Herzlich Willkommen, mein Name ist Christian Manderi.
Ich vertrete hier heute Professor Asfuhr für die Vorlesung
Digitaltechnik und Entwurfsverfahren.
Ist das Mikro zu laut?
Es hört sich hier vorne sehr laut an.
Ich mache es vielleicht ein bisschen leiser.
Ist das so jetzt besser?
Können Sie mich gut verstehen?
Okay, super.
Ja, wir steigen heute in die Halbleitertechnik ein, die die Grundlage
darstellen wird für einige der kommenden Vorlesungseinheiten.
Und heute, wie gesagt, geht es los mit den Grundlagen.
Da werden wir uns erstmal damit beschäftigen, was ist N-Leitung und P
-Leitung, was versteht man also darunter, wenn man ein
Halbleitermaterial hat und dieses dotiert.
Wir beschäftigen uns mit dem Übergang zwischen derartig entsprechend
dotierten Bereichen.
Das ist der P-N oder natürlich auch der NP-Übergang.
Und darauf aufbauend können wir dann das erste Bauelement uns
anschauen.
Das ist die Halbleiterdiode.
Und indem wir quasi zwei solcher Halbleiterdioden kombinieren, kommen
wir dann zu dem Bipolartransistor und im Anschluss zum
Feldeffekttransistor.
Und der Feldeffekttransistor ist das, was im Folgenden dann die
Grundlage bilden wird für sogenannte CMOS-Schaltungen, mit denen Sie
dann entsprechend komplexe Schaltfunktionen in Hardware tatsächlich
realisieren können.
Das heißt, wo befinden wir uns hier?
In der letzten Vorlesung wurden ja die Gatter eingeführt, vielleicht
erinnern Sie sich daran.
Und hier gehen wir jetzt quasi nochmal eine Ebene unter die
Gatterebene.
Also wenn Sie sich das Y-Diagramm anschauen, dann sind Sie jetzt quasi
auf der innersten Ebene, nämlich jetzt beschäftigen wir uns wirklich
mit dem elektrischen Verhalten, wie wir solche Bauelemente realisieren
können.
Und dann schauen wir uns mal an, mit welchen Elementen haben wir es
hier zu tun.
Wir haben es zu tun mit Silizium und Germanium.
Und das sind sogenannte Halbleiter.
Und die finden Sie hier eben entsprechend in dem Bereich, wo Sie vier
Valenzelektronen haben.
Also Sie haben hier bei Silizium zwei Elektronen, wenn Sie jetzt mal
von dem einfachsten burschen Atommodell ausgehen, zwei Elektronen auf
der innersten Schale, dann acht Elektronen auf der zweiten Schale, das
macht zehn Elektronen, und dann eben vier Valenzelektronen auf der
äußersten Schale.
Und dementsprechend bei Germanium genau das Gleiche.
Da ist die dritte Schale voll und Sie haben vier Valenzelektronen auf
der äußersten Schale.
Das wird nachher noch wichtig werden.
Und Sie können auch schon mal schauen, was hier links und rechts von
dieser Spalte im Periodensystem ist.
Dort finden Sie nämlich hier zum Beispiel Bohr, Aluminium, oder Sie
finden auch Phosphor oder Arsen oder Antimon.
Das sind also Stoffe oder Elemente, die haben jeweils drei
beziehungsweise fünf Valenzelektronen.
Und das wird noch ganz wichtig werden, wenn wir uns mit der Dotierung
beschäftigen.
Genau.
Vielleicht eine kurze Erinnerung noch mal, die sogenannte Oktettregel
aus der Chemie.
Wir haben also immer acht Elektronen in einer Bindung, acht Elektronen
auf unserer äußersten Schicht oder acht Elektronen, die mit einem Atom
assoziiert sind.
Das bedeutet, wenn Sie hier so eine Siliziumstruktur haben, so ein
Siliziumkristall, dann hat jedes Siliziumatom vier Elektronen, die es
mit einbringt, also vier Valenzelektronen.
Und gleichzeitig hat es aber vier Nachbarn, von denen jeweils noch mal
ein Valenzelektron zu dieser Bindung beigesteuert wird.
Und das führt natürlich dazu, wenn Sie sich hier das anschauen, das
ist am Rand jetzt abgeschnitten, aber wenn Sie sich das mal unendlich
groß vorstellen, dann haben Sie bei niedrigen Temperaturen, das heißt
bei normalen Temperaturen letztendlich, kein freies Elektron.
Das heißt, alle Elektronen sind hier in Bindungen gebunden und erst
bei höheren Temperaturen, also hier sind noch ein paar
Rechtschreibfehler, die hatten wir eigentlich korrigiert, muss ich mal
schauen, warum die da noch drin sind, brechen diese Bindungen auf und
erst bei höheren Temperaturen haben Sie freie Elektronen, die Sie ja
benötigen, um eine Stromleitung zu realisieren.
Aber auch dann bleibt das zunächst mal ein schlechter Leiter.
Wie können wir jetzt diesen Halbleiter leitfähig machen?
Die erste Möglichkeit, die hatten wir gerade schon diskutiert, also
wir können Energie zuführen, damit können wir Bindungen aufbrechen,
wodurch Elektronen frei werden, also zum Beispiel Wärme oder auch
Licht.
Die andere Möglichkeit ist die, mit der wir uns jetzt mehr
beschäftigen werden.
Und da geht es darum, dass wir Fremdatome in das Kristallgitter
einbringen und diese Fremdatome, die haben eben nicht vier
Valenzelektronen, sondern die haben drei oder fünf Valenzelektronen
und diesen Vorgang, den bezeichnet man auch als Dotierung.
Und hier gibt es zwei Möglichkeiten, also hier haben wir jetzt
Phosphor und Bor, aber ich habe Ihnen ja gerade schon gesagt, dass wir
prinzipiell auch andere Elemente verwenden können, wie zum Beispiel
Arsen.
Und wenn wir jetzt hier ein Phosphoratom einbringen, dann hat das
Phosphoratom ja fünf Valenzelektronen.
Das bedeutet, wir haben ein freies Elektron und dieses freie Elektron,
das kann in Ihrem Kristallgitter hin und her springen und das können
Sie verwenden, um einen Stromfluss zu realisieren.
Umgekehrt, wenn wir zum Beispiel Bor betrachten, dann haben wir ein
Loch, Bor hat nur drei Valenzelektronen und dieses Loch, was wir da
haben, das kann eben auch hin und her springen.
Das heißt, das Loch kann von einem benachbarten Elektron gefüllt
werden und dann ist das Loch natürlich an einer anderen Stelle.
Das Loch verhält sich also wie ein virtuelles Teilchen, das bezeichnet
man als ein Defekt-Elektron.
Und historisch ganz interessant, der Stromfluss wurde ja ursprünglich
über positive Ladungsträger definiert.
Man hat also, bevor man die Elektronen überhaupt entdeckt hatte,
gedacht, dass eben der Strom von Plus zu Minus fließt und entsprechend
kann das hier auch in der Stelle immer noch so angesehen werden.
Und interessant ist jetzt, wenn wir solche dotierten Bereiche haben,
wenn wir also jetzt einen Halbleiter nehmen, einen Siliziumkristall,
und wir dotieren einen Bereich damit mit P, zum Beispiel eben, wie ich
es Ihnen gerade gezeigt habe, mit Bor.
Und den anderen Bereich, den dotieren wir mit Phosphor.
Dann haben wir insgesamt ein Siliziumkristall, der keinen
Ladungsüberschuss hat.
Das heißt, wir haben gleich viele negative als auch positive
Ladungsträger in diesem Kristall.
