MAKALAH

MIKROELEKTRONIK (MONOLITIK)

ATURAN PERANCANGAN IC CMOS

OLEH:

Andry Wijaya

1041170023 / 4A-D4

PROGRAM STUDI D4 TEKNIK ELEKTRONIKA

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

POLITEKNIK NEGERI MALANG

2013

CMOS

APA ITU CMOS?

Complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) atau semikonduktor–oksida–logam komplementer, adalah sebuah jenis utama dari rangkaian terintegrasi. Teknologi CMOS digunakan di mikroprosesor, pengontrol mikro, RAM statis, dan sirkuit logika digital lainnya. Teknologi CMOS juga digunakan dalam banyak sirkuit analog, seperti sensor gambar, pengubah data, dan trimancar terintegrasi untuk berbagai jenis komunikasi. Frank Wanlass berhasil mematenkan CMOS pada tahun 1967 (US Patent 3,356,858).

CMOS juga sering disebut complementary-symmetry metal–oxide–semiconductor or COSMOS (semikonduktor–logam–oksida komplementer-simetris). Kata komplementer-simetris merujuk pada kenyataan bahwa biasanya desain digital berbasis CMOS menggunakan pasangan komplementer dan simetris dari MOSFET semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n untuk fungsi logika.

Dua karakter penting dari CMOS adalah kekebalan desahnya yang tinggi dan penggunaan daya statis yang rendah. Daya hanya diambil saat transistor dalam CMOS berpindah di antara kondisi hidup dan mati. Akibatnya, peranti CMOS tidak menimbulkan bahang sebanyak sirkuit logika lainnya, seperti logika transistor-transistor (TTL) atau logika NMOS, yang hanya menggunakan peranti tipe-n tanpa tipe-p. CMOS juga memungkinkan chip logika dengan kepadatan tinggi dibuat.

Kalimat "metal–oxide–semiconductor" atau semikonduktor–logam–oksida adalah sebuah sebutan pada struktur fisik beberapa transistor efek medan, memiliki gerbang elektrode logam yang terletak di atas isolator oksida logam, yang juga berada di atas bahan semikonduktor. Aluminium digunakan pertama kali, tetapi sekarang digunakan bahan polisilikon. Gerbang logam lain dibuat seiring kedatangan material dielektrik permitivitas tinggi di dalam proses pembuatan CMOS, seperti yang diumumkan oleh IBM dan Intel untuk node 45 nanometer dan lebih kecil

Inverter CMOS Statis

Struktur Transistor MOS

Struktur dari transistor NMOS dapat ketahui dari potongan melintang dari transistor

NMOS tersebut, seperti tampak pada gambar-1. Dua bagian yang di-doping lebih berat dengan

silicon type-n (n+) akan membentuk source dan drain. Source dan drain dipisahkan oleh

sebuah substrat type-p. Hantaran dari terminal gate menuju subtract (body) dipisahkan oleh

sebuah lapisan isolasi tipis SiO2 (lebih sering dikenal sebagai lapisan kaca). Nama transistor

MOS diperoleh dari tumpukan struktur gate-isolator-substrat dari transistor itu sendiri, yaitu

Metal-Oxide-Semiconductor. Mula-mula gate dibuat dari bahan metal, akan tetapi sejak tahun

70an gate dibuat dari Polysilicon.

Ketika tegangan gate pada kondisi low, substrat mengisolasi source dan drain, jadi tidak

ada arus yang mengalir diantara keduanya. Bisa dikatakan bahwa transistor dalam kondisi OFF.

Perlu diperhatikan bahwa gate dan substrat berperilaku seperti dua lempeng kapasitor, sementara

lapisan tipis oxide (SiO2) berfungsi seperti dielectric.

Ketika tegangan gate menjadi relatif lebih tinggi terhadap substrat dan source, maka

pembawa positif akan ditarik kearah terminal positif dari kapasitor (gate), dan pembawa negatif

akan ditarik kearah terminal negatif dari kapasitor (substrat). Ketika tegangan gate

melampaui threshold tertentu (typical 0.35-1 volt), maka pembawa negatif akan

berakumulasi dibawah lapisan oxide sehingga cukup untuk ”membalik” substrat dan membentuk

kanal tipis semikonduktor type-n. Sekarang terdapat jalur penghantar type-n diantara source dan

drain, sehingga arus bisa mengalir diantara dua terminal source dan drain tersebut. Bisa

dikatakan bahwa transistor dalam kondisi ON.

Gambar 1: Potongan melintang dari transistor NMOS

Perilaku transistor PMOS berkebalikan dari transistor NMOS. Terminal source dan

substrat normalnya diberi tegangan high. Ketiga gate juga berada pada tegangan high, maka pada

gate kapasitor tidak terdapat tegangan yang melintasinya dan transistor dalam kondisi OFF.

Ketika gate berada pada tegangan low, maka pembawa positif akan tertarik dari subtrat menuju

tepat dibawah lapisan oxide dan transistor akan ON.

Gambar 2: Potongan melintang dari transistor PMOS

Perlu diperhatikan bahwa dalam pembahasan sebelumnya belum pernah disinggung

tentang terminal ke-empat dari transistor (selain gate, drain, dan source). Sebenarnya substrat

bisa berfungsi sebagai terminal ke-empat dari transistor. Terminal ke-empat ini

kadang dikenal sebagai ”bulk”. Bulk harus dihubungkan ke GND pada transistor NMOS,

dan pada dihubungkan ke VDD untuk transistro PMOS agar bisa beroperasi dengan benar.

Unjuk kerja dari transistor ditentukan oleh length (L) dan width (W) dari

transistor.Length adalah jarak antara source dan drain. Sedangkan width adalah lebar dari gate.

Kanal (length) yang lebih pendek jaraknya akan memberikan operasi yang lebih cepat dari

transistor, karena arus akan mengalir dalam jarak yang lebih pendek. Transistor yang lebih lebar

menyediakan arus yang lebih besar, tapi juga memiliki nilai kapasitansi yang lebih besar, oleh

karena itu pilihan terbaik dari width ini tergantung aplikasinya.

Gambar 3: Length dan Width dari Transistor MOS

Struktur Inverter CMOS

Inverter memerlukan dua buah transistor NMOS dan PMOS, terhubung bersama satu

sama lain, dan terhubung pula ke sedemikian rupa dan terhubung pula ke VDD dan GND. Pada

NMOS memerlukan substrat type-p, sementara PMOS memerlukan substrat type-n. Transistor

dibangun dari subtrat tunggal, oleh karena itu diperlukan mekanisme melokalisir perubahan

doping untuk mengakomodasi kedua jenis transistor tersebut. Pendekatan yang biasa dilakukan

adalah dengan membuat ”sumur” (well). Ilustrasi ini ditunjukkan pada gambar-3. Untuk

membuat setiap lapisan pada inverter CMOS diperlukan beberapa mask (masker). Tumpukan

masker-masker yang diperlukan untuk membuat inverter bila dilihat dari pandangan atas, akan

tampak seperti pada gambar-4.

Gambar 4: Potongan Melintang dari Inverter CMOS

Gambar 5: Masker untuk Inverter

Aturan Desain Layout

Aturan desain layout mendefinisikan dimensi minimum dari fitur yang dapat

dimanufactur pada chip. Akan lebih mudah mengungkapkan aturan-aturan dalam sebuah

parameter yaitu λ (lamdha), yang menyatakan karakteristik resolusi dari proses pembuatan chip.

Lamdha didefinisikan sebagai separuh panjang minimum dari sebuah gate transistor. Jika kita

membangun layout yang berbasis pada lamdha, maka kita bisa mengambil desain yang lama

yang sudah kita rancang untuk proses yang lebih lama, dan menskalanya terhadap proses yang

lebih baru, hanya dengan mengubah nilai lamdhanya, dan tidak perlu lagi mengambar layout

yang baru.

Cara yang gampang untuk mengingat aturan-aturan desain adalah bahwa dalam

kebanyakan material memiliki lebar 4λ, tapi polysilicon lebarnya hanya 2λ. Contact selalu 2x2.

Spasi antar material besarnya sama dengan lebar material itu sendiri.

Aturan desain yang pasti tersedia di MOSIS web page. MOSIS adalah sebuah jasa

layanan yang mengumpulkan beberapa pesanan dalam skala kecil untuk kemudian secara

bersama-sama dilakukan proses manufaktur. MOSIS telah mengembangkan serangkaian aturan-

aturan desain CMOS yang dapat diatur skala-nya. Dalam praktikum ini akan menggunakan

aturan-aturan SUBM submicron yang meskipun agak konservatif tapi cukup untuk proses-proses

yang lebih maju, misalkan untuk proses AMI 0.5 dan 1.5 micron.

Contoh Rangkaian dan Pembahasan

Daftar Komponen :R1____________470R   1/2W ResistorR2____________100K   1/4W ResistorR3______________1M5  1/4W ResistorR4______________1K   1/4W Resistor

C1____________330nF  400V Polyester CapacitorC2____________100µF   25V Electrolytic CapacitorC3,C5__________10nF   63V Polyester or Ceramic CapacitorsC4_____________10µF   25V Electrolytic Capacitor

D1,D2________1N4007 1000V 1A DiodesD3_________BZX79C10   10V 500mW Zener DiodeD4__________TIC206M  600V 4A TRIAC

Q1____________BC557   45V 100mA PNP Transistor

IC1____________7555 or TS555CN CMos Timer IC

Cara menentukan kaki IC adalah sebagai berikut.

Untuk IC yang dikemas dalam kemasan DIL atau dua garis maka kaki nomor 1 adalah kaki yang dekat titik (bulatan) dan tanda itu berdekatan dengan lekukan (cekungan) yang ada pada badan IC. Selanjutnya kaki nomor 2, nomor 3 dan seterusnya dapat kita peroleh dengan cara memutar dengan arah berlawanan dengan arah jarum jam.

Untuk IC yang dikemas dalam kemasan satu baris maka kaki nomor 1 adalah kaki yang paling tepi dan berdekatan dengan tanda titik, cekungan atau tanda yang lain. IC dibedakan jenisnya menurut bentuk fisik dan fungsinya.

A. IC Power Amplifier

Mempunyai bentuk pipih dan fisiknya lebih besar dari yang lain. Digunakan pada rangkaian penguat suara (audio amplifier). Daya output IC ini cukup besar, berkisar antara 15 watt sampai 100 Watt atau bahkan lebih. Contoh tipe IC-nya adalah STK015, STK 070, STK 105, LA 4440 dan sebagainya.

B. IC Power Adaptor (Regulator)

Digunakan sebagai komponen utama pada rangkaian power adaptor pada sub rangkaian regulator yang berfungsi sebagai penstabil tegangan atau voltase. Contoh tipe IC-nya adalah LM 317H, 78xx (xx = 05, 06, 07, 08, 09, 12), L200, S 042 P, LM 723 dan sebagainya.

C. IC Op Amp

Digunakan pada rangkaian digital yang berfungsi sebagai op amp atau untuk keperluan lain. Misalnya op amp audio amplifier, op amp mic, op amp head tape recorder, termometer digital dan lain-lain. Contoh tipe IC-nya adalah LM 709, LM 741, LM 386, TL 074, TL 083, TL 084 dan sebagainya.

D. IC Silinder

IC ini mempunyai bentuk silinder dan banyak digunakan pada rangkaian penguat pesawat CB(Citizen Band) atau HT (Held Transceived). IC jenis ini mempunyai tingkat ketahanan dan keawetan lebih lama dari jenis IC penguat yang lain. Contoh tipe IC-nya adalah CL 914, CA703, CA714 dan sebagainya.

E. IC Flip-Flap (FF) atau Timer (CLK,Clock)

IC ini banyak digunakan pada rangkaian pembangkit (multivibrator) untuk memberi umpan atau sumber detak (oscilator) pada IC digital atau untuk keperluan lain. Misalnya NE 555 (IC terpopuler dikalangan pelajar) untuk alarm multiguna, signal injektor, penguji hubungan, saklar sentuh, timer lampu FF, frekuensi meter, pengacau frekuensi, otak rangkaian power amplifier, regulator pada power adaptor (dapat berfungsi seperti IC Power Amplifier dan Power Adaptor), pengusir serangga, organ elektronik dan lain-lain. Contoh tipe IC-nya NE 555, NE 556 (dua NE 555), M7555 dan sebagainya.

F. IC Digital

Dalam IC digital, suatu titik elektronis yang berupa seutas kabel atau kaki IC, akan mewujudkan salah satu dari dua keadaan logika, yaitu logika ’0′ (nol, rendah) atau logika ’1′ (satu, tinggi). Suatu titik elektronis mewakili satu ‘binary digit’ atau biasa disingkat dengan sebutan ‘bit’.

Binary berarti sistem bilangan ‘dua-an’, yakni bilangan yang hanya mengenal dua angka, 0 dan 1. IC digital dibedakan menjadi dua.

1. IC TTL (Transistor-Transistor Logic)

Pada suatu lingkungan IC TTL logika ’0′ direpresentasikan dengan tegangan 0 sampai 0,7 Volt arus searah (DC, Direct Current), sedangkan logika ’1′ diwakili oleh tegangan DC setinggi 3,5 sampai 5 Volt.

1.1 Microprocessor

Microprocessor adalah alat pemroses data yang merupakan pengembangan dari teknologi pembuatan Integrated Circuit (IC), Ada beberapa peristilahan yang dipakai untuk menunjukan tingkat kepadatan (density) dari suatu chip IC, yaitu Small Scale Integration (SSI-mengemas beberapa puluh transistor), Medium Scale Integration (MSI-mengemas sampai beberapa ratus transistor), dan sekarang yang sedang berkembang adalah Very Large Scale Integration (VLSI-mengemas puluhan ribu sampai jutaan transistor). Ultra-Large Scale Integration (ULSI) meningkatkan jumlah tersebut menjadi jutaan. Kemampuan untuk memasang sedemikian banyak komponen dalam suatu keping yang berukurang setengah keping uang logam mendorong turunnya harga dan ukuran komputer.

Hal tersebut juga meningkatkan daya kerja, efisiensi dan keterandalan komputer. Chip Intel 4004 yang dibuat pada tahun 1971 membawa kemajuan pada IC dengan meletakkan seluruh komponen dari sebuah komputer (central processing unit, memori, dan kendali input/output) dalam sebuah chip yang sangat kecil.

Sebelumnya, IC dibuat untuk mengerjakan suatu tugas tertentu yang spesifik. Sekarang, sebuah mikroprosesor dapat diproduksi dan kemudian diprogram untuk memenuhi seluruh kebutuhan yang diinginkan. Tidak lama kemudian, setiap perangkat rumah tangga seperti microwave oven, televisi, dn mobil dengan electronic fuel injection dilengkapi dengan mikroprosesor. Contoh tentang teknologi ULSI, misalnya microprocessor jenis 8086 mengandung 40.000 buah transistor, 80286 terdiri dari 150.000 transistor, 80386 memuat 250.000 transistor, 80486 mempunyai 1,2 juta transistor, 80586 (Pentium) 3 juta buah transistor lebih sedangkan Intel Core 2 Duo mempunyai 271 juta transistor dan Intel Quad Core 2 Extreme yang terdiri dari empat inti prosesor. Pengembangan lebih lanjut microprocessor 80 inti. Silahkan hitung sendiri kandungan transistornya dan itu akan berkembang secara terus menerus.