NMOS-logiikan tyhjennyskuormitus - Depletion-load NMOS logic
On integroituja piirejä , ehtyminen-kuormitus NMOS on muoto digitaalisen logiikan perhe , joka käyttää vain yhtä virtalähteen jännite, toisin kuin aiemmin nMOS (n-tyypin metalli-oxide semiconductor ) logiikkaperheitä että tarvitaan enemmän kuin yksi erilainen syöttöjännite. Vaikka näiden integroitujen piirien valmistus vaati lisäkäsittelyvaiheita, parannettu kytkentänopeus ja ylimääräisen virtalähteen poistaminen tekivät tästä logiikkaperheestä suositun valinnan monille mikroprosessoreille ja muille logiikkaelementeille.
Joitakin tyhjentävän kuormituksen nMOS-malleja tuotetaan edelleen, tyypillisesti rinnakkain uudempien CMOS- vastaavien kanssa; yksi esimerkki tästä ovat Z84015 ja Z84C15.
Tyhjennystilan n-tyypin MOSFET -laitteet kuormatransistoreina mahdollistavat yhden jännitteen käytön ja saavuttavat suuremman nopeuden kuin mahdollista puhtailla lisälaitteilla. Tämä johtuu osittain siitä, että ehtymismoodin MOSFETit voivat olla parempi virtalähteen lähentäminen kuin yksinkertaisempi parannustilan transistori, varsinkin kun ylimääräistä jännitettä ei ole käytettävissä (yksi syy siihen, miksi varhaiset pMOS- ja nMOS-sirut vaativat useita jännitteitä).
Ehtymismoodin n-MOS-transistorien sisällyttäminen valmistusprosessiin vaati lisävalmistusvaiheita verrattuna yksinkertaisempiin lisäkuormituspiireihin; tämä johtuu siitä, että tyhjennyskuormalaitteet muodostetaan lisäämällä lisäaineen määrää kuormatransistoreiden kanavan alueella niiden kynnysjännitteen säätämiseksi . Tämä suoritetaan normaalisti käyttämällä ioni-implantointia .
Historia ja tausta
Seuraavassa keksintöä on MOSFET , jonka Mohamed Atalla ja Dawon Kahng on Bell Labs 1959, he osoittivat MOSFET-teknologian 1960. Ne on valmistettu sekä PMOS ja NMOS laitteita, joissa on 20 um prosessi . NMOS-laitteet olivat kuitenkin epäkäytännöllisiä, ja vain pMOS-tyyppi oli käytännöllinen työlaite.
Vuonna 1965 Chih-Tang Sah , Otto Leistiko ja AS Grove Fairchild Semiconductorissa valmistivat useita NMOS-laitteita, joiden kanavanpituudet olivat 8 um ja 65 um. Dale L. Critchlow ja Robert H. DENNARD on IBM myös valmistettu NMOS-laitteita 1960-luvulla. Ensimmäinen IBM NMOS -tuote oli 1 kb: n dataa ja 50–100 ns: n käyttöaikaa käyttävä muistisiru , joka tuli laajamittaiseen valmistukseen 1970-luvun alussa. Tämä johti siihen, että MOS- puolijohdemuisti korvasi aikaisemmat bipolaariset ja ferriittisydämen muistitekniikat 1970-luvulla.
Piin portti
1960-luvun lopulla bipolaariset liitostransistorit olivat nopeampi kuin silloin käytettävät (p-kanava) MOS-transistorit ja olivat luotettavampia, mutta ne kuluttivat myös paljon enemmän virtaa , vaativat enemmän pinta-alaa ja vaativat monimutkaisempaa valmistusprosessia. MOS-mikropiirejä pidettiin mielenkiintoisina, mutta riittämättöminä nopean kaksisuuntaisen piirin korvaamiseksi muilla kuin kapealla markkinoilla , kuten pienitehoisissa sovelluksissa. Yksi syy pieneen nopeuteen oli se, että MOS-transistoreissa oli alumiinista valmistettuja portteja , jotka johtivat huomattaviin loiskapasitansseihin tuolloin valmistettuja prosesseja käyttäen . Monikiteisen piin portilla varustettujen transistoreiden (joista tuli tosiasiallisesti standardi 1970-luvun puolivälistä 2000-luvun alkuun) käyttöönotto oli tärkeä ensimmäinen askel tämän haitan vähentämiseksi. Tämä uusi itsekohdistuvalla pii-portin transistorin otettiin käyttöön Federico Faggin on Fairchild Semiconductor alussa 1968; se oli John C.Saraceen, Tom Kleinin ja Robert W.Bowerin (noin 1966–67) ideoiden ja työn tarkentaminen (ja noin 1106–67) matalampia loiskapasitansseja sisältävälle transistorille, joka voidaan valmistaa osana mikropiiriä (eikä vain erillisenä komponenttina ). Tämäntyyppinen pMOS-transistori oli 3-5 kertaa nopeampi (wattia kohti) kuin alumiini-portti-pMOS-transistori, ja se tarvitsi vähemmän aluetta, vuoto oli paljon alhaisempi ja luotettavampi. Samana vuonna Faggin myös rakennettu ensimmäinen IC käyttämällä uutta transistori tyyppi, Fairchild 3708 (8-bittinen analogia multiplekseri kanssa dekooderi ), joka osoitti olennaisesti parantunut suorituskyky yli sen metalli-portti vastine. Alle 10 vuodessa piiportti MOS-transistori korvasi bipolaariset piirit tärkeimpänä ajoneuvona monimutkaisille digitaalisille IC: ille.
nMOS ja back-gate-bias
PMOS: iin liittyy muutama haittapuoli: Elektronireiillä, jotka ovat pMOS-transistoreiden varauksen (virran) kantajia, liikkuvuus on alhaisempaa kuin elektronien, jotka ovat nMOS-transistoreiden varauksen kantajia (suhde noin 2,5), lisäksi pMOS-piirit tekevät ei liity helposti pienjännitepositiiviseen logiikkaan, kuten DTL-logiikkaan ja TTL-logiikkaan (7400-sarja). Kuitenkin, pMOS-transistorit on suhteellisen helppo tehdä, ja sen vuoksi on kehitetty ensimmäinen - ionikontaminaatio portin oksidi etsaus kemikaaleja ja muista lähteistä voi helposti estää (jäljempänä elektroni perusteella) nMOS-transistoreita kytkemästä pois, kun taas vaikutus (jäljempänä elektroniikkateollisuu- reikäpohjaiset ) pMOS-transistorit ovat paljon vähemmän vakavia. NMOS-transistoreiden on sen vuoksi oltava monta kertaa puhtaampia kuin kaksisuuntainen käsittely, jotta voidaan tuottaa toimivia laitteita.
NMOS- integroitujen piirien (IC) varhainen työ esiteltiin lyhyessä IBM: n julkaisussa ISSCC: llä vuonna 1969. Hewlett-Packard alkoi sitten kehittää nMOS IC -tekniikkaa saadakseen lupaavan nopeuden ja helpon käyttöliittymän laskinliiketoimintaansa . Tom Haswell HP: ssä ratkaisi lopulta monet ongelmat käyttämällä puhtaampia raaka-aineita (erityisesti alumiinia yhteenliittämiseen) ja lisäämällä esijännitettä, jotta porttikynnys olisi riittävän suuri; tämä takaportin poikkeama pysyi de facto standardiliuoksena (pääasiassa) natriumsaasteisiin portteissa, kunnes kehittyi ionin istutus (katso alla). Jo vuoteen 1970 mennessä HP valmisti tarpeeksi hyviä nMOS-IC: itä ja oli karakterisoinut sen tarpeeksi niin, että Dave Maitland pystyi kirjoittamaan artikkelin nMOS: sta joulukuussa 1970 julkaistavassa Electronics-lehdessä. NMOS pysyi kuitenkin harvinaisena muualla puolijohdeteollisuudessa vuoteen 1973 saakka.
Tuotantovalmis nMOS-prosessi antoi HP: lle mahdollisuuden kehittää alan ensimmäisen 4 kbitisen IC- ROM-levyn . Motorola toimi lopulta toisena lähteenä näille tuotteille, ja siitä tuli Hewlett-Packardin ansiosta yksi ensimmäisistä kaupallisista puolijohdetoimittajista, joka hallitsi nMOS-prosessin. Jonkin ajan kuluttua käynnistysyritys Intel ilmoitti 1 kbit pMOS DRAM -nimestä, nimeltään 1102 , joka on kehitetty Honeywellin mukautetuksi tuotteeksi (yritys korvata magneettinen ydinmuisti heidän keskusyksiköissään ). HP: n laskininsinöörit, jotka halusivat samanlaisen, mutta vankemman tuotteen 9800-sarjan laskimiin, auttoivat 4 kbitisen ROM-projektin IC-valmistuskokemusta parantamaan Intel DRAM -muistin luotettavuutta, käyttöjännitettä ja lämpötila-aluetta. Nämä ponnistelut edistivät voimakkaasti parannettua Intel 1103 1 kbit pMOS DRAM -muistia, joka oli maailman ensimmäinen kaupallisesti saatavilla oleva DRAM- IC. Se esiteltiin virallisesti lokakuussa 1970, ja siitä tuli Intelin ensimmäinen todella menestyvä tuote.
Tyhjennysmoodin transistorit
Varhaisessa MOS-logiikassa oli yksi transistorityyppi, joka on parannustila, jotta se voi toimia logiikkakytkimenä. Koska sopivia vastuksia oli vaikea tehdä, logiikkaportit käyttivät tyydyttyneitä kuormia; toisin sanoen, jotta yhden tyyppinen transistori toimisi kuormitusvastuksena, transistori oli kytkettävä aina päälle sitomalla sen portti virtalähteeseen (mitä enemmän negatiivista kiskoa PMOS-logiikalle tai sitä positiivisempaa kiskoa NMOS-logiikalle ) . Koska tällä tavalla liitetyn laitteen virta kulkee kuorman yli kulkevan jännitteen neliönä, se tarjoaa heikon vetonopeuden suhteessa sen virrankulutukseen, kun se vedetään alas. Vastus (jossa virta on yksinkertaisesti verrannollinen jännitteeseen) olisi parempi, ja virtalähde (virran ollessa kiinteä, jännitteestä riippumaton) vielä parempi. Ehtyminen-tilassa laite portti sidottu vastakkaiseen syöttökiskoon on paljon parempi kuorman kuin lisälaite-tilassa laite, joka toimii jossain välillä vastuksen ja virtalähteen.
Ensimmäisten tyhjennyskuormaa sisältävien nMOS-piirien edelläkävijä ja valmistaja oli DRAM- valmistaja Mostek , joka tarjosi tyhjennystilan transistorit saataville alkuperäisen Zilog Z80 -mallin suunnitteluun vuosina 1975–1976. Mostek oli ioni laitteet, joita tarvitaan luomaan seostusprofiili tarkempi kuin mahdollista diffuusio menetelmillä, niin että kynnys jännite kuorman transistorit voidaan säätää luotettavasti. Intelillä tyhjennyskuormitus otettiin käyttöön vuonna 1974 entisen Fairchild-insinöörin ja myöhemmin Zilogin perustajan Federico Fagginin toimesta . Tyhjennyskuormaa käytettiin ensimmäisen kerran yhden Intelin tuolloin tärkeimmän tuotteen, vain + 5 V: n, vain 1 Kbit: n nMOS SRAM: n, nimeltään 2102 (yli 6000 transistoria). Tämän uudelleensuunnittelun tulos oli huomattavasti nopeampi 2102A , jossa sirun tehokkaimpien versioiden pääsyajat olivat alle 100ns, jolloin MOS-muistit olivat lähellä kaksisuuntaisten RAM-muistien nopeutta ensimmäistä kertaa.
Myös monet muut valmistajat käyttivät tyhjennyskuormaa sisältäviä nMOS-prosesseja monien suosittujen 8-, 16- ja 32-bittisten prosessorien inkarnaatioiden tuottamiseen. Samoin kuin varhaiset pMOS- ja nMOS-prosessorimallit, joissa käytetään parannustilan MOSFET: iä kuormina, tyhjentävän kuormituksen nMOS-mallit käyttivät tyypillisesti erityyppisiä dynaamisia logiikoita (eikä vain staattisia portteja) tai passitransistoreita, joita käytettiin dynaamisina kellotettuina salkoina . Nämä tekniikat voivat parantaa aluetaloutta huomattavasti, vaikka vaikutus nopeuteen on monimutkainen. Prosessorit rakennettu ehtyminen kuormituksella nMOStransistori piirit sisältävät 6800 (uudemmissa versioissa), The 6502 , Signetics 2650 , 8085 , 6809 , 8086 , Z8000 , NS32016 , ja monet muut (onko HMOs prosessorit alla ovat mukana, erityistapauksia ).