Aber wir haben natürlich überall irgendwo an einer Stelle diesen
Übergang.
Und an diesem Übergang treffen eben die negativ und positiv dotierten
Bereiche aufeinander.
Und was wir jetzt betrachten, ist diese Grenzregion, also das, wo hier
diese blauen Pfeile sind.
Und da betrachten wir sehr, sehr kleine Regionen.
Also wir sind hier in der Größenordnung ungefähr in der Wellenlänge
des Lichts, also ein paar hundert Nanometer.
Und an diesem Übergang gibt es eine Diffusion von Ladungsträgern in
das andere jeweilige Gebiet.
Das ist das, was diese blauen Pfeile hier darstellen.
Und dementsprechend entsteht hier ein Potenzial.
Und jetzt werden hier die Ladungsträger entsprechend angezogen.
Das heißt, auf dieser Seite des Übergangs lagern sich die positiven
Ladungsträger an.
Und auf der anderen Seite lagern sich die negativen Ladungsträger an.
Und hierdurch entsteht eine Diffusionsspannung.
Das heißt, Sie haben hier...
Ich weiß nicht, wie ich das am besten...
Ich male das vielleicht mal hier hin.
Und hier ist eben die Grenze, die Grenzregion.
Dann haben wir hier entsprechend das Potenzial.
Und dieses Potenzial verhindert, dass weitere Ladungsträger die Grenze
überschreiten können.
Und wenn keine Ladungsträger die Grenze überschreiten können, dann
bedeutet das eben genau, dass die Grenzschicht elektrisch nicht mehr
leitfähig ist.
Das heißt, diese Grenzschicht sperrt.
Wie gesagt, wohlgemerkt, wenn wir keine Spannung anlegen an das Ganze,
sondern wenn wir einfach diesen Siliziumkristall, so wie er ist,
nehmen.
Jetzt ist interessant, was passiert, wenn wir eine Spannung anlegen.
Weil das ist ja das, was wir eigentlich machen wollen.
Jetzt nehmen wir mal an, wir legen hier eine Spannung an, und zwar
legen wir die Spannung...
Ich muss mal gucken, dass ich die Maus hier vielleicht so...
Wenn wir jetzt hier eine Spannung anlegen, sodass die positive
Polarität hier auf der linken Seite, auf dem n-dotierten Bereich
angelegt wird, und die negative Spannung auf der p-dotierten Seite,
dann werden hier weitere Ladungsträger angezogen, beziehungsweise
verdrängt.
Das heißt, durch die positive Polarität, die wir hier anlegen, werden
die positiven Ladungsträger hier entsprechend zu der Sperrschicht
gedrängt.
Und gleichzeitig werden hier negative Ladungsträger auf der anderen
Seite der Sperrschicht angezogen.
Das heißt, die Sperrschicht wird breiter.
Sie sehen das hier auf der Abbildung davor war das nur eine Reihe,
Plus und Minus, jetzt sind es zwei Reihen.
Das heißt, es findet nach wie vor keine Leitfähigkeit an der
Sperrschicht statt.
Wenn wir jetzt die Polarität mal umkehren, dann legen wir hier die
negative Polarität an den n-dotierten Teil an.
Und dadurch erreichen wir, dass hier die negativen Ladungsträger zu
der Sperrschicht hingedrängt werden.
Das heißt, die Sperrschicht auf der n-dotierten Seite ist plötzlich
negativ geladen, während die Sperrschicht auf der positiv geladenen
Seite positiv geladen ist.
Und dadurch wird plötzlich unsere Sperrschicht leitend.
Das heißt, zusammengefasst, je nachdem wie wir die Polarität der
Spannung anlegen, wird unsere Sperrschicht entweder leitend oder sie
bleibt sperrend.
Und das entspricht einem Ventil, naja, einem elektrischen Ventil.
In der Elektrotechnik bezeichnen wir das als eine Diode.
Und diese Diode zeichnet sich dadurch aus, dass ab einer gewissen
Spannung zwischen P und N, das heißt, wenn Sie einen gewissen
Spannungsschwellwert überschreiten, dann wird das Ganze leitfähig.
Das heißt, dann fließt hier tatsächlich ein Strom zwischen den beiden
Seiten und ansonsten haben Sie eben keinen Stromfluss.
Das heißt, das Ganze isoliert und der Widerstand ist sehr hoch.
Hier sehen Sie schon, die Flanke hat jetzt hier keine unendliche
Steigung.
In der Praxis gibt es dann natürlich auch immer noch einen gewissen
Übergangsbereich.
Es gibt auch irgendwo eine Durchbruchsspannung, also wenn Sie eine
sehr große Spannung mit der umgekehrten Polarität anlegen, dann kann
das auch irgendwann leitend werden, aber das spielt jetzt alles keine
Rolle.
Das ist ja keine Elektrotechnik-Vorlesung hier.
Aber diese Diode, die wir jetzt hier haben, die können wir jetzt
verwenden, um unser erstes Halbleiter-Bauteil zu bauen.
Vielleicht schreibe ich das auch mal noch hier drauf.
Na gut, es steht ja schon im Titel, dass das die Diode ist.
Hieraus können wir jetzt den Bipolartransistor bauen.
Und die Idee beim Bipolartransistor ist die, dass wir zwei Halbleiter
-Übergänge kombinieren.
Das heißt, wir haben hier einen p-dotierten Bereich, hier einen n
-dotierten Bereich und hier einen p-dotierten Bereich.
Das Ganze können Sie natürlich auch dual andersrum machen.
Das heißt, Sie können auch einen npn-Transistor bauen.
Wir beschäftigen uns jetzt hier mit dem pnp-Transistor.
Wenn Sie den npn-Transistor haben, ist im Prinzip alles identisch, nur
eben dual.
Das heißt, die Dualitätseigenschaften der bayerischen Algebra kennen
Sie ja schon.
Und dann können Sie sich das herleiten, wie das funktioniert.
Wichtig hierbei ist, diese Schicht hier in der Mitte, die bezeichnet
man als die Basis.
Und die ist extrem dünn.
Ich versuche vielleicht mal hier die blaue Farbe zu verwenden.
Ich schreibe es einfach mal dazu.
Das ist ganz wichtig, denn dieses Bauteil setzt natürlich darauf, dass
Ladungsträger in die Basis diffundieren können, aber gleichzeitig von
dort kein großer Strom abgeleitet werden kann.
Das heißt, Sie haben ja so eine Diffusionslänge, also je größer ein
Abstand ist, desto weniger Teilchen diffundieren von dem einen Bereich
in den anderen.
Das heißt, wenn Sie die Basis zu groß gestalten, dann funktioniert das
Bauteil nicht, weil eben die Diffusion nicht mehr in dem benötigten
Ausmaß stattfindet.
Und wenn ich jetzt schon dabei bin, dann kann ich auch schon mal die
anderen Teile benennen.
Das werden wir aber gleich noch sehen, was es damit auf sich hat.
Wir haben also den Kollektor und den Emitter.
Und die Idee ist, wenn wir uns das einfach mal vorstellen, dann dürfte
hier ja prinzipiell von dem, was wir gerade gelernt haben, kein
Stromfluss stattfinden, wenn wir die Basis mal ignorieren.
Denn wir haben einen PN-Übergang und wir haben einen NP-Übergang.
Das heißt, egal ob wir jetzt hier Plus und hier Minus anlegen oder
hier Minus und hier Plus, es wird erstmal kein Strom fließen, weil
einer der beiden Halbleiterübergänge, der sperrt ja immer.
