Halbleitertechnologie von A bis Z

Ein MOSFET lässt sich auf seine einfachste Funktion reduzieren: einen spannungsgesteuerten Schalter. Zwischen Source und Drain fließt Strom oder nicht, je nachdem, welche Spannung am Gate anliegt. Damit unterscheidet er sich grundlegend von einem mechanischen Schalter — es bewegt sich nichts, es gibt keinen Verschleiß, und der Schaltvorgang dauert nur einen Bruchteil einer Nanosekunde.

Bei einem selbstsperrenden NMOS-Transistor liegt ohne Gate-Spannung kein leitender Kanal zwischen Source und Drain vor. Erst wenn die Gate-Spannung die Schwellspannung überschreitet, bildet sich der Kanal, und der Transistor leitet. Man kann sich das Gate als Steuereingang eines Schalters vorstellen: 0 V am Gate → Schalter offen, ausreichend positive Spannung am Gate → Schalter geschlossen.

Neben dem NMOS-Transistor gibt es sein Gegenstück, den PMOS-Transistor. Er verhält sich spiegelverkehrt: Während der NMOS bei High-Pegel am Gate leitet, sperrt der PMOS genau dann — und leitet stattdessen bei Low-Pegel. Diese Komplementarität ist keine Randnotiz, sondern das Grundprinzip, auf dem die gesamte CMOS-Technik ("Complementary MOS") beruht.

Der NMOS wird typischerweise als Verbindung zur Masse (0 V) eingesetzt, der PMOS als Verbindung zur Versorgungsspannung. Genau dieses Zusammenspiel ermöglicht es, mit beiden Transistortypen gemeinsam einen Ausgang sauber zwischen High und Low umzuschalten, ohne dass jemals ein direkter Kurzschluss zwischen Versorgung und Masse entsteht.

Verschaltet man einen PMOS und einen NMOS wie folgt, entsteht das einfachste aller logischen Gatter: der Inverter (NOT-Gatter).

• Der PMOS liegt zwischen Versorgungsspannung (VDD) und dem Ausgang.
• Der NMOS liegt zwischen dem Ausgang und Masse (GND).
• Beide Gates sind miteinander verbunden und bilden den Eingang.

Legt man am Eingang Low (0 V) an, sperrt der NMOS, aber der PMOS leitet — der Ausgang wird über den PMOS mit VDD verbunden und liegt auf High. Legt man High an, kehrt sich das Bild um: Der PMOS sperrt, der NMOS leitet, der Ausgang wird auf Masse gezogen und liegt auf Low. Der Ausgang ist also stets das Gegenteil des Eingangs — daher der Name Inverter.

Bemerkenswert ist, dass in keinem der beiden stabilen Zustände Strom von VDD nach GND fließt, da immer genau einer der beiden Transistoren sperrt. Das ist der Grund, warum CMOS-Schaltungen im Ruhezustand nur sehr wenig Leistung verbrauchen.

Damit übernehmen die beiden Transistoren im Inverter zugleich die klassischen Rollen von Pull-up und Pull-down: Der PMOS zieht den Ausgang aktiv auf VDD (Pull-up), der NMOS zieht ihn aktiv auf GND (Pull-down). Nie sind beide gleichzeitig aktiv — genau das verhindert den Kurzschluss und sorgt gleichzeitig dafür, dass der Ausgang in jedem Zustand einen klar definierten Pegel hat, statt hochohmig ("floating") in der Luft zu hängen.

Aus zwei einzelnen Schaltern lässt sich mit wenigen Handgriffen eine UND-Verknüpfung bauen. Das Prinzip: Zwei NMOS-Transistoren werden in Reihe zwischen Ausgang und Masse geschaltet. Nur wenn beide Eingänge High sind, leiten beide Transistoren, und der Weg zur Masse ist frei — der Ausgang wird auf Low gezogen. Ist auch nur einer der Eingänge Low, ist die Reihe unterbrochen.

Parallel dazu liegen zwei PMOS-Transistoren zwischen Ausgang und Versorgungsspannung. Sind beide Eingänge High, sperren beide PMOS, keiner zieht den Ausgang nach oben. Ist mindestens ein Eingang Low, leitet der zugehörige PMOS und zieht den Ausgang auf High.

Diese Schaltung ist zunächst ein NAND-Gatter (Ausgang Low nur, wenn beide Eingänge High sind — also die Umkehrung von UND). Erst ein nachgeschalteter Inverter macht daraus ein echtes UND-Gatter. Das ist kein Zufall: In der CMOS-Technik sind NAND- und NOR-Gatter die „natürlichen“ Grundbausteine, weil sie sich direkt aus Reihen- und Parallelschaltungen von Transistoren ergeben — UND und ODER entstehen erst durch einen zusätzlichen Inverter am Ausgang.

Aus den Grundschaltungen der letzten Kapitel lassen sich alle gängigen logischen Gatter ableiten. Für die grafische Darstellung haben sich zwei Symbolnormen etabliert: die IEC-60617-Symbole (in Europa gebräuchlich, z. B. die D-Form für UND) und die älteren ANSI/MIL-STD-806-Symbole (in den USA gebräuchlich, mit &, ≥1 und 1 beschriftete Rechtecke). Die folgende Übersicht zeigt Schaltsymbol und Wahrheitstabelle der wichtigsten Gatter: