\section{Wie funktionieren MOS-Transistoren?}

\subsection{Kurzer Überblick}

In diesem Kapitel geht es um CMOS Transistoren. In Allgemeinen werden Transistoren verwendet, um Gatter zu bauen. Diese werden, wie in den letzten paar Kapitel besprochen in sehr vielen logischen Schaltungen verwendet, welche fundamental sind für viele elektronischen Geräte, welche uns begleiten.
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Wie durch den Namen zu erkennen fungieren die Transistoren durch die CMOS Technologie. CMOS steht für "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor". Die Transistoren sind also Metalloxid-Halbleiter.
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\dfn{MOS Transistoren}{
	MOS Transistoren sind steuerbare Widerstände bestehend aus 3 Kontakten, namentlich Source, Drain und Gate. Die Ladungsträger fliessen von Source zu Drain. Der Gate wird verwendet, um den Fluss von Ladungsträger zu beeinflussen.
}

\includegraphics[width=0.7\linewidth]{fig/Fig_28.png} \cite{Luisier2024}

MOS Transistoren verhalten sich wie Schalter. \cite{Luisier2024} Ihr Widerstand wird durch die Source-Gate Spannung ($V_{gs}$) gesteuert. Dabei spielt die Schwellspannung ($V_{th}$ $th$ für Threshhold) eine grosse Rolle. Ist $|V_{gs}| < |V_{th}|$ ist der Transistor hochohmig und der Schalter ist zu. Im umgekehrten Fall ist der Transistor niederohmig. Somit ist der Schalter auf.

\nt{
	Die Schwellspannung $V_{th}$ wird in diesem Semester keine grosse Rolle spielen. Es ist aber hilfreich fürs Verständnis.
}

Was sind jetzt aber CMOS Transistoren. Es gibt 2 CMOS Transistoren und beide sind ihr gegenseitiges Komplementär. Daher kommt auch ihr Name. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei verschiedene CMOS Transistoren.

\dfn{NMOS-Transistor}{
	NMOS-Transistoren haben einen n-dotierten Innenwiderstand. Dadurch erhält er die Eigenschaft, dass der Transistor leitet, sobald eine Spannung am Gate liegt.

	\begin{minipage}{0.5\linewidth}
		\begin{center}
			\begin{tabular}{| c | c | c |}
				$G$ & NMOS         & $Y$ \\
				\hline
				0   & Leitet nicht & 0   \\
				1   & Leitet       & 1   \\
			\end{tabular}
		\end{center}
	\end{minipage}
	\begin{minipage}{0.5\linewidth}

		\begin{center}
			\begin{circuitikz}[european]
				\node[thick, nmos, anchor=D] (nmos1) at(0, -2) {}
				(nmos1.gate) node[anchor=east] {G}
				(nmos1.drain) node[anchor=west, yshift=-0.15cm] {S}
				(nmos1.source) node[anchor=west,yshift=+0.15cm] {D};
			\end{circuitikz}
		\end{center}
	\end{minipage}
}

\dfn{PMOS-Transistor}{
	PMOS-Transistoren haben einen p-dotierten Innenwiderstand. Dadurch erhält er die Eigenschaft, dass der Transistor leitet, sobald keine Spannung am Gate liegt.

	\begin{minipage}{0.5\linewidth}
		\begin{center}
			\begin{tabular}{| c | c | c |}
				$G$ & PMOS         & $Y$ \\
				\hline
				0   & Leitet       & 1   \\
				1   & Leitet nicht & 0   \\
			\end{tabular}
		\end{center}
	\end{minipage}
	\begin{minipage}{0.5\linewidth}

		\begin{center}
			\begin{circuitikz}[european]
				\node[thick, pmos, anchor=D] (pmos1) at(0, -2) {}
				(pmos1.gate) node[anchor=east] {G}
				(pmos1.drain) node[anchor=west, yshift=-0.15cm] {D}
				(pmos1.source) node[anchor=west,yshift=+0.15cm] {S};
			\end{circuitikz}
		\end{center}
	\end{minipage}
}

\nt{
	Die Eigenschaft, dass NMOS- bzw. PMOS-Transistoren bei einer gewissen Gate Spannung leitet hat eine bestimmte Funktion bezüglich $V_{gs}$. NMOS Transistoren leiten, sobald eine positive Spannung am Eingang ist. Ist die Spannung negativ, leitet sie nicht. Umgekehrt ist es beim PMOS Transistor.
}


NMOS- und PMOS Transistoren haben vor allem eine bedeutende Verwendung bei Pull-up und Pull-Down Schaltungen.

\dfn{Pull-down Schaltung}{
	Eine Pull-down ist eine Schaltung, welcher die Spannung $V_y$ von seinem Ausgang $Y$ in Abhängigkeit von der Gate Spannung definiert. ($V_{gs}$)

	\begin{minipage}{0.5\linewidth}
		\begin{tabular}{| c | c | c |}
			$G$ & NMOS         & $Y$ \\
			\hline
			0   & Leitet nicht & 1   \\
			1   & Leitet       & 0   \\
		\end{tabular}

		$\Rightarrow$ Leitend falls Eingang $V_G = 1$, 0 liegt am Ausgang.
	\end{minipage}
	\begin{minipage}{0.5\linewidth}
		\begin{center}
			\begin{circuitikz}[european]
				\node[circ, label=90:{\small $V_{DD}$}](origin) at (0,0) {};
				\node[thick, nmos, anchor=D] (nmos1) at(0, -2) {}
				(nmos1.gate) node[anchor=east] {G}
				(nmos1.drain) node[anchor=west, yshift=-0.15cm] {D}
				(nmos1.source) node[anchor=west,yshift=+0.15cm] {S};
				\draw[thick]
				(origin)
				to[R=$R$] (0,-1.8) node[circ] (ybase) {}
				to[] (0, -2);
				\draw[thick] (nmos1.S) -- (0, -4) coordinate(gnd);
				\path[draw] (ybase) --++(right:10mm) node[point, label=0:Y] {};
				\path[draw, very thick] (-0.25, -4) -- (gnd) -- (0.25, -4);
			\end{circuitikz}
		\end{center}
	\end{minipage}
}

\dfn{Pull-up Schaltung}{
	Eine Pull-up ist eine Schaltung, welcher die Spannung $V_y$ von seinem Ausgang $Y$ in Abhängigkeit von der Gate Spannung definiert. ($V_{gs}$)

	\begin{minipage}{0.5\linewidth}
		\begin{tabular}{| c | c | c |}
			$G$ & NMOS         & $Y$ \\
			\hline
			0   & Leitet       & 1   \\
			1   & Leitet nicht & 0   \\
		\end{tabular}

		$\Rightarrow$ Leitend falls Eingang $V_G = 0$, 1 liegt am Ausgang.
	\end{minipage}
	\begin{minipage}{0.5\linewidth}
		\begin{center}
			\begin{circuitikz}[european]
				\coordinate (gnd) at (0, -4);
				\node[circ, label=90:{\small $V_{DD}$}] (vdd) at (0,0) {};
				\node[pmos, thick] (pmos) at (0, -1){}
				(pmos.gate) node[anchor=east] {G}
				(pmos.source) node[anchor=west,yshift=-0.15cm] {S}
				(pmos.drain) node[anchor=west, yshift=+0.15cm] {D};

				\draw[thick] (gnd)
				to[R=$R$] (0, -2)
				-- (0, -2) node[circ] (ybase) {}
				-- (pmos.D);

				\draw[thick] (pmos.S) -- (vdd);

				\path[draw] (ybase) --++(right:10mm) node[point, label=0:Y] {};
				\path[draw, very thick] (-0.25, -4) -- (gnd) -- (0.25, -4);
			\end{circuitikz}
		\end{center}
	\end{minipage}
}
