1.8 Grundlagen der Digitaltechnik

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Informatik V, Kap. 8, WS 98/99 Die nMOS-Technologie verwendet als Grundelemente einen selbstsperrenden Transistor als aktiven Schalter und einen weitere Transistor als Lastelement.. GND VDD n-enh. n-enh. n-enh. VDD2 VDD VDD1 n-enh. 14 n-depl. n-enh. A B C Abb. 8.23: Grundtypen von nMOS-Invertern Wie in Kapitel 7 vorgestellt, kann man einen im Anlaufbereich betriebenen selbstsperrenden oder selbstleitenden MOS-Transistor als Widerstand verwenden. Die unterschiedlichen Möglichkeiten zeigt Abb. 8.23. Die ersten gefertigten nMOS-Schaltungen enthielten nur selbstsperrende n-Kanal-FETs. Das Lastelement besteht aus einem FET, dessen Gate z. B. mit der Betriebsspannung (8.23 A) verbunden ist. Dieser Transistor wird dann, wenn die Spannung am Ausgang von "low" auf "high" umschaltet, leitend, um die Ausgangslast umzuladen. Wenn die Spannung am Ausgang dabei auf Werte steigt, die höher liegen als Vdd - Uth, so wird dieser Transistor faktisch vom Durchlaß- in den Sperrbereich umgeschaltet. Das Resultat ist eine sehr langsame Aufladung der Lastkapazität bis zum Wert Vdd der Ausgangsspannung. Der Umschaltvorgang ist wieder durch die Ausgangs-Kennlinien des aktiven Schalttransistors und passiven Lasttransistors betimmt. Im Unterschied zum linearen Lastwiderstand ergeben sich aber jetzt andere Übertragungskennlinien (Abb. 8.24). I KS I DS U GS als Parameter Lastkennlinie R D selbstsperrender Lasttransistor U LL U DS U GS VDD n enh. n-enh. out GND Lasttransistor: U GS = U DS Abb. 8.24: Kennlinien des MOS-Inverters mit selbstsperrendem Last-Transistor Ein schnelleres Umladen erhält man, wenn für das Gate des Lasttransistors eine zweite, höhere Versorgungsspannung zur Verfügung steht. (4. 21 B) Tatsächlich wurden in den 70er Jahren CMOS-ICs mit zwei verschiedenen Versorgungsspannungen gefertigt. Diese Lösung wird allerdings wegen des Bedarfs an zusätzlichen Leitungen und Netzgeräten die Systemkosten erheblich steigern.
Informatik V, Kap. 8, WS 98/99 Die einzig befriedigende Lösung ist die Verwendung eines selbstleitenden FETs als Lastelement (8.23C). Erst damit war für die nMOS-Technologie eine befriedigende Lösung gefunden. Voraussetzung ist hier, daß der Halbleiter-Hersteller die Schwellenspannungen der Transistoren nahezu frei einstellen kann. I KS I DS Lastkennlinie R D U GS als Parameter selbstleitender Last-Transistor U LL U DS 15 U GS VDD n-depl. n-enh. out GND Lasttransistor: U GS = 0 Abb. 8.25: Kennlinie des MOS-Inverters mit selbstleitendem Last-Transistor Möglich geworden ist dies mit Hilfe der Technik. der Ionen-Implantation. Man kann damit ortsfeste positive oder negative Ladungen unterhalb der Sperrschicht "einbauen". nMOS Technology n-channel n-channel enhancement depletion GND VDD p- bulk silicon Abb. 8.26: Schnitt durch einen Inverter in nMOS Technologie n-diffusion p-diffusion metal gate-oxide field-oxide p - bulk poly-silicon Charkteristisch ist der Anschluß des Gates des selbstleitenden Transistors an dessen Source- Elektrode. Es gilt also immer UGS = 0. Wenn die Schwellenspannung Uth z. B. bei ca. -1,5 V liegt, ist dieser Lasttransistor auch bei UDS < 1.5 V noch ausreichend leitfähig. Die Übertragungskennlinien der drei betrachtete Inverter-Grundtypen zeigt Abb. 8.27.
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