Das Dokument behandelt die Grundlagen der CMOS-Technologie, einschließlich der Vorteile wie niedrige Leistungsaufnahme, hohe Geschwindigkeit und Skalierbarkeit. Es erklärt die Funktionsweise von MOS-Transistoren, die verschiedenen Typen (n- und p-Kanal), ihre Stromgleichungen sowie die Schaltereigenschaften und das Layout von CMOS-Invertern. Zudem werden komplexe Gatterstrukturen und deren Eigenschaften sowie die Bedeutung von Designüberlegungen erläutert.

1. Grundlagen zur CMOS-Technologie
G dl CMOS T h l i
(Hochintegrierte Systeme I)
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2. Vorteile der CMOS Technik
• CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor
Wesentliche Pluspunkte:
• Niedrige Leistungsaufnahme
• Gute Skalierbarkeit Was bedeutet „Skalierbarkeit“ ???
• Hohe Geschwindigkeit
g
• Hohe Packungsdichte
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3. Der MOS-Transistor
• Symbole:
G = Gate, D = Drain, S = Source
G t D i S
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4. Kennlinienfeld I
• Ausgang
I
DS
V
DS
V
GS
Vt = threshold voltage = Schwellenspannung
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5. Kennlinienfeld II
• Eingang
Id = IDS
Vtn = Vt eines n Kanal Transistors
n-Kanal
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6. Typen von MOS-Transistoren I
• N- und P-Kanal, Enhancement und Depletion
◦ Enhancement = Anreicherungstyp, Depletion = Verarmungstyp
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7. Typen von MOS-Transistoren II
• Physikalischer Aufbau eines N-Kanal-Transistors
Kanal: Ladungsträger = Elektronen
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8. Typen von MOS-Transistoren III
• Physikalischer Aufbau eines P-Kanal Transistors
Kanal: Ladungsträger = Löcher
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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
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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
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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“
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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
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13. Der CMOS Inverter I
• Schaltereigenschaften
UIN n- p- UOUT
Kanal Kanal
Vss sperrt leitet Vdd
Vdd leitet sperrt Vss
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14. Der CMOS Inverter II
• Schaltermodell
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15. Der CMOS Inverter III
• Übertragungsverhalten
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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
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17. Physikalisches Layout II
• Schaltbild, Layout, Prozess
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18. Physikalisches Layout III
• Schaltbild, Layout, Prozess
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19. Physikalisches Layout IV
• Varianten eines Inverters
Metal‐p+
Kontakt
p‐Diffusion
Metal
M l
Polysilizium
n‐Diffusion
Metal‐n+
Kontakt
K k
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20. Symbolisches Layout
• Stickdiagramm
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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
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22. Gatter II
• 3-fach NOR
◦ Boolesche Funktion: out = in1 ∨ in 2 ∨ in3
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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
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24. Komplexgatter (AOI)
• Aufwandsreduzierung
• Boolesche Funktion: out = ((in1 ∨ in 2 ) ∧ in3 ) ∨ (in 4 ∧ in5 )
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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
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