DuE-Tutorien 17 und 18
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1 DuE-Tutorien 17 und 18 Tutorien zur Vorlesung Digitaltechnik und Entwurfsverfahren Christian A. Mandery TUTORIENWOCHE 5 AM KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
2 Heute Dotierung von Halbleitern MOSFET CMOS Übungsaufgaben Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 2/16
3 Dotierung Einfügen von einigen wenigen Fremdatomen in das Halbleitermaterial, um die Leiteigenschaften zu beeinflussen n-dotierung: Dotierung mit Elektronen-Donatoren Atome mit mehr Valenzelektronen als Halbleitermaterial Überschüssige Elektronen können wandern (n = negativ) p-dotierung: Dotierung mit Elektronen-Akzeptoren Atome mit weniger Valenzelektronen als Halbleitermaterial Elektronen-Lücken (Defektelektronen) können wandern Defektelektronen können in der Vorstellung und rechnerisch als positives (= p) Ladungsteilchen betrachtet werden Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 3/16
4 Dotierung Einfügen von einigen wenigen Fremdatomen in das Halbleitermaterial, um die Leiteigenschaften zu beeinflussen n-dotierung: Dotierung mit Elektronen-Donatoren Atome mit mehr Valenzelektronen als Halbleitermaterial Überschüssige Elektronen können wandern (n = negativ) p-dotierung: Dotierung mit Elektronen-Akzeptoren Atome mit weniger Valenzelektronen als Halbleitermaterial Elektronen-Lücken (Defektelektronen) können wandern Defektelektronen können in der Vorstellung und rechnerisch als positives (= p) Ladungsteilchen betrachtet werden Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 3/16
5 Dotierung Einfügen von einigen wenigen Fremdatomen in das Halbleitermaterial, um die Leiteigenschaften zu beeinflussen n-dotierung: Dotierung mit Elektronen-Donatoren Atome mit mehr Valenzelektronen als Halbleitermaterial Überschüssige Elektronen können wandern (n = negativ) p-dotierung: Dotierung mit Elektronen-Akzeptoren Atome mit weniger Valenzelektronen als Halbleitermaterial Elektronen-Lücken (Defektelektronen) können wandern Defektelektronen können in der Vorstellung und rechnerisch als positives (= p) Ladungsteilchen betrachtet werden Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 3/16
6 Dotierung Halbleitermaterial in heutigen IC-Chips: Meist Silizium Silizium besitzt 4 Valenzelektronen p-dotierung z.b. mit Bor (3 Valenzelektronen) n-dotierung z.b. mit Phosphor (5 Valenzelektronen) Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 4/16
7 Dotierung Halbleitermaterial in heutigen IC-Chips: Meist Silizium Silizium besitzt 4 Valenzelektronen p-dotierung z.b. mit Bor (3 Valenzelektronen) n-dotierung z.b. mit Phosphor (5 Valenzelektronen) Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 4/16
8 Feldeffekttransistoren Spannungsgesteuerter Transistor, d.h. kein (bzw. minimaler) Stromfluss zum Schalten erforderlich Funktionsweise: Die Spannung am Gate-Anschluss beeinflusst über eine 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) MOSFETs als Grundlage von CMOS-Schaltungen Im folgenden immer Betrachtung von MOSFETs Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 5/16
9 Feldeffekttransistoren Spannungsgesteuerter Transistor, d.h. kein (bzw. minimaler) Stromfluss zum Schalten erforderlich Funktionsweise: Die Spannung am Gate-Anschluss beeinflusst über eine 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) MOSFETs als Grundlage von CMOS-Schaltungen Im folgenden immer Betrachtung von MOSFETs Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 5/16
10 Feldeffekttransistoren Spannungsgesteuerter Transistor, d.h. kein (bzw. minimaler) Stromfluss zum Schalten erforderlich Funktionsweise: Die Spannung am Gate-Anschluss beeinflusst über eine 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) MOSFETs als Grundlage von CMOS-Schaltungen Im folgenden immer Betrachtung von MOSFETs Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 5/16
