NMOS mantığı - NMOS logic

N-tipi metal oksit-yarı iletken mantığı , mantık kapılarını ve diğer dijital devreleri uygulamak için n-tipi (-) MOSFET'leri (metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistörler ) kullanır . Bu nMOS transistörleri , p-tipi bir transistör gövdesinde bir inversiyon katmanı oluşturarak çalışır . N-kanalı olarak adlandırılan bu inversiyon katmanı, elektronları n-tipi "kaynak" ve "boşaltma" terminalleri arasında iletebilir . N-kanalı, kapı adı verilen üçüncü terminale voltaj uygulanarak oluşturulur. Diğer MOSFET'ler gibi, nMOS transistörlerinin dört çalışma modu vardır: kesme (veya eşik altı), triyot, doygunluk (bazen aktif olarak adlandırılır) ve hız doygunluğu.

genel bakış

MOS , MOS-transistörlerin orijinal olarak, ağırlıklı olarak 1970'lerden önce, genellikle alüminyum olan metal kapılarla inşa edilme şeklini yansıtan metal-oksit-yarı iletken anlamına gelir . Bununla birlikte, 1970'lerden beri, çoğu MOS devresi, ilk olarak Federico Faggin tarafından Fairchild Semiconductor'da geliştirilen bir teknoloji olan polikristal silikondan yapılmış kendinden hizalı kapılar kullandı . Bu silikon kapılar , yüksek performanslı mikroişlemciler gibi belirli yüksek hızlı devre türleri için 2000'lerin başında metal kapılar ( Al veya Cu ) yeniden ortaya çıkmaya başlamasına rağmen , çoğu MOSFET tabanlı entegre devre türünde hala kullanılmaktadır .

MOSFET'ler , mantık kapısı çıkışı ve negatif besleme voltajı (tipik olarak toprak) arasında "çekilebilir ağ" (PDN) olarak adlandırılan n-tipi geliştirme modu transistörleridir. Bir yukarı çekme (aşağıya bakınız, bir rezistör gibi düşünülebilir, yani bir "yükleme") pozitif besleme gerilimi ve her bir mantık geçidi çıkış arasına yerleştirilir. Mantıksal evirici de dahil olmak üzere herhangi bir mantık geçidi daha sonra paralel ve/veya seri devrelerden oluşan bir ağ tasarlanarak uygulanabilir, öyle ki belirli bir boolean giriş değerleri kombinasyonu için istenen çıkış sıfır (veya yanlış ) ise, PDN olacaktır. aktif, yani en az bir transistör, negatif besleme ve çıkış arasında bir akım yoluna izin veriyor. Bu, yük üzerinde bir voltaj düşüşüne ve dolayısıyla çıkışta sıfırı temsil eden düşük bir voltaja neden olur .

Örnek olarak, şematik NMOS'ta uygulanan bir NOR geçidi buradadır . A girişi veya B girişi yüksekse (mantık 1, = Doğru), ilgili MOS transistörü, çıkış ve negatif besleme arasında çok düşük bir direnç olarak hareket ederek çıkışı düşük olmaya zorlar (mantık 0, = Yanlış). Hem A hem de B yüksek olduğunda, her iki transistör de iletkendir ve toprağa daha da düşük bir direnç yolu oluşturur. Çıkışın yüksek olduğu tek durum, her iki transistörün de kapalı olduğu durumdur, bu sadece hem A hem de B düşük olduğunda meydana gelir, bu nedenle bir NOR geçidinin doğruluk tablosunu sağlar:

Bir MOSFET direnç olarak çalıştırılabilir, bu nedenle tüm devre yalnızca n-kanallı MOSFET'lerle yapılabilir. NMOS devreleri düşükten yükseğe geçişte yavaştır. Yüksekten düşüğe geçerken, transistörler düşük direnç sağlar ve çıkıştaki kapasitif yük çok hızlı bir şekilde boşalır (bir kapasitörün çok düşük bir direnç üzerinden boşaltılmasına benzer). Ancak çıkış ve pozitif besleme rayı arasındaki direnç çok daha büyüktür, bu nedenle düşükten yükseğe geçiş daha uzun sürer (bir kapasitörün yüksek değerli bir direnç aracılığıyla şarj edilmesine benzer). Daha düşük değerli bir direnç kullanmak süreci hızlandıracak ama aynı zamanda statik güç tüketimini de artıracaktır. Bununla birlikte, kapıları daha hızlı hale getirmenin daha iyi (ve en yaygın) yolu , yük olarak geliştirme modu transistörleri yerine tükenme modu transistörlerini kullanmaktır . Buna tükenme yükü NMOS mantığı denir .

