INF3400 Del 1 Teori og oppgaver Grunnleggende Digital CMOS

INF3400 Grunnleggende digital CMOS Transistor som bryter PÅAV PÅAV Logisk 0 = gnd (V SS ) Logisk 1 = V DD s = source g = gate d = drain Source terminal for en pMOS transistor har høyere spenning enn drain terminal. Source terminal for en nMOS transistor har lavere spenning enn drain terminal. MOS transistorer er bidireksjonale, dvs. source og drain kan bytte plass. CMOS står for Complementary Metal On Semiconductor. I CMOS teknologi er det to komplementære transistorer, pMOS og nMOS. 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.

CMOS inverter

Opptrekk og nedtrekk Parallell/serie Serie/parallell

NAND port Boolsk funksjon: Symbol:

INF3400 Grunnleggende digital CMOS Kombinatorisk logikk Opprekk AVOpptrekk PÅ Nedtrekk AV Nedtrekk PÅ 1 0 Z X Serie: Parallell:

NOR port Boolsk funksjon: Symbol:

Oppgave 1.3 Tegn en CMOS 4-inngangs NOR port på transistornivå. Boolsk funksjon:

Komplementær logikk Eksempel: Nedtrekk: Opptrekk:

Oppgave 1.4 Gitt funksjonen, tegn transistorskjema for porten i komplementær CMOS. Nedtrekk:

Oppgave 1.5 Gitt funksjonen, tegn transistorskjema for porten i komplementær CMOS. Nedtrekk:

Oppgave 1.6 Gitt funksjonen, tegn transistorskjema for porten i komplementær CMOS. Nedtrekk:

Passtransistorer og transmisjonsport nMOS passtransistor: pMOS passtransistor: Transmisjonsport:

INF3400 Grunnleggende digital CMOS Tristate Tristate buffer symboler: EN/ENAY 0/10Z 1Z 1/ Sannhetstabell: Tristate inverter:

INF3400 Grunnleggende digital CMOS Multipleksere S/SD1D0Y 0/1X00 X11 1/00X0 1X1 Sannhetstabell: Enkel implementasjon:

Inverterende 2-inngangs multiplekser:

Forenklet inverterende 2-inngangs multiplekser: Symbol: 4:1 multipleksere:

INF3400 Grunnleggende digital CMOS Oppgave 1.7 A1A0NANDNOR Tegn skjematikk på transistornivå for følgende funksjoner. Du kan anta at du også har inverterte signaler tilgjengelig. En 2:4 dekoder definert ved Løsningsforslag: Vi ønsker å bruke NAND porter og invertere.

Tegn skjematikk på transistornivå for følgende funksjoner. Du kan anta at du også har inverterte signaler tilgjengelig. En 3:2 dekoder definert ved Løsningsforslag: Oppgave 1.7 forts.

Eksamensoppgave (2005) Gitt funksjonen. Tegn et transistorskjema (skjematikk) i komplementær CMOS for funksjonen. Løsningsforslag: Nedtrekk: 1.A i serie med B. 2.C i serie med D. 3.AB i parallell med CD. 4.(AB+CD) i serie med E. AB CD AB+CD (AB+CD)E

INF3400 Del 2 Teori og oppgaver Enkel elektrisk transistor modell og introduksjon til CMOS prosess

INF3400 Grunnleggende digital CMOS MOS transistor i tverrsnitt Halvleder Silisum: pn overgang:

Transistor tverrsnitt: nMOS transistor pMOS transistor

Tverrsnitt av CMOS inverter

Akkumulasjon, deplesjon og inversjon Under gaten: Akkumulasjon: Deplesjon: Inversjon:

Enkel beskrivelse av MOS transistor Ubiasert: Biasert: Lineært område Metning Lineært område:

Enkel MOS transistor modell 1.AV (cut off): V gs < V t, som betyr at gate source spenningen ikke er tilstrekkelig til at det blir dannet kanal. I ds = 0. 2.PÅ, lineært område: V gs > V t og 0 < V ds < V gs –V t, som betyr at det er dannet kanal som strekker seg fra drain til source. Transistoren er i det lineære området. 3.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 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 t ox og permitiviteten til det isolerende laget:

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

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

INF3400 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 kan finne gjennomsnittelig spenningen over kapasitansen i metning ved å erstatte V ds med V dsat : Vi setter inn for V gc og V ds = V dsat i transistor modellen:

INF3400 Grunnleggende digital CMOS Transistormodellen:

pMOS transistormodell: Source Drain

I-V karakteristikker

INF3400 Grunnleggende digital CMOS Oppgave Gitt en nMOS transistor i en 180nm CMOS prosess med bredde W lik 0.36  m og lengde L lik 0.18  m. Anta at tykkelsen på tynnoksid t ox =50Å og at mobiliteten  = 200cm / Vs. Beregn  og gatekapasitans for transistoren: 2 C ox : :: Cg:Cg:

Eksamensoppgave 2005 Gitt enkle transistor modeller for nMOS transistor, skisser strøm som funksjon av V gs for ulike V ds spenninger. Marker terskelspenning, lineært område og metning på skissen. Terskelspenning V t Lineært område Metning