Ar putea fi surprinzător să știm că brevetul pentru un „tranzistor cu efect de câmp” a precedat crearea tranzistorului bipolar cu cel puțin douăzeci de ani. Cu toate acestea, tranzistoarele bipolare au fost mai repede înțelese din punct de vedere comercial, primul cip realizat din tranzistoare bipolare apărând în anii 1960, tehnologia de fabricație MOSFET fiind perfecționată în anii 1980 și depășind în curând verii lor bipolari.
După ce tranzistorul de contact punctual a fost inventat în 1947, lucrurile au început să se miște rapid. Prima a fost inventarea primului tranzistor bipolar în anul următor. Apoi, în 1958, Jack Kilby a venit cu primul circuit integrat care a pus mai mult de un tranzistor pe aceeași matriță. Unsprezece ani mai târziu, Apollo 11 a aterizat pe Lună, datorită revoluționarului Apollo Guidance Computer, care a fost primul computer încorporat din lume. Acesta a fost realizat folosind IC-uri de poartă NOR cu trei intrări primitive, care constau din doar 3 tranzistoare pe poartă.
Acest lucru a dat naștere la seria populară de cipuri logice TTL (Transistor-Transistor Logic), care au fost construite folosind tranzistoare bipolare. Aceste cipuri au scăpat de 5V și ar putea rula la viteze de până la 25MHz.
Acestea au dat curând loc logicii tranzistorului prins de Schottky, care a adăugat o diodă Schottky pe bază și colector pentru a preveni saturația, care a redus foarte mult taxa de stocare și a scăzut timpul de comutare, care la rândul său a scăzut întârzierea de propagare cauzată de taxa de stocare.
O altă serie de logici bazate pe tranzistori bipolari a fost seria ECL (Emitter Coupled Logic) care funcționa pe tensiuni negative, funcționând în esență „înapoi” comparativ cu omologii lor standard TTL ECL ar putea rula până la 500 MHz.
În această perioadă a fost introdusă logica CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). A folosit atât dispozitive cu canal N, cât și dispozitive cu canal P, de unde și numele de complementar.
TTL VS CMOS: Avantaje și dezavantaje
Primul și cel mai mult vorbit despre acesta este consumul de energie - TTL consumă mai multă energie decât CMOS.
Acest lucru este adevărat în sensul că o intrare TTL este doar baza unui tranzistor bipolar, care are nevoie de ceva curent pentru al porni. Mărimea curentului de intrare depinde de circuitele din interior, scufundând până la 1,6 mA. Aceasta devine o problemă atunci când multe intrări TTL sunt conectate la o singură ieșire TTL, care este de obicei doar un rezistor pullup sau un tranzistor destul de slab acționat.
Pe de altă parte, tranzistoarele CMOS au efect de câmp, cu alte cuvinte, prezența unui câmp electric la poartă este suficientă pentru a influența canalul semiconductor în conducție. În teorie, nu se trage niciun curent, cu excepția micului curent de scurgere al porții, care este adesea în ordinea pico- sau nanoampe. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că același consum redus de curent este valabil chiar și la viteze mai mari. Intrarea unui cip CMOS are o anumită capacitate și, prin urmare, un timp de creștere finit. Pentru a vă asigura că timpul de creștere este rapid la frecvență înaltă, este necesar un curent mare, care poate fi în ordinea mai multor amperi la frecvențe MHz sau GHz. Acest curent este consumat numai atunci când intrarea trebuie să schimbe starea, spre deosebire de TTL unde curentul de polarizare trebuie să fie prezent cu semnalul.
Când vine vorba de ieșiri, CMOS și TTL au propriile avantaje și dezavantaje. Ieșirile TTL sunt fie totem pol, fie pullups. Cu stâlpul totemului, ieșirea se poate balansa numai la 0,5V de șine. Cu toate acestea, curenții de ieșire sunt mult mai mari decât omologii lor CMOS. Între timp, ieșirile CMOS, care pot fi comparate cu rezistențele controlate de tensiune, pot ieși la milivolți de șinele de alimentare în funcție de sarcină. Cu toate acestea, curenții de ieșire sunt limitați, fiind adesea suficient de abia pentru a conduce câteva LED-uri.
Datorită cerințelor lor curente mai mici, logica CMOS se pretează foarte bine la miniaturizare, milioane de tranzistoare putând fi ambalate într-o zonă mică, fără ca cerința actuală să fie prea mare.
Un alt avantaj important pe care TTL îl are asupra CMOS este rezistența sa. Tranzistoarele cu efect de câmp depind de un strat subțire de oxid de siliciu între poartă și canal pentru a oferi izolare între ele. Acest strat de oxid are o grosime de nanometri și are o tensiune de rupere foarte mică, rareori depășind 20V chiar și în FET-uri de mare putere. Acest lucru face CMOS foarte susceptibil la descărcări electrostatice și supratensiune. Dacă intrările sunt lăsate plutitoare, acestea acumulează încet încărcarea și provoacă modificări false ale stării de ieșire, motiv pentru care intrările CMOS sunt de obicei trase în sus, în jos sau împământate. TTL nu suferă această problemă în cea mai mare parte, deoarece intrarea este o bază de tranzistor, care acționează mai mult ca o diodă și este mai puțin sensibilă la zgomot din cauza impedanței sale mai mici.
TTL SAU CMOS? Care e mai bun?
Logica CMOS a înlocuit TTL în aproape toate modurile. Deși cipurile TTL sunt încă disponibile, nu există un avantaj real în utilizarea lor.
Cu toate acestea, nivelurile de intrare TTL sunt oarecum standardizate și multe intrări logice încă spun „compatibil TTL”, astfel încât să aveți un CMOS care conduce o etapă de ieșire TTL pentru compatibilitate nu este neobișnuit. În general, CMOS este câștigătorul clar în ceea ce privește utilitatea.
Familia logică TTL folosește tranzistoare bipolare pentru a efectua funcții logice, iar CMOS utilizează tranzistoare cu efect de câmp. CMOS consumă, în general, mult mai puțină energie, în ciuda faptului că este mai sensibil decât TTL. CMOS și TTL nu sunt într-adevăr interschimbabile și, cu disponibilitatea cipurilor CMOS de putere redusă, utilizarea TTL în designurile moderne este rară.