Das heißt, Sie haben zwei Dioden, die quasi entgegengesetzt geschaltet
sind, wie zwei Einbahnstraßen, die in unterschiedliche Richtungen
führen.
Da kann kein Strom fließen.
Jetzt ist aber der Trick, wenn wir jetzt an der Basis ein positives
Potential anlegen, dann können Ladungsträger aus der Basis in den
Kollektor diffundieren und dadurch kann dieser Übergang hier leitend
werden, während dieser Übergang ja sowieso schon leitend ist, wenn wir
eben an Kollektor und Emitter eine positive Spannung anlegen.
Und dann werden plötzlich beide Halbleiterübergänge leitend.
Das heißt, wenn beide Übergänge leitend sind, kann ein Strom von
Kollektor zu Emitter fließen.
Gleichzeitig kann aber an der Basis, wo wir ja gesagt haben, da
diffundieren auch ein paar Ladungsträger, nur ein sehr kleiner Strom
abgeführt werden, weil die Basis ja auch so dünn ist.
Das bedeutet, Sie können mit einem sehr, sehr kleinen Strom, der über
die Basis fließt, einen sehr großen Strom zwischen Kollektor und
Emitter steuern.
Und das ist im Prinzip die Funktionsweise des Bipolartransistors.
Das ist jetzt hier nochmal erklärt.
Also über die Basis wird dieses schmale, endortierte Gebiet mit
Ladungsträgern überschwemmt.
Und wenn wir das Gebiet mit Ladungsträgern überschwemmen, dann
diffundieren diese Ladungsträger auch in die benachbarten Bereiche,
weil eben unsere Basis so klein ist.
Deswegen ist es wichtig, dass die Basis klein ist.
Das sind die beiden Ströme, die wir hier eingezeichnet haben.
Also I2 war der Strom zwischen Kollektor und Emitter und I1 war der
Strom zwischen Basis und Emitter.
Und der Strom bei I2 ist um ein Wesentliches größer als der Strom bei
I1.
Das heißt, wir können mit einem winzig kleinen Strom, der über die
Basis fließt, einen sehr großen Strom steuern, der über den Kollektor
fließt.
Und das ist ein Verstärker.
Der ist in einem gewissen Bereich auch proportional.
In der Praxis ist es natürlich komplizierter.
Also die Kennlinie sieht jetzt nicht so aus, dass die Ströme einfach
proportional zueinander sind, sondern sie haben ein relativ komplexes
Verhalten.
Aber in einem gewissen Bereich, wo noch keine Sättigung stattfindet,
können Sie sagen, dass das irgendwie so angenähert proportional ist.
Und interessant ist jetzt, wir beschäftigen uns ja hier mit
Digitaltechnik.
Wir wollen eigentlich keinen Verstärker realisieren.
Wir brauchen Schalter.
Und das Ganze können wir auch als Schalter verwenden.
Wir können also mit einem sehr kleinen Strom einen größeren Strom an-
oder ausschalten.
Und das ist eigentlich das, wofür wir das Ganze brauchen.
Wobei wir uns dann mit den Feldeffekt-Transistoren befassen werden,
die jetzt gleich kommen und die wir auch nachher in dem Video nochmal
sehen werden.
Aber zunächst schauen wir uns das nochmal schematisch an.
Wie sieht das Schaltsymbol aus?
Hier haben Sie also den PNP-Transistor und den NPN-Transistor.
Und was Sie hier jetzt nicht eingezeichnet haben, was man im
Schaltsymbol auch oftmals einzeichnet, das sind die Dioden.
Also wenn Sie sich mal ein Schaltsymbol von einem PNP-Transistor
anschauen, dann werden Sie da oftmals auch zwei Dioden eingezeichnet
sehen.
Und wenn Sie das nicht wissen, was der Transistor überhaupt ist, dann
macht das überhaupt keinen Sinn, weil diese Dioden eben so aussehen,
als ob da kein Strom fließen könnte.
Aber wenn Sie jetzt wissen, dass man den Transistor eben über den
Basisstrom steuern kann, dann macht das hoffentlich ein bisschen mehr
Sinn.
Diese Beschriftung hier, die habe ich Ihnen ja schon auf die vorherige
Folie draufgeschrieben.
So, hier ist das Ganze nochmal zusammengefasst.
Wir haben also, jetzt um 90 Grad gedreht, wir haben also eine P
-Diffusionsschicht, das ist also unsere Basis, und die muss sehr
schmal sein.
Hier haben Sie positive Ladungsträger, diese allerdings nur schwach
dotiert.
Und um diese Basis herum haben Sie jetzt, also hier oben und unten,
haben Sie eine Schicht, die sehr stark negativ dotiert ist.
Deswegen ist das hier mit N+.
Also das Plus bedeutet einfach, dass es eben sehr stark dotiert ist.
Und jetzt ist nochmal das Verhalten hier erklärt.
Wenn wir jetzt eine Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter
anlegen, das heißt, wir machen mit der Basis noch nichts, das ist das,
was ich Ihnen vorhin gesagt habe, dann haben Sie die zwei Übergänge,
die aber gegeneinander gedreht sind.
Das heißt, da kann kein Strom fließen.
Der NP-Übergang zwischen Kollektor und Basis sperrt, also der hier,
und es kann kein Strom fließen.
Wenn wir jetzt aber eine kleine Spannung an die Basis anlegen, dann
diffundieren die N-Ladungsträger aus dem Emitter in die Basis und
plötzlich ist dieser, genau, die diffundieren hier rein und dann wird
dieser Übergang hier plötzlich leitfähig.
Also diese negativen Ladungsträger, das sind natürlich einfach
Elektronen.
Okay, genau, das hatten wir ja schon diskutiert.
Und das war im Prinzip die Einführung in die Bipolartransistoren.
Jetzt beschäftigen wir uns in der Digitaltechnik aber normalerweise
mit Feldeffekttransistoren.
Und diese Feldeffekttransistoren, die haben den großen Vorteil, dass
gar keine Ströme mehr fließen.
Also zumindest im Idealfall.
Natürlich fließen immer irgendwo Verlustströme oder Leckströme, aber
vom Konzept her fließt überhaupt kein Strom, sondern wir können über
einen Feldeffekt, das heißt über ein elektrisches Feld, was
entsprechend Ladungsträger in einen Kanal zieht oder von dort
entfernt, das werden wir gleich sehen, können wir den Transistor
schalten.
Und die Abkürzung für das Ganze lautet MOSFET, also es ist ein
Metalloxid -Halbleiter-Feldeffekttransistor.
Und dieser MOSFET ist folgendermaßen aufgebaut.
Das hier werden Sie vielleicht schon als Kondensator erkennen.
Also hier haben wir einen Isolator.
Und dieser Isolator isoliert das darüber liegende Gate von dem
darunter liegenden Kanal.
Das Ganze ist auch hier nochmal dargestellt.
Und dann haben Sie zwei Teile in diesem Transistor, die im
Wesentlichen symmetrisch sind, Source und Rain.
Die sind im Kontext dieser Vorlesung komplett symmetrisch, also dieser
ganze Transistor ist seitensymmetrisch.
In der Praxis muss es nicht unbedingt der Fall sein.
Aber wir gehen jetzt erstmal davon aus, dass es symmetrisch ist.
Wichtig ist jetzt noch, wie wir das Ganze dotieren.
Also hier, dieser Bereich, der ist p-dotiert.
Und jetzt können wir hier auch noch hier unten das nochmal beschriften
vielleicht.
Also hier haben wir Source und Rain.
Und hier haben wir das Gate.
Und das hier unten, das bezeichnet man als Substrat.
