MOS-FET（4/20用授業資料）

(1)

電子回路基礎

情報工学科のためのデジタル、アナログ電子回路

月曜 2 時限目　教室： D205

天野英晴

(2)

Web

上にも資料があります

• http://www.am.ics.keio.ac.jp/digital/

• レポートは

件名に演習１：学籍番号：名前を付けて

[email protected]

まで提出のこと

1 週間が原則

–

紙に書いて写メ

–

パワポ（この授業のが公開されている）に書き

込む

–

ワードや他のエディタで作る… etc

–

なんでも良いか pdf, jpeg 形式でメールに添付

(3)

電源 DVD ドライバメモリ CPU GPU マザーボード

なぜ情報工学科に電子回路の授業が必要なのか？

PC

_の中身

現在の IT 産業はディジタル・アナログ半導体に支えられている。イノベーションを起こそうと思ったら、半導体技術について深い理解が必要でも回路設計技術を知る必要はないのでは？？その通り！ないです。

(4)

つまりこの授業は昔ながらの電子回路の授業ではな

い

• 情報工学科の学生が基礎知識として知るべき

–

ディジタル論理回路の構成、動作原理、電気的特

性

–

メモリ回路の特性

–

_FPGA

の構成、動作原理

–

_LSI

の構造、作り方

–

センサなどに使うアナログ回路の特性

を紹介する場

• 名前を変えようと思うのだが、いいのがな

いし、めんどくさい。

(5)

GAFA

が自分でチップを作る時

代だ

Google のエッジ用 AI アクセラレータ Edge TPU

論理回路用半導体、メモリ、 FPGA を知らないで IT 社会のイノベーションが起こせるわけがない自分で設計ができなくてもいい概念と動向が把握できればいい

(6)

最初に知っておくこと

• オームの法則

–

_V

＝ R×I

–

_I

＝ V/R

–

_R=V/I

• さすがにこれは説明は要らないだろ

う、、、、、

(7)

(8)

(9)

電子回路での電源、グランド

電源のプラス側

Vcc

とか Vdd とか書いてある

電源のマイナス側

グランド、 0V

(10)

単位

ｍ

　

ミリ

μ

_マイクロ

n

_ナノ

p

_ピコ

f

_フェムト

ｍ

　

ミリ

μ

_マイクロ

n

_ナノ

p

_ピコ

f

_フェムト

K

　

キロ

M メガ

G ギガ

T テラ

P ペタ

E エクサ

K

　

キロ

M メガ

G ギガ

T テラ

P ペタ

E エクサ

(11)

真性半導体

• 例：シリコン

(12)

不純物半導体（ｎ型半導体）

•

5 価の不純物としてヒ素ＡｓをＳｉに混入

–

自由電子が発生

（ドナー）

(13)

不純物半導体（ｐ型半導体）

• ３価の不純物としてホウ素ＢをＳｉに混

入

–

電子が不足し正孔が発生

（アクセプタ）

(14)

電子回路の王者　 MOS-FET

MOS-FET

_{は、アナログ（小信号増幅回路）、ディジタ}

ル（大信号増幅回路）共に、現在の電子回路の主流

ディジタル回路は CMOS(Complementary MOS) が 8-9

割

CMOS

_{とは、 NMOS と PMOS を相補的}

に接続する方式

(15)

MOS

（ Metal Oxide Semiconductor)

FET

（ Field Effect Transistor) の記号

nMOS _{(n チャネル MOS)} pMOS (p チャネル MOS)

Gate Source Drain Base(Substrate) ディジタル屋が描くと Gate Source Drain Base(Substrate)

(16)

p _{型サブストレート（土台）} 酸化膜 G _{はポリシリコン} と呼ぶ導体でできている n-MOS_{トランジスタの} 構造 G S D n 型拡散層 n _型拡散層 G は、酸化膜の絶縁体で p 型サブストレートとは 絶縁されている S と D は p 型サブストレートにより絶縁されている このままだとどうにもならない p 型はホールがたくさん居る。しかし、この p 型サブストレートには ホールと結合されない電子がちょっとだけ居る→マイナーキャリアこれがミソ！ここは実は距離が短い！チャネルと呼ぶ

(17)

p _{型サブストレート（土台）} n-MOS_{トランジスタの} 構造 G S D n 型拡散層 n _型拡散層 G _{に＋の電圧を印加} マイナスの電荷を持つ電子が集まってくる＋の電圧を印加＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋電解効果

(18)

p _{型サブストレート（土台）} n-MOS_{トランジスタの} 構造 G S D n 型拡散層 n _型拡散層 電子の多い部分は n 型として働く→反転層 これによって S と G が n 型になる 電圧により電流を制御＋の電圧を印加＋＋＋＋＋電解効果

