Може бути дивно дізнатися, що патент на `` польовий транзистор '' випереджав створення біполярного транзистора щонайменше на двадцять років. Однак біполярні транзистори стали швидше комерційно ловитись, перший мікросхем з біполярних транзисторів з’явився в 1960-х роках, а технологія виготовлення MOSFET була вдосконалена в 1980-х і незабаром обігнала своїх біполярних двоюрідних братів.
Після того, як у 1947 році був винайдений точковий контактний транзистор, справа почала швидко рухатися. Вперше було винайдено перший біполярний транзистор наступного року. Потім у 1958 р. Джек Кілбі придумав першу інтегральну схему, яка поставила більше одного транзистора на одну матрицю. Через одинадцять років Аполлон-11 приземлився на Місяці завдяки революційному керівництву «Аполлон», який був першим у світі вбудованим комп’ютером. Він був виготовлений з використанням примітивних подвійних мікросхем затвора NOR із трьома входами, які складалися лише з 3 транзисторів на затвор.
Це породило популярну серію логічних мікросхем TTL (Transistor-Transistor Logic), яка була побудована з використанням біполярних транзисторів. Ці мікросхеми працювали на 5 В і могли працювати зі швидкістю до 25 МГц.
Незабаром вони поступилися місцем транзисторній логіці Шотткі, яка додала діод Шотткі через основу та колектор для запобігання насиченню, що значно зменшило заряд накопичувача та зменшило час перемикання, що, в свою чергу, зменшило затримку розповсюдження, спричинену зарядом запам'ятовуючого пристрою.
Ще однією серією біполярної логіки, заснованої на транзисторах, була серія ECL (емітерно-з'єднана логіка), яка працювала на негативних напругах, по суті працюючи `` назад '' у порівнянні зі своїми стандартними аналогами TTL, ECL могла працювати до 500 МГц.
Приблизно в цей час була введена логіка CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Він використовував як N-канальний, так і P-канальний пристрої, звідси і назва доповнює.
TTL проти CMOS: переваги та недоліки
Перше і найчастіше обговорюване - це енергоспоживання - TTL споживає більше енергії, ніж CMOS.
Це справедливо в тому сенсі, що вхід TTL - це лише основа біполярного транзистора, якому для його увімкнення потрібен певний струм. Величина вхідного струму залежить від схеми всередині, опускаючись до 1,6 мА. Це стає проблемою, коли багато входів TTL підключені до одного виходу TTL, який, як правило, є просто підтяжним резистором або досить погано керованим транзистором високої сторони.
З іншого боку, КМОП-транзистори мають польовий ефект, іншими словами, наявності електричного поля біля затвора достатньо, щоб впливати на напівпровідниковий канал у провідності. Теоретично струм не забирається, за винятком малого струму витоку затвора, який часто має порядок піко- або наноампер. Однак це не означає, що однакове низьке споживання струму справедливо навіть для більш високих швидкостей. Вхід мікросхеми CMOS має деяку ємність і, отже, кінцевий час наростання. Щоб переконатися, що час наростання є швидким при високій частоті, потрібен великий струм, який може становити кілька ампер на частотах МГц або ГГц. Цей струм споживається лише тоді, коли вхід повинен змінити стан, на відміну від TTL, де струм зміщення повинен бути присутній разом із сигналом.
Що стосується результатів, CMOS і TTL мають свої переваги та недоліки. Виходи TTL - це або тотемний стовп, або витягування. З тотемним стовпом вихід може коливатися лише в межах 0,5 В від рейок. Однак вихідні струми набагато вищі, ніж їх КМОП-аналоги. Тим часом виходи CMOS, які можна порівняти з резисторами, керованими напругою, можуть виводитися в межах мілівольт на напрямні живлення, залежно від навантаження. Однак вихідні струми обмежені, часто буває ледве достатньо для керування парою світлодіодів.
Завдяки меншим сучасним вимогам, логіка CMOS дуже добре піддається мініатюризації, завдяки чому мільйони транзисторів можуть бути упаковані на невелику територію, не потребуючи поточних вимог.
Ще однією важливою перевагою TTL перед CMOS є її міцність. Польові транзистори залежать від тонкого шару оксиду кремнію між затвором і каналом, щоб забезпечити ізоляцію між ними. Цей оксидний шар має товщину в нанометри і має дуже малу напругу пробою, рідко перевищує 20 В навіть у транзисторах великої потужності. Це робить CMOS дуже чутливим до електростатичного розряду та перенапруги. Якщо входи залишаються плаваючими, вони повільно накопичують заряд і викликають помилкові зміни стану виходу, тому входи CMOS зазвичай витягуються вгору, вниз або заземлюються. TTL здебільшого не страждає від цієї проблеми, оскільки вхід - це транзисторна база, яка діє більше як діод і менш чутлива до шуму через нижчий імпеданс.
TTL АБО CMOS? Який краще?
Логіка CMOS майже у всіх відношеннях витіснила TTL. Хоча мікросхеми TTL все ще доступні, реальної переваги у їх використанні немає.
Однак рівні вхідного сигналу TTL дещо стандартизовані, і багато логічних входів все ще кажуть "TTL сумісний", тому наявність CMOS, що керує вихідним каскадом TTL для сумісності, не рідкість. Загалом CMOS є безперечним переможцем у питанні корисності.
Логічне сімейство TTL використовує біполярні транзистори для виконання логічних функцій, а CMOS - польові транзистори. CMOS зазвичай споживає набагато менше енергії, незважаючи на те, що є більш чутливим, ніж TTL. CMOS і TTL насправді не є взаємозамінними, і при наявності мікросхем CMOS низької потужності використання TTL у сучасних конструкціях є рідкістю.