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Schauen wir uns an, wie der Aufbau zweier grundlegender Typen von MOS vor sich geht.
Wenn man diese zwei grundlegenden Typen miteinander verbindet, dann erhält man den ersten und einfachsten CMOS-Baustein, den Inverter. Bild 1 zeigt den Aufbau eines n-Kanal-Anreichungs-MOS-Baustein. Der Grundblock besteht aus p-dotiertem Silizium. Anschließend werden zwei Anschlüsse in den Silizium-Block diffundiert. Dadurch werden zwei n-leitende Silizium-Bereiche aufgebaut. Die Kontaktfläche zwischen dem n-Bereich und dem p-Bereich wird eine pn-Sperrschicht, auch junction, genannt. Sie wird stromführend, wenn p positiv gegenüber n ist.
Bild 1
Die Zuleitung zum p-dotierten Grundblock nennt man Substrat, einen der n-Bereiche nennt man Quelle (source) und den anderen Bereich Senke (drain). Damit dieser Baustein leitend wird muß man den Stromfluß zwischen Source und Drain zu steuern. Um das zu verwirklichen braucht man ein ganz speziellen Kondensator zwischen dem Source und den Drain auf der Oberfläche.
Der Kondensator besteht aus einem Dielektrikum oder isolierten Lage aus Silizium-Dioxyd, Glas oder irgendeinem anderen Isolator. Auf der Oberseite dieses Isolators bringt man nun einen neuen Anschluß an den wir Gate nennen. Das Gate kann entweder aus Metall oder Silizium bestehen, solange es nur leitend ist. Metall-Gatter sind älter und einfacher, jedoch Silizium-Gatter sind empfindlicher, schnell und kleiner.
In Bild 2 ist das Source und das Substrat geerdet und das Drain mit einer positiven Spannung +V über einen Lastwiderstand verbunden. Der Gate Eingang ist ebenfalls geerdet. Da der Eingang nun geerdet ist existiert keine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Platten des Kondensators. Der Transistor sperrt. Am Ausgang liegt daher eine positive Spannung an.
Wenn man das Gate aber nun mit der positiven Spannungsquelle verbindet dann wird der Kondenstor aufgeladen. Das Silizium verwandelt sich in ein n-leitendes Material an der Oberfläche. Es entstand ein n-leitendes Source, verbunden mit einem schmalen n-Bereich unter dem Gate mit einem n-leitenden Drain, wodurch sich ein kontinuierlicher n-Bereich vom Source zum Drain bildet. Der n-Kanal stellt einem sehr niedrigen Widerstand dar, so daß der Ausgang nahezu auf Masse geht. Der Transistor wurde also eingeschaltet indem ihm eine positive Gate-Spannung zugeführt wurde.
Bild 2
Und um den Transistor wieder abzuschalten braucht man nur das Gate zu erden bzw. auf Masse zu legen. Der Betrag der Spannung, der zum Einschalten benötigt wird, nennt man Schwellenspannung und beginnt bei etwa einem Volt aufwärts. Abhängig vom Baustein.
Da der Transistor normalerweise abgeschaltet ist, und um ihn einzuschalten man ihm etwas zuführen muß, nennt man ihn einen Anreicherungstyp (enhancement-mode).
Das war bis hierher nur der grundlegende Aufbau und kein CMOS-Baustein.
Wenn man jetzt zwei Transistoren nimmt, einen n-Kanal-MOS-Transistor und einen p-Kanal-MOS-Transistor, und sie in Reihe schaltet, dann erhält man den ersten CMOS-Baustein.
Bild 3.
Bild 1.7
Durch diese Zusammenschaltung ergeben sich nun folgende Vorteile:
Der Ausgang ändert sich genau in der Hälfte zwischen den beiden Extremwerten der Stromversorgung +V und der Masse, wodurch das Diagramm genau in Mitte geteilt wird.
Bild 4
Bild 1.8
CMOS-Eigenschaften
0 Die Eingänge aller Bausteine haben nahezu unendlich hohen Widerstand und sind daher leicht anzusteuern.
0 Der Stromversorgung wird keine Leistung entnommen, mit Ausnahme bei Änderungen des Eingangs-Logik-Zustandes. Der Betriebsstrom ist extrem niedrig, speziell bei niedrigen Frequenzen.
0 Die Logikänderungen von High auf Low treten genau bei der Hälfte der Betriebsspannung auf , wodurch sich eine ausgezeichnete Rauschunempfindlichkeit ergibt.
0 Die Schaltungen arbeiten über einen breiten Betriebsspannungs-Bereich, typisch +3 bis +15 Volt.
0 Der Logik-Hub des Ausgangs geht (Ohne Belastung) von Masse bis zur positiven Betriebsspannung, das heißt über den vollen Bereich der verfügbaren Betriebsspannung.
0 CMOS-Ausgangsstufen erzeugen keine größeren Stromspitzen auf den Stromversorgungs-Zuleitungen, wodurch sie selbst sehr wenig Rauschen liefen.
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