INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Transistor som bryter CMOS står for Complementary Metal On Semiconductor. I CMOS teknologi er det to komplementære transistorer, pMOS og nMOS. Logisk 0 = gnd (VSS) Logisk 1 = VDD s = source g = gate d = drain AV PÅ PÅ AV Source terminal for en pMOS transistor har høyere spenning enn drain terminal. MOS transistorer er bidireksjonale, dvs. source og drain kan bytte plass. Source terminal for en nMOS transistor har lavere spenning enn drain terminal. Mikroelektronikk er integrert teknologi i mikro størrelse, dvs. lengden på transistorer. Nanoelektronikk kan være integrert teknologi i nano størrelse, som i praksis betyr at transistorlengden er mindre enn 100 nano meter. INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS CMOS inverter INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Opptrekk og nedtrekk Parallell/serie Serie/parallell INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS NAND port Boolsk funksjon: Symbol: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Kombinatorisk logikk Opprekk AV Opptrekk PÅ Nedtrekk AV Nedtrekk PÅ Z 1 X Serie: Parallell: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS NOR port Boolsk funksjon: Symbol: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Oppgave 1.3 Tegn en CMOS 4-inngangs NOR port på transistornivå. Boolsk funksjon: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Komplementær logikk Eksempel: Nedtrekk: Opptrekk: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Oppgave 1.4 Gitt funksjonen , tegn transistorskjema for porten i komplementær CMOS. Nedtrekk: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Oppgave 1.5 Gitt funksjonen , tegn transistorskjema for porten i komplementær CMOS. Nedtrekk: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Oppgave 1.6 Gitt funksjonen , tegn transistorskjema for porten i komplementær CMOS. Nedtrekk: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

Passtransistorer og transmisjonsport nMOS passtransistor: Transmisjonsport: pMOS passtransistor: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Tristate Tristate buffer symboler: Tristate inverter: Sannhetstabell: EN/EN A Y 0/1 Z 1 1/0 INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Multipleksere Sannhetstabell: Inverterende 2-inngangs multiplekser: S/S D1 D0 Y 0/1 X 1 1/0 Enkel implementasjon: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Forenklet inverterende 2-inngangs multiplekser: 4:1 multipleksere: Symbol: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Oppgave 1.7 Tegn skjematikk på transistornivå for følgende funksjoner. Du kan anta at du også har inverterte signaler tilgjengelig. En 2:4 dekoder definert ved A1 A0 NAND NOR 1 Løsningsforslag: Vi ønsker å bruke NAND porter og invertere. INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Oppgave 1.7 forts. Tegn skjematikk på transistornivå for følgende funksjoner. Du kan anta at du også har inverterte signaler tilgjengelig. En 3:2 dekoder definert ved Løsningsforslag: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Eksamensoppgave (2005) Gitt funksjonen . Tegn et transistorskjema (sjematikk) i komplementær CMOS for funksjonen. Løsningsforslag: Nedtrekk: A i serie med B. C i serie med D. AB i parallell med CD. (AB+CD) i serie med E. AB CD AB+CD (AB+CD)E INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Latcher 2:1 multiplekser Positiv nivåfølsom latch INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Timing: Symbol: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Vipper Timing: Positiv kantfølsom D vippe: Implementasjon: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Timing problemer: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Dvippe med tofase ikkeoverlappende klokker: Symbol: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

MOS transistor i tverrsnitt Halvleder Silisum: pn overgang: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Transistor tverrsnitt: nMOS transistor pMOS transistor INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

Tverrsnitt av CMOS inverter INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

Akkumulasjon, deplesjon og inversjon Under gaten: Deplesjon: Akkumulasjon: Inversjon: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

Enkel beskrivelse av MOS transistor Ubiasert: Lineært område: Biasert: Lineært område Metning INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

Enkel MOS transistor modell AV (cut off): Vgs < Vt, som betyr at gate source spenningen ikke er tilstrekkelig til at det blir dannet kanal. Ids = 0. PÅ, lineært område: Vgs > Vt og 0 < Vds < Vgs –Vt, som betyr at det er dannet kanal som strekker seg fra drain til source. Transistoren er i det lineære området. PÅ, metning: Vgs > Vt og Vds > Vgs –Vt, som betyr at det er dannet kanal på source siden, men ikke på drain siden. Transistoren er i metning. INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Enkel transistor modell: Ved kanal, vil gjennomsnittelig spenning over gate kapasitansen være: Gate kapasitansen er avhengig av arealet (kanalen), tykkelsen på det isolerende laget tox og permitiviteten til det isolerende laget: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS S mellom drain og source kan uttrykkes som den totale mengde ladning i kanalen dividert på tiden som behøves for å krysse kanalen: Gjennomsnittelig hastighet n til ladningsbærere i kanalen vil bli bestemt av det elektriske feltet E over kanalen og ladningsbærernes mobilitet m: Det elektriske feltet er avhengig av spenningen over kanalen Vds og kanalens lengde L: Tiden det tar for en ladningsbærer å krysse kanalen er gitt av kanalens lengde og ladningsbærernes hastighet: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS I det lineære området kan vi modellere strømmen tilsvarende en motstand: Dette gir modell for motstand: Vi ser først på konduktans: Som kan forenkles til: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS I metning vil spenningen over kanalen være begrenset til den spenningen som er tilstrekkelig for å danne kanal på drain siden: Vi setter inn for Vgc og Vds = Vdsat i transistor modellen: Vi kan finne gjennomsnittelig spenningen over kapasitansen i metning ved å erstatte Vds med Vdsat: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Transistormodellen: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS pMOS transistormodell: Drain Source INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS I-V karakteristikker INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Oppgave Gitt en nMOS transistor i en 180nm CMOS prosess med bredde W lik 0.36mm og lengde L lik 0.18mm. Anta at tykkelsen på tynnoksid tox =50Å og at mobiliteten m = 200cm / Vs. Beregn b og gatekapasitans for transistoren: 2 Cox: b: Cg: INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS

INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS Eksamensoppgave 2005 Gitt enkle transistor modeller for nMOS transistor, skisser strøm som funksjon av Vgs for ulike Vds spenninger. Marker terskelspenning, lineært område og metning på skissen. Terskelspenning Vt Lineært område Metning INF3400/4400 våren 2007 Grunnleggende digital CMOS