Wie verhält sich ein Transistor auf der Schalterebene?
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Abstraktionsebenen
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Um die Arbeit des VLSI-Designers zu vereinfachen, wurden Modelle entwickelt, um die Komplexität des Entwurfs zu verringern. Ein wichtiges Modell ist das Abstraktionsebenenmodell. Bei diesem Modell verhalten sich die Komponenten der niedrigeren Schichten zu denen der Höheren wie "Black-Boxes", die ein bestimmtes Verhalten bezüglich der Ein- und Ausgaben aufweisen. Der Designer kann mit diesen Komponenten komplexe Schaltungen in einer angemessenen Zeit zusammensetzen. Je höher die Abstraktionsebene angesiedelt ist, desto komplexer ist die Funktion der Komponente. Registertransferebene-Komponenten sind z.B. ALU, RAM, BUS und Gatterebene-Komponenten z.B. NAND und NOR. Die einzelnen Komponenten sind innerhalb der "Black-Box" auf die entsprechende Funktion bezüglich Geschwindigkeit, Fläche, Testbarkeit, Energieverbrauch usw. optimiert. Setzt man allerdings aus den einzelnen Komponenten eine spezielle Schaltung zusammen, ist sie beim Entwurf auf einer höheren Ebene weniger optimiert als auf einer niedrigeren Ebene. Beispielsweise beim Entwurf der Funktion "AND" (angenommen, sie existiert nicht als Gatter) würden auf der Gatterebene ein "NOT"-Gatter (2 Transistoren) und ein "NAND"-Gatter (3 Transistoren) benötigt, also insgesamt fünf Transistoren. Auf der Schalterebene kann die gleiche Funktion durch drei Transistoren realisiert werden. Da im Laufe der Zeit die Komplexität und der Zeitdruck beim Entwurf immer mehr angestiegen sind, wird der Großteil der ICs auf höheren Ebenen entworfen. Nur bei Schaltungen, die einen einfachen Aufbau haben oder in sehr großer Stückzahl hergestellt werden, wie z.B. RAM, wird auf einer niedrigen Ebene optimiert. Der Entwicklungsaufwand wäre ansonsten sehr hoch und die Schaltung würde damit sehr teuer werden.
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Schalterebene
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Die Schalterebene stellt die unterste Abstraktionsebene, auf der ein Designer tätig wird, dar. Die elektrische Ebene wird zumeist vom späteren Hersteller des ICs nicht als Gestaltungsbereich angeboten, da Herstellungsverfahren und Material viele Gestaltungen nicht zulassen, z.B. minimale Strukturgrößen. Die Geometrie der Schaltungen wird auf der Schalterebene durch ein "stickdiagram" oder ein symbolisches Layout (Abb. Symbol) repräsentiert. Das Layout beschreibt die relative Lage der einzelnen Transistoren zueinander und deren Art, sowie die Verdrahtung zwischen den einzelnen Transistoren. Beim stickdiagram wird ein Transistor durch die Überschneidung zweier unterschiedlicher Layer, die verschiedene Materialien darstellen (z.B. Metall, dotiertes Silizium, Polysilizium, u.s.w), erzeugt. Die stickdiagram-Ansicht ist zum Nachvollziehen komplexer Schaltungen wenig geeignet, da sie sehr schnell unübersichtlich wird. Die Festlegung der absoluten Lage der Transistoren erfolgt erst auf der elektrischen Ebene in Abhängigkeit von der Herstellungstechnologie.
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Transistor auf der Schalterebene
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Der Transistor verhält sich auf der Schalterebene ähnlich wie ein mechanischer Schalter. Bei einem mechanischen Schalter wird eine Leitung durch die Betätigung des Schalters geöffnet oder geschlossen. Ein Transistor generiert durch Anlegen verschiedener Gate-Source-Spannungen(Ugs) einen Kanal, der von Source(S) nach Drain(D) verläuft. Wird eine entsprechende Drain-Source-Spannung(Uds) angelegt, beginnt Strom durch den Transistor zu fließen. Es existieren verschiedene Arten von Transistoren, mit denen der Designer auf der Schalterebene sein IC gestalten kann. Die Transistoren unterscheiden sich in der Gate-Source-Spannung, die angelegt werden muß, damit der Transistor schaltet. Die Spannung Uth bezeichnet die Schwellwertspannung, die Ugs überschreiten bzw. unterschreiten muß. 1. selbstsperrender NMOS Transistor: leitet bei Ugs-Uth>=0V und sperrt bei Ugs-Uth<0V 2. selbstleitender NMOS Transistor: leitet bei Ugs-Uth=>0V und sperrt bei Ugs-Uth<0V 3. selbstsperrender PMOS Transistor: leitet bei Ugs-Uth<=0V und sperrt bei Ugs-Uth>0V 4. selbstleitender PMOS Transistor: leitet bei Ugs-Uth<=0V und sperrt bei Ugs-Uth>0V Um die Vor- und Nachteile der einzelnen Arten von Transistoren beurteilen zu können, ist ein Verständnis der Vorgänge auf der untersten Abstraktionsebene, der elektrischen Ebene, nötig. Das Tutorium soll im weiteren einen Einblick in diese Vorgänge bieten.
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