Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

N-типа металл-оксид-полупроводник логика применения п-типа (-) МОП - транзисторы (металл-оксид-полупроводник полевых транзисторов ) для реализации логических вентилей и других цифровых схем . Эти nMOS-транзисторы работают, создавая инверсионный слой в корпусе транзистора p-типа . Этот инверсионный слой, называемый n-каналом, может проводить электроны между n-типомтерминалы «исток» и «сток». N-канал создается путем подачи напряжения на третий вывод, называемый затвором. Как и другие полевые МОП-транзисторы, n-МОП-транзисторы имеют четыре режима работы: отсечка (или подпороговая), триод, насыщение (иногда называемое активным) и насыщение по скорости.

Обзор [ править ]

MOS означает металл-оксид-полупроводник , отражая способ, которым изначально были сконструированы МОП-транзисторы, преимущественно до 1970-х годов, с металлическими затворами, обычно из алюминия. Однако примерно с 1970 года в большинстве МОП-схем использовались самовыравнивающиеся затворы из поликристаллического кремния - технология, впервые разработанная Федерико Фагджином из Fairchild Semiconductor . Эти кремниевые вентили до сих пор используются в большинстве типов интегральных схем на основе MOSFET , хотя металлические вентили ( Al или Cu ) начали снова появляться в начале 2000-х годов для некоторых типов высокоскоростных схем, таких как высокопроизводительные микропроцессоры.

MOSFET - это транзисторы с расширенным режимом n-типа , расположенные в так называемой «нисходящей сети» (PDN) между выходом логического элемента и отрицательным напряжением питания (обычно заземлением). Тянуть вверх (т.е. «нагрузка» , что можно рассматривать как резистор, смотрите ниже) помещаются между положительным напряжением питания и каждым выходом логического элемента. Любой логический вентиль , включая логический инвертор , затем может быть реализован путем разработки сети параллельных и / или последовательных схем, так что если желаемый выход для определенной комбинации логических входных значений равен нулю (или ложно), PDN будет активен, что означает, что по крайней мере один транзистор обеспечивает прохождение тока между отрицательным источником питания и выходом. Это вызывает падение напряжения на нагрузке и, следовательно, низкое напряжение на выходе, представляющее ноль .

NMOS NOR С РЕЗИСТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ.PNG

В качестве примера, вот вентиль ИЛИ- НЕ, реализованный в схематической NMOS. Если на входе A или B высокий уровень (логическая 1 = True), соответствующий МОП-транзистор действует как очень низкое сопротивление между выходом и отрицательным источником питания, заставляя выход быть низким (логический 0, = False). Когда оба транзистора A и B имеют высокий уровень, оба транзистора являются проводящими, создавая путь к земле с еще меньшим сопротивлением. Единственный случай, когда на выходе высокий уровень, - это когда оба транзистора выключены, что происходит только тогда, когда оба A и B имеют низкий уровень, таким образом удовлетворяя таблице истинности логического элемента ИЛИ-НЕ:

АBА НИ Б
001
010
100
110

МОП-транзистор может работать как резистор, поэтому вся схема может быть сделана только с n-канальными МОП-транзисторами. Цепи NMOS медленно переходят от низкого уровня к высокому. При переходе от высокого уровня к низкому транзисторы обеспечивают низкое сопротивление, и емкостной заряд на выходе очень быстро исчезает (аналогично разрядке конденсатора через очень низкий резистор). Но сопротивление между выходом и положительной шиной питания намного больше, поэтому переход от низкого к высокому уровню занимает больше времени (аналогично зарядке конденсатора через резистор высокого номинала). Использование резистора меньшего номинала ускорит процесс, но также увеличит рассеивание статической мощности. Однако лучший (и наиболее распространенный) способ сделать вентили быстрее - это использовать транзисторы в режиме истощения вместо режима улучшения.транзисторы в качестве нагрузки. Это называется логикой NMOS с истощением нагрузки .

В течение многих лет схемы NMOS были намного быстрее, чем сопоставимые схемы PMOS и CMOS , которые должны были использовать гораздо более медленные транзисторы с каналом p-типа. Также было проще производить NMOS, чем CMOS, поскольку последняя должна была реализовать транзисторы с каналом p-типа в специальных n-лунках на p-подложке. Главный недостаток NMOS (и большинства других логических семейств ) состоит в том, что постоянный ток должен проходить через логический вентиль, даже когда выход находится в устойчивом состоянии (низкий в случае NMOS). Это означает рассеивание статической мощности., т. е. потребляемая мощность даже тогда, когда схема не переключается. Аналогичная ситуация возникает в современных высокоскоростных КМОП-схемах с высокой плотностью размещения (микропроцессоры и т. Д.), Которые также потребляют значительный статический ток, хотя это происходит из-за утечки, а не смещения. Однако старые и / или более медленные схемы статической CMOS, используемые для ASIC , SRAM и т. Д., Обычно имеют очень низкое статическое энергопотребление.

Кроме того, как и в DTL , TTL , ECL и т. Д., Асимметричные входные логические уровни делают схемы NMOS и PMOS более восприимчивыми к шуму, чем CMOS. Эти недостатки являются причиной того, почему логика CMOS теперь вытеснила большинство этих типов в большинстве высокоскоростных цифровых схем, таких как микропроцессоры (несмотря на то, что изначально CMOS была очень медленной по сравнению с логическими вентилями, построенными на биполярных транзисторах ).

История [ править ]

См. Также: Логика NMOS с истощающей загрузкой § История и предыстория

МОП - транзистор был изобретен Египетским инженер Mohamed М. Atalla и корейский инженер Давон Канг в Bell Labs в 1959 году, и продемонстрирован в 1960 г. [1] Они изготовлены как PMOS и NMOS устройства с 20  процессом мкм . Однако устройства NMOS были непрактичными, и только устройства типа PMOS были практичными. [2]

В 1965 году Чих-Танг Сах , Отто Лейстико и А.С. Гроув из Fairchild Semiconductor изготовили несколько устройств NMOS с длиной канала от 8  до 65  мкм. [3] Дейл Л. Кричлоу и Роберт Х. Деннард из IBM также производили устройства NMOS в 1960-х годах. Первым продуктом IBM NMOS был чип памяти с объемом данных 1 Кбайт и временем доступа 50–100 нс , который начал массовое производство в начале 1970-х годов. Это привело к MOS полупроводниковой памяти замены ранее биполярное и феррит-память на магнитных сердечниках  технологии в 1970-е годы. [4]

Первые микропроцессоры в начале 1970-х были процессорами PMOS, которые первоначально доминировали в индустрии ранних микропроцессоров . [5] В 1973 году , NEC «ы μCOM-4 был ранним NMOS микропроцессором, изготовлен по NEC LSI команда, состоящая из пяти исследователей во главе с Sohichi Suzuki. [6] [7] К концу 1970-х годов микропроцессоры NMOS обогнали процессоры PMOS. [5] КМОП- микропроцессоры были представлены в 1975 году. [5] [8] [9] Однако КМОП-процессоры не стали доминирующими до 1980-х годов. [5]

КМОП изначально была медленнее, чем логика NMOS, поэтому в 1970-х годах NMOS более широко использовалась для компьютеров. [10] Intel 5101 (1 кб SRAM ) чип памяти CMOS (1974) имел время доступа 800 нс , [11] [12] , тогда как самый быстрый чип NMOS в то время, Intel 2147 (4 кб SRAM) HMOS памяти чип (1976), имел время доступа 55/70 нс. [10] [12] В 1978 году исследовательская группа Hitachi во главе с Тошиаки Масухарой ​​представила процесс Hi-CMOS с двумя лунками с микросхемой памяти HM6147 (4 КБ SRAM), изготовленной по технологии 3 мкм .      [10] [13] Чип Hitachi HM6147 смог достичь производительности (55/70 нс) чипа Intel 2147 HMOS, в то время как HM6147 также потреблял значительно меньше энергии (15 мА ), чем 2147 (110мА). Обладая сопоставимой производительностью и гораздо меньшим энергопотреблением, двухлуночный CMOS-процесс в конечном итоге обогнал NMOS как наиболее распространенный процесс производства полупроводников для компьютеров в 1980-х годах. [10]  

В 1980-х годах микропроцессоры CMOS обогнали микропроцессоры NMOS. [5]

См. Также [ править ]

  • Логика PMOS
  • Логика NMOS с истощающей нагрузкой (включая процессы, называемые HMOS (высокая плотность, MOS с коротким каналом), HMOS-II, HMOS-III и т.д. в конце 1970-х и использовались в течение многих лет.Некоторые производственные процессы CMOS, такие как CHMOS , CHMOS-II, CHMOS-III и т. д., произошли непосредственно от этих NMOS-процессов.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "1960 - Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  2. ^ Lojek, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . С. 321–3. ISBN 9783540342588.
  3. ^ Сах, Чжи-Тан ; Лейстико, Отто; Grove, AS (май 1965 г.). «Подвижности электронов и дырок в инверсионных слоях на термически окисленных поверхностях кремния» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 12 (5): 248–254. Bibcode : 1965ITED ... 12..248L . DOI : 10,1109 / Т-ED.1965.15489 .
  4. ^ Critchlow, DL (2007). «Воспоминания о масштабировании MOSFET» . Информационный бюллетень IEEE Solid-State Circuits Society . 12 (1): 19–22. DOI : 10.1109 / N-SSC.2007.4785536 .
  5. ^ а б в г д Кун, Келин (2018). «CMOS и не только CMOS: проблемы масштабирования» . Высокомобильные материалы для приложений CMOS . Издательство Вудхед . п. 1. ISBN 9780081020623.
  6. ^ «1970-е: Развитие и эволюция микропроцессоров» (PDF) . Японский музей истории полупроводников . Проверено 27 июня 2019 .
  7. ^ "NEC 751 (uCOM-4)" . Страница коллекционера антикварных фишек. Архивировано из оригинала на 2011-05-25 . Проверено 11 июня 2010 .
  8. ^ Кушман, Роберт Х. (20 сентября 1975 г.). «Микропроцессоры 2-1 / 2 поколения - 10 долларов США, которые работают как миниатюрные недорогие» (PDF) . EDN. Архивировано из оригинального (PDF) 24 апреля 2016 года . Проверено 15 сентября 2019 .
  9. ^ "CDP 1800 μP Коммерчески доступный" (PDF) . Микрокомпьютерный дайджест . 2 (4): 1–3. Октябрь 1975 г.
  10. ^ a b c d "1978: Двойная быстрая CMOS SRAM (Hitachi)" (PDF) . Японский музей истории полупроводников . Архивировано из оригинального (PDF) 5 июля 2019 года . Дата обращения 5 июля 2019 .
  11. ^ "Кремниевый затвор MOS 2102A" . Intel . Проверено 27 июня 2019 .
  12. ^ a b «Хронологический список продуктов Intel. Продукты отсортированы по дате» (PDF) . Музей Intel . Корпорация Intel. Июль 2005. Архивировано из оригинального (PDF) 9 августа 2007 года . Проверено 31 июля 2007 года .
  13. ^ Масухара, Тошиаки; Минато, О .; Сасаки, Т .; Sakai, Y .; Кубо, М .; Ясуи, Т. (1978). «Высокоскоростная статическая ОЗУ Hi-CMOS 4K с низким энергопотреблением». 1978 Международная конференция по твердотельным схемам IEEE. Сборник технических статей . XXI : 110–111. DOI : 10.1109 / ISSCC.1978.1155749 .

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с MOS, на Викискладе?