAP Education Webinar
Lernen in der Cloud - SAP Education WebinarLernen in der Cloud - SAP Education Webinar
Lernen in der Cloud - SAP Education Webinar
Thomas Jenewein
 
28 04 comenzando a despertar www.gftaognosticaespiritual.org
28 04 comenzando a despertar  www.gftaognosticaespiritual.org28 04 comenzando a despertar  www.gftaognosticaespiritual.org
28 04 comenzando a despertar www.gftaognosticaespiritual.org
Gran Fratervidad Tao Gnostica Espiritual Org
 
MMT 27: Social Media für kreative Einzelkämpfer
MMT 27: Social Media für kreative EinzelkämpferMMT 27: Social Media für kreative Einzelkämpfer
MMT 27: Social Media für kreative Einzelkämpfer
MMT - Multimediatreff
 
28 11 el rayo del superhombre www.gftaognosticaespiritual.org
28 11 el rayo del superhombre www.gftaognosticaespiritual.org28 11 el rayo del superhombre www.gftaognosticaespiritual.org
28 11 el rayo del superhombre www.gftaognosticaespiritual.org
Gran Fratervidad Tao Gnostica Espiritual Org
 
Franz Drenk: So funktioniert Kundenmanagement
Franz Drenk: So funktioniert KundenmanagementFranz Drenk: So funktioniert Kundenmanagement
Franz Drenk: So funktioniert Kundenmanagement
Stefanie Kollenberg, Raabe Verlag
 
Hefte Helfen - Kinderkrebshilfe
Hefte Helfen - KinderkrebshilfeHefte Helfen - Kinderkrebshilfe
Hefte Helfen - Kinderkrebshilfe
HefteHelfen
 

Andere mochten auch (17)

FLATS
FLATS FLATS
FLATS
 
Proyecto desarrollo de competencias comunicativas en los docentes
Proyecto desarrollo de competencias comunicativas en los docentesProyecto desarrollo de competencias comunicativas en los docentes
Proyecto desarrollo de competencias comunicativas en los docentes
 
Virus y vacunas
Virus y vacunasVirus y vacunas
Virus y vacunas
 
Müllabfuhr *Entwurf*
Müllabfuhr   *Entwurf*Müllabfuhr   *Entwurf*
Müllabfuhr *Entwurf*
 
Christina Beck: Wissenschaftskommunikation im Internet
Christina Beck: Wissenschaftskommunikation im InternetChristina Beck: Wissenschaftskommunikation im Internet
Christina Beck: Wissenschaftskommunikation im Internet
 
MMT 27: Facebook von 0 auf 142.139 – vom Aufbau einer Fanpage bis zur strateg...
MMT 27: Facebook von 0 auf 142.139 – vom Aufbau einer Fanpage bis zur strateg...MMT 27: Facebook von 0 auf 142.139 – vom Aufbau einer Fanpage bis zur strateg...
MMT 27: Facebook von 0 auf 142.139 – vom Aufbau einer Fanpage bis zur strateg...
 
Frauen ueber40
Frauen ueber40Frauen ueber40
Frauen ueber40
 
Vorlesungsaufzeichnung
VorlesungsaufzeichnungVorlesungsaufzeichnung
Vorlesungsaufzeichnung
 
Präsentation denkmal2014 leipzig
Präsentation denkmal2014 leipzigPräsentation denkmal2014 leipzig
Präsentation denkmal2014 leipzig
 
Presentacion liderazgo
Presentacion liderazgoPresentacion liderazgo
Presentacion liderazgo
 
Lernen in der Cloud - SAP Education Webinar
Lernen in der Cloud - SAP Education WebinarLernen in der Cloud - SAP Education Webinar
Lernen in der Cloud - SAP Education Webinar
 
28 04 comenzando a despertar www.gftaognosticaespiritual.org
28 04 comenzando a despertar  www.gftaognosticaespiritual.org28 04 comenzando a despertar  www.gftaognosticaespiritual.org
28 04 comenzando a despertar www.gftaognosticaespiritual.org
 
MMT 27: Social Media für kreative Einzelkämpfer
MMT 27: Social Media für kreative EinzelkämpferMMT 27: Social Media für kreative Einzelkämpfer
MMT 27: Social Media für kreative Einzelkämpfer
 
28 11 el rayo del superhombre www.gftaognosticaespiritual.org
28 11 el rayo del superhombre www.gftaognosticaespiritual.org28 11 el rayo del superhombre www.gftaognosticaespiritual.org
28 11 el rayo del superhombre www.gftaognosticaespiritual.org
 
AUTOCAD DRAWINGS
AUTOCAD DRAWINGSAUTOCAD DRAWINGS
AUTOCAD DRAWINGS
 
Franz Drenk: So funktioniert Kundenmanagement
Franz Drenk: So funktioniert KundenmanagementFranz Drenk: So funktioniert Kundenmanagement
Franz Drenk: So funktioniert Kundenmanagement
 
Hefte Helfen - Kinderkrebshilfe
Hefte Helfen - KinderkrebshilfeHefte Helfen - Kinderkrebshilfe
Hefte Helfen - Kinderkrebshilfe
 

His1 1 cmos

  • 1. Grundlagen zur CMOS-Technologie G dl CMOS T h l i (Hochintegrierte Systeme I) 1
  • 2. Vorteile der CMOS Technik • CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor Wesentliche Pluspunkte: • Niedrige Leistungsaufnahme • Gute Skalierbarkeit Was bedeutet „Skalierbarkeit“ ??? • Hohe Geschwindigkeit g • Hohe Packungsdichte 2
  • 3. Der MOS-Transistor • Symbole: G = Gate, D = Drain, S = Source G t D i S 3
  • 4. Kennlinienfeld I • Ausgang I DS V DS V GS Vt = threshold voltage = Schwellenspannung 4
  • 5. Kennlinienfeld II • Eingang Id = IDS Vtn = Vt eines n Kanal Transistors n-Kanal 5
  • 6. Typen von MOS-Transistoren I • N- und P-Kanal, Enhancement und Depletion ◦ Enhancement = Anreicherungstyp, Depletion = Verarmungstyp 6
  • 7. Typen von MOS-Transistoren II • Physikalischer Aufbau eines N-Kanal-Transistors Kanal:   Ladungsträger = Elektronen 7
  • 8. Typen von MOS-Transistoren III • Physikalischer Aufbau eines P-Kanal Transistors Kanal:   Ladungsträger = Löcher 8
  • 9. Stromgleichungen • n-Kanal Transistor ◦ (β = Verstärkungsfaktor, Leitfähigkeitskonstante) ◦ Linearer Bereich (Triodenbereich, 0 < UDS < UGS - UT): ⎡ U DS ⎤ 2 I DS = β ⋅ ⎢(U GS − U T ) ⋅ U DS − ⎥ ⎣ 2 ⎦ ◦ Sättigungsbereich ( 0 < UGS - UT < UDS ): β I DS = ⋅ (U GS − U T ) 2 2 9
  • 10. Geometrie des MOS-Transistors Vom Designer beeinflussbare Größen: W β = β0 ⋅ L μ ⋅ε β0 = ⋅ tox μ = Beweglichkeit der Ladungsträger i K l μn > μ p im Kanal, ε = ε 0 ⋅ ε SiO 2 tox = Dicke d Gateisolators SiO 2 i k des i l i W −6 A (Beispiel : tox = 25nm ⇒ β = 60 10 2 ) L V 10
  • 11. Schaltereigenschaften I Diagramm: Pass-Transistor mit Lastkapazität US = VDD US = VSS US = VDD US = VSS Uin = VSS Uout = VSS High-Z Uin = VSS High-Z Uout = VSS+ Utp Uin = VDD Uout = VDD-Utn High-Z Uin = VDD High-Z Uout = VDD ⇒ „leitet Low-Pegel gut, High-Pegel schlecht“ l it t L P l t Hi h P l hl ht“ ⇒ „leitet Low-Pegel schlecht, High-Pegel gut“ l it t L P l hl ht Hi h P l t“ 11
  • 12. Schaltereigenschaften II • Merkregeln Schaltereigenschaften von Enhancement-MOSFETs n-Kanal Typ l p-Kanal Typ l leitet, falls Gatespannung hoch leitet, falls Gatespannung niedrig g g gegenüber Source g g gegenüber Source überträgt überträgt hohe Spannungspegel schlecht hohe Spannungspegel gut niedrige Pegel gut niedrige Pegel schlecht 12
  • 13. Der CMOS Inverter I • Schaltereigenschaften UIN n- p- UOUT Kanal Kanal Vss sperrt leitet Vdd Vdd leitet sperrt Vss 13
  • 14. Der CMOS Inverter II • Schaltermodell 14
  • 15. Der CMOS Inverter III • Übertragungsverhalten 15
  • 16. Physikalisches Layout I • Elemente: ◦ Komponenten: Aktiv: MOS - Transistor Passiv: Widerstände Kapazitäten (parasitär) Widerstände, ◦ Verbindungsleitungen: g g Polysilizium, Aluminium (Metall, ggf. in mehreren Ebenen) ◦ Kontakte zwischen Ebenen 16
  • 17. Physikalisches Layout II • Schaltbild, Layout, Prozess 17
  • 18. Physikalisches Layout III • Schaltbild, Layout, Prozess 18
  • 19. Physikalisches Layout IV • Varianten eines Inverters Metal‐p+  Kontakt p‐Diffusion Metal M l Polysilizium n‐Diffusion Metal‐n+  Kontakt K k 19
  • 20. Symbolisches Layout • Stickdiagramm 20
  • 21. Gatter I • 2-fach NAND ◦ Boolesche Funktion: out = in1 ∧ in 2 2fach NAND in1 in2 out Qn1 Qn2 Qp1 Qp2 0 0 1 sperrt sperrt leitet leitet 0 1 1 sperrt leitet leitet sperrt 1 0 1 leitet sperrt sperrt leitet 1 1 0 leitet leitet sperrt sperrt 21
  • 22. Gatter II • 3-fach NOR ◦ Boolesche Funktion: out = in1 ∨ in 2 ∨ in3 22
  • 23. Gatter III • Gemeinsame Eigenschaften: ◦ Aufbau aus komplementärer Parallel-/Reihenschaltung ◦ Begrenzte Kaskadierung serieller Transistoren ◦ Vorzugsweise NANDs benutzen ◦ Pro booleschen Term ein Transistorpaar p ◦ Keine statische Stromaufnahme 23
  • 24. Komplexgatter (AOI) • Aufwandsreduzierung • Boolesche Funktion: out = ((in1 ∨ in 2 ) ∧ in3 ) ∨ (in 4 ∧ in5 ) 24
  • 25. Transmission Gates cntl tl trm1 t 1 trm2 t 2 n-Kanal K l p-Kanal K l 0 hochohmig hochohmig sperrt sperrt 1 =trm2 =trm1 leitet leitet 25