PMOS-логика

PMOS или pMOS логика (от p-channel metal–oxide–semiconductor ) — это семейство цифровых схем, основанных на p-channel , enhancement mode metal–oxide–semiconductor field-effect transistors (MOSFET). В конце 1960-х и начале 1970-х годов PMOS логика была доминирующей полупроводниковой технологией для больших интегральных схем, прежде чем ее заменили NMOS и CMOS устройства.

Мохамед Аталла и Давон Канг изготовили первый рабочий МОП-транзистор в Bell Labs в 1959 году. ^[1] Они изготовили как PMOS, так и NMOS-устройства, но работали только PMOS-устройства. ^[2] Прошло более десятилетия, прежде чем удалось достаточно хорошо контролировать загрязняющие вещества в процессе производства (в частности, натрий) для производства практических NMOS-устройств.

По сравнению с биполярным транзистором , единственным другим устройством, доступным в то время для использования в интегральной схеме , МОП-транзистор обладает рядом преимуществ:

• Учитывая, что процессы изготовления полупроводниковых приборов имеют схожую точность, MOSFET требует всего 10% площади биполярного транзистора. ^{[3] : 87} Основная причина заключается в том, что MOSFET является самоизолирующим и не требует изоляции p–n-перехода от соседних компонентов на кристалле.
• MOSFET требует меньше технологических этапов и, следовательно, его проще и дешевле производить (один этап диффузионного легирования ^{[3] : 87} по сравнению с четырьмя для биполярного процесса ^{[3] : 50} ).
• Поскольку в МОП-транзисторе отсутствует статический ток затвора, энергопотребление интегральной схемы на основе МОП-транзисторов может быть ниже.

Недостатки по сравнению с биполярными интегральными схемами:

• Скорость переключения была значительно ниже из-за больших емкостей затвора .
• Высокое пороговое напряжение ранних МОП-транзисторов приводило к более высокому минимальному напряжению источника питания (от -24 В до -28 В ^[4] ).

General Microelectronics представила первую коммерческую схему PMOS в 1964 году, 20-битный сдвиговый регистр со 120 MOSFET — на тот момент невероятный уровень интеграции. ^[5] Попытка General Microelectronics в 1965 году разработать набор из 23 индивидуальных интегральных схем для электронного калькулятора для Victor Comptometer ^[5] оказалась слишком амбициозной, учитывая надежность схем PMOS в то время, и в конечном итоге привела к упадку General Microelectronics. ^[6] Другие компании продолжали производить схемы PMOS, такие как большие сдвиговые регистры ( General Instrument ) ^[7] или аналоговый мультиплексор 3705 ( Fairchild Semiconductor ) ^[8] , которые были невозможны в биполярных технологиях того времени.

Значительное улучшение произошло с введением технологии самосовмещенного затвора из поликремния в 1968 году. ^[9] Том Кляйн и Федерико Фаггин из Fairchild Semiconductor улучшили процесс самосовмещенного затвора, сделав его коммерчески жизнеспособным, что привело к выпуску аналогового мультиплексора 3708 как первой интегральной схемы с кремниевым затвором. ^[9] Процесс самосовмещенного затвора позволил добиться более жестких производственных допусков и, таким образом, как меньших полевых МОП-транзисторов, так и уменьшенных, постоянных емкостей затвора. Например, для памяти PMOS эта технология обеспечивала в три-пять раз большую скорость на половине площади чипа. ^[9] Материал затвора из поликремния не только сделал возможным самосовмещенный затвор, но и привел к снижению порогового напряжения и, следовательно, к снижению минимального напряжения питания (например, -16 В ^{[10] : 1–13} ), что снизило энергопотребление. Из-за более низкого напряжения питания логику PMOS с кремниевым затвором часто называют низковольтной PMOS в отличие от старой PMOS с металлическим затвором, называемой высоковольтной PMOS . ^{[3] : 89}

По разным причинам Fairchild Semiconductor не продолжила разработку интегральных схем PMOS так интенсивно, как того хотели вовлеченные менеджеры. ^{[11] : 1302} Двое из них, Гордон Мур и Роберт Нойс , решили в 1968 году основать свой собственный стартап — Intel . Вскоре к ним присоединились другие инженеры Fairchild, включая Федерико Фаггина и Леса Вадаша . Intel представила свою первую статическую память с произвольным доступом PMOS емкостью 256 бит, Intel 1101, в 1969 году. ^{[11] : 1303} 1024-битная динамическая память с произвольным доступом Intel 1103 последовала в 1970 году. ^[12] 1103 имела коммерческий успех и быстро начала заменять память на магнитных сердечниках в компьютерах. ^[12] Intel представила свой первый микропроцессор PMOS , Intel 4004 , в 1971 году. Ряд компаний последовали примеру Intel. Большинство ранних микропроцессоров были изготовлены по технологии PMOS: 4040 и 8008 от Intel; IMP-16 , PACE и SC/MP от National Semiconductor ; TMS1000 от Texas Instruments ; PPS-4 ^[13] и PPS-8 ^[14] от Rockwell International . В этом списке микропроцессоров есть несколько коммерческих новинок: первый 4-битный микропроцессор (4004), первый 8-битный микропроцессор (8008), первый однокристальный 16-битный микропроцессор (PACE) и первый однокристальный 4-битный микроконтроллер (TMS1000; ОЗУ и ПЗУ на том же чипе, что и ЦП ).

