知道“場(chǎng)效應(yīng)晶體管”的專(zhuān)利至少比雙極晶體管的發(fā)明早了20年,這可能會(huì)令人驚訝。然而,雙極型晶體管在商業(yè)上的普及速度更快,第一塊由雙極晶體管制成的芯片出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代,隨著MOSFET制造技術(shù)在80年代得到完善,并很快超過(guò)了雙極晶體管。
1947年點(diǎn)接觸晶體管發(fā)明后,事情開(kāi)始迅速發(fā)展。第一個(gè)雙極晶體管是在第二年發(fā)明的。然后在1958年,杰克·基爾比發(fā)明了第一個(gè)集成電路,在同一個(gè)芯片上安裝了一個(gè)以上的晶體管。11年后,阿波羅11號(hào)登陸月球,這要?dú)w功于革命性的阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī),這是世界上第一臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)。它是用原始的雙三輸入非柵集成電路制成的,每個(gè)門(mén)僅由3個(gè)晶體管組成。
這就產(chǎn)生了流行的TTL(晶體管-晶體管邏輯)系列邏輯芯片,它們是用雙極晶體管構(gòu)造的。這些芯片的工作電壓為5伏,最高可運(yùn)行到25兆赫。
這些很快就被肖特基箝位晶體管邏輯所取代,肖特基箝位晶體管邏輯在基極和集電極上增加了一個(gè)肖特基二極管以防止飽和,從而大大減少了存儲(chǔ)電荷和減少了開(kāi)關(guān)時(shí)間,進(jìn)而減少了由存儲(chǔ)電荷引起的傳播延遲。
另一系列基于雙極晶體管的邏輯是ECL(發(fā)射極耦合邏輯)系列,它在負(fù)電壓下運(yùn)行,與標(biāo)準(zhǔn)的TTL同類(lèi)產(chǎn)品相比,ECL可以運(yùn)行到500MHz。
大約在這個(gè)時(shí)候,CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)邏輯被引入。它同時(shí)使用N通道和P通道設(shè)備,因此名稱(chēng)互補(bǔ)。
TTL與CMOS的優(yōu)缺點(diǎn)
第一個(gè)也是最常被談?wù)摰氖枪?TTL比CMOS消耗更多的電能。
這在某種意義上是正確的,TTL輸入只是雙極晶體管的基礎(chǔ),雙極晶體管需要一些電流來(lái)打開(kāi)它,輸入電流的大小取決于內(nèi)部的電路。當(dāng)許多TTL輸入連接到一個(gè)TTL輸出時(shí),這就成了一個(gè)問(wèn)題,而TTL輸出通常只是一個(gè)上拉電阻或一個(gè)驅(qū)動(dòng)性能較差的高壓側(cè)晶體管。
另一方面,CMOS晶體管是場(chǎng)效應(yīng)的,換句話說(shuō),柵極處的電場(chǎng)足以影響半導(dǎo)體通道的傳導(dǎo)。理論上,除了柵極的小漏電流(通常為皮卡或毫安量級(jí))外,不會(huì)產(chǎn)生電流。然而,這并不是說(shuō)即使在更高的速度下,同樣的低電流消耗也是正確的。CMOS芯片的輸入具有一定的電容,因此上升時(shí)間有限。為了確保在高頻下上升時(shí)間很快,需要一個(gè)大電流,在MHz或GHz頻率下可以達(dá)到幾安培。這種電流只在輸入必須改變狀態(tài)時(shí)才被消耗,而TTL的偏置電流必須與信號(hào)一起存在。
在輸出方面,CMOS和TTL各有優(yōu)缺點(diǎn)。TTL輸出要么是圖騰柱,要么是上拉。有了圖騰桿,輸出只能在軌道0.5V范圍內(nèi)擺動(dòng)。然而,其輸出電流遠(yuǎn)高于CMOS芯片。同時(shí),CMOS輸出可以與電壓控制電阻器相比較,根據(jù)負(fù)載情況,可以在電源軌的毫伏范圍內(nèi)輸出。然而,兩個(gè)led的輸出電流往往很有限。
由于其較小的電流要求,CMOS邏輯非常適合小型化,數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管可以封裝到一個(gè)小區(qū)域,而不需要過(guò)高的電流。
與CMOS相比,TTL的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是其耐用性。場(chǎng)效應(yīng)晶體管依賴(lài)于柵極和溝道之間的薄氧化硅層來(lái)提供它們之間的隔離。這種氧化層厚度為納米,擊穿電壓很小,即使在高功率fet中也很少超過(guò)20V。這使得CMOS對(duì)靜電放電和過(guò)電壓非常敏感。如果輸入是浮動(dòng)的,它們會(huì)慢慢積累電荷并引起輸出狀態(tài)的假變化,這就是為什么CMOS輸入通常被上拉、下拉或接地。TTL在很大程度上不受這個(gè)問(wèn)題的影響,因?yàn)檩斎攵耸且粋€(gè)晶體管基極,它的作用更像一個(gè)二極管,由于它的阻抗較低,對(duì)噪聲不太敏感。
TTL還是CMOS?哪個(gè)更好?
CMOS邏輯幾乎在所有方面都取代了TTL。雖然TTL芯片仍然可用,但使用它們并沒(méi)有真正的優(yōu)勢(shì)。
然而,對(duì)于TTL級(jí)的輸入,TTL仍然是標(biāo)準(zhǔn)化的,因此對(duì)于TTL級(jí)的輸入,TTL仍然不兼容。在實(shí)用性方面,CMOS是明顯的贏家。
TTL邏輯家族使用雙極晶體管來(lái)執(zhí)行邏輯功能,CMOS使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管。盡管CMOS比TTL更靈敏,但它的功耗通常要小得多。CMOS和TTL并不是真正的可互換的,隨著低功耗CMOS芯片的出現(xiàn),TTL在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的應(yīng)用非常少。
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