Es wird manchmal auch Balken genannt.
Die Idee ist jetzt, dass je nachdem welche Spannung wir am Gate
anlegen, dieser Transistor, das bedeutet die Verbindung zwischen
Source und Rain, leitfähig wird oder nicht.
Ohne dass vom Gate irgendein Strom fließt.
Das Gate ist ja vollkommen isoliert, das sehen Sie.
Also dieser Isolator, da gibt es auch keine Sperrschicht, die dann
doch irgendwie wieder Strom durchlässt oder so.
Sondern dieses Gate ist komplett isoliert, da kann kein Strom fließen.
Und da schauen wir uns jetzt an, wie das funktioniert.
Bevor wir uns das anschauen, möchte ich noch die verschiedenen Typen,
die wir hier haben, einführen.
Wir beschäftigen uns jetzt also heute zunächst mal mit dem sogenannten
selbstsperrenden N-Kanal-MOSFET.
Es gibt aber insgesamt vier Typen.
Es gibt noch den P-Kanal-MOSFET und es gibt die beiden MOSFETs auch
noch in einer selbstleitenden Variante.
Die ist für die Digitaltechnik nicht so interessant, aber das werden
wir dann gleich noch sehen.
Das sehen Sie hier nochmal aufgeschrieben.
Das heißt, die Frage ist, wenn wir uns einfach im Ruhezustand
befinden, das heißt, wir ignorieren das Gate und legen am Gate keine
Spannung an, was passiert dann?
Also entweder der Transistor leitet, das heißt es gibt zwischen Source
und Train eine leitfähige Verbindung oder er sperrt.
Und das bezeichnet man eben entsprechend als selbstsperrender bzw.
selbstleitender Transistor.
Und wie baut man das Ganze auf?
Hier taucht jetzt der Begriff des Wafers zum ersten Mal auf, glaube
ich.
Ich weiß nicht, ob der in der letzten Vorlesung war.
Dazu möchte ich jetzt an der Stelle gar nicht viel sagen, weil wir
nachher noch ein Video haben.
Das werde ich am Ende zeigen, wo eben die Chip-Herstellung bei
Infineon nochmal etwas bildlicher dargestellt wird.
Da werden Sie das dann alles sehen.
Es ist in der Praxis natürlich auch nicht so ganz so einfach, wie ich
das Ihnen hier jetzt zeige.
Auf jeden Fall wirkt das Gate als Kondensator.
Das heißt, wir haben hier oben, diese Platte ist das Gate.
Und das hier ist quasi der Kanal.
Und hier dazwischen ist der Isolator.
Also einfach eine isolierende Schicht.
Und das ist eben das, was mit dem ersten Bullet Point hier auch
gemeint ist.
Das heißt, wenn Sie diesen Transistor aufbringen, dann müssen Sie
mehrere Schichten übereinander setzen.
Und das eben mit Strukturbreiten von einigen wenigen Nanometern.
Das heißt, Sie brauchen eine Schablone und müssen das dann
entsprechend mit verschiedenen Methoden dort drauf bekommen.
So, jetzt schauen wir uns das in der Praxis an.
Jetzt haben wir also hier den MOSFET und legen eine positive Spannung
an das Gate an.
Also beziehungsweise eine Spannung bezieht sich ja immer auf zwei
Punkte.
Also immer eine Potentialdifferenz.
Und wir wollen jetzt eine positive Potentialdifferenz von Gate
bezüglich auf Source haben.
Das bedeutet, es ist ja hier schon eingezeichnet.
Das heißt, Elektronen werden in Kanal gezogen.
Das heißt, wenn wir hier oben positive Ladungsträger haben auf unserer
Gate -Elektrode, dann werden natürlich entsprechend negative
Ladungsträger auf der anderen Seite der Isolationsschicht angezogen.
Das heißt, die wandern hier in den Kanal und dadurch wird der Kanal
dann leitfähig.
Das heißt, aus dem normalerweise sperrenden Kanal, wo normalerweise
keine negativen Ladungsträger vorhanden sind, wird plötzlich ein
leitfähiger Kanal.
Als Kanal bezeichnen Sie einfach den Bereich zwischen Source und
Drain.
Also das ist jetzt kein spezifisches Bauelement, sondern das
bezeichnet eben einfach die Wegstrecke, die da entsprechend dazwischen
liegt.
Und das habe ich ja gerade schon gesagt.
Also der Kanal wird mit negativen Ladungsträgern angereichert und
dadurch wird er leitend.
Okay, der Fehler ist behoben.
Und das bezeichnen wir als N-Kanal-MOSFET, weil die Ladungsträger im
Kanal die Elektronen sind.
Das heißt, die negativen Ladungsträger.
Und der andere Fall, wenn wir eben an das Gate nichts anlegen, das
Gate hat also das gleiche Potenzial wie unser Source, dann werden
entsprechend auch keine negativen Ladungsträger im Kanal induziert und
der Transistor sperrt.
Das heißt, Sie haben einen hohen Widerstand zwischen Source und Drain.
Und bevor ich jetzt weitergehe zu dem Kennfeld, möchte ich Ihnen noch
einen Effekt vorstellen.
Das ist also die eine Sache.
Wir können also am Gate eine positive Spannung anlegen in Bezug auf
Source und dann wird plötzlich der Kanal leitfähig.
Eine andere Sache müssen wir uns aber auch noch überlegen.
Was passiert denn, wenn wir zwischen Source und Drain einen sehr
großen Potenzialunterschied haben?
Also nehmen wir mal an, wir haben zum Beispiel am Source 0 Volt, am
Gate 10 Volt und am Drain haben wir aber auch 10 Volt.
Ich möchte das jetzt hier nicht draufschreiben, weil das sonst extrem
verwirrend wird, wenn man das PDF später anschaut.
Aber stellen Sie sich das mal vor, wir haben hier 10 Volt, hier 0
Volt, nein, hier auch 10 Volt und hier 0 Volt.
Dann passiert auch das Folgende, das heißt, die ganzen negativen
Ladungsträger, die lagern sich dann hier an, aber hier drüben lagern
sich entsprechend keine negativen Ladungsträger mehr an.
Denn dort haben Sie ein niedrigeres Potenzial, das heißt die negativen
Ladungsträger, die gehen natürlich bevorzugt hier rüber.
Und das bezeichnet man als Pinch-Off-Effekt, das bedeutet, Sie müssen
nicht nur die Spannung, die am Gate anliegt, betrachten, sondern Sie
haben auch so eine Art Sättigung.
Wenn Sie eine sehr große Potenzialdifferenz haben zwischen Source und
Drain, dann gibt es irgendwo den Punkt, wo eben auch die Leitfähigkeit
Ihres Kanals wieder abnimmt.
Und das können wir uns jetzt im Kennfeld mal anschauen.
Also prinzipiell, was wir zunächst mal sehen, das ist höhere
Potenzialdifferenz am Gate, mehr Ladungsträger im Kanal.
Und das sehen Sie hier sehr anschaulich.
Also jeder dieser Kurven entspricht einer Potenzialdifferenz zwischen
Gate und Source.
Und nach oben hin steigen die an.
Das heißt, wenn wir zwischen Gate und Source keine Potenzialdifferenz
haben, dann kann unsere Spannung oder unsere Potenzialdifferenz
zwischen Drain und Source extrem groß werden.
Da fließt kaum ein Strom.
Das entspricht eben einem Isolator.
Das heißt, der Kanal leitet keinen Strom.
Klar, wenn Sie sehr große Spannung haben, gibt es da wieder ganz
andere Effekte.
Dann gibt es auch wieder so einen Durchbruch.
