5. Tutorium Digitaltechnik und Entwurfsverfahren

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1 5. Tutorium Digitaltechnik und Entwurfsverfahren Tutorium Nr. 13 Alexis Tobias Bernhard Fakultät für Informatik, KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Programm für heute Dotierung MOSFET CMOS Alexis Tobias Bernhard Tutorium 13

3 Dotierung Einfügen von einigen wenigen Fremdatomen in ein Halbleitermaterial, um die Leiteigenschaften zu beeinflussen Halbleitermaterial in heutigen IC-Chips: Meistens Silizium (4 Valenzelektronen) 3

4 Dotierung Einfügen von einigen wenigen Fremdatomen in ein Halbleitermaterial, um die Leiteigenschaften zu beeinflussen n-dotierung: Atome mit mehr Valenzelektronen als das Halbleitermaterial Z.B. Verwendung von Phosphor (5 Valenzelektronen) Überschüssige Elektronen können wandern (n = negativ) 4

5 Dotierung Einfügen von einigen wenigen Fremdatomen in ein Halbleitermaterial, um die Leiteigenschaften zu beeinflussen p-dotierung: Atome mit weniger Valenzelektronen als das Halbleitermaterial (z.b. Bor) Elektronen-Lücken (Defektelektronen) können wandern Defektelektronen können in der Vorstellung und rechnerisch als positives (= p) Ladungsteilchen betrachtet werden 5

6 Feldeffekttransistoren Spannungsgesteuerter Transistor, d.h. kein (bzw. minimaler) Stromfluss zum Schalten erforderlich Funktionsweise: Die Spannung am Gate-Anschluss beeinflusst über ein elektrisches Feld die Leitfähigkeit des Kanals zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluss Verschiedene physikalische Bauarten, für uns interessant: MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Im folgenden immer Betrachtung von MOSFETs 6

7 Selbstsperrende n-kanal-mosfets Der Kanal wird mit negativen Ladungsträgern angereichert und wird leitend n-kanal, da die beweglichen Ladungsträger im Kanal die Elektroden sind 7

8 Selbstsperrende p-kanal-mosfets Der Kanal wird mit positiven Ladungsträgern angereichert, damit wird der Kanal leitend. Dann auch p-kanal genannt. 8

9 Selbstleitende n-kanal-mosfets Der Kanal wird durch feste positive Ladungsträger, die in die SiO 2 - Schicht eingebaut werden, leitend Diese positiven Ladungsträger ziehen negative Ladungsträger an die Oberfläche des Wafers und der Kanal wird leitend 9

10 Eigenschaften 10

11 Einführung in CMOS CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor n-mos-transistoren schalten 0 und p-mos-transistoren 1 besonders gut Idee: Man kombiniert n-mos- und p-mos-transistoren in einer Schaltung, wobei p-mos-transistoren f realisieren und n-mos Transistoren f 11

12 Aufbau von CMOS-Schaltungen Eine CMOS-Schaltung wird in p-netz und n-netz geteilt: p-netz: p-mos-transistoren Schaltet im Fall f = 1 die Versorgungsspannung (V dd ) auf den Ausgang Im Schaltbild oben eingezeichnet n-netz: n-mos-transistoren Schaltet im Fall f = 0 den Spannungspegel GND auf den Ausgang Im Schaltbild unten eingezeichnet p- und n-netz sind komplementär! (CMOS) Ein Schaltnetz reicht, um die realisierte Funktion abzulesen Reihenschaltung im p-netz entspricht Parallelschaltung im n-netz und umgekehrt 12

13 Vorteile von CMOS Solange kein Schaltvorgang stattfindet: Entweder das p-netz oder das n-netz sperrt Keine leitende Verbindung von V dd zu GND Kein Stromverbrauch (ausgenommen von abhängigen Leckströmen) Stromverbrauch entsteht beim Schalten der Transistoren Taktfrequenz ist (zusammen mit der Höhe der Versorgungsspannung) entscheidend für den Stromverbrauch der Schaltung Große Störsicherheit und große Toleranzen von V dd sind möglich Hat der Einsatz der CMOS-Technik auch Nachteile? (gegenüber reinen n-mos-/p-mos-schaltungen) 13

14 Nachteile von CMOS Beim Umschalten tritt kurzzeitig ein Zustand auf, in dem beide MOSFETs leiten. Dann fließt kurzzeitig ein relativ hoher Strom. Die Herstellung ist aufwendiger als bei Schaltungen mit nur einer Sorte von Transistoren. 14

15 Beispiel p-netz schaltet 1 durch n-netz schaltet 0 durch Nur p-netz oder n-netz schaltet, niemals beide 15

16 Beispiel p-netz schaltet 1 durch n-netz schaltet 0 durch Nur p-netz oder n-netz schaltet, niemals beide Schaltnetz verstehen Vin = 1 Vout =? Vin = 0 Vout =? Schaltnetz entwerfen NAND und NOR in CMOS! Herangehensweise? 16

17 Übungsaufgabe 1.1 Eine zweistellige Schaltfunktion y = f(b, a) wird durch das untere Schaltnetz in positiver Logik realisiert, d.h. V dd = 1 und GND = 0 Stellen Sie die Funktionstabelle auf. Welche Schaltfunktion wird durch y realisiert? Wie lautet die DMF von y? 17

18 Übungsaufgabe 1.2 Die Schaltfunktion z = g(b, a) = b a soll durch ein CMOS Schaltnetz realisiert werden. Annahmen: Die Schaltung enthält nur CMOS Inverter und CMOS-Gatter mit zwei Eingängen für die Schaltfunktion NOR Die Eingangsvariablen stehen lediglich bejaht zur Verfügung. Zeichnen Sie das Transistorschaltbild des resultierenden Schaltnetzes in der CMOS-Technologie. 18

19 Übungsaufgabe 1.3 Warum sind NAND-Schaltungen NOR-Schaltungen als Basiselemente in der CMOS-Technologie vorzuziehen? 19

20 Übungsaufgabe 2.1 Realisieren Sie die folgende Schaltfunktion y als CMOS Schaltnetz: y = ab cd efg 20

21 Übungsaufgabe 2.2 Welche Schaltfunktion wird durch dieses CMOS-Schaltnetz realisiert? 21

22 Noch Fragen? 22