Logika PMOS - PMOS logic

PMOS hodiny IC, 1974

Logika PMOS nebo pMOS (z P-kanálu kov-oxid-polovodič ) je rodina digitálních obvodů založených na p-kanálech , tranzistorech s efektem kovu-oxid-polovodičové pole s vylepšeným režimem (MOSFET). Na konci 60. a na začátku 70. let byla logika PMOS dominantní polovodičovou technologií pro integrované obvody velkého rozsahu, než byla nahrazena zařízeními NMOS a CMOS .

Historie a aplikace

Mohamed Atalla a Dawon Kahng vyrobili první funkční MOSFET v Bell Labs v roce 1959. Vyráběli zařízení PMOS i NMOS, ale fungovala pouze zařízení PMOS. Bylo by to více než deset let, než by mohly být kontaminanty ve výrobním procesu (zejména sodík) dostatečně dobře zvládnuty k výrobě praktických zařízení NMOS.

Ve srovnání s bipolárním spojovacím tranzistorem , jediným v té době dostupným zařízením pro použití v integrovaném obvodu , nabízí MOSFET řadu výhod:

  • Vzhledem k podobné přesnosti výroby polovodičových součástek vyžaduje MOSFET pouze 10% plochy bipolárního spojovacího tranzistoru. Hlavním důvodem je, že MOSFET je samoizolační a nevyžaduje izolaci spojení p – n od sousedních komponent na čipu.
  • MOSFET vyžaduje méně kroků procesu, a proto je jeho výroba jednodušší a levnější (jeden difuzní dopingový krok ve srovnání se čtyřmi pro bipolární proces).
  • Protože pro MOSFET neexistuje žádný statický hradlový proud, může být spotřeba energie integrovaného obvodu na základě MOSFET nižší.

Nevýhody oproti bipolárním integrovaným obvodům byly:

  • Rychlost spínání byla podstatně nižší kvůli velkým kapacitám brány .
  • Vysoké prahové napětí časných MOSFETů vedlo k vyššímu minimálnímu napájecímu napětí (-24 V až -28 V).

Společnost General Microelectronics představila první komerční obvod PMOS v roce 1964, 20bitový posuvný registr se 120 MOSFETy - v té době neuvěřitelnou úroveň integrace. Pokus společnosti General Microelectronics v roce 1965 vyvinout sadu 23 zakázkových integrovaných obvodů pro elektronickou kalkulačku pro Victora Comptometera se ukázal jako příliš ambiciózní vzhledem k v té době spolehlivosti obvodů PMOS a nakonec vedl k zániku společnosti General Microelectronics. Jiné společnosti pokračovaly ve výrobě obvodů PMOS, jako jsou velké posuvné registry ( General Instrument ) nebo analogový multiplexor 3705 ( Fairchild Semiconductor ), které v tehdejších bipolárních technologiích nebyly proveditelné.

Zásadní zlepšení přišlo se zavedením technologie polysilicon self-aligned gate v roce 1968. Tom Klein a Federico Faggin ve společnosti Fairchild Semiconductor vylepšili proces self-aligned gate tak, aby byl komerčně životaschopný, což vedlo k vydání analogového multiplexeru 3708 jako prvního integrovaný obvod se silikonovou bránou. Proces vzájemného přizpůsobení brány umožnil přísnější výrobní tolerance, a tedy jak menší MOSFETy, tak sníženou, konzistentní kapacitu brány. Například u pamětí PMOS tato technologie poskytovala třikrát až pětkrát vyšší rychlost v polovině oblasti čipu. Materiál z polykrystalického křemíku umožnil nejen samonastavitelné hradlo, ale také vedlo ke snížení prahového napětí a následně k nižšímu minimálnímu napájecímu napětí (např. -16 V), což snížilo spotřebu energie. Kvůli nižšímu napájecímu napětí je logika PMOS na bázi křemíkové brány často označována jako nízkonapěťová PMOS na rozdíl od staršího PMOS s kovovou bránou jako vysokonapěťová PMOS .

Z různých důvodů Fairchild Semiconductor nepokračoval s vývojem integrovaných obvodů PMOS tak intenzivně, jak to zainteresovaní manažeři chtěli. Dva z nich, Gordon Moore a Robert Noyce , se v roce 1968 rozhodli místo toho založit vlastní startup - Intel . Krátce nato se k nim přidali další inženýři Fairchild, včetně Federica Faggina a Les Vadasze . Společnost Intel představila svou první statickou paměť s náhodným přístupem PMOS s kapacitou 256 bitů, Intel 1101, v roce 1969. 1024bitová dynamická paměť s náhodným přístupem Intel 1103 následovala v roce 1970. Model 1103 byl komerčním úspěchem a rychle začal nahrazovat magnetické základní paměť v počítačích. Společnost Intel představila svůj první mikroprocesor PMOS , Intel 4004 , v roce 1971. Vedení společnosti Intel následovala řada společností. Většina raných mikroprocesorů byla vyrobena v technologii PMOS: 4040 a 8008 od společnosti Intel; IMP-16 , PACE a SC / MP od společnosti National Semiconductor ; TMS1000 od společnosti Texas Instruments ; PPS-4 a PPS-8 od společnosti Rockwell International . V tomto seznamu mikroprocesorů je několik komerčních prvenství: první 4bitový mikroprocesor (4004), první 8bitový mikroprocesor (8008), první jednočipový 16bitový mikroprocesor (PACE) a první jednočipový 4bitový mikrokontrolér (TMS1000; RAM a ROM na stejném čipu jako CPU ).

Do roku 1972 byla technologie NMOS konečně vyvinuta do bodu, kdy ji bylo možné použít v komerčních produktech. Společnost Intel (s modelem 2102) i IBM představily paměťové čipy o rychlosti 1 kbit. Jelikož pohyblivost elektronů v kanálu n typu NMOS MOSFET je přibližně třikrát větší než pohyblivost otvorů v kanálu typu p u PMOS MOSFET, logika NMOS umožňuje zvýšenou rychlost spínání. Z tohoto důvodu logika NMOS rychle začala nahrazovat logiku PMOS. Na konci 70. let mikroprocesory NMOS předběhly procesory PMOS. Logika PMOS zůstala nějakou dobu používána kvůli své nízké ceně a relativně vysoké úrovni integrace pro aplikace, jako jsou jednoduché kalkulačky a hodiny. Technologie CMOS slibovala drasticky nižší spotřebu energie než PMOS nebo NMOS. Přestože byl obvod CMOS navržen již v roce 1963 Frankem Wanlassem a komerční integrované obvody řady CMOS řady 4000 vstoupily do výroby v roce 1968, výroba CMOS zůstávala složitá a neumožňovala ani integrační úroveň PMOS nebo NMOS ani rychlost NMOS. Trvalo až do 80. let, než CMOS nahradil NMOS jako hlavní technologii pro mikroprocesory.

Popis

Obvody PMOS mají ve srovnání s alternativami NMOS a CMOS řadu nevýhod , včetně potřeby několika různých napájecích napětí (pozitivních i negativních), ztrátového výkonu ve vodivém stavu a relativně velkých vlastností. Celková rychlost přepínání je také nižší.

PMOS používá k implementaci logických hradel a dalších digitálních obvodů tranzistory s efektem pole p-kanálu (+) s oxidem kovu a polovodičovým polem (MOSFET) . Tranzistory PMOS pracují vytvořením inverzní vrstvy v těle tranzistoru typu n . Tato inverzní vrstva, nazývaná p-kanál, může vést díry mezi svorkami typu „zdroj“ a „odtok“ typu p .

P-kanál je vytvořen přivedením záporného napětí (-25 V bylo běžné) na třetí terminál, nazývaný brána. Stejně jako ostatní MOSFETy mají tranzistory PMOS čtyři provozní režimy: cut-off (nebo podprahové), trioda, sytost (někdy označovaná jako aktivní) a rychlostní saturace.

Zatímco logiku PMOS lze snadno navrhnout a vyrobit (MOSFET lze vyrobit tak, aby fungoval jako rezistor, takže celý obvod lze vyrobit pomocí PMOS FET), má také několik nedostatků. Nejhorším problémem je, že když je aktivní PUN, to znamená, že přes logickou bránu PMOS existuje stejnosměrný proud (DC), to znamená, kdykoli je výstup vysoký, což vede ke ztrátě statického výkonu, i když je obvod nečinný.

Také obvody PMOS přecházejí pomalu z vysoké na nízkou. Při přechodu z nízkého na vysoký poskytují tranzistory nízký odpor a kapacitní náboj na výstupu se hromadí velmi rychle (podobně jako nabíjení kondenzátoru prostřednictvím velmi malého odporu). Ale odpor mezi výstupem a zápornou napájecí lištou je mnohem větší, takže přechod z vysokého na nízký trvá déle (podobně jako vybíjení kondenzátoru prostřednictvím vysokého odporu). Použití rezistoru s nižší hodnotou proces zrychlí, ale také zvýší rozptyl statického výkonu.

Asymetrické vstupní logické úrovně navíc způsobují, že obvody PMOS jsou citlivé na šum.

Většina integrovaných obvodů PMOS vyžaduje napájení 17-24 voltů stejnosměrného proudu. Intel 4004 PMOS mikroprocesor však používá pmos s polysilikonu namísto kovových bran , které umožňují menší diferenciál napětí. Pro kompatibilitu se signály TTL používá 4004 kladné napájecí napětí V SS = + 5V a záporné napájecí napětí V DD = -10V.

Brány

MOSFET typu p jsou uspořádány v takzvané „pull-up síti“ (PUN) mezi výstupem logické brány a kladným napájecím napětím, zatímco rezistor je umístěn mezi výstup logické brány a záporné napájecí napětí. Obvod je navržen tak, že pokud je požadovaný výstup vysoký, pak bude aktivní PUN, který vytvoří proudovou cestu mezi kladným napájením a výstupem.

Brány PMOS mají stejné uspořádání jako brány NMOS, pokud jsou všechna napětí obrácena. Pro Morganovu aktivní logiku tedy De Morganovy zákony ukazují, že brána PMOS NOR má stejnou strukturu jako brána NMOS NAND a naopak.

Střídač PMOS se zatěžovacím odporem.
Brána PMOS NAND se zatěžovacím odporem.
Brána PMOS NOR se zatěžovacím odporem.

Reference

Další čtení