11 Feldeffekttransistoren Spannungsgesteuerter Transistor, d.h. kein (bzw. minimaler) Stromfluss zum Schalten erforderlich Funktionsweise: Die Spannung am Gate-Anschluss beeinflusst über eine 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) MOSFETs als Grundlage von CMOS-Schaltungen Im folgenden immer Betrachtung von MOSFETs Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 5/16
12 n-kanal-mosfet (NMOS-Transistor) Gate ist nicht leitend verbunden (Siliziumdioxid ist Isolator) Bei Spannung am Gate zieht elektrisches Feld Elektronen in den Kanal-Bereich: Verbindung zwischen Source und Drain geschlossen Quelle Bild: (Schema).svg Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 6/16
13 Eigenschaften Schaltsymbole: Symmetrie: Source und Drain sind (in der Theorie) gleichwertig Transistor kann selbstsperrend oder selbstleitend aufgebaut werden Diskussion: Warum verwendet man in der Regel selbstsperrend? Kanal kann n- oder p-dotiert sein: Bestimmt Schaltverhalten bei anliegender Gate-Spannung (NMOS/PMOS) Nicht verwechseln mit selbstsperrend/selbstleitend! Quelle Schaltsymbole: Symbole.svg Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 7/16
14 Eigenschaften Schaltsymbole: Symmetrie: Source und Drain sind (in der Theorie) gleichwertig Transistor kann selbstsperrend oder selbstleitend aufgebaut werden Diskussion: Warum verwendet man in der Regel selbstsperrend? Kanal kann n- oder p-dotiert sein: Bestimmt Schaltverhalten bei anliegender Gate-Spannung (NMOS/PMOS) Nicht verwechseln mit selbstsperrend/selbstleitend! Quelle Schaltsymbole: Symbole.svg Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 7/16
15 Eigenschaften Schaltsymbole: Symmetrie: Source und Drain sind (in der Theorie) gleichwertig Transistor kann selbstsperrend oder selbstleitend aufgebaut werden Diskussion: Warum verwendet man in der Regel selbstsperrend? Kanal kann n- oder p-dotiert sein: Bestimmt Schaltverhalten bei anliegender Gate-Spannung (NMOS/PMOS) Nicht verwechseln mit selbstsperrend/selbstleitend! Quelle Schaltsymbole: Symbole.svg Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 7/16
16 Eigenschaften Schaltsymbole: Symmetrie: Source und Drain sind (in der Theorie) gleichwertig Transistor kann selbstsperrend oder selbstleitend aufgebaut werden Diskussion: Warum verwendet man in der Regel selbstsperrend? Kanal kann n- oder p-dotiert sein: Bestimmt Schaltverhalten bei anliegender Gate-Spannung (NMOS/PMOS) Nicht verwechseln mit selbstsperrend/selbstleitend! Quelle Schaltsymbole: Symbole.svg Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 7/16
17 Einführung in CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor NMOS-Transistoren schalten Null und PMOS-Transistoren Eins besonders gut Idee: Man kombiniert NMOS- und PMOS-Transistoren in einer Schaltung, wobei PMOS-Transistoren f realisieren und NMOS-Transistoren f Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 8/16
18 Einführung in CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor NMOS-Transistoren schalten Null und PMOS-Transistoren Eins besonders gut Idee: Man kombiniert NMOS- und PMOS-Transistoren in einer Schaltung, wobei PMOS-Transistoren f realisieren und NMOS-Transistoren f Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 8/16
19 Einführung in CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor NMOS-Transistoren schalten Null und PMOS-Transistoren Eins besonders gut Idee: Man kombiniert NMOS- und PMOS-Transistoren in einer Schaltung, wobei PMOS-Transistoren f realisieren und NMOS-Transistoren f Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 8/16
20 Aufbau von CMOS-Schaltungen CMOS-Schaltung wird in p-netz und n-netz geteilt: p-netz: PMOS-Transistoren Schaltet im Fall f = 1 die Versorgungsspannung (V dd) auf den Ausgang Im Schaltbild oben eingezeichnet n-netz: NMOS-Transistoren Schaltet im Fall f = 0 die Masse (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 Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 9/16
21 Aufbau von CMOS-Schaltungen CMOS-Schaltung wird in p-netz und n-netz geteilt: p-netz: PMOS-Transistoren Schaltet im Fall f = 1 die Versorgungsspannung (V dd) auf den Ausgang Im Schaltbild oben eingezeichnet n-netz: NMOS-Transistoren Schaltet im Fall f = 0 die Masse (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 Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 9/16
22 Diskussion 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 der Integrationsdichte abhängige Leckströme) Stromverbrauch entsteht beim Schalten der Transistoren Taktfrequenz ist (zusammen mit Höhe der Versorgungsspannung) entscheidend für Stromverbrauch der Schaltung Diskussion: Hat der Einsatz der CMOS-Technik auch Nachteile? (gegenüber reinen NMOS-/PMOS-Schaltungen) Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 10/16
23 Diskussion 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 der Integrationsdichte abhängige Leckströme) Stromverbrauch entsteht beim Schalten der Transistoren Taktfrequenz ist (zusammen mit Höhe der Versorgungsspannung) entscheidend für Stromverbrauch der Schaltung Diskussion: Hat der Einsatz der CMOS-Technik auch Nachteile? (gegenüber reinen NMOS-/PMOS-Schaltungen) Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 10/16
24 Diskussion 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 der Integrationsdichte abhängige Leckströme) Stromverbrauch entsteht beim Schalten der Transistoren Taktfrequenz ist (zusammen mit Höhe der Versorgungsspannung) entscheidend für Stromverbrauch der Schaltung Diskussion: Hat der Einsatz der CMOS-Technik auch Nachteile? (gegenüber reinen NMOS-/PMOS-Schaltungen) Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 10/16
25 Diskussion 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 der Integrationsdichte abhängige Leckströme) Stromverbrauch entsteht beim Schalten der Transistoren Taktfrequenz ist (zusammen mit Höhe der Versorgungsspannung) entscheidend für Stromverbrauch der Schaltung Diskussion: Hat der Einsatz der CMOS-Technik auch Nachteile? (gegenüber reinen NMOS-/PMOS-Schaltungen) Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 10/16
26 Diskussion 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 der Integrationsdichte abhängige Leckströme) Stromverbrauch entsteht beim Schalten der Transistoren Taktfrequenz ist (zusammen mit Höhe der Versorgungsspannung) entscheidend für Stromverbrauch der Schaltung Diskussion: Hat der Einsatz der CMOS-Technik auch Nachteile? (gegenüber reinen NMOS-/PMOS-Schaltungen) Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 10/16
27 Übungsaufgabe 1.1 Eine zweistellige Schaltfunktion y = f (b, a) wird durch dieses Schaltnetz in positiver Logik realisiert, d.h. der Spannungspegel V dd wird als der Wert 1 und der Spannungspegel GND als der Wert 0 definiert. Stellen Sie die Funktionstabelle auf. Welche Schaltfunktion wird durch y realisiert? Wie lautet die disjunktive Minimalform der Funktion y? Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 11/16
28 Übungsaufgabe 1.2 Die Schaltfunktion z = g(b, a) = a b soll durch ein CMOS-Schaltnetz realisiert werden. Nehmen Sie an, dass nur CMOS-Inverter und CMOS-Gatter mit zwei Eingängen für die Schaltfunktion NOR zur Verfügung stehen. Die Eingangsvariablen stehen lediglich bejaht zur Verfügung. Zeichnen Sie das Transistorschaltbild des resultierenden Schaltnetzes in der CMOS-Technologie. Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 12/16
29 Übungsaufgabe 1.3 Warum sind NAND-Schaltungen NOR-Schaltungen als Basiselemente in der CMOS-Technologie vorzuziehen? Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 13/16
30 Übungsaufgabe 2.1 Realisieren Sie die folgende Schaltfunktion y als CMOS-Schaltnetz: y = ab cd efg Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 14/16
31 Übungsaufgabe 2.2 Welche Schaltfunktion wird durch das CMOS-Schaltnetz realisiert, dessen n-mos-netz hier dargestellt ist? Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 15/16
32 Fertig! Quelle: Christian A. Mandery DuE-Tutorien 17 und 18 16/16
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