２００９年度 第２回ＵＬＳＩ特論 講義録 200９.9.29 早藤 貴範 半導体元素とドーパント元素 周期/族 ２ ３ ４ ５ ６ Mastery for Service ３B ５B １３Al ３１Ga ４９In ８１Ti ４B ６C １４Si ３２Ge ５０Sn ８２Pb ５B ７N １５P ３３As ５１Sb ８３Bi 電子構造 ２ｓ２２ｐ２±１ ３ｓ２3ｐ２±１ ４ｓ２４ｐ２±１ ５ｓ２５ｐ２±１ ６ｓ２６ｐ２±１ 関西学院大学 コンピュータの基本回路（ゲート） （3） コンピュータを構成するトランジスタ論理回路 ＊基本的な論理回路（論理ゲート） ・AND回路（論理積） A・B ・OR 回路（論理和） A+B ・NOT回路（論理否定） A ＊実際に用いられるトランジスタ論理回路 ・NAND回路（NOT-AND） A・B ・NOR 回路（NOT-OR） A+B ・NOT 回路（論理否定） A ・EXOR回路（exclusive OR） A・B+A・B 排他的論理和 A + B （加算の基本回路） Mastery for Service 関西学院大学 半加算器の論理回路 半加算器の真理値表を作成し、その論理回路を設計せよ 半加算器の 真理値表 半加算器の論理式 Ａ Ｂ Ｓ Ｃ Ｓ＝Ａ＋Ｂ＝Ａ・Ｂ＋Ａ・Ｂ Ｃ＝Ａ・Ｂ １ １ ０ １ 半加算器の論理回路 １ ０ １ ０ ０ １ １ ０ ０ ０ ０ ０ Mastery for Service Ａ Ｂ Ｓ＝Ａ＋Ｂ Ｃ＝Ａ・Ｂ 関西学院大学 排他的論理和ＸＯＲの論理回路(2) 排他的論理和の論理回路をＮＯＲゲートで構成する。 Ａ＋Ｂ＝（Ａ＋Ｂ）・（Ａ＋Ｂ） ＝ （Ａ＋Ｂ）・（Ａ＋Ｂ） ＝（Ａ＋Ｂ）＋（Ａ＋Ｂ） ＝ （Ａ＋Ｂ）＋（Ａ＋Ａ）＋（Ｂ＋Ｂ） Ａ Ａ＋Ｂ Ｂ Mastery for Service 関西学院大学 排他的論理和ＸＯＲの論理回路(4) 排他的論理和の論理回路をＮＡＮＤゲートで構成する。 Ａ＋Ｂ＝（Ａ＋Ｂ）・（Ａ＋Ｂ） ＝Ａ・（Ａ＋Ｂ）＋Ｂ・（Ａ＋Ｂ） Ａ・Ｂ ＝Ａ・（Ａ・Ｂ）＋Ｂ・（Ａ・Ｂ） ＝Ａ・（Ａ・Ｂ）・Ｂ・（Ａ・Ｂ） Ａ Ａ＋Ｂ Ｂ Mastery for Service 関西学院大学 論理回路のまとめ ＮＯＴゲート、ＡＮＤゲート、ＯＲゲートは、独立ではない 全ての組み合わせ回路は、 ＮＯＴゲート、ＡＮＤゲート、ＯＲゲートの組み合わせで実現可能 ＮＯＴゲート、ＡＮＤゲート、ＯＲゲートは、 いずれもＮＡＮＤゲートもしくはＮＯＲゲートだけで構成可能 全ての組み合わせ回路は、 ＮＡＮＤゲートもしくはＮＯＲゲートだけで構成可能 Mastery for Service 関西学院大学 半導体元素とドーパント元素 周期/族 ２ ３ ４ ５ ６ Mastery for Service ３B ５B １３Al ３１Ga ４９In ８１Ti ４B ６C １４Si ３２Ge ５０Sn ８２Pb ５B ７N １５P ３３As ５１Sb ８３Bi 電子構造 ２ｓ２２ｐ２±１ ３ｓ２3ｐ２±１ ４ｓ２４ｐ２±１ ５ｓ２５ｐ２±１ ６ｓ２６ｐ２±１ 関西学院大学 シリコン中のドーパントの挙動（１） Si Si 電子欠損（ホール） （電子受容可能） B Si ホウ素添加（P型） Mastery for Service Si Si ゆるい 結合電子 Si P Si Si リン素添加（N型） 関西学院大学 シリコン中のドーパントの挙動（２） ＳＩ ＳＩ ＳＩ ＳＩ ＳＩ ＳＩ b ＳＩ Ｐ （+） ＳＩ ＳＩ Ｂ （-） ＳＩ a ＳＩ Mastery for Service ＳＩ ＳＩ ｃ ＳＩ ＳＩ ＳＩ （+） 関西学院大学 ＭＯＳＦＥＴの構造 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor VG>0 ＳｉＯ２膜 ゲート電極 ソース ｎ e ｎ ドレイン n-ＭＯＳＦＥＴ の 表記法 VD>0 VG p-Si ｎ-ＭＯＳＦＥＴの構造 VD S D RL Vout Mastery for Service 関西学院大学 半導体回路 －ＭＯＳＦＥＴの動作－ ＭＯＳＦＥＴ素子は、ＮＯＴ論理回路そのもでのである ＭＯＳＦＥＴ素子は、入力を反転した出力を出す インバータ(inverter) ＝ ＮＯＴ論理回路 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Vout RL 3 Mastery for Service ＮＯＴ回路 2 S D MOSFET動作 ⇒ VG VD Vout 1 0 1 2 3 4 VG 関西学院大学 MOSFETの動作 ＊MOSFETの動作は、入力を反転した出力をだす。 インバータ（inverter） ＝ NOT論理回路 V ｏｕｔ VD 3 RL S VG D ＮＯＴの動作 2 V out 1 0 Mastery for Service １ ２ ３ VG 関西学院大学 MOS インバータN(NOT回路) VDD VDD RL Vout VIN VGG：常時導通 VGG Vout VIN 負荷抵抗型 Mastery for Service 負荷トランジスタ型 関西学院大学 ＭＯＳＦＥＴによる論理回路 －logical circuit－ ＭＯＳＦＥＴによる論理回路 ＮＯＴ論理回路が基本 現在はＣＭＯＳ ＮＯＴ論理回路が基本 Ｖ Ｖ Ｖ Ｘ Ｘ Ｘ Ａ Ａ Ａ Ｂ Ｂ ＮＯＴ論理回路 Mastery for Service ＮＡＮＤ論理回路 ＮＯＲ論理回路 関西学院大学 ＭＯＳＦＥＴによる論理回路 ＮＯＴ論理回路が基本 V V V X X X A A A B B NOT論理回路 Mastery for Service NAND論理回路 NOR論理回路 関西学院大学 実際のＭＯＳＦＥＴ論理回路 ＮＯＴ論理回路が１つのＭＯＳＦＥＴで構成できるために、 今日のトランジスタ論理回路は ＮＯＴ、ＡＮＤ、ＯＲを基本とするのではなく ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲを基本とする。 さらに、ｎＭＯＳＦＥＴやｐＭＯＳＦＥＴを 基本とするのではなく、 高速・低消費電力を特徴とする ＣＭＯＳＦＥＴを基本とする。 ＣＭＯＳＦＥＴ＝complementary MOSFET Mastery for Service 関西学院大学 CMOSFETによる基本論理回路(1) V V A X A X B NOT論理回路 Mastery for Service NAND論理回路 関西学院大学 CMOSFETによる基本論理回路(2) V A X 各自設計の こと B NAND論理回路 Mastery for Service NOR論理回路 関西学院大学
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