Suuri määrä tuki- ja reuna-IC: itä toteutettiin myös käyttämällä (usein staattista) ehtymiskuormitukseen perustuvaa piiriä. NMOSissa ei kuitenkaan koskaan ollut standardoituja logiikkaperheitä , kuten kaksisuuntaista 7400-sarjaa ja CMOS 4000 -sarjaa , vaikka useiden toisen lähdevalmistajan mallit saivat usein jotain tosiasiallisesti vakiokomponenttista. Yksi esimerkki tästä on nMOS 8255 PIO -muotoilu, joka oli alun perin tarkoitettu 8085-oheislaitteeksi, jota on käytetty sulautetuissa Z80- ja x86- järjestelmissä ja monissa muissa yhteyksissä useita vuosikymmeniä. Moderneja pienitehoisia versioita on saatavana CMOS- tai BiCMOS-toteutuksina, samanlainen kuin 7400-sarja.
Intel HMOS
Intelin oma tyhjentävän kuormituksen NMOS-prosessi tunnettiin nimellä HMOS , tiheälle , lyhyelle kanavalle MOS: lle . Ensimmäinen versio esiteltiin vuoden 1976 lopulla, ja sitä käytettiin ensimmäisen kerran staattisissa RAM- tuotteissaan, ja sitä käytettiin pian 8085-, 8086- ja muiden sirujen nopeampiin ja / tai vähemmän virranhimoisiin versioihin.
HMOS: n parantamista jatkettiin ja se kävi läpi neljä erillistä sukupolvea. Intelin mukaan HMOS II (1979) tarjosi kaksinkertaisen tiheyden ja nelinkertaisen nopeus- / tehotuotteen verrattuna muihin tyypillisiin nykyaikaisiin tyhjenemiskuormitettaviin nMOS-prosesseihin. Kolmannet osapuolet, mukaan lukien (muun muassa) Motorola, joka käytti sitä Motorola 68000: een , ja Commodore Semiconductor Group , jotka käyttivät tätä versiota laajalti lisensoineet tämän version MOS-tekniikkaansa varten 8502, kutistettu MOS 6502 .
Alkuperäisen HMOS-prosessin, jota myöhemmin kutsuttiin nimellä HMOS I, kanavan pituus oli 3 mikronia, joka pienennettiin 2: een HMOS II: lla ja 1,5: een HMOS III: lla. Siihen aikaan, kun HMOS III otettiin käyttöön vuonna 1982, Intel oli aloittanut siirtymisen CHMOS- prosessiinsa, CMOS- prosessiin, joka käyttää HMOS-linjojen suunnitteluelementtejä. Järjestelmän viimeinen versio julkaistiin, HMOS-IV. Merkittävä etu HMOS-linjalle oli se, että jokainen sukupolvi oli tarkoituksellisesti suunniteltu siten, että nykyiset asettelut voivat kutistua ilman suuria muutoksia. Eri tekniikoita otettiin käyttöön sen varmistamiseksi, että järjestelmät toimivat asettelun muuttuessa.
HMOS: ta, HMOS II: ta, HMOS III: ta ja HMOS IV: ää käytettiin yhdessä monissa erilaisissa prosessoreissa; 8085 , 8048 , 8051 , 8086 , 80186 , 80286 , ja monet muut, mutta myös useiden sukupolvien samasta perusrakenteesta, katso lomakkeissa .
