Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Микросхема часов PMOS, 1974 г.

Логика PMOS или pMOS (от P-channel металл-оксид-полупроводник ) представляет собой семейство цифровых схем, основанных на полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET) с p-каналом и режимом усиления . В конце 1960-х - начале 1970-х годов логика PMOS была доминирующей полупроводниковой технологией для крупномасштабных интегральных схем, прежде чем ее вытеснили устройства NMOS и CMOS .

История и применение [ править ]

Основная статья: MOSFET § Ранняя история
См. Также: Логика NMOS с истощающей загрузкой § История и предыстория

Мохамед Аталла и Давон Канг изготовили первый действующий полевой МОП-транзистор в Bell Labs в 1959 году. [1] Они изготовили как PMOS, так и NMOS устройства, но работали только PMOS-устройства. [2] Пройдет более десяти лет, прежде чем загрязняющие вещества в производственном процессе (особенно натрий) можно будет контролировать достаточно хорошо, чтобы производить практические устройства NMOS.

По сравнению с биполярным переходным транзистором , единственным другим устройством, доступным в то время для использования в интегральной схеме , полевой МОП-транзистор предлагает ряд преимуществ:

  • Учитывая процессы изготовления полупроводниковых устройств с аналогичной точностью, для MOSFET требуется только 10% площади транзистора с биполярным переходом. [3] ( pp87 ) Основная причина в том, что полевой МОП-транзистор является самоизолирующим и не требует изоляции p – n-перехода от соседних компонентов микросхемы.
  • MOSFET требует меньшего количества этапов процесса и, следовательно, проще и дешевле в производстве (один этап диффузионного легирования [3] ( pp87 ) по сравнению с четырьмя для биполярного процесса [3] ( pp50 ) ).
  • Поскольку для полевого МОП-транзистора нет статического тока затвора, потребляемая мощность интегральной схемы на основе полевого МОП-транзистора может быть ниже.

Недостатками по сравнению с биполярными интегральными схемами были:

  • Скорость переключения была значительно ниже из-за большой емкости затвора .
  • Высокое пороговое напряжение ранних MOSFET приводило к более высокому минимальному напряжению источника питания (от -24 В до -28 В [4] ).

General Microelectronics представила первую коммерческую схему PMOS в 1964 году, 20-разрядный регистр сдвига со 120 полевыми МОП-транзисторами - по тем временам невероятный уровень интеграции. [5] Попытка General Microelectronics в 1965 году разработать набор из 23 индивидуальных интегральных схем для электронного калькулятора для Victor Comptometer [5] оказалась слишком амбициозной, учитывая надежность схем PMOS в то время и в конечном итоге привела к упадку Общая микроэлектроника. [6] Другие компании продолжали производить схемы PMOS, такие как большие регистры сдвига ( General Instrument ) [7] или аналоговый мультиплексор 3705 ( Fairchild Semiconductor ).[8], которые были невозможны в биполярных технологиях того времени.

Значительное улучшение произошло с появлением в 1968 году технологии самовыравнивающегося затвора из поликремния . [9] Том Кляйн и Федерико Фаггин из Fairchild Semiconductor улучшили процесс самовыравнивания затвора, сделав его коммерчески жизнеспособным, что привело к выпуску аналогового мультиплексора 3708 как первая интегральная схема с кремниевым затвором. [9] Процесс самовыравнивания затвора позволил более жесткие производственные допуски и, следовательно, как полевые МОП-транзисторы меньшего размера, так и уменьшенные согласованные емкости затвора. Например, для памяти PMOS эта технология обеспечивает в три-пять раз большую скорость на половине площади чипа. [9]Материал затвора из поликремния не только сделал возможным самовыравнивающийся затвор, но и привел к снижению порогового напряжения и, как следствие, к более низкому минимальному напряжению источника питания (например, -16 В [10] ( p1-13 ) ), уменьшив потребление энергии. . Из-за более низкого напряжения источника питания логика PMOS с кремниевым затвором часто называется низковольтной PMOS, в отличие от более старых PMOS с металлическим затвором как высоковольтная PMOS . [3] ( стр. 89 )

