CMOS: conceptes bàsics

Rosa M. BadiaRamon Canal

DMTardor 2004

DM, Tardor 2004 1

MOS: Metal Over SiliconMOS: Metal Over Silicon• Objectius:• Objectius:

– Conèixer com es dissenyen diferents tipus d’ t t lò i itj t l’ tilit iód’estructures lògiques mitjançant l’utilització de tecnologia MOS

• El contingut del tema se centra en:– Comportament lògic del transistor MOSComportament lògic del transistor MOS– Introducció a les estructures lògiques

combinacionalscombinacionals– Conceptes bàsics sobre el transistor MOS

DM, Tardor 2004 2

Tecnologia MOSTecnologia MOS• Comportament ideal: interruptor digital• Comportament ideal: interruptor digital

DDrenajeDrenador

PPuerta

NMOSAcumulación

D F

P = 0

D F

P = 1

Gate

FFuente

D F D FGate

D

PPMOSAcumulación

P = 1 P = 0

F

AcumulaciónD F D F

DM, Tardor 2004 3

Tecnologia MOSTecnologia MOS• Inversor CMOS: Complementary MOS• Inversor CMOS: Complementary MOS

Input Output

D

1 (VDD) 1 (VDD) 1 (VDD)

Input Output

P

FInput Output Input = 0 Output = 1 Input = 1 Output = 0

D

P

FInput Output Input = 0 Output = 1 Input = 1 Output = 0

F

0 (GND) 0 (GND) 0 (GND)

DM, Tardor 2004 4

Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació serie nMOS:• Combinació serie nMOS:

– Output = 0 si S1=1 i S2=1

D

P S1= 0 S1= 1 S1= 0 S1= 1

Output

D

P

F

S1 S1= 0 S1= 1 S1= 0 S1= 1

D

PS2

S2= 0 S2= 0 S2= 1 S2= 1

F

DM, Tardor 2004 5

Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació serie pMOS:• Combinació serie pMOS:

– Output = 1 si S1=0 i S2=0

D

PS1 S1= 1 S1= 0 S1= 1 S1= 0

D

F

S1

P

F

S2S2= 1 S2= 1 S2= 0 S2= 0

FOutput

DM, Tardor 2004 6

Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació paral·lela nMOS:• Combinació paral lela nMOS:

– Output = 0 si S1=1 o S2=1

S2= 0S1= 0 S1= 0 S2= 1Output

D

P

D

PS1 S2

S2= 0S1= 0 S1= 0 S2= 1Output

P

F

P

F

S1 S2

S2= 1S1= 1S1= 1 S2= 0 S2= 1S1= 1S1= 1 S2= 0

DM, Tardor 2004 7

Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació paral·lela pMOS:• Combinació paral lela pMOS:

– Output = 1 si S1=0 o S2=0

S1= 1 S2= 1 S1= 1 S2= 0

D

P

D

PS1 S2

S1= 1 S2= 1 S1= 1 S2= 0

FF

S1 S2

S2= 0S1= 0S1= 0 S2= 1

DM, Tardor 2004 8

Complementary CMOSComplementary CMOS• Complementary CMOS logic gates• Complementary CMOS logic gates

– nMOS pull-down networkpMOSpull-up

– pMOS pull-up network– a.k.a. static CMOS

pull-upnetwork

outputinputs

nMOSpull-downnetwork

Pull-up OFF Pull-up ONPull-down OFF Z (float) 1

Pull-down ON 0 X (crowbar)

DM, Tardor 2004 9

Portes CMOSPortes CMOS• Porta NAND• Porta NAND

VDD

Pull−up

0 1AOUT

(A+B)

Pull−up

out

1

0

B

1 1

1 0

(A · B)

Pull−down

GNDBA

DM, Tardor 2004 10

Portes CMOSPortes CMOS• Porta NOR• Porta NOR

VDD

(A · B) 0

0

1AOUT

Pull−up 01

out1

0

B

0 0

01

(A+B)

GND

BAPull−down

DM, Tardor 2004 11

Portes CMOSPortes CMOS• Portes complexes• Portes complexes

VDD

D + (A · B · C)

B

A

D

OUT

1

AB00 01 11 10

00 1 1 1

D + (A · B · C)

outC

0

00

01

11CD

1 0 0

0 0 0 0

D10 1 1 1 1

GND

BA C D ·(A+B+C)

DM, Tardor 2004 12

Portes CMOSPortes CMOS• Portes complexes:• Portes complexes:

– L’expressió de la funció ha de ser una ió l t dexpressió complementada

– Operador “”:• Pull-down: Transistors nMOS en sèrie• Pull-up: Transistors pMOS en paral·lel

– Operador “+”:• Pull-down: Transistors nMOS en paral·lelp• Pull-up: Transistors pMOS en sèrie

DM, Tardor 2004 13

Tipus de transistorsTipus de transistors• Transistors de tipus MOS: nMOS i pMOSp p• Transistors nMOS: acumulació y buidament• Transistors bipolars: NPN, PNPp ,• Operació (interruptor electrònic):

– MOS: controlat per tensió (interruptor ideal)– Bipolar: controlat por corrent (interruptor +

amplificador)DDrenaje D D CColector

DrenadorD

PPuerta

Drenaje D

P

D

P

C

B

Base

Colector

Gate

NMOSInterruptor

FFuente

AcumulaciónNMOS

F

DeplexiónPMOS

F

AcumulaciónNPN

E

Bipolar

Emisor

Gate

DM, Tardor 2004 14

Visió ideal vs visió realVisió ideal vs. visió real

1 (VDD)

Input Output

5v (VDD)

D

P

D

P

D

FInput Output

D

FInput OutputR

C

R

C

P

F

P

FVISION IDEAL VISION REAL

F F

0 (GND) 0v (GND)

DM, Tardor 2004 15

Visió ideal vs visió realVisió ideal vs. visió real• Exemple: relació input/output d’un inversor• Exemple: relació input/output d un inversor

CMOS

DM, Tardor 2004 16

Transistors de tipus nMOSTransistors de tipus nMOS• Intensitat Drenador – Font (I ) si:• Intensitat Drenador – Font (Ids) si:

– nMOS acumulació: Vpf > Vt > 0– nMOS buidament: 0> Vpf > Vt

D

VDD

D

VDD

V > V

I

F

P I

F

P

tpf

df df

pfV > V td

GNDNMOSAcumulación

GNDNMOSDeplexión

DM, Tardor 2004 17

Transistors de tipus pMOSTransistors de tipus pMOS• Intensitat Drenador – Font (I ) si:• Intensitat Drenador – Font (Ids) si:

– VDD- Vt > Vpf

D

VDD

C

VDD

D

IP df I

C

B ce

V < V − VDD tF

V > 0.7vE

I bebepf

PMOS

GND

AcumulaciónNPNBipolar

GND

DM, Tardor 2004 19

Implementació tecnològicaImplementació tecnològica

DM, Tardor 2004 20

Implementació tecnològicaImplementació tecnològica

PD F PD F CBE

P−well N−well

N+ P+ N+ P+ N+P+N+

P−well N−well

NMOS PMOS NPN (bipolar)NMOS PMOS NPN (bipolar)

DM, Tardor 2004 21

Comparació entre diferents tecnologiesComparació entre diferents tecnologies

Característica nMOS pMOS NPN

Resistencia d’entrada Alta Alta BaixaResistencia d entrada Alta Alta Baixa

Resistencia de sortida Baixa Baixa baixa

Movilitat Alta Baixa (1/2) alta

Ni ll i t ió Alt Alt MitjàNivell integració Alt Alt Mitjà

Consum estàtic Baix Baix alt

Consum dinàmic Mitjà Mitjà alt

DM, Tardor 2004 22

Comportament dinàmicComportament dinàmic• El funcionament del transistor nMOS es basa en la

creació d’un canal entre drenador i la font• El canal es construeix degut a un potencial positiu a la

t t d l b t t t l l tporta respecte del substrat, que atrau als electrons lliures al substrat, acumulant-los en el canal.

• Hi ha tres regions d’operació:Hi ha tres regions d operació:– Zona de tall (Cut-off): En aquesta zona no hi ha creació de

canal, Ids = 0.Z li l t d E t hi h ió d– Zona lineal o no saturada: En aquesta zona hi ha creació de canal i el corrent elèctric Ids es proporcional a la diferència de potencial entre el drenador i la font Vds.Z t d El l ’ t fi t Hi h t– Zona saturada: El canal s’estreny fins a trencar-se. Hi ha corrent elèctric Ids, però el seu valor és gairebé constant i independent de Vds

DM, Tardor 2004 23

Comportament dinàmicComportament dinàmic• Tensió llindar• Tensió llindar

+DS

GVGS+

-

n+n+

Depletionn-channel

p-substrate

pRegion

DM, Tardor 2004 24B

Comportament dinàmicComportament dinàmic• Transistor en zona lineal• Transistor en zona lineal

SVGS VDS

++

DG

+

ID

n+n+

xL

V(x) +–

p-substrate

B

DM, Tardor 2004 25MOS transistor and its bias conditions

Comportament dinàmicComportament dinàmic• Transistor en zona de saturació• Transistor en zona de saturació

VGS

GVDS > VGS - VT

S D

n+n+ VGS - VT+-

Canal trencatDM, Tardor 2004 26

Comportament dinàmicComportament dinàmic• Zona lineal:• Zona lineal:

0insW

2

ds

L DVI V V V

2ds

ds gs t dsI V V V

• Zona saturació2 22ds gs tI V V

DM, Tardor 2004 27

Transistors de tipus nMOSTransistors de tipus nMOS

• Comportament dinàmic• Comportament dinàmic

I I dfdf

V > V − V

V = 0.6V

V = 0.7V

I

DD

DDt V > V − V V = 0.3V

V = 0.1V

I

t

DD

DDpf

pf

pf

df

df

df

pf

pf

pfdf

V = 0.4V

V = 0.5V

V = 0.6V

DD

DD V = 0.1V

V = 0

V = −0.1V

DDpf

pf

pf

pf

V = 0.2V

V = 0.4V

V

DD

DD V = −0.1V

V = −0.3V

V

DD

DDpf

pf

pf

pf

VVDD0 DD0.5V

VVDD0 DD0.5V

ds

NMOS DeplexiónNMOS Acumulación

df

DM, Tardor 2004 28

Transistors de tipus pMOSTransistors de tipus pMOS• Comportament dinàmic• Comportament dinàmic

V < V

I I cedf

V < V

V = 0.2V DD

t

I = 4µA

I = 5µAbe

bepf

df

V = 0.6V

V = 0.5V

V = 0.4V

DD

DD

DD

I = 2µA

I = 3µAbe

be

pf

pf

pf

V = 0.8V

V = 0.6V

DD

DD

VVDD0 DD0.5V

I = 1µA

VDD0 DD0.5VVce

be

pf

pf

dfVDD0 DD0.5V VDD0 DD0.5V

NPN BipolarPMOS Acumulación

(Dos veces menos corriente que NMOS)

DM, Tardor 2004 29