His1 1 cmos
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G dl CMOS T h l iGrundlagen zur CMOS-Technologie
(Hochintegrierte Systeme I)
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Vorteile der CMOS Technik
• CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor
Wesentliche Pluspunkte:• Niedrige Leistungsaufnahme• Niedrige Leistungsaufnahme• Gute Skalierbarkeit Was bedeutet „Skalierbarkeit“ ???• Hohe Geschwindigkeitg• Hohe Packungsdichte
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Der MOS-Transistor
• Symbole:G G t D D i S SG = Gate, D = Drain, S = Source
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Kennlinienfeld I
• Ausgang
IDS
VDS
VGS
Vt = threshold voltage = Schwellenspannung
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Kennlinienfeld II
• Eingang
Id = IDS
V = V eines n Kanal TransistorsVtn = Vt eines n-Kanal Transistors
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Typen von MOS-Transistoren I
• N- und P-Kanal, Enhancement und Depletion◦ Enhancement = Anreicherungstyp, Depletion = Verarmungstyp
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Typen von MOS-Transistoren II
• Physikalischer Aufbau eines N-Kanal-Transistors
Kanal: Ladungsträger = Elektronen
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Typen von MOS-Transistoren III
• Physikalischer Aufbau eines P-Kanal Transistors
Kanal: Ladungsträger = Löcher
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Stromgleichungen
• n-Kanal Transistor◦ (β = Verstärkungsfaktor, Leitfähigkeitskonstante)◦ Linearer Bereich (Triodenbereich, 0 < UDS < UGS - UT):
( ) ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−⋅−⋅=
2
2DS
DSTGSDSUUUUI β ( ) ⎥
⎦⎢⎣ 2
◦ Sättigungsbereich ( 0 < UGS - UT < UDS ):
( )22 TGSDS UUI −⋅=β
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Geometrie des MOS-Transistors
Vom Designer beeinflussbare Größen:
LW⋅= 0ββ
L
0⋅
⋅=εμβ
K ligerLadungsträder eit Beweglichk
0 tox
=μ
β
ii ldi k
Kanal, im
0 2SiO
pn
⋅=
>
εεε
μμ
SiOorsGateisolat des Dicke 2
AW
tox =
)1060nm25 :(Beispiel 26
VA
LWtox
−=⇒= β
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Schaltereigenschaften I
Diagramm: Pass-Transistor mit Lastkapazität
US = VDD US = VSS
Uin = VSS Uout = VSS High-ZUS = VDD US = VSS
Uin = VSS High-Z Uout = VSS+ Utp
l it t L P l t Hi h P l hl ht“ l it t L P l hl ht Hi h P l t“
Uin = VDD Uout = VDD-Utn High-Z Uin = VDD High-Z Uout = VDD
⇒ „leitet Low-Pegel gut, High-Pegel schlecht“ ⇒ „leitet Low-Pegel schlecht, High-Pegel gut“
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Schaltereigenschaften II
• Merkregeln
Schaltereigenschaften von Enhancement-MOSFETsl ln-Kanal Typ p-Kanal Typ
leitet, falls Gatespannung hoch gegenüber Source
leitet, falls Gatespannung niedrig gegenüber Sourceg g g g
überträgt hohe Spannungspegel schlecht
niedrige Pegel gut
überträgthohe Spannungspegel gut
niedrige Pegel schlechtniedrige Pegel gut niedrige Pegel schlecht
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Der CMOS Inverter I
• Schaltereigenschaften
UIN n-Kanal
p-Kanal
UOUT
Vss sperrt leitet VddVdd leitet sperrt Vss
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Der CMOS Inverter II
• Schaltermodell
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Der CMOS Inverter III
• Übertragungsverhalten
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Physikalisches Layout I
• Elemente:◦ Komponenten:
Aktiv: MOS - TransistorPassiv: Widerstände Kapazitäten (parasitär)Passiv: Widerstände, Kapazitäten (parasitär)
◦ Verbindungsleitungen:g gPolysilizium, Aluminium (Metall, ggf. in mehreren Ebenen)
◦ Kontakte zwischen Ebenen
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Physikalisches Layout II
• Schaltbild, Layout, Prozess
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Physikalisches Layout III
• Schaltbild, Layout, Prozess
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Physikalisches Layout IV
• Varianten eines Inverters
Metal‐p+ Kontakt
M l
p‐Diffusion
MetalPolysilizium
Metal‐n+ K k
n‐Diffusion
Kontakt
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Symbolisches Layout
• Stickdiagramm
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Gatter I
• 2-fach NAND◦ Boolesche Funktion: 21 ininout ∧=
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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Gatter II
• 3-fach NOR◦ Boolesche Funktion: 321 inininout ∨∨=
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Gatter III
• Gemeinsame Eigenschaften:
◦ Aufbau aus komplementärer Parallel-/Reihenschaltung◦ Begrenzte Kaskadierung serieller Transistoren◦ Begrenzte Kaskadierung serieller Transistoren◦ Vorzugsweise NANDs benutzen◦ Pro booleschen Term ein Transistorpaarp◦ Keine statische Stromaufnahme
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Komplexgatter (AOI)
• Aufwandsreduzierung• Boolesche Funktion: )())(( 54321 inininininout ∧∨∧∨=
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Transmission Gates
tl t 1 t 2 K l K lcntl trm1 trm2 n-Kanal p-Kanal0 hochohmig hochohmig sperrt sperrt1 =trm2 =trm1 leitet leitet
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