Edelleen kehittäminen
1980-luvun puolivälissä nopeammat CMOS-variantit, jotka käyttivät samanlaista HMOS-prosessitekniikkaa, kuten Intelin CHMOS I, II, III, IV jne., Alkoivat korvata n-kanavan HMOS: n sovelluksille, kuten Intel 80386 ja tietyille mikro -ohjaimille . Muutama vuosi myöhemmin, 1980-luvun lopulla, BiCMOS otettiin käyttöön korkean suorituskyvyn mikroprosessoreille sekä nopeille analogisille piireille . Nykyään suurin osa digitaalisista piireistä, mukaan lukien läsnä oleva 7400-sarja , valmistetaan käyttämällä erilaisia CMOS-prosesseja, joissa käytetään erilaisia topologioita. Tämä tarkoittaa, että nopeuden lisäämiseksi ja muotialueen (transistorit ja johdotus) säästämiseksi nopeat CMOS-mallit käyttävät usein muita elementtejä kuin vain täydentävät staattiset portit ja tyypillisten hitaiden pienitehoisten CMOS-piirien ( ainoat CMOS-tyypit) lähetysportit 1960- ja 1970-luvuilla). Nämä menetelmät käyttävät merkittäviä määriä dynaamisia piirejä rakentaakseen sirulle suuremmat rakennuspalikat, kuten salvat, dekooderit, multiplekserit ja niin edelleen, ja kehittyneet 1970-luvun pMOS- ja nMOS-piirejä varten kehitetyistä erilaisista dynaamisista menetelmistä.
Verrattuna CMOS: iin
Staattiseen CMOS: iin verrattuna kaikki nMOS: n (ja pMOS: n) variantit ovat suhteellisen tehonälkäisiä vakaassa tilassa. Tämä johtuu siitä, että ne luottavat vastuksina toimiviin kuormatransistoreihin , joissa lepovirta määrittää maksimaalisen mahdollisen kuormituksen ulostulossa ja portin nopeuden (ts. Muiden tekijöiden ollessa vakiot). Tämä on ristiriidassa staattisten CMOS-piirien virrankulutusominaisuuksien kanssa , mikä johtuu vain väliaikaisesta tehonkulutuksesta, kun lähtötilaa muutetaan ja p- ja n-transistorit johtavat siten lyhyesti samanaikaisesti. Tämä on kuitenkin yksinkertaistettu näkymä, ja täydellisempään kuvaan on sisällytettävä myös se, että jopa puhtaasti staattisissa CMOS-piireissä on merkittäviä vuotoja moderneissa pienissä geometrioissa, sekä se, että uudet CMOS-sirut sisältävät usein dynaamista ja / tai domino-logiikkaa tietyllä määrällä pseudo-nMOS- piirejä.
Kehitys edellisistä NMOS-tyypeistä
Tyhjennyskuormitusprosessit eroavat edeltäjistään tavalla, jolla Vdd- jännitelähde, joka edustaa 1 , muodostaa yhteyden kuhunkin porttiin. Molemmissa tekniikoissa kukin portti sisältää yhden NMOS-transistorin, joka on kytketty päälle jatkuvasti ja kytketty Vdd: hen. Kun transistorit yhteyden 0 sammuttaa, tämä pull-up- transistori määrittää lähtö on 1 oletuksena. Normaalissa NMOS: ssa pull-up on samanlainen transistori kuin logiikkakytkimissä. Lähtöjännitteen lähestyessä arvoa, joka on pienempi kuin Vdd , se sammuu vähitellen. Tämä hidastaa siirtymistä 0: sta 1: een , mikä johtaa hitaampaan piiriin. Tyhjennyskuormitusprosessit korvaavat tämän transistorin tyhjentymismoodilla NMOS vakionopeudella portilla, portin ollessa sidottu suoraan lähteeseen. Tämä vaihtoehtoinen transistorityyppi toimii virtalähteenä, kunnes lähtö lähestyy arvoa 1 , sitten toimii vastuksena. Tuloksena on nopeampi 0 kohteeseen 1 siirtyminen.
Staattinen virrankulutus
Tyhjennyskuormituspiirit kuluttavat vähemmän virtaa kuin lisälaitteiden kuormituspiirit samalla nopeudella. Molemmissa tapauksissa yhteys 1: ään on aina aktiivinen, vaikka yhteys 0: een olisi myös aktiivinen. Tämä johtaa korkeaan staattiseen virrankulutukseen. Jätemäärä riippuu vedon vahvuudesta tai fyysisestä koosta. Sekä (parannustila) tyydyttyneiden kuormien että tyhjennystilojen vetotransistorit käyttävät suurinta tehoa, kun lähtö on vakaa nollalla , joten tämä menetys on huomattava. Koska ehtymismoodin transistorin voimakkuus putoaa vähemmän lähestyttäessä 1: tä , ne voivat saavuttaa 1 nopeammin siitä huolimatta, että ne alkavat hitaammin eli johtavat vähemmän virtaa siirtymän alussa ja vakaassa tilassa.