Lógica NMOS

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Forma de familia lógica digital en circuitos integrados

La lógica de semiconductores de óxido de metal de tipo N utiliza MOSFET (-) de tipo n (transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal) para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales. Estos transistores nMOS funcionan creando una capa de inversión en un cuerpo de transistor tipo p. Esta capa de inversión, llamada canal n, puede conducir electrones entre la "fuente" de tipo n; y "drenar" terminales. El canal n se crea aplicando voltaje a la tercera terminal, llamada puerta. Al igual que otros MOSFET, los transistores nMOS tienen cuatro modos de operación: corte (o subumbral), triodo, saturación (a veces llamado activo) y saturación de velocidad.

Durante muchos años, los circuitos NMOS fueron mucho más rápidos que los circuitos PMOS y CMOS comparables, que tenían que usar transistores de canal p mucho más lentos. También fue más fácil fabricar NMOS que CMOS, ya que este último tiene que implementar transistores de canal p en pozos n especiales en el sustrato p. El principal inconveniente de NMOS (y la mayoría de las demás familias lógicas) es que una corriente continua debe fluir a través de una puerta lógica incluso cuando la salida está en estado estable (baja en el caso de NMOS). Esto significa disipación de energía estática, es decir, consumo de energía incluso cuando el circuito no está cambiando.

Además, al igual que en la lógica de diodo-transistor, la lógica de transistor-transistor, la lógica de emisor acoplado, etc., los niveles lógicos de entrada asimétrica hacen que los circuitos NMOS y PMOS sean más susceptibles al ruido que los CMOS. Estas desventajas son la razón por la que la lógica CMOS ha suplantado a la mayoría de estos tipos en la mayoría de los circuitos digitales de alta velocidad, como los microprocesadores, a pesar de que CMOS era originalmente muy lento en comparación con las puertas lógicas construidas con transistores bipolares.

Resumen

MOS significa metal-oxide-semiconductor, lo que refleja la forma en que se construyeron originalmente los transistores MOS, predominantemente antes de la década de 1970, con puertas de metal, generalmente de aluminio. Sin embargo, desde alrededor de 1970, la mayoría de los circuitos MOS han utilizado puertas autoalineadas hechas de silicio policristalino, una tecnología desarrollada por primera vez por Federico Faggin en Fairchild Semiconductor. Estas puertas de silicio todavía se usan en la mayoría de los tipos de circuitos integrados basados en MOSFET, aunque las puertas de metal (Al o Cu) comenzaron a reaparecer a principios de la década de 2000 para ciertos tipos de circuitos de alta velocidad, como los microprocesadores de alto rendimiento.

Los MOSFET son transistores de modo de mejora de tipo n, dispuestos en una denominada "red desplegable" (PDN) entre la salida de la puerta lógica y el voltaje de suministro negativo (típicamente la tierra). Se coloca un pull up (es decir, una 'carga' que se puede considerar como una resistencia, ver más abajo) entre el voltaje de suministro positivo y cada salida de puerta lógica. Cualquier puerta lógica, incluido el inversor lógico, puede implementarse mediante el diseño de una red de circuitos paralelos y/o en serie, de modo que si la salida deseada para una determinada combinación de valores de entrada booleanos es cero (o falsa), el PDN será activo, lo que significa que al menos un transistor está permitiendo una ruta de corriente entre el suministro negativo y la salida. Esto provoca una caída de voltaje sobre la carga y, por lo tanto, un voltaje bajo en la salida, que representa el cero.

El circuito R-pulled actúa como una puerta NOR invertida que se hunde hacia el GND.