Aber das sind alles Sachen, mit denen wir uns jetzt hier nicht
beschäftigen wollen.
So, jetzt legen Sie am Gate eine positive Spannung an.
Dann schaltet der Transistor durch.
Das heißt, je größer die Gatespannung wird, desto besser ist die
Leitfähigkeit.
Und das ohmsche Gesetz kennen Sie ja.
Also nach dem ohmschen Gesetz berechnet sich dann die Stromstärke eben
aus der Spannung und dem Widerstand.
Das heißt, wenn der Widerstand kleiner wird, fließt hier ein
entsprechend größerer Strom zwischen Source und Drain.
Gleichzeitig aber sehen Sie, wenn die Spannung größer wird zwischen
Source und Drain, dann steigt dieser Strom nicht proportional dazu an,
wie man das erwarten würde, sondern es passiert genau das, was ich
Ihnen gerade gezeigt habe, das Pinch-off, dass eben die Ladungsträger
im Kanal nicht mehr gleichmäßig verteilt sind, sondern die dann so
keilförmig auf einer Seite hängen und dadurch entsprechend dann der
Strom nicht weiter ansteigen kann.
Beziehungsweise der Widerstand sinkt nicht weiter dann in dem Fall.
Das gleiche können wir uns auch bei dem P-Kanal MOSFET anschauen.
Das können wir jetzt auch noch schnell behandeln.
Sie sehen jetzt zunächst mal, jetzt haben wir hier das Substrat N
dotiert und Source und Drain sind P dotiert.
Wenn wir hier jetzt an unseren Gate keine Spannung anlegen, das heißt,
Gate und Source haben keine Potentialdifferenz, dann ist dieser Kanal
selbstsperrend wie bisher, also da hat sich nichts geändert.
Es werden also keine Ladungsträger im Kanal induziert.
Wenn wir jetzt aber eine negative Spannung an das Gate anlegen,
dann werden plötzlich positive Ladungsträger im Kanal angereichert und
dann wird hier der Kanal auch wieder leitfähig.
Das heißt,
Gate, Source, negative Potentialdifferenz.
Und beide Transistoren sind selbstsperrend, weil bei beiden
Transistoren nichts passiert, solange wir eben keine Spannung von Gate
in Bezug auf Source anlegen.
Hier sehen Sie nochmal das Kennfeld.
Das Kennlinienfeld hier ist genau punktsymmetrisch zum Ursprung.
Das heißt, wenn Sie keine Spannung... also hier haben Sie wieder die
Train -Source-Spannung, hier haben Sie über mehrere Linien
entsprechend die Gate-Source-Spannung aufgetragen.
Wenn die Gate-Source-Spannung null ist, dann haben Sie hier wieder
einen Isolator, also es fließt kein Strom.
Und wenn Sie entsprechend hier eine Gate-Source-Spannung anlegen, die
eben negativ ist, dann können abhängig von Ihrer Train-Source-Spannung
auch ein Strom fließen.
Die Achse ist hier nach unten dargestellt, einfach damit das
punktsymmetrisch aussieht.
Jetzt können wir das auch noch selbstleitend aufbauen.
Bei dem selbstleitenden MOSFET haben wir schon Ladungsträger
eingebracht.
Das heißt, in unserem Kanal bringen wir positive Ladungsträger ein bei
der Herstellung von diesem Transistor, was dazu führt, dass selbst
ohne eine anliegende Spannung hier schon negative Ladungsträger im
Kanal induziert werden.
Ansonsten ist das genau das Gleiche.
Das ist der N-Kanal-MOSFET, wie Sie ihn vorhin gesehen haben.
Aber Sie haben eben hier in dieser Siliziumdioxid-Schicht schon
negative Ladungsträger induziert, obwohl Sie noch gar nichts am Gate
angelegt haben.
Der ist also selbstleitend.
Das heißt, wenn wir nichts ans Gate anlegen, leitet er schon.
Und wenn wir jetzt wollen, dass dieser MOSFET hier sperrt, dann müssen
wir eine negative Spannung anlegen.
Das heißt, wir müssen hier oben eine negative Spannung anlegen, die so
groß ist, dass wir hier diese negativen Ladungsträger abstoßen, dass
wir die aus dem Kanal verdrängen.
Das heißt, wir müssen diese negative Spannung anlegen.
Und das führt im Endeffekt dazu, wenn wir uns jetzt in der
Digitaltechnik aufhalten, dass wir eine positive Spannung und eine
negative Spannung benötigen.
Wir benötigen also die positive Spannung, die ja die logische Eins
repräsentiert, und wir benötigen die negative Spannung, die wir
brauchen, um überhaupt irgendeinen Transistor mal sperren zu lassen.
Das Kennlinienfeld ist hier dargestellt.
Und in diesem Kennlinienfeld können Sie eben hier auch sehen, wenn Sie
am Gate Gate Source Spannung von 0 Volt anlegen, dann haben Sie hier
schon einen gewissen Stromfluss.
Also hier fließt schon, natürlich auch abhängig von der Drain Source
Spannung, ein Strom zwischen Drain und Source.
Und erst wenn Sie eine negative Spannung anlegen, also hier bei minus
1 Volt, oder wenn Sie noch eine noch negativere Spannung anlegen, erst
dann würde der Kanal anfangen zu sperren.
So, wie sieht das Ganze in der Schaltung aus?
Wir haben eben hier diese Unterscheidung zwischen selbstsperrend und
selbstleitend.
Schauen wir uns erstmal die selbstsperrenden an.
Das bezeichnet man auch als Anreicherungstyp.
Anreicherungstyp ganz einfach deswegen, weil sich eben Ladungsträger
im Kanal anreichern.
Auf der anderen Seite haben wir den Verarmungstyp.
Da haben wir standardmäßig die Ladungsträger im Kanal und müssen die
verdrängen.
Das heißt, wir müssen den Kanal verarmen, was die Ladungsträger
angeht.
Und jetzt haben wir hier auf der linken Seite den selbstsperrenden P
-Kanal -MOSFET und hier den Endkanal-MOSFET.
Und wenn Sie sich die Pfeile anschauen, dann zum einen zeigen Ihnen
die Pfeile sehr schön, was hier eigentlich passiert, wenn Sie eine
Spannung anlegen.
Also der P-Kanal-MOSFET, wenn Sie hier eine positive Spannung anlegen,
dann fängt er an zu sperren.
Zum anderen, also eine Gate-Source-Spannung, muss man immer dazu
sagen.
Auf der anderen Seite entsprechen diese Pfeile aber genau der
Darstellung bei den Bipolartransistoren.
Also wenn Sie das vergleicht bei den Bipolartransistoren, da zeigen
die Pfeile in die gleiche Richtung.
Also eigentlich müssen Sie sich das nur dort merken.
Und hier bei den selbstleitenden Transistoren sehen wir im Schaltbild,
dass hier die Linie durchgezogen eingezeichnet ist.
Das repräsentiert einfach die Selbstleitung, also hier haben Sie eine
Unterbrechung, hier haben Sie das durchgezogen.
Die sind, wie gesagt, jetzt im Rahmen der Digitaltechnik nicht weiter
von Interesse.
Aber zu einer Einführung der MOSFETs gehören sie eben genauso dazu.
So, die letzten Anmerkungen.
Source und Drain sind physikalisch identisch.
Habe ich Ihnen schon gesagt, das muss in der Praxis nicht unbedingt so
sein.
Mit dieser Aussage sollte man ein bisschen vorsichtig sein.
Soweit es hier die Vorlesung betrifft, sind sie identisch.
