Tükenme yükü NMOS mantığı - Depletion-load NMOS logic

Bir tükenme yükü nMOS NAND kapısı

Olarak entegre devreler , tükenmesi yüklemeli NMOS dijital şeklidir mantık ailesine , daha önceki farklı kullanımları sadece tek bir güç kaynağı voltajı, NMOS (n-tipi , metal oksit yan iletken bir farklı şebeke gerilimi daha fazla ihtiyaç) mantık aileleri. Bu entegre devrelerin üretilmesi ek işlem aşamaları gerektirmesine rağmen, geliştirilmiş anahtarlama hızı ve ekstra güç kaynağının ortadan kaldırılması, bu mantık ailesini birçok mikroişlemci ve diğer mantık öğeleri için tercih edilen seçenek haline getirdi .

Bazı tükenme yüklü nMOS tasarımları, tipik olarak daha yeni CMOS muadilleriyle paralel olarak hala üretilmektedir ; bunun bir örneği Z84015 ve Z84C15'tir.

Yük transistörleri olarak tükenme modu n-tipi MOSFET'ler , tek voltajlı çalışmaya izin verir ve saf geliştirme-yük cihazlarıyla mümkün olandan daha yüksek hıza ulaşır. Bunun nedeni kısmen tükenme modu MOSFET'lerin , özellikle ekstra voltaj olmadığında daha basit geliştirme modu transistöründen daha iyi bir akım kaynağı yaklaşımı olabilmesidir (erken pMOS ve nMOS yongalarının birkaç voltaj gerektirmesinin nedenlerinden biri).

Üretim sürecine tükenme modu n-MOS transistörlerinin dahil edilmesi , daha basit geliştirme-yükleme devrelerine kıyasla ek üretim adımları gerektirdi; bunun nedeni , eşik voltajlarını ayarlamak için yük transistörlerinin kanal bölgesindeki katkı maddesinin miktarı artırılarak tükenme yükü cihazlarının oluşturulmasıdır . Bu normalde iyon implantasyonu kullanılarak gerçekleştirilir .

Tarih ve arka plan

Buluşu takiben MOSFET ile Mohamed atalla ve Dawon Kahng de Bell Labs 1959, bunlar 1960 MOSFET teknoloji gösterdi Bunlar imal bir ile PMOS ve NMOS cihazları hem 20   um işlemi . Bununla birlikte, nMOS cihazları pratik değildi ve sadece pMOS tipi pratik çalışma cihazlarıydı.

1965 yılında , Fairchild Semiconductor'daki Chih-Tang Sah , Otto Leistiko ve AS Grove, 8 µm ile 65 µm arasında kanal uzunluklarına sahip birkaç NMOS cihazı üretti . Dale L. Critchlow ve Robert H. Dennard da IBM'den 1960'larda NMOS aygıtları üretti. İlk IBM NMOS ürünü, 1 kb veri ve 50-100 ns erişim süresine sahip ve 1970'lerin başında büyük ölçekli üretime giren bir bellek yongasıydı . Bu, MOS yarı iletken belleğin 1970'lerde daha önceki bipolar ve ferrit çekirdekli bellek teknolojilerinin yerini almasına yol açtı .    

