PMOS логика

мини|PMOS интегрисано коло за сат, 1974. PMOS или pMOS логика, од п-каналног метал-оксид-полупроводника, јесте породица дигиталних кола заснованих на п-каналним, метал-оксид-полупроводничким транзисторима са ефектом поља (MOSFET) у режиму обогаћења. Крајем 1960-их и почетком 1970-их, PMOS логика је била доминантна полупроводничка технологија за интегрисана кола великог степена интеграције (LSI) пре него што су је заменили NMOS и CMOS уређаји.

Историја и примена

Мухамед Атала и Давон Канг су направили први радни MOSFET у Беловим лабораторијама (енгл. Bell Labs) 1959. године. Они су произвели и PMOS и NMOS уређаје, али су само PMOS уређаји радили. Проћи ће више од деценије пре него што се контаминанти у процесу производње (посебно натријум) буду могли довољно добро контролисати да би се произвели практични NMOS уређаји.

У поређењу са биполарним транзистором, јединим другим уређајем доступним у то време за употребу у интегрисаном колу, MOSFET нуди низ предности: Уз процесе производње полупроводничких уређаја сличне прецизности, MOSFET захтева само 10% површине биполарног транзистора. Главни разлог је тај што је MOSFET самоизолујући и не захтева изолацију p-n споја од суседних компоненти на чипу. MOSFET захтева мање производних корака и стога је једноставнији и јефтинији за производњу (један корак допинга дифузијом у поређењу са четири за биполарни процес). Пошто не постоји статичка струја гејта за MOSFET, потрошња енергије интегрисаног кола заснованог на MOSFET-овима може бити мања.

Недостаци у односу на биполарна интегрисана кола били су: Брзина прекидања (прекидачка брзина) је била знатно нижа, због великих капацитивности гејта. Висок напон прага раних MOSFET-ова довео је до вишег минималног напона напајања (-24 V до -28 V).

Компанија General Microelectronics (Генерал микроелектроникс) је представила прво комерцијално PMOS коло 1964. године, 20-битни померачки регистар са 120 MOSFET-ова — што је у то време био невероватан ниво интеграције. Покушај ове компаније 1965. године да развије сет од 23 прилагођена интегрисана кола за електронски калкулатор Victor 3900 за компанију Victor Comptometer показао се превише амбициозним с обзиром на поузданост PMOS кола у то време, што је на крају довело до гашења компаније General Microelectronics. Друге компаније су наставиле да производе PMOS кола, као што су велики померачки регистри (General Instrument) или аналогни мултиплексер 3705 (Fairchild Semiconductor), што није било изводљиво са тадашњим биполарним технологијама.

Велико побољшање је уследило увођењем технологије самопоравнавајућег гејта од полисилицијума 1968. године. Том Клајн и Федерико Фађин из компаније Fairchild Semiconductor унапредили су процес самопоравнавајућег гејта како би га учинили комерцијално исплативим, што је резултирало издавањем аналогног мултиплексера 3708 као првог интегрисаног кола са силицијумским гејтом. Процес самопоравнавајућег гејта омогућио је строже производне толеранције, а тиме и мање MOSFET-ове, као и смањене, конзистентне капацитивности гејта. На пример, за PMOS меморије ова технологија је обезбедила три до пет пута већу брзину на двоструко мањој површини чипа. Материјал од полисилицијума не само да је омогућио самопоравнавајући гејт, већ је резултирао и смањеним напоном прага и следствено нижим минималним напоном напајања (нпр. -16 V), смањујући потрошњу енергије. Због нижег напона напајања, PMOS логика са силицијумским гејтом се често назива нисконапонски PMOS насупрот старијем, PMOS-у са металним гејтом који се назива високонапонски PMOS.

Из различитих разлога, Fairchild Semiconductor није наставио са развојем PMOS интегрисаних кола онолико интензивно колико су то желели укључени менаџери. Двојица њих, Гордон Мур и Роберт Нојс, одлучили су 1968. године да уместо тога оснују сопствену компанију — Интел (енгл. Intel). Убрзо су им се придружили и други инжењери из компаније Fairchild, укључујући Федерика Фађина и Леса Вадаса. Интел је представио своју прву PMOS статичку меморију са случајним приступом (SRAM) капацитета 256 бита, Intel 1101, 1969. године. Убрзо након тога, 1970. године, уследила је 1024-битна динамичка меморија са случајним приступом (DRAM) Intel 1103. Модел 1103 је био комерцијални успех и брзо је почео да замењује меморију са магнетним језгром у рачунаримима. Интел је представио свој први PMOS микропроцесор, Intel 4004, 1971. године. Бројне компаније следиле су Интелов пример. Већина раних микропроцесора произведена је у PMOS технологији: 4040 и 8008 из Интела; IMP-16, PACE и SC/MP из компаније National Semiconductor; TMS1000 из компаније Texas Instruments; PPS-4 и PPS-8 из компаније Rockwell International. На овој листи микропроцесора налази се неколико комерцијалних првенаца: први 4-битни микропроцесор (4004), први 8-битни микропроцесор (8008), први 16-битни микропроцесор на једном чипу (PACE) и први 4-битни микроконтролер на једном чипу (TMS1000; RAM и ROM на истом чипу као и CPU).

До 1972. године, NMOS технологија је коначно развијена до тачке у којој се могла користити у комерцијалним производима. И Интел (са моделом 2102) и IBM су представили меморијске чипове од 1 kbit. Пошто је покретљивост електрона у n-каналу NMOS MOSFET-ова око три пута већа од покретљивости шупљина у p-каналу PMOS MOSFET-ова, NMOS логика омогућава већу брзину прекидања. Из тог разлога, NMOS логика је брзо почела да замењује PMOS логику. До краја 1970-их, NMOS микропроцесори су премашили PMOS процесоре. PMOS логика је остала у употреби још неко време због своје ниске цене и релативно високог нивоа интеграције за апликације попут једноставних калкулатора и сатова. CMOS технологија је обећавала драстично мању потрошњу енергије од PMOS или NMOS логике. Иако је CMOS коло предложио још 1963. године Френк Ванлас и комерцијална CMOS интегрисана кола серије 4000 из компаније RCA су ушла у производњу 1968. године, CMOS је остао сложен за производњу и није омогућавао ни ниво интеграције PMOS или NMOS кола, ни брзину NMOS-а. Проћи ће време све до 1980-их да CMOS замени NMOS као главна технологија за микропроцесоре.

Опис PMOS кола имају бројне недостатке у поређењу са NMOS и CMOS алтернативама, укључујући потребу за неколико различитих напона напајања (и позитивних и негативних), велику дисипацију снаге у проводном стању и релативно велике димензије. Такође, укупна брзина прекидања је мања.

PMOS користи п-каналне (+) метал-оксид-полупроводничке транзисторе са ефектом поља (MOSFET) за имплементацију логичких кола (врата) и других дигиталних кола. PMOS транзистори раде тако што стварају инверзиони слој у телу транзистора н-типа. Овај инверзиони слој, назван п-канал, може да проводи шупљине између „сорс” (енгл. source) и „дрејн” (енгл. drain) терминала п-типа.

П-канал се ствара применом негативног напона (-25 V је било уобичајено) на трећи терминал, који се зове гејт. Као и остали MOSFET-ови, PMOS транзистори имају четири режима рада: одсецање (енгл. cut-off или подпраг), триодни режим, засићење (понекад се назива активни) и засићење брзине.

Иако је PMOS логика једноставна за дизајнирање и производњу (MOSFET се може направити да ради као отпорник, тако да се цело коло може направити помоћу PMOS FET-ова), она има и неколико недостатака. Највећи проблем је што кроз PMOS логичко коло тече једносмерна струја (DC) када је „pull-up мрежа” (PUN) активна, односно кад год је излаз на високом логичком нивоу, што доводи до статичке дисипације снаге чак и када је коло у стању мировања.

Такође, PMOS кола су спора при преласку са високог на ниски ниво. Када прелазе са ниског на висок ниво, транзистори пружају низак отпор, а капацитивно наелектрисање на излазу се акумулира веома брзо (слично пуњењу кондензатора кроз веома мали отпор). Међутим, отпор између излаза и негативне гране напајања је много већи, па прелаз са високог на ниски ниво траје дуже (слично пражњењу кондензатора кроз велики отпор). Употреба отпорника мање вредности убрзаће процес, али ће такође повећати статичку дисипацију снаге.

Поред тога, асиметрични улазни логички нивои чине PMOS кола осетљивим на шум.

Већина PMOS интегрисаних кола захтева напајање од 17 до 24 волти једносмерне струје. Међутим, PMOS микропроцесор Intel 4004 користи PMOS логику са полисилицијумским гејтовима уместо металних гејтова, омогућавајући мању разлику потенцијала. За компатибилност са сигналима транзистор-транзистор логике (TTL), 4004 користи позитиван напон напајања VSS = +5V и негативан напон напајања VDD = -10V.

Логичка кола (врата)

MOSFET-ови п-типа су распоређени у „pull-up мрежу” (PUN) између излаза логичког кола и позитивног напона напајања, док је отпорник смештен између излаза логичког кола и негативног напона напајања. Коло је дизајнирано тако да ако је жељени излаз на високом нивоу, онда ће PUN бити активна, стварајући струјну путању између позитивног напајања и излаза.

PMOS логичка кола имају исти распоред као NMOS кола ако су сви напони обрнути. Стога, за логику са активним високим нивоом, Де Морганови закони показују да PMOS НИЛИ (NOR) коло има исту структуру као NMOS НИ (NAND) коло и обрнуто.

Референце

Литература

Категорија:Логичке породице Категорија:MOSFET Категорија:Арапски проналасци Категорија:Египатски проналасци

PMOS логика

Źródło i licencja