Und es ist nur eine Sorte von Ladungsträgern für den Stromtransport
verantwortlich, nämlich das, was im Kanal ist.
Das heißt, bei NMOS-Transistoren sind es die Elektronen.
Also die Elektronen, die wir in dem Kanal induzieren, die sind für den
Stromtransport verantwortlich.
Und bei PMOS-Transistoren sind es die Defekt-Elektronen, das heißt die
Löcher.
Die Löcher, die quasi ein positiv geladenes Teilchen repräsentieren,
was es so eigentlich nicht gibt.
Okay.
Das Video schauen wir zum Schluss.
Ich habe die Folie hier mal drin gelassen.
Und jetzt gehen wir zunächst mal weiter in die Schalterebene.
Ich glaube, das kann ich noch machen.
Das schaffe ich zeitlich ziemlich gut heute.
Diesen MOSFET können wir als Ein-Out-Schalter betrachten.
Das heißt, je nachdem, was wir an das Gate anlegen, gibt es eine
Verbindung zwischen Source und Drain oder es gibt eben keine
Verbindung.
Und jetzt sind wir in der Digitaltechnik und wir definieren jetzt
einfach ein hoher Spannungspegel, der repräsentiert jetzt die logische
1, da zum Beispiel ein 5 Volt, während ein niedriger Spannungspegel
meistens eben einfach 0 Volt, also die Erde, eine logische 0
repräsentiert.
Und das ist ja alles, was wir brauchen.
Ansonsten brauchen wir ja keine Werte.
Und wenn wir das als Schalter darstellen, dann schaltet der
selbstsperrende NMOS-Transistor dann durch, wenn am Gate eine logische
1 anliegt.
Das heißt, wenn wir am Gate eine positive Spannung in Bezug auf Source
anlegen, schaltet der NMOS-Transistor durch.
Während der PMOS-Transistor dann durchschaltet, wenn wir eine 0
anlegen, also wenn hier das Potential gleich ist zwischen Gate und
Source, dann würde dieser Transistor durchschalten.
Wenn wir jetzt hier in Bezug auf hier eine positive Spannung anlegen,
zum Beispiel die 5 Volt, würde dieser Transistor plötzlich sperren.
Und das sind die beiden Bauelemente, die wir brauchen.
Und jetzt haben wir beide Transistoren eingeführt, das heißt, es ist
logisch, dass wir jetzt im Folgenden auch beide verwenden wollen.
Bevor wir das aber machen, im Rahmen von CMOS, möchte ich Ihnen noch
zeigen, dass diese Transistoren unterschiedliche Stärken haben.
Das ist das, was jetzt auf der nächsten Folie kommt.
Und das ist einfach die Veranschaulichung, manche eben durchschalten.
Das scheint zunächst kontraintuitiv, also warum schaltet der eine
Transistor die 1 besser und der andere die 0.
Deswegen möchte ich das mit einer Darstellung veranschaulichen.
Also hier haben wir das Gate und machen wir mal hier oben das Drain
hin.
Hier ist Source und hier dazwischen ist unser Kanal.
Und jetzt legen wir hier Werte an.
Jetzt legen wir mal zunächst die 1 an.
Wir betrachten den Fall, dass der Transistor schaltet.
Es geht ja um das Durchschalten.
Das heißt, dieser NMOS-Transistor schaltet ja dann durch, wenn eine
positive Spannung am Gate anliegt.
Das heißt, wir gehen davon aus, dass hier die 1 anliegt.
Und wir gehen davon aus, dass wir eine 1 durchschalten wollen.
Es geht uns darum, die 1 durchzuschalten.
Das heißt, wir haben hier oben und hier unten die 1.
Und jetzt sehen wir schon, jetzt gibt es natürlich zwischen Gate und
Source keine sehr große Potentialdifferenz.
Es liegt ja quasi überall eine 5 Volt an.
Das heißt, die Potentialdifferenz zwischen Gate und Source ist relativ
gering.
Das heißt, es werden wenige Ladungsträger induziert.
Ich zeichne das jetzt vielleicht mal.
Wenige Ladungsträger im Kanal.
Und jetzt wollen wir die 0 durchschalten.
Das heißt, wir wollen immer noch durchschalten.
Das heißt, am Gate liegt immer noch die 1.
Aber hier haben wir jetzt jeweils die 0.
Und die wollen wir durchschalten.
Und jetzt ist die Potentialdifferenz natürlich viel größer.
Das heißt, jetzt haben wir hier mehr Ladungsträger im Kanal.
Und mehr Ladungsträger im Kanal bedeutet automatisch geringerer
Widerstand.
Und wir können das uns nochmal als Schaubild hier veranschaulichen.
Wir haben also jetzt hier den Widerstand unseres NMOS-Transistors.
Also er ist immer der Widerstand.
Und hier unten haben wir die Spannung.
Und da geht es jetzt darum, was wir durchschalten wollen.
Wenn wir also die 0 durchschalten wollen und die 1 durchschalten
wollen, und dann werden wir hier sowas beobachten, dass je größer das
Signal ist, was wir durchschalten wollen,
desto größer ist der Widerstand, den wir hier überwinden müssen.
Das heißt, desto schlechter können wir das eigentlich durchschalten.
Das heißt nochmal zusammengefasst, wir wollen eigentlich einen großen
Abstand oder eine große Potentialdifferenz zwischen Source, Drain und
Gate haben, damit wir möglichst viele Ladungsträger in den Kanal
ziehen können.
Das gleiche können wir uns jetzt auch für den PMOS-Transistor
anschauen.
Wir haben also hier unser Gate und an dem Gate liegt eine 0 an.
Denn wir wollen ja etwas durchschalten und der PMOS-Transistor leitet
ja, wenn wir eine 0 anlegen, wir werden gleich sehen, warum.
Hier ist also unser Source, da liegt jetzt die 1.
Und hier haben wir das Drain, da liegt auch die 1, also wir wollen
wieder die 1 durchschalten.
Und jetzt haben wir hier den PMOS-Transistor.
Und was passiert jetzt bei der 1?
Wir haben hier nur eine kleine Potentialdifferenz,
während wir eben bei der 0 die 0 besser durchschalten können.
Okay, aber die Konsequenz ist auf jeden Fall die, dass wir eine 0
eigentlich mit dem NMOS-Transistor immer schalten wollen und eine 1
immer mit dem PMOS-Transistor.
Und wenn wir jetzt ein Signal haben, ein beliebiges Signal, was eine 0
oder eine 1 sein können, und wir wollen das zuverlässig durchschalten,
brauchen wir eigentlich beide Transistoren, weil wir wollen das Signal
ja mit einem niedrigen Widerstand durchschalten.
Und die Idee ist, dass wir einfach beide Transistoren parallel
schalten.
Das heißt, wenn wir beide Transistoren parallel schalten, dann ist es
egal, ob da eine 0 oder eine 1 anliegt, weil in beiden Fällen gibt es
einen Transistor, der einen niedrigen Widerstand hat.
Das heißt, in der Parallelschaltung liegt ja der Widerstand der
Parallelschaltung unter dem Widerstand der beiden einzelnen Bauteile.
Das heißt, wenn wir einen Weg haben mit niedrigem Widerstand, reicht
uns das schon vollkommen aus.
Und das bezeichnen wir dann als Transmission Gate.
Das ist also hier zu sehen.
Und das Transmission Gate funktioniert folgendermaßen.
Wir haben eben hier einen Eingang und hier einen Ausgang und wir
wollen den Eingang möglichst gut auf den Ausgang durchschalten.