Uzun yıllar boyunca, NMOS devreleri, çok daha yavaş p-kanal transistörleri kullanmak zorunda olan karşılaştırılabilir PMOS ve CMOS devrelerinden çok daha hızlıydı . Ayrıca, CMOS'un p-substrat üzerindeki özel n-kuyularında p-kanal transistörlerini uygulaması gerektiğinden, NMOS'u üretmek CMOS'tan daha kolaydı. NMOS'un (ve diğer mantık ailelerinin çoğu ) en büyük dezavantajı , çıkış sabit durumdayken bile (NMOS durumunda düşük ) bir DC akımının bir mantık geçidinden akması gerektiğidir . Bu, statik güç kaybı anlamına gelir , yani devre anahtarlanmadığında bile güç boşalması. Benzer bir durum, aynı zamanda önemli statik akım çekişine sahip olan modern yüksek hızlı, yüksek yoğunluklu CMOS devrelerinde (mikroişlemciler, vb.) ortaya çıkar, ancak bunun nedeni önyargı değil, sızıntıdır. Bununla birlikte, ASIC'ler , SRAM , vb. için kullanılan daha eski ve/veya daha yavaş statik CMOS devreleri tipik olarak çok düşük statik güç tüketimine sahiptir.

Ek olarak, tıpkı DTL , TTL , ECL vb.'de olduğu gibi, asimetrik giriş mantık seviyeleri, NMOS ve PMOS devrelerini gürültüye CMOS'tan daha duyarlı hale getirir. Bu dezavantajlar, CMOS mantığının , mikroişlemciler gibi çoğu yüksek hızlı dijital devrede (CMOS'un orijinal olarak bipolar transistörlerle inşa edilen mantık geçitlerine kıyasla çok yavaş olmasına rağmen) bu türlerin çoğunun yerini almasının nedenidir .

Tarih

MOSFET Mısır mühendisi tarafından icat edilmiştir Mohamed M. atalla ve Kore mühendisi Dawon Kahng de Bell Labs 1959 ve 1960 yılında ortaya Bunlar imal bir ile iki PMOS NMOS cihazları 20  um işlemi . Ancak, NMOS cihazları pratik değildi ve sadece PMOS tipi pratik cihazlardı.

1965 yılında Fairchild Semiconductor'da Chih-Tang Sah , Otto Leistiko ve AS Grove, kanal uzunlukları 8 µm ile 65 µm arasında olan birkaç NMOS cihazı üretti . Dale L. Critchlow ve Robert H. Dennard de IBM ayrıca 1960'larda NMOS cihazları fabrikasyon. İlk IBM NMOS ürünü, 1970'lerin başında büyük ölçekli üretime giren 1 kb veri ve 50-100 ns erişim süresine sahip bir bellek yongasıydı . Bu , 1970'lerde önceki bipolar ve ferrit çekirdekli bellek teknolojilerinin yerini alan MOS yarı iletken belleğine yol açtı .    

En erken mikroişlemciler 1970'lerin başlarında ilk olarak erken egemen PMOS işlemciler vardı mikroişlemci endüstrisini. 1973 yılında, NEC 'nin μCOM-4 , erken NMOS mikroişlemci oldu NEC tarafından imal LSI Sohichi Suzuki liderliğindeki beş araştırmacı oluşan ekip. 1970'lerin sonunda, NMOS mikroişlemcileri PMOS işlemcilerini geride bırakmıştı. CMOS mikroişlemciler 1975'te tanıtıldı. Ancak CMOS işlemciler 1980'lere kadar baskın hale gelmedi.

CMOS başlangıçta NMOS mantığından daha yavaştı, bu nedenle NMOS 1970'lerde bilgisayarlar için daha yaygın olarak kullanıldı. Intel 5101 (1 kb SRAM ) CMOS bellek yongası (1974) bir vardı erişim süresini 800 ns anda en hızlı NMOS yongası ise Intel 2147 (4 kb SRAM) HMOs bellek yongası (1976), bir erişim zaman vardı 55/70 ns. 1978'de Toshiaki Masuhara liderliğindeki bir Hitachi araştırma ekibi , 3 µm işlemle üretilen HM6147 (4 kb SRAM) bellek yongasıyla ikiz kuyulu Hi-CMOS sürecini tanıttı . Hitachi HM6147 yongası, Intel 2147 HMOS yongasının performansıyla (55/70 ns erişim) eşleşirken, HM6147 ayrıca 2147'den (110 mA) önemli ölçüde daha az güç (15 mA ) tüketti . Karşılaştırılabilir performans ve çok daha az güç tüketimi ile, ikiz kuyulu CMOS süreci, sonunda 1980'lerde bilgisayarlar için en yaygın yarı iletken üretim süreci olarak NMOS'u geride bıraktı .          

1980'lerde CMOS mikroişlemcileri, NMOS mikroişlemcilerini geride bıraktı.

Ayrıca bakınız

• PMOS mantığı
• Tükenme yükü NMOS mantığı (HMOS (yüksek yoğunluklu, kısa kanal MOS), HMOS-II, HMOS-III vb. adı verilen süreçler dahil. 1970'lerin ve yıllardır kullanılmaktadır. Çeşitli CMOS gibi işlemler imalat CHMOS vb CHMOS-II, CHMOS-III, bu NMOS süreçler tarafından doğrudan soyundan.

Referanslar

Dış bağlantılar

• İlgili Medya MOS Wikimedia Commons