(19)

n _{型サブストレート（土台）} 酸化膜 p-MOS_{トランジスタの} 構造 G S D p 型拡散層 p _型拡散層 pMOS _{の場合は nMOS と全く逆} n 型サブストレートは VDD に吊る G _{に H レベルを掛けると n 型サブストレ} ートと電位差がない →OFF 　 H レベル

(20)

n _{型サブストレート（土台）} 酸化膜 p-MOS_{トランジスタの} 構造 G S D p 型拡散層 p _型拡散層 G=L レベルにすると、サブストレートを基準にするとマイナス正の電荷を持つホールが集合してくる　 L レベル

(21)

-n _{型サブストレート（土台）} 酸化膜 p-MOS_{トランジスタの} 構造 G S D p 型拡散層 p _型拡散層 反転層ができて D と S が繋がる→ ON 　 L レベル

(22)

-エンハンスメント型と

ディプリーション型

ゲート電圧 S-D 間電流ゲート電圧 S-D 間電流エンハンスメント型 _{ディプリーション型} ON _{になる電圧は、不純物などで制御可能} CMOS ではエンハンスメント型以外は使わない

(23)

MOS

（ Metal Oxide Semiconductor)

FET

（ Field Effect Transistor) の

スイッチングモデル

nMOS G=H 　 ON 　 S-D がショート G=L: OFF S-D がオープン pMOS G=L 　 ON 　 S-D がショート G=H OFF S-D _{がオープン} Gate Source Drain Drain Source Gate 記号は略式のもの L _{と H の定義も後ほど紹介} GND レベル（に近い）のが L, 電源レベル（に近い）のが H

(24)

C

（ Complementary: 相補的

)-　 MOS インバータ

OFF ON H H ON OFF L NOT ゲート L A Z A Z L H H L _真理値表 MIL _記号法

(25)

CMOS

　 NAND 回路　入力 L-L

OFF ON A B L L ON OFF Y H pMOS は並列接続なので両方が ON ならば出力は H nMOS _{は直列接続なので} 両方が OFF ならばもちろん切れている Qp1 Qp2 Qn2 Qn1

(26)

CMOS

　 NAND 回路　入力 L-H

OFF ON A B L H OFF ON Y H pMOS は並列接続なので片方が ON ならば出力は H nMOS _{は直列接続なので} 片方が OFF ならば切れている

(27)

CMOS

　 NAND 回路　入力 H-L

ON OFF A B H L ON OFF Y H pMOS は並列接続なので先ほどとは逆の方が ON _{となり出力は H} nMOS _{は直列接続なので} 先ほとどは逆の方が OFF _{で切れている}

(28)

CMOS

　 NAND 回路　入力 H-H

ON OFF A B H H OFF ON Y L pMOS は並列接続だが両方 OFF ならば切れる nMOS _{は直列接続だが} 両方 ON ならば出力は L

MOS-FET（4/20用授業資料）

電子回路基礎

情報工学科のためのデジタル、アナログ電子回路

月曜 2 時限目 教室： D205

天野英晴

Web

上にも資料があります

•

http://www.am.ics.keio.ac.jp/digital/

•

レポートは

件名に演習１：学籍番号：名前を付けて

[email protected]

まで提出のこと

1

週間が原則

–

紙に書いて写メ

–

パワポ（この授業のが公開されている）に書き

込む

–

ワードや他のエディタで作る… etc

–

なんでも良いか pdf, jpeg 形式でメールに添付

なぜ情報工学科に電子回路の授業が必要なのか？

PC

の中身

つまりこの授業は昔ながらの電子回路の授業ではな

い

•

情報工学科の学生が基礎知識として知るべき

–

ディジタル論理回路の構成、動作原理、電気的特

性

–

メモリ回路の特性

–

FPGA

の構成、動作原理

–

LSI

の構造、作り方

–

センサなどに使うアナログ回路の特性

を紹介する場

•

名前を変えようと思うのだが、いいのがな

いし、めんどくさい。

GAFA

が自分でチップを作る時

代だ

最初に知っておくこと

•

オームの法則

–

V

＝ R×I

–

I

＝ V/R

–

R=V/I

•

さすがにこれは説明は要らないだろ

う、、、、、

電子回路での電源、グランド

電源のプラス側

Vcc

とか Vdd とか書いてある

電源のマイナス側

グランド、 0V

単位

ｍ

ミリ

μ

マイクロ

n

ナノ

p

月曜 2 時限目　教室： D205

_の中身

_FPGA

_LSI

_V

_I

_R=V/I

_マイクロ

_ナノ

_ピコ

_フェムト

_マイクロ

_ナノ

_ピコ

_フェムト

電子回路の王者　 MOS-FET

_{は、アナログ（小信号増幅回路）、ディジタ}

_{とは、 NMOS と PMOS を相補的}