Also wir wollen das an- und ausschalten können über unser G1 und G2,
wobei G1 und G2 immer komplementär sind hier bei dem Transmission
Gate.
Und gesucht ist, dass wir eben immer einen Weg mit niedrigem
Widerstand haben.
Okay, und das haben wir jetzt hier erreicht.
Denn nehmen wir mal an, also wir betrachten den Fall, dass wir das
Ganze durchleiten.
Das heißt, nehmen wir an, unser G2 ist 1 und G1 ist 0.
Dann würde das Transmission... die sind ja komplementär.
Das heißt, wenn G2 1 ist, ist G1 automatisch 0.
Dann würde das Transmission Gate leiten.
Ansonsten würde es sowieso sperren.
Der andere Fall ist uninteressant.
Und das ist das, was hier steht.
Also G2 hohe Spannung, G1 niedrige Spannung.
Zustand des Transmission Gates ist leitend.
Und wenn jetzt unser Eingang der 1 ist, dann können wir die 1 einfach
über den PMOS Transistor schalten.
Und wenn unser Eingang 0 ist, entsprechend über den NMOS Transistor.
Das heißt, wir haben in beiden Fällen einen Weg mit niedrigem
Widerstand.
Das können wir uns auch nochmal genauer anschauen jetzt.
Ich weiß nicht, ob wir uns das genauer anschauen müssen.
Haben Sie das soweit verstanden, die Erklärung?
Wer möchte es nochmal erklärt haben, nochmal alle Fälle
aufgeschlüsselt?
Okay, es melden sich ein paar.
Dann schauen wir uns das nochmal an.
Also wir haben hier den Eingang und wir haben hier den Ausgang.
Und wir möchten von Eingang zu Ausgang eine leitfähige Verbindung
haben mit möglichst geringem Widerstand.
Und jetzt wissen wir schon, unsere Transistoren haben unterschiedliche
Stärken.
Das heißt, wir wollen beide parallel schalten, damit wir beide Fälle
eben abgedeckt haben.
Dann haben wir hier oben unser G2 angeschlossen und hier unten unser
G1.
Das sind eben die beiden Transistoren.
Das hier unten ist eben der PMOS-Transistor und oben haben wir den
NMOS -Transistor.
Wobei eben gilt, G2 und G1 sind komplementär.
Und jetzt betrachten wir die beiden Fälle.
Also hier haben wir den, das ist jeweils Source, Source.
Das ist jeweils Drain.
Und das hier ist eben das Gate entsprechend.
Jetzt betrachten wir, es gibt ja insgesamt vier Fälle.
Entweder wir leiten oder wir sperren.
Und in jedem dieser beiden Fälle gibt es die Möglichkeit, wir haben
eine 1 oder eine 0 anliegend.
Jetzt betrachten wir zunächst mal den Fall, dass wir leiten.
Leitend, das bedeutet, an unserem PMOS-Transistor, also hier unten an
dem PMOS-Transistor, liegt eine 0 an.
Also G1 ist 0 und G2 ist dann entsprechend 1.
Und der erste Fall ist, wir haben eine 0 anliegen.
Das heißt, wir wollen die 0 durchschalten an den Ausgang.
Und da haben wir jetzt zunächst mal die Spannung zwischen G2 und
Source.
Also hier oben, also hier ist ja die 0.
Hier ist die 1, das heißt, die Spannung ist positiv.
Das heißt, unser NMOS-Transistor leitet, also der obere Transistor
leitet.
Und was ist mit unserer anderen Spannung?
G1 ist ja 0, E ist auch 0, das heißt, die ist 0.
Das heißt, der PMOS-Transistor sperrt.
Und der zweite Fall,
da haben wir eine 1 anliegen.
Und hier oben haben wir immer noch die 1.
Das heißt, hier haben wir jetzt eine Potentialdifferenz von 0.
Das heißt, unser NMOS-Transistor sperrt.
Und auf der anderen Seite,
hier haben wir die 0 anliegen, hier haben wir jetzt aber die 1.
Das heißt, diese Potentialdifferenz, die ist negativ.
Also hier haben wir was, was kleiner ist als hier.
Und das bedeutet, der PMOS-Transistor leitet.
Genau.
Dann haben wir natürlich noch den zweiten Fall.
Ich gucke mal, wie ich den jetzt hier draufkriege.
Ich schreibe es mal hier unten hin.
Sperrend.
Das bedeutet, G1 ist 1 und G2 ist nicht G1.
Das heißt 0.
Und in dem Fall haben wir auch wieder die beiden Fälle.
Also wieder der erste Fall.
Der erste Fall, wir wollen die 0 durchschalten.
Dann ist unsere Spannung zwischen G2 und S.
Also E ist 0, G2 ist auch 0.
Das heißt, die Spannung ist 0.
Das heißt, der NMOS-Transistor sperrt.
Aber unsere Spannung zwischen G1 und S.
G1 ist hier.
G1 ist ja 1.
Unser Eingang ist aber 0.
Das heißt, die ist größer 0.
Aber unser PMOS-Transistor leitet ja nur, wenn sie kleiner 0 ist.
Das heißt, der PMOS-Transistor sperrt auch.
Und hier sehen Sie schon, beide sperren.
Das heißt, es gibt hier keine leitfähige Verbindung.
Ich mache gleich noch den letzten Fall.
Während wir hier eben die leitfähige Verbindung immer in dem
Transistor haben, der gut geeignet ist, um die jeweilige Eingabe zu
leiten.
Also im Fall E0, E gleich 0, leitet unser NMOS-Transistor.
Und in dem Fall, dass wir die 1 durchstellen wollen, leitet unser PMOS
-Transistor.
Jetzt haben wir hier nochmal, machen wir hier mal einen Strich, haben
wir hier noch den zweiten Fall.
Der zweite Fall, also eigentlich der dritte und der vierte Fall.
Also erstens, und hier haben wir UG2S.
Schauen wir uns das wieder an.
G2 ist ja 0, E ist aber 1.
Das heißt, die Potentialdifferenz ist kleiner 0.
Das heißt, unser NMOS-Transistor sperrt.
Und der letzte Fall, UG1S.
G1 ist 1, unsere Eingabe ist auch 1.
Das heißt, die Potentialdifferenz ist 0.
Und das bedeutet, der PMOS-Transistor, der sperrt auch.
Das heißt, auch hier sperren beide Transistoren.
Das heißt, wir haben hier den sperrenden Fall eben erfüllt.
Okay, gibt es dazu Fragen?
Okay, dann gehen wir nochmal einen kleinen Schritt zurück.
Das ist total simpel, das wurde ja auch letzte Woche schon gezeigt.
Das ist aber wichtig für das, was ich jetzt motivieren möchte.
Nämlich CMOS.
Wir haben also hier eine technische Realisierung von logischen
Bauteilen mit einem Schaltermodell.
Vergessen Sie das Ganze mit den Transistoren.
Wir haben einfach Schalter, wir haben hier eine Spannung und wir haben
eine Lampe.
Und wir haben hier zwei Schalter in Reihe geschaltet.
Und das bedeutet, wenn wir die in Reihe schalten, kann hier der Strom
nur fließen, wenn wir beide Schalter schließen.
Ganz einfach.
Wenn wir das parallel schalten, entsprechend die Lampe kann brennen.
Also der Strom fließt, wenn einer der beiden Schalter geschlossen ist.
Jetzt haben wir aber ein Problem.
Also diese Verknüpfung hatten wir schon, mit diesem einfachen Modell.
Wie würden Sie einen Inverter realisieren?
Und das ist nicht so einfach.
Den Inverter können Sie natürlich so realisieren, mit einem
Arbeitswiderstand.
