Было бы удивительно узнать, что патент на «полевой транзистор» предшествовал созданию биполярного транзистора как минимум на двадцать лет. Тем не менее, биполярные транзисторы быстрее завоевали коммерческое распространение: первый чип, сделанный на основе биполярных транзисторов, появился в 1960-х годах, а технология производства MOSFET была усовершенствована в 1980-х годах и вскоре обогнала своих биполярных собратьев.
После того, как в 1947 году был изобретен точечный транзистор, дела пошли быстро. Впервые в следующем году был изобретен первый биполярный транзистор. Затем, в 1958 году, Джек Килби придумал первую интегральную схему, в которой на одном кристалле было размещено более одного транзистора. Одиннадцать лет спустя Apollo 11 приземлился на Луну благодаря революционному компьютеру Apollo Guidance Computer, который был первым в мире встроенным компьютером. Это было сделано с использованием примитивных двойных трехвходовых ИС затвора ИЛИ-НЕ, которые состояли всего из 3 транзисторов на затвор.
Это привело к появлению популярной серии логических микросхем TTL (Transistor-Transistor Logic), которые были построены с использованием биполярных транзисторов. Эти микросхемы работали от 5 В и могли работать на частоте до 25 МГц.
Вскоре они уступили место логике с фиксированным транзистором Шоттки, которая добавляла диод Шоттки к базе и коллектору для предотвращения насыщения, что значительно уменьшало заряд накопителя и уменьшало время переключения, что, в свою очередь, уменьшало задержку распространения, вызванную зарядом накопителя.
Другой серией логики на основе биполярных транзисторов была серия ECL (Emitter Coupled Logic), которая работала на отрицательных напряжениях, по существу, работая «в обратном направлении» по сравнению со своими стандартными аналогами TTL. ECL могла работать до 500 МГц.
Примерно в это же время была представлена логика CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Он использовал как N-канальные, так и P-канальные устройства, отсюда и название, дополняющее друг друга.
TTL VS CMOS: преимущества и недостатки
Первый и наиболее обсуждаемый - это энергопотребление - TTL потребляет больше энергии, чем CMOS.
Это верно в том смысле, что вход TTL - это просто база биполярного транзистора, которому требуется ток для его включения. Величина входного тока зависит от внутренней схемы и достигает 1,6 мА. Это становится проблемой, когда многие входы TTL подключены к одному выходу TTL, который обычно представляет собой просто подтягивающий резистор или довольно плохо управляемый транзистор верхнего плеча.
С другой стороны, КМОП-транзисторы являются полевыми, другими словами, наличия электрического поля на затворе достаточно, чтобы повлиять на полупроводниковый канал в проводимость. Теоретически ток не потребляется, за исключением небольшого тока утечки затвора, который часто бывает порядка пико- или наноампер. Однако это не означает, что такое же низкое потребление тока справедливо даже для более высоких скоростей. Вход КМОП-микросхемы имеет некоторую емкость и, следовательно, конечное время нарастания. Чтобы гарантировать быстрое нарастание на высокой частоте, необходим большой ток, который может составлять порядка нескольких ампер на частотах МГц или ГГц. Этот ток потребляется только тогда, когда вход должен изменить состояние, в отличие от TTL, где ток смещения должен присутствовать с сигналом.
Что касается выходов, то у CMOS и TTL есть свои преимущества и недостатки. Выходы TTL являются либо тотемными, либо подтягивающими. С тотемным столбом выход может качаться только в пределах 0,5 В. Однако выходные токи намного выше, чем у их аналогов CMOS. Между тем, выходы CMOS, которые можно сравнить с резисторами, управляемыми напряжением, могут выдавать в милливольтах от шин питания в зависимости от нагрузки. Однако выходные токи ограничены, часто их едва хватает для питания пары светодиодов.
Благодаря меньшим требованиям к току, логика КМОП очень хорошо поддается миниатюризации, поскольку миллионы транзисторов могут быть размещены на небольшой площади, при этом текущие требования не будут непрактично высокими.
Еще одно важное преимущество TTL перед CMOS - его надежность. Для полевых транзисторов используется тонкий слой оксида кремния между затвором и каналом, обеспечивающий изоляцию между ними. Этот оксидный слой имеет нанометровую толщину и очень маленькое напряжение пробоя, редко превышающее 20 В даже в полевых транзисторах большой мощности. Это делает CMOS очень чувствительной к электростатическому разряду и перенапряжению. Если входы остаются плавающими, они медленно накапливают заряд и вызывают ложные изменения состояния выхода, поэтому входы CMOS обычно подтягиваются вверх, вниз или заземляются. TTL по большей части не страдает этой проблемой, поскольку вход представляет собой базу транзистора, которая действует больше как диод и менее чувствительна к шуму из-за своего более низкого импеданса.
TTL ИЛИ CMOS? Что лучше?
Логика CMOS заменила TTL почти во всех отношениях. Хотя чипы TTL все еще доступны, реальных преимуществ в их использовании нет.
Однако входные уровни TTL несколько стандартизированы, и многие логические входы по-прежнему говорят «TTL-совместимые», поэтому наличие CMOS, управляющего выходным каскадом TTL для совместимости, не является редкостью. В целом CMOS - явный победитель, когда дело доходит до полезности.
В семействе логики TTL используются биполярные транзисторы для выполнения логических функций, а в CMOS используются полевые транзисторы. CMOS обычно потребляет гораздо меньше энергии, несмотря на то, что он более чувствителен, чем TTL. КМОП и ТТЛ на самом деле не взаимозаменяемы, и при наличии маломощных КМОП-чипов использование ТТЛ в современных конструкциях встречается редко.