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VomTransistorzurSchaltung
Dieses Kapitel behandelt den Bottom-Up-Entwurf digitaler Grundschaltungen
und die Zusammenhänge zwischen der Schaltungsstruktur, der Geschwindig-
keit und der Schaltungsgröße. Die Schaltungstechnik der heutigen hochinte-
grierten Schaltkreise ist fast ausschließlich CMOS und darauf wird sich auch
dieses Kapitel beschränken.
4.1 Entwurf und Modellierung von CMOS-Gattern
Ein CMOS-Gatter besteht im Wesentlichen aus zwei Arten von Schaltelemen-
ten:
• Low-Side-Schalter (NMOS-Transistoren) und
• High-Side-Schalter (PMOS-Transistoren).
Aus diesen werden nach einfachen Konstruktionsregeln Gatter, Speicherzellen
und andere Grundschaltungen zusammengesetzt, die ihrerseits als Bausteine
für komplexere Funktionseinheiten dienen.
4.1.1 MOS-Transistoren als Schalter
Ein MOS-Transistor ist ein Halbleiterbauteil mit den vier Anschlüssen Drain
(D), Source (S), Gate (G) und Substrat (bzw. Bulk, B). Zwischen Drain und
Source - zwei hoch dotierten Halbleitergebieten - befindet sich das Gate, das
die Leitfähigkeit des darunter liegenden Kanals steuert. Das Gate ist durch
eine dünne Isolationsschicht und das Substrat durch gesperrte pn-Übergänge
vom Source, vom Drain und vom Kanal getrennt (Abb. 4.1). Bei einem NMOS-
Transistor sind die Source- und Drain-Gebiete und der eingeschaltete Kanal
n-leitfähig und bei einem PMOS-Transistor p-leitfähig. Das Substrat hat je-
weils den anderen Leitfähigkeitstyp. N-leitfähig heißt, dass die beweglichen
Ladungsträger negativ geladene bewegliche Elektronen, und p-leitfähig, dass
