Was ist ein Transistor auf der elektrischen Ebene?
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Elektrische Ebene
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Die elektrische Ebene ist die unterste Ebene des Abstraktionsebenenmodells. Auf dieser Ebene wird das Verhalten mit kontinuierlichen Spannungs- und Stromwerten beschrieben. Im Gegensatz dazu wird auf der Schalterebene logischen Werten eine bestimmte Spannung zugeordnet, z.B. logisch 1 = 5V, logisch 0=0V. Daher kann auf der elektrischen Ebene genau ermittelt werden, wie lange Umladevorgänge dauern und damit die Schaltgeschwindigkeit bestimmt werden. Mit diesem Wissen kann dann die Geschwindigkeit der Schaltung durch Dimensionierung und ein geschicktes Plazieren und Verdrahten der Transistoren beeinflußt werden. Das Design auf der elektrischen Ebene ist überwiegend dem Hersteller der ICs vorbehalten. Er entwickelt ein relatives Layout mit Hilfe von Design Rules, die abhängig von der Strukturgröße Lambda sind. Ein genaues Layout mit festen Größen, also festem Lambda-Faktor, ist abhängig vom Material, der Herstellungsmethode und der Güte der Herstellungswerkzeuge. Daher erhält der Hersteller üblicherweise vom Designer nur eine Netzliste von Bibliothekselementen (z.B. NANDGatter). Die Verdrahtung und Plazierung wird dann vom Hersteller durchgeführt. Für ein bestimmtes Layout können genaue Aussagen bzgl. des Zeitverhaltens der Schaltung erarbeitet werden. Außerdem kann das Verhalten der Schaltung bei verschiedenen Umwelteinflüssen, wie z.B. Temperatur, simuliert werden ("derating").
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Transistor auf der elektrischen Ebene
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Auf der elektrischen Ebene soll das Verhalten des Transistor anhand von Kennlinien und graphischen Querschnitten optisch verdeutlicht werden. Die Werte werden durch Differentialgleichungen ermittelt, in die alle Einflüsse, wie z.B. Dimensionierung, Umwelt, Materialeigenschaften mit einfließen. Im folgenden soll der NMOS Transistor stellvertretend für alle MOS-Transistoren beschrieben werden. Der NMOS-Transistor besteht aus Lagen verschiedener Materialien. Das Substrat besteht aus positiv dotiertem Silizium, welches ein Halbleiter ist (roter Bereich). In dem Substrat werden zwei Bereiche negativ dotiert (hellgrüner Bereich). Das Gate (gelber Bereich) besteht aus Metall oder Polysilizium. Zwischen Gate und Substrat befindet sich ein Dielektrikum (Nichtleiter) aus Siliziumdioxid. Exkurs: Was ist ein Halbleiter und was bedeutet Dotieren?
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Ersatzschaltbild
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Um die Vorgänge im Transistor besser verstehen zu können, kann der Transistor in kleinere Komponenten aufgeteilt werden. Der Transistor wird dazu, wie das Ersatzschaltbild verdeutlicht, durch zwei Dioden und einen Kondensator ersetzt. Diese einzelnen Komponenten sollen nun erklärt und später zu einem Transistor zusammengefügt werden. Wie
funktioniert eine Diode? Sie erreichen diese Themen auch beim "Blättern". |
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