1.8 Grundlagen der Digitaltechnik

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Informatik V, Kap. 8, WS 98/99 Bei Eingangsspannungen zwischen dem Eingang und VDD von größer als Uthn ist dann der n- Kanal-Transistor leitend, bei Uin > (VDD - Uthp) nur der p-Kanal-Transistor. Damit existiert zwar ein Spannungsbereich zwischen Uthn und (VDD - Uthp) in dem beide Transistoren leitend sind, bei einer voll funktionsfähigen Schaltung wird aber im Zustand "high" oder "low" eines Eingangssignals der Spannungspegel stets eindeutig darüber oder darunter liegen (Abb. 8.45). Damit tritt in der CMOS-Schaltung kein statischer Querstrom mehr auf, wohl aber sind kurze Strom- Spitzen durch beide Transistoren während eines Umschalt-Vorganges möglich. (Die Halbleiter-Technologen können heute solche Schwellenspannungen recht genau dadurch einstellen, daß sie mittels der Methode der Ionen-Implantation ortsfeste positive oder Ionen unterhalb des Gate-Oxids einpflanzen) Uin VDD VDD-Uthp Uthn 0 p-Kanal - MOS sperrt n-Kanal - MOS leitet beide Transistoren leitend n-Kanal - MOS sperrt p-Kana l- MOS leitet Abb. 8.45: Schwellen-Pegel in CMOS-Schaltungen Störspannungen am Schaltungseingang, die im Bereich von Uin > Uthn bzw., als Überlagerung des High-Signals am Eingang, zwischen VDD und VDD - Uthp liegen, werden bei richtig dimensionierten CMOS-Schaltungen nicht in Störsignale am Gatter-Ausgang umgesetzt. Damit ist CMOS bezüglich der Festigkeit gegenüber Störsignalen aus dem IC selbst oder von außen günstiger als TTL-Logik oder ECL-Logik. Diese Störfestigkeit ist aber abhängig von der verwendeten Versorgungsspannung und vom Spannungshub zwischen "high" und "low" und ist deshalb bei CMOS-Schaltungen, die nur mit 3 V und weniger Versorgungsspannung arbeiten, entsprechend verringert. Ganz nebenbei sei hier erwähnt, daß Defekte in CMOS-Schaltungen, selbst wenn sie keine groben Funktionsstörungen verursachen, sich fast immer in erhöhten Ruheströmen äußern. Über eine Prüfung der Stromaufnahme in Abhängigkeit von den logischen Zuständen einer Schaltung ist also bei CMOS ein sehr effizientes Testverfahren möglich. Technologisch erfordert die CMOS-Technik einen zusätzlichen Aufwand im Gegensatz zu nMOS. n-channel p-channel GND VDD n+ n+ p- bulk silicon 28 p+ p+ n-well Abb. 8.46a: CMOS-Inverter (Schnitt) in n-Wannen-Technologie n-diffusion p-diffusion metal gate-oxide field-oxide p - bulk poly-silicon n-well
Informatik V, Kap. 8, WS 98/99 Während ein n-Kanal-MOS-Transistor ein p-dotiertes Grundsubstrat benötigt, ist für einen p-Kanal- Transistor eine n-dotiertes Grundsubstrat erforderlich. Damit ist es notwendig, entweder innerhalb eines n-dotierten Grundsubstrates für den n-Kanal- Transistor einen als Quasi- Grundsubstrat dienenden p-dotierten Bereich einzubauen oder, alternativ, bei Ausgang von einem p-dotierten Grundsubstrat für den p -Kanal-Transistor einen n-dotierten Bereich einzubauen. Diese Quasi- Grundsubstrate werden meistens als "Wannen" (wells, tubs) bezeichnet und sind durch die Technik der Ionen-Implantation in guter Qualität herstellbar. Metall n-channel p-channel GND VDD n+ n+ p-well n- bulk silicon 29 p+ p+ Abb. 8.46 b: CMOS-Inverter (Schnitt) in p-Wannen Technologie n-diffusion p-diffusion gate-oxide field-oxide n - bulk poly-silicon p-well Entsprechend unterscheidet man heute zwischen n-Wannen-CMOS (mit speziellen Wannen für die p- Kanal-Transistoren, wie in Abb. 8.46 a) und p-Wannen-CMOS (mit speziellen Wannen für die n- Kanal-Transistoren). Beide haben spezifische Vor- und Nachteile. Zunächst wird im Fertigungsprozeß die Kristallstruktur durch mehrfaches Umdotieren (n - p - n bei n - Kanal- Transistoren in der p-Wanne, p - n - p bei p-Kanal-Transistoren in der n-Wanne) nicht besser. Deshalb wird bezüglich der Leitfähigkeit und der Schaltgeschwindigkeit der "native" - Transistor, also der p-Kanal-Transistor direkt im n-Substrat bzw. der n-Kanal-Transistor im p- Substrat dem Vergleichstyp in der Wanne überlegen sein. Will man eine Technologie bauen, bei der p-Kanal-Transistor und n-Kanal-Transistor möglichst gleich "gut" sein sollen, so wird man die p - Wannen-Technologie bevorzugen, soll dagegen der n - Kanal-Transistor auf beste Leistung gezüchtet werden, so ist die n-Wannen-Technologie vorzuziehen. Letzte hat den für den Aufbau der ICs in Gehäuse den Vorteil, daß das Grundsubstrat auf Masse (0 V) liegt. In neueren CMOS-Technologien werden vermehrt sowohl für p-Kanal- als auch für n- Kanal-Transistoren jeweils spezifische Wannen-Bereiche verwendet (Twin- Tub- Technologie). An dieser Stelle sei angemerkt, daß heutige hochintegrierte Schaltungen, egal ob Speicher oder Prozessoren, fast ausschließlich in CMOS-Technologie gefertigt werden. In der digitalen Kommunikationstechnik hat auch die BiCMOS-Technologie, welche bipolare und CMOS- Schaltungen kombiniert beinhaltet, noch eine gewisse Bedeutung. 8.5.8 Statische CMOS-Technik Der einfache Inverter in CMOS-Technik ist bereits in Abb. 8.44 dargestellt.
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