К 1972 году технология NMOS наконец была развита до такой степени, что ее можно было использовать в коммерческих продуктах. И Intel (с 2102) ^[15] , и IBM ^[12] представили микросхемы памяти емкостью 1 кбит. Поскольку подвижность электронов в канале n-типа NMOS MOSFET примерно в три раза превышает подвижность дырок в канале p-типа PMOS MOSFET, логика NMOS позволяет увеличить скорость переключения. По этой причине логика NMOS быстро начала заменять логику PMOS. К концу 1970-х годов микропроцессоры NMOS обогнали процессоры PMOS. ^[16] Логика PMOS оставалась в использовании некоторое время из-за своей низкой стоимости и относительно высокого уровня интеграции для таких приложений, как простые калькуляторы и часы. Технология CMOS обещала значительно более низкое энергопотребление, чем PMOS или NMOS. Несмотря на то, что схема CMOS была предложена уже в 1963 году Фрэнком Уонлассом ^[17] , а коммерческие интегральные схемы CMOS серии 4000 поступили в производство в 1968 году, CMOS оставалась сложной в производстве и не позволяла достичь ни уровня интеграции PMOS или NMOS, ни скорости NMOS. Потребовалось время до 1980-х годов, чтобы CMOS заменила NMOS в качестве основной технологии для микропроцессоров.

Схемы PMOS имеют ряд недостатков по сравнению с альтернативами NMOS и CMOS , включая необходимость нескольких различных напряжений питания (как положительных, так и отрицательных), большую рассеиваемую мощность в проводящем состоянии и относительно большие характеристики. Кроме того, общая скорость переключения ниже.

PMOS использует p-канальные (+) полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) для реализации логических вентилей и других цифровых схем . PMOS-транзисторы работают, создавая инверсионный слой в теле n- транзистора. Этот инверсионный слой, называемый p-каналом, может проводить дырки между p-типовыми «источниками» и «стоками».

P-канал создается путем подачи отрицательного напряжения (-25 В было распространено ^[18] ) на третий вывод, называемый затвором. Как и другие МОП-транзисторы, PMOS-транзисторы имеют четыре режима работы: отсечка (или подпороговый), триод, насыщение (иногда называемое активным) и насыщение скорости.

Хотя PMOS-логику легко проектировать и производить (MOSFET можно заставить работать как резистор, так что вся схема может быть сделана с PMOS FET), у нее также есть несколько недостатков. Самая большая проблема заключается в том, что через логический вентиль PMOS проходит постоянный ток (DC), когда так называемая «подтягивающая сеть» (PUN) активна, то есть всякий раз, когда выход высок, что приводит к статическому рассеиванию мощности, даже когда схема простаивает.

Кроме того, схемы PMOS медленно переходят с высокого на низкий уровень. При переходе с низкого на высокий уровень транзисторы обеспечивают низкое сопротивление, и емкостный заряд на выходе накапливается очень быстро (аналогично зарядке конденсатора через очень низкое сопротивление). Но сопротивление между выходом и отрицательной шиной питания намного больше, поэтому переход с высокого на низкий уровень занимает больше времени (аналогично разрядке конденсатора через высокое сопротивление). Использование резистора с меньшим значением ускорит процесс, но также увеличит рассеивание статической мощности.

Кроме того, асимметричные входные логические уровни делают схемы PMOS восприимчивыми к шуму. ^[19]

Большинству интегральных схем PMOS требуется источник питания 17-24 В постоянного тока. ^[20] Однако микропроцессор Intel 4004 PMOS использует логику PMOS с поликремниевыми , а не металлическими затворами, что позволяет уменьшить разницу напряжений. Для совместимости с сигналами TTL 4004 использует положительное напряжение питания V _SS =+5 В и отрицательное напряжение питания V _DD = -10 В. ^[21]

МОП-транзисторы p-типа расположены в так называемой «подтягивающей сети» (PUN) между выходом логического вентиля и положительным напряжением питания, в то время как резистор расположен между выходом логического вентиля и отрицательным напряжением питания. Схема спроектирована таким образом, что если желаемый выход высокий, то PUN будет активен, создавая путь тока между положительным питанием и выходом.

Затворы PMOS имеют ту же структуру, что и затворы NMOS, если все напряжения поменять местами. ^[22] Таким образом, для активной логики законы Де Моргана показывают, что затвор PMOS NOR имеет ту же структуру, что и затвор NMOS NAND, и наоборот.

• Savard, John JG (2018) [2005]. «Из чего сделаны компьютеры». quadibloc . Архивировано из оригинала 2018-07-02 . Получено 2018-07-16 .