Silikon kapı

1960'ların sonlarında, bipolar bağlantı transistörleri daha sonra kullanılan (p-kanal) MOS transistörlerinden daha hızlıydı ve daha güvenilirdi, ancak aynı zamanda çok daha fazla güç tüketiyorlardı , daha fazla alan gerektiriyordu ve daha karmaşık bir üretim süreci talep ediyorlardı . MOS IC'leri ilginç, ancak düşük güç uygulamaları gibi niş pazarlar dışında herhangi bir şeyde hızlı iki kutuplu devrelerin yerini almak için yetersiz görülüyordu . Düşük hızın nedenlerinden biri, MOS transistörlerinin alüminyumdan yapılmış kapılara sahip olmasıydı ve bu , zamanın üretim süreçlerini kullanarak önemli ölçüde parazitik kapasitelere yol açtı . Polikristalin silikon kapılara sahip transistörlerin piyasaya sürülmesi ( 1970'lerin ortalarından 2000'lerin başına kadar fiili standart haline geldi ) bu engeli azaltmak için önemli bir ilk adımdı. Bu yeni kaçağa izin silikon geçit transistörü tarafından tanıtıldı Federico Faggin de Fairchild Semiconductor erken 1968 yılında; Bu, bir IC'nin parçası olarak üretilebilecek daha düşük parazitik kapasiteye sahip bir transistör için John C. Sarace, Tom Klein ve Robert W. Bower (1966-67 civarında) tarafından fikirlerin ve çalışmaların iyileştirilmesi (ve ilk çalışma uygulaması) idi. (ve yalnızca ayrı bir bileşen olarak değil ). Bu yeni tip pMOS transistör, alüminyum kapılı pMOS transistörden 3-5 kat daha hızlıydı (watt başına) ve daha az alana ihtiyaç duyuyordu, çok daha düşük sızıntıya ve daha yüksek güvenilirliğe sahipti. Aynı yıl, Faggin yeni transistör türü, kullanılan ilk IC inşa Fairchild 3708 (8 bit analog multiplekser ile kod çözücü metal kapısı muadili boyunca büyük ölçüde gelişmiş bir performans gösterdi). 10 yıldan daha kısa bir sürede silikon geçit MOS transistörü, karmaşık dijital IC'ler için ana araç olarak bipolar devrelerin yerini aldı.

nMOS ve arka kapı önyargısı

PMOS ile ilişkili birkaç dezavantaj vardır: pMOS transistörlerindeki yük (akım) taşıyıcıları olan elektron delikleri , nMOS transistörlerinde yük taşıyıcıları olan elektronlardan daha düşük hareketliliğe sahiptir (yaklaşık olarak 2,5 oranında), ayrıca pMOS devreleri DTL mantığı ve TTL mantığı (7400 serisi) gibi düşük voltajlı pozitif mantıkla kolayca arayüz oluşturmaz . Bununla birlikte, PMOS transistörleri, yapmak nispeten kolaydır ve bu nedenle ilk olarak geliştirildi - Kapı oksit iyonik kontaminasyondan kimyasal dağlama ve diğer kaynaklardan kolayca (önleyebilir elektron , kapanmasını göre) NMOS transistörleri (efekt elektron delik tabanlı) pMOS transistörleri çok daha az şiddetlidir. Bu nedenle, çalışan cihazların üretilmesi için nMOS transistörlerinin imalatı, bipolar işlemeden birçok kez daha temiz olmalıdır.

NMOS tümleşik devre (IC) teknolojisi üzerine ilk çalışmalar 1969'da ISSCC'de kısa bir IBM makalesinde sunuldu . Hewlett-Packard daha sonra hesap makinesi işi için umut verici hızı ve kolay arabirimi elde etmek için nMOS IC teknolojisini geliştirmeye başladı . HP'den Tom Haswell, daha saf hammaddeler (özellikle ara bağlantılar için alüminyum) kullanarak ve kapı eşiğini yeterince büyük hale getirmek için bir ön gerilim ekleyerek birçok sorunu çözdü ; bu arka-kapı önyargısı , iyon implantasyonunun gelişmesine kadar kapılardaki (esas olarak) sodyum kirleticilerine fiilen standart bir çözüm olarak kaldı (aşağıya bakınız). Zaten 1970 yılında, HP yeterince iyi nMOS IC'ler yapıyordu ve bunu yeterince karakterize etmişti, böylece Dave Maitland, Electronics dergisinin Aralık 1970 sayısında nMOS hakkında bir makale yazabilecekti. Bununla birlikte, nMOS, yarı iletken endüstrisinin geri kalanında 1973'e kadar nadir kaldı.

Üretime hazır nMOS süreci, HP'nin endüstrinin ilk 4 kbit IC ROM'unu geliştirmesini sağladı . Motorola sonunda bu ürünler için ikinci bir kaynak olarak hizmet verdi ve böylece Hewlett-Packard sayesinde nMOS sürecini yöneten ilk ticari yarı iletken satıcılarından biri oldu. Bir süre sonra, başlangıç şirket Intel adında bir 1-kbit pMOS DRAM açıkladı 1102 için özel bir ürün olarak geliştirilen, Honeywell (manyetik değiştirmek amacıyla çekirdek bellek onların içinde büyük bilgisayarlardan ). 9800 serisi hesap makineleri için benzer ancak daha sağlam bir ürün isteyen HP'nin hesap makinesi mühendisleri, Intel DRAM'in güvenilirliğini, çalışma voltajını ve sıcaklık aralığını iyileştirmeye yardımcı olmak için 4 kbit ROM projelerinden IC üretim deneyimine katkıda bulundular. Bu çabalar , dünyanın ticari olarak satılan ilk DRAM IC'si olan, son derece geliştirilmiş Intel 1103 1-kbit pMOS DRAM'e katkıda bulundu . Resmi olarak Ekim 1970'de tanıtıldı ve Intel'in gerçekten başarılı ilk ürünü oldu.