По разным причинам Fairchild Semiconductor не приступила к разработке интегральных схем PMOS так интенсивно, как того хотелось бы руководителям. [11] ( pp1302 ) Двое из них, Гордон Мур и Роберт Нойс , в 1968 году решили основать свой собственный стартап - Intel . Вскоре к ним присоединились другие инженеры Fairchild, включая Федерико Фаггина и Леса Вадаша . Intel представила свою первую статическую память с произвольным доступом PMOS с емкостью 256 бит, Intel 1101, в 1969 году. [11] ( pp1303 ) 1024-битная динамическая память с произвольным доступом Intel 1103последовал в 1970 году. [12] 1103 имел коммерческий успех и быстро начал заменять память на магнитных сердечниках в компьютерах. [12] Intel представила свой первый микропроцессор PMOS , Intel 4004 , в 1971 году. Ряд компаний последовали примеру Intel. Большинство ранних микропроцессоров производились по технологии PMOS: 4040 и 8008 от Intel; IMP-16 , PACE и SC / MP от National Semiconductor ; TMS1000 от Texas Instruments ; ППС-4 [13] и ППС-8 [14]от Rockwell International . В этом списке микропроцессоров есть несколько первых коммерческих микропроцессоров: первый 4-битный микропроцессор (4004), первый 8-битный микропроцессор (8008), первый однокристальный 16-битный микропроцессор (PACE) и первый однокристальный микропроцессор. 4-битный микроконтроллер (TMS1000; RAM и ROM на том же чипе, что и CPU ).

К 1972 году технология NMOS была наконец развита до такой степени, что ее можно было использовать в коммерческих продуктах. И Intel (с 2102) [15], и IBM [12] представили микросхемы памяти на 1 кбит. Поскольку подвижность электронов в канале n-типа полевых МОП-МОП-транзисторов примерно в три раза выше подвижности дырок в канале p-типа полевых МОП-МОП-транзисторов, логика NMOS позволяет увеличить скорость переключения. По этой причине логика NMOS быстро начала заменять логику PMOS. К концу 1970-х годов микропроцессоры NMOS обогнали процессоры PMOS. [16] Логика PMOS оставалась в использовании некоторое время из-за ее низкой стоимости и относительно высокого уровня интеграции для таких приложений, как простые калькуляторы и часы. CMOSТехнология обещала значительно более низкое энергопотребление, чем PMOS или NMOS. Хотя схема КМОП была предложена еще в 1963 году Фрэнком Ванлассом [17], а коммерческие интегральные схемы КМОП серии 4000 были запущены в производство в 1968 году, КМОП оставалась сложной в производстве и не позволяла ни уровня интеграции PMOS или NMOS, ни скорости NMOS. . Потребовалось время до 1980-х годов, прежде чем CMOS заменила NMOS в качестве основной технологии для микропроцессоров.

Описание [ править ]

Цепи PMOS имеют ряд недостатков по сравнению с альтернативами NMOS и CMOS , в том числе потребность в нескольких различных напряжениях питания (как положительных, так и отрицательных), большое рассеяние мощности в проводящем состоянии и относительно большие характеристики. Кроме того, общая скорость переключения ниже.

PMOS использует полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) с р-каналом (+) для реализации логических вентилей и других цифровых схем . Транзисторы PMOS работают, создавая инверсионный слой в корпусе транзистора n-типа . Этот инверсионный слой, называемый p-каналом, может проводить отверстия между выводами «истока» и «стока» p-типа .

Р-канал создается путем подачи отрицательного напряжения (обычно -25 В [18] ) на третий вывод, называемый затвором. Как и другие полевые МОП-транзисторы, PMOS-транзисторы имеют четыре режима работы: отсечка (или подпороговая), триод, насыщение (иногда называемое активным) и насыщение по скорости.

Хотя логику PMOS легко спроектировать и изготовить (полевой МОП-транзистор может работать как резистор, поэтому вся схема может быть сделана из полевых транзисторов PMOS), у нее также есть несколько недостатков. Наихудшая проблема заключается в том, что через логический вентиль PMOS проходит постоянный ток (DC), когда PUN активен, то есть всякий раз, когда на выходе высокий уровень, что приводит к статическому рассеянию мощности, даже когда схема находится в режиме ожидания.

Кроме того, схемы PMOS медленно переходят с высокого уровня на низкий. При переходе от низкого к высокому уровню транзисторы обеспечивают низкое сопротивление, а емкостной заряд на выходе накапливается очень быстро (аналогично зарядке конденсатора через очень низкое сопротивление). Но сопротивление между выходом и отрицательной шиной питания намного больше, поэтому переход с высокого уровня на низкий занимает больше времени (аналогично разрядке конденсатора через высокое сопротивление). Использование резистора меньшего номинала ускорит процесс, но также увеличит рассеивание статической мощности.

Кроме того, асимметричные входные логические уровни делают схемы PMOS чувствительными к шумам. [19]

Для большинства интегральных схем PMOS требуется источник питания 17-24 В постоянного тока. [20] Intel 4004 PMOS микропроцессор, однако, использует PMOS логику с поликремния , а не металлическими воротами , позволяющими меньший перепад напряжения. Для совместимости с сигналами TTL в 4004 используется положительное напряжение питания V SS = + 5 В и отрицательное напряжение питания V DD = -10 В. [21]

Гейтс [ править ]

МОП-транзисторы p-типа скомпонованы в так называемую «подтягивающую сеть» (PUN) между выходом логического элемента и положительным напряжением питания, а резистор помещен между выходом логического элемента и отрицательным напряжением питания. Схема спроектирована таким образом, что если желаемый выход высокий, тогда PUN будет активен, создавая путь тока между положительным источником питания и выходом.

Вентили PMOS имеют то же расположение, что и вентили NMOS, если все напряжения инвертированы. [22] Таким образом, для логики с активным высоким уровнем законы Де Моргана показывают, что вентиль PMOS NOR имеет ту же структуру, что и вентиль NMOS NAND, и наоборот.

Инвертор PMOS с нагрузочным резистором.
Затвор PMOS NAND с нагрузочным резистором.
Затвор PMOS NOR с нагрузочным резистором.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "1960: Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Музей истории компьютеров .
  2. ^ Lojek, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . С.  321–323 . ISBN 9783540342588.
  3. ^ а б в г Манфред Зайфарт (1982). Digitale Schaltungen und Schaltkreise [ Цифровые схемы и интегральные схемы ] (на немецком языке). Берлин: VEB Verlag Technik. OCLC 923116729 . 
  4. ^ Могистеры: новое поколение MOS монолитных регистров сдвига . General Instrument Corp.1965.
  5. ^ a b "1964: Представлена ​​первая коммерческая MOS IC" . Музей истории компьютеров . Проверено 7 декабря 2020 .
  6. ^ «13 секстиллионов и подсчет: длинный и извилистый путь к наиболее часто производимому человеческому артефакту в истории» . Музей истории компьютеров. 2018-04-02 . Проверено 8 декабря 2020 .
  7. ^ Интегральная схема MOS General Instrument . Отделение общей приборной микроэлектроники. Сентябрь 1966 г.
  8. ^ MJ Роблес (1968-04-09). Новый мультиплексный переключатель MOS является биполярным . Fairchild Semiconductor.
  9. ^ a b c «1968: технология кремниевого затвора, разработанная для ИС» . Музей истории компьютеров . Проверено 11 декабря 2020 .
  10. ^ Справочник Intel по проектированию памяти (PDF) . Intel. Aug 1973 . Проверено 18 декабря 2020 .
  11. ^ a b Sah, Chih-Tang (октябрь 1988 г.). «Эволюция МОП-транзистора - от концепции до СБИС» (PDF) . Труды IEEE . 76 (10): 1280–1326. DOI : 10.1109 / 5.16328 . ISSN 0018-9219 .  
  12. ^ a b c "1970: MOS динамическая RAM конкурирует с памятью на магнитных сердечниках по цене" . Музей истории компьютеров . Проверено 17 декабря 2020 .
  13. ^ "Rockwell PPS-4" . Страница коллекционера антикварных фишек . Проверено 21 декабря 2020 .
  14. ^ Микрокомпьютер системы параллельной обработки (PPS) . Rockwell International. Октябрь 1974 . Проверено 21 декабря 2020 .
  15. ^ «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 .
  16. ^ Кун, Келин (2018). «CMOS и не только CMOS: проблемы масштабирования». Высокомобильные материалы для приложений CMOS . Издательство Вудхед . п. 1. ISBN 9780081020623.
  17. ^ «1963: изобретена дополнительная конфигурация схемы MOS» . Музей истории компьютеров . Проверено 2 января 2021 .
  18. ^ Кен Ширрифф (декабрь 2020 г.). «Обратный инжиниринг ранней микросхемы калькулятора с четырехфазной логикой» . Проверено 31 декабря 2020 .
  19. ^ Хан, Ахмад Шахид (2014). Микроволновая техника: концепции и основы . п. 629. ISBN. 9781466591424. Проверено 10 апреля 2016 . Кроме того, асимметричные входные логические уровни делают схемы PMOS чувствительными к шумам.
  20. ↑ Fairchild (январь 1983 г.). «КМОП, идеальное семейство логики» (PDF) . п. 6. Архивировано из оригинального (PDF) 09.01.2015 . Проверено 3 июля 2015 . Большинство наиболее популярных компонентов P-MOS рассчитаны на блоки питания от 17 В до 24 В, в то время как максимальное напряжение питания для CMOS составляет 15 В.
  21. ^ "Intel 4004 datasheet" (PDF) (опубликовано 06.07.2010). 1987. с. 7 . Проверено 6 июля 2011 .
  22. ^ Справочник данных по микроэлектронным устройствам (PDF) (изд. NPC 275-1). НАСА / Исследовательская корпорация ARINC. Август 1966 г. с. 2-51.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Савард, Джон JG (2018) [2005]. «Из чего сделаны компьютеры» . квадиблок . Архивировано 2 июля 2018 года . Проверено 16 июля 2018 .