INF3400 Del 1 Teori og oppgaver

1. INF3400 Del 1 Teori og oppgaver Grunnleggende Digital CMOS

2. Logisk 0 = gnd (VSS) Logisk 1 = VDD g = gate s = source d = drain Transistor som bryter CMOS står for Complementary Metal On Semiconductor. I CMOS teknologi er det to komplementære transistorer, pMOS og nMOS. 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. Nanoelektronikkkan være integrert teknologi i nano størrelse, som i praksis betyr at transistorlengden er mindre enn 100 nano meter. INF3400 Grunnleggende digital CMOS

3. CMOS inverter

4. Opptrekk og nedtrekk Parallell/serie Serie/parallell

5. Boolsk funksjon: NAND port Symbol:

6. Kombinatorisk logikk Z 1 0 X Serie: Parallell: INF3400 Grunnleggende digital CMOS

7. Boolsk funksjon: Symbol: NOR port

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

9. Nedtrekk: Opptrekk: Komplementær logikk Eksempel:

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

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

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

13. nMOS passtransistor: Transmisjonsport: pMOS passtransistor: Passtransistorer og transmisjonsport

14. Tristate buffer symboler: Tristate inverter: Tristate Sannhetstabell: INF3400 Grunnleggende digital CMOS

15. Multipleksere Sannhetstabell: Enkel implementasjon: INF3400 Grunnleggende digital CMOS

16. Inverterende 2-inngangs multiplekser:

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

18. 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 2:4 dekoder definert ved Oppgave 1.7 Løsningsforslag: INF3400 Grunnleggende digital CMOS

19. 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:

20. Eksamensoppgave (2005) Gitt funksjonen . Tegn et transistorskjema (skjematikk) 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

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

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

23. Transistor tverrsnitt: pMOS transistor nMOS transistor

24. Tverrsnitt av CMOS inverter

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

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

27. 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.

28. 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 Grunnleggende digital CMOS

29. Gjennomsnittelig hastighet n til ladningsbærere i kanalen vil bli bestemt av det elektriske feltet E over kanalen og ladningsbærernes mobilitet m: Strøm mellom drain og source kan uttrykkes som den totale mengde ladning i kanalen dividert på tiden som behøves for å krysse kanalen: 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 Grunnleggende digital CMOS

30. 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 Grunnleggende digital CMOS

31. 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 Grunnleggende digital CMOS

32. Transistormodellen: INF3400 Grunnleggende digital CMOS

33. pMOS transistormodell: Drain Source

34. I-V karakteristikker

35. 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 Grunnleggende digital CMOS

36. 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