Das heißt, Sie sagen, Sie haben Ihre Eingabe A, die liegt ja an dem
Schalter an.
Wenn die Eingabe A 0 ist, ist dieser Schalter offen und dann ist der
Ausgang über einen Arbeitswiderstand mit der Spannung verknüpft.
Das heißt, dann liegt hier die Spannung, die Versorgungsspannung am
Ausgang an.
Beziehungsweise umgekehrt, wenn A 1 ist, ist der Schalter geschlossen
und dann wird hier der Ausgang entsprechend auf Erde gezogen, auf 0
gezogen.
Wir können aber ein Problem hier schon identifizieren.
Denn der linke Fall ist okay, aber schauen wir uns mal den rechten
Fall an, den aktiven Zustand.
Sie haben hier den Schalter geschlossen, das bedeutet aber auch, Sie
haben eine Verbindung von Ihrer Versorgungsspannung zur Erde über den
Widerstand.
Das heißt, solange Sie in diesem Zustand sind, fließt permanent ein
Strom, das ist letztendlich ein nutzloser Strom, der trägt nichts zu
der Funktion Ihrer Schaltung bei und verursacht nur Abwärme, die Sie
abführen müssen.
Das wollen Sie nicht haben.
Das heißt, im nächsten Schritt wollen wir jetzt diese simplen Schalter
hier ersetzen durch unsere MOSFETs, also durch unsere
Halbleiterschalter, mit denen wir ja auch schalten können.
Und das ist genau das, was wir jetzt bei CMOS machen.
Und wenn Sie das als Schalter darstellen wollen, als idealer Inverter,
dann würde das eben so aussehen, dass Sie eben genau entweder Ihre
Versorgungsspannung oder Ihre Erde auf den Ausgang schalten.
Und das werden wir sehen, das ist genau das, was CMOS macht.
Bei CMOS haben Sie also zwei komplementäre Transistorennetze und genau
eins der beiden Transistorennetze ist leitend, also das gesamte Netz
als Gesamtheit und das andere ist sperrend.
Und das eine verbinden Sie von Ihrer Versorgungsspannung mit dem
Ausgang und das andere von Ihrer Erde mit dem Ausgang.
Das heißt, Sie haben niemals eine leitende Verbindung zwischen Ihrer
Versorgungsspannung und der Erde, sondern Sie haben immer entweder
genau die Versorgungsspannung oder die Erde auf den Ausgang
geschaltet.
Das heißt, der Ausgang hat immer einen definierten logischen Wert,
einen definierten Spannungspegel, aber es gibt eben niemals diese
leitende Verbindung.
Und das ist das, was Sie hier sehen.
Jetzt könnten Sie natürlich sagen, ja, wenn das so ist, warum
verbraucht dann ein Computer überhaupt Strom?
Die Frage wäre auch gerechtfertigt, aber tatsächlich geht natürlich in
dem Moment, also zum einen, wenn Strom fließt, Widerstände sind nie
null, auch bei einer Leitung.
Das heißt, es gibt immer irgendwo entsprechend Abwärme, Sie haben
immer irgendwo Leckströme und beim Umschalten wird aber auch Strom
benötigt.
Das gilt also, was ich gerade gesagt habe, nur im statischen Fall.
Im dynamischen Fall, wenn Sie Umschaltevorgänge haben, jedes Gate
entspricht einem Kondensator und das Aufladen dieses Kondensators
führt eben auch zu entsprechenden Verlusten.
Okay, ich glaube, die Idee kann ich Ihnen noch vorstellen.
Die konkrete Realisierung machen wir dann wahrscheinlich nächste
Woche.
Am Donnerstag machen wir voraussichtlich eine Übung.
Aber die Idee kann ich Ihnen noch vorstellen.
Wir haben also hier,
das ist die grundsätzliche Idee.
Hier sehen Sie es in einem ganz einfachen Beispiel für ein Inverter.
Das ist ein Inverter, das werden wir gleich noch sehen.
Und ich habe ja schon gesagt, es gibt zwei Transistorennetze.
Das eine verbindet die Versorgungsspannung mit dem Ausgang und das
andere Netz verbindet die Erde mit dem Ausgang.
Jetzt betrachten wir den ganz einfachsten Fall überhaupt.
Das ist der Inverter.
Im Inverter bestehen beide Netze aus jeweils genau einem Transistor.
Und zwar haben Sie das P-Netz.
Das P-Netz, wenn Sie das hinzeichnen, zeichnen Sie das typischerweise
oben ein, weil Ihre Versorgungsspannung oben ist.
Und dann haben Sie das N-Netz.
Das besteht eben aus einem NMOS-Transistor.
Das zeichnen Sie dann typischerweise unten ein, da wo Ihre Erde ist.
Und schauen wir uns das mal einfach an hier.
Wir haben also, oder ich glaube es kommt auch noch auf der nächsten
Folie, hier den Fall.
Nehmen wir mal an, unsere Eingabe ist 0.
Also hier haben wir eine 0 anliegen.
Und dann haben wir ja hier zwischen diesem Source und diesem Gate,
also dieser 0, eine positive Spannungsdifferenz.
Also hier liegt Plus U an, also die Versorgungsspannung.
Hier liegt eine 0 an, das heißt hier haben wir eine positive
Spannungsdifferenz.
Das heißt, dieser Transistor schaltet durch.
Also hier T1, der PMOS-Transistor, der leitet, der schaltet durch.
Gleichzeitig haben wir aber hier eine nicht existente
Spannungsdifferenz.
Das heißt, hier haben wir die 0 und hier haben wir Erde, also auch die
0.
Das heißt, hier haben wir keine Spannungsdifferenz.
Das heißt, T2, also der NMOS-Transistor hier unten, sperrt.
Das bedeutet, dieses Netz hier oben, das aus einem Transistor besteht,
leitet.
Dieses Netz sperrt.
Das heißt, Sie haben hier die Versorgungsspannung am Ausgang anliegen.
Das heißt, Sie geben eine 0, hier liegt eine 0 an, also die Erde.
Und hier kommt die Versorgungsspannung raus.
Sie haben also die 0 zu einer 1 invertiert.
Anderer Fall, also hier ist es nochmal dargestellt.
Anderer Fall, Sie legen die Versorgungsspannung an, Sie legen die 1
an.
Dann haben Sie hier keine Potentialdifferenz.
Das heißt, T1 sperrt.
Gleichzeitig haben Sie aber hier die Potentialdifferenz, die negative
Potentialdifferenz, also von Source zu Gate hier, haben Sie die
negative Potentialdifferenz, die notwendig ist, dass dieser NMOS
-Transistor hier unten leitet.
Und dann haben Sie den Ausgang hier auf die Erde gezogen.
Das heißt, Sie haben die 1, die am Eingang anliegt, zu einer 0 am
Ausgang invertiert.
Und das ist, wie gesagt, der Inverter in CMOS-Technologie.
Das habe ich Ihnen gerade schon erklärt.
Das ist genau das, was ich gesagt habe.
Und wichtig ist, egal was wir anlegen, es schalten niemals beide
Transistoren.
Das heißt, es gibt keine Verbindung von hier oben nach hier unten.
Das heißt, es gibt, solange wir eben keine Übergänge jetzt betrachten
und keine Leckströme und so weiter, keinerlei Stromfluss und damit
eben entsprechend auch keinen Energieverbrauch.
Jetzt habe ich noch NENT und NOA.
Die sind nicht weiter schwierig, das sind die Grundelemente, die Sie
eben verwenden, wenn Sie eine CMOS-Schaltung aufbauen.