Como ejemplo, aquí hay una puerta NOR implementada en NMOS esquemático. Si la entrada A o la entrada B es alta (1 lógico, = Verdadero), el transistor MOS respectivo actúa como una resistencia muy baja entre la salida y el suministro negativo, lo que obliga a que la salida sea baja (0 lógico, = Falso). Cuando tanto A como B están altos, ambos transistores son conductores, lo que crea una ruta de resistencia a tierra aún más baja. El único caso en el que la salida es alta es cuando ambos transistores están apagados, lo que ocurre solo cuando A y B están bajos, lo que satisface la tabla de verdad de una puerta NOR:

ABA NOR B
001
010
100
110

Se puede hacer que un MOSFET funcione como una resistencia, por lo que todo el circuito se puede hacer solo con MOSFET de canal n. Los circuitos NMOS son lentos en la transición de bajo a alto. Al pasar de alto a bajo, los transistores proporcionan baja resistencia y la carga capacitiva en la salida se agota muy rápidamente (similar a descargar un capacitor a través de una resistencia muy baja). Pero la resistencia entre la salida y el riel de suministro positivo es mucho mayor, por lo que la transición de baja a alta lleva más tiempo (similar a cargar un capacitor a través de una resistencia de alto valor). El uso de una resistencia de menor valor acelerará el proceso pero también aumentará la disipación de energía estática. Sin embargo, una forma mejor (y la más común) de hacer que las puertas sean más rápidas es usar transistores en modo empobrecido en lugar de transistores en modo mejorado como cargas. Esto se denomina lógica NMOS de carga de agotamiento.

Historia

El MOSFET fue inventado por el ingeniero egipcio Mohamed M. Atalla y el ingeniero coreano Dawon Kahng en Bell Labs en 1959 y demostrado en 1960. Fabricaron dispositivos PMOS y NMOS con un proceso de 20 µm. Sin embargo, los dispositivos NMOS no eran prácticos y solo los de tipo PMOS eran dispositivos prácticos.

En 1965, Chih-Tang Sah, Otto Leistiko y A.S. Grove en Fairchild Semiconductor fabricó varios dispositivos NMOS con longitudes de canal entre 8 µm y 65 µm. Dale L. Critchlow y Robert H. Dennard de IBM también fabricaron dispositivos NMOS en la década de 1960. El primer producto NMOS de IBM fue un chip de memoria con 1 kb de datos y un tiempo de acceso de 50 a 100 ns, que entró en la fabricación a gran escala a principios de la década de 1970. Esto llevó a que la memoria de semiconductores MOS reemplazara las tecnologías anteriores de memoria bipolar y de núcleo de ferrita en la década de 1970.

Los primeros microprocesadores de principios de la década de 1970 fueron los procesadores PMOS, que inicialmente dominaron la industria de los primeros microprocesadores. En 1973, el μCOM-4 de NEC fue uno de los primeros microprocesadores NMOS, fabricado por el equipo NEC LSI, formado por cinco investigadores dirigidos por Sohichi Suzuki. A fines de la década de 1970, los microprocesadores NMOS habían superado a los procesadores PMOS. Los microprocesadores CMOS se introdujeron en 1975. Sin embargo, los procesadores CMOS no se hicieron dominantes hasta la década de 1980.

CMOS fue inicialmente más lento que la lógica NMOS, por lo que NMOS se usó más ampliamente para computadoras en la década de 1970. El chip de memoria Intel 5101 (1 kb SRAM) CMOS (1974) tenía un tiempo de acceso de 800 ns, mientras que el NMOS más rápido chip en ese momento, el chip de memoria Intel 2147 (4 kb SRAM) HMOS (1976), tenía un tiempo de acceso de 55/70 ns. En 1978, un equipo de investigación de Hitachi dirigido por Toshiaki Masuhara introdujo el proceso Hi-CMOS de dos pozos, con su chip de memoria HM6147 (4 kb SRAM), fabricado con un proceso de 3 µm.. El chip Hitachi HM6147 pudo igualar el rendimiento (55/70 ns de acceso) del chip Intel 2147 HMOS, mientras que el HM6147 también consumió significativamente menos energía (15 mA) que el 2147 (110 mA). Con un rendimiento comparable y un consumo de energía mucho menor, el proceso CMOS de dos pozos finalmente superó a NMOS como el proceso de fabricación de semiconductores más común para computadoras en la década de 1980.

En la década de 1980, los microprocesadores CMOS superaron a los microprocesadores NMOS.

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