Tükenme modu transistörleri

Tükenme modu MOSFET'in özellikleri

Erken MOS mantığının bir transistör tipi vardı, bu bir geliştirme modu, böylece bir mantık anahtarı olarak işlev görebiliyordu. Uygun dirençlerin yapılması zor olduğundan, mantık kapıları doymuş yükler kullandı; yani, bir tür transistörün bir yük direnci görevi görmesini sağlamak için, transistörün kapısını güç kaynağına bağlayarak her zaman açılması gerekiyordu ( PMOS mantığı için daha negatif ray veya NMOS mantığı için daha pozitif ray ) . Bu şekilde bağlanan bir cihazdaki akım, yük boyunca voltajın karesi olarak gittiğinden, aşağı çekildiğinde güç tüketimine göre zayıf pullup hızı sağlar. Bir direnç (akım sadece voltajla orantılı) daha iyi ve bir akım kaynağı (akım sabit, voltajdan bağımsız) daha iyi olurdu. Karşı besleme rayına bağlı kapısı olan bir tükenme modu cihazı, bir direnç ile bir akım kaynağı arasında bir yerde hareket eden bir geliştirme modu cihazından çok daha iyi bir yüktür.

İlk tükenme yüklü nMOS devrelerine öncülük edildi ve 1975-76'da orijinal Zilog Z80'in tasarımı için tükenme modlu transistörleri kullanıma sunan DRAM üreticisi Mostek tarafından yapıldı . Mostek, difüzyon yöntemleriyle mümkün olandan daha hassas bir doping profili oluşturmak için gereken iyon implantasyon ekipmanına sahipti , böylece yük transistörlerinin eşik voltajı güvenilir bir şekilde ayarlanabilir. Intel'de, tükenme yükü 1974'te eski bir Fairchild mühendisi ve daha sonra Zilog'un kurucusu olan Federico Faggin tarafından tanıtıldı . Tükenme yükü ilk olarak o zamanlar Intel'in en önemli ürünlerinden biri olan 2102 olarak adlandırılan + 5V'luk 1Kbit nMOS SRAM'ın (6000'den fazla transistör kullanılarak) yeniden tasarımı için kullanıldı . Bu yeniden tasarımın sonucu, çipin en yüksek performanslı sürümlerinin 100ns'den daha az erişim süresine sahip olduğu ve ilk kez bipolar RAM'lerin hızına yakın MOS belleklerini aldığı 2102A oldu.

Tükenme yükü nMOS işlemleri, diğer bazı üreticiler tarafından popüler 8 bit, 16 bit ve 32 bit CPU'ların birçok enkarnasyonunu üretmek için de kullanıldı. Geliştirme modu MOSFET'leri yükler olarak kullanan erken pMOS ve nMOS CPU tasarımlarına benzer şekilde , tükenme yüklü nMOS tasarımları tipik olarak çeşitli dinamik mantık türlerini (sadece statik kapılar yerine) veya dinamik saat ayarlı mandallar olarak kullanılan geçiş transistörlerini kullandı . Bu teknikler, hız üzerindeki etkisi karmaşık olsa da alan-ekonomiyi önemli ölçüde artırabilir. Tükenme yüklü nMOS devreleriyle oluşturulmuş işlemciler arasında 6800 (sonraki sürümlerde), 6502 , Signetics 2650 , 8085 , 6809 , 8086 , Z8000 , NS32016 ve diğerleri (aşağıdaki HMOS işlemcileri özel durumlar olarak dahil edilmiş olsun veya olmasın) içerir ).

Çok sayıda destek ve çevresel IC de (genellikle statik) tükenme yükü tabanlı devre kullanılarak uygulandı. Bununla birlikte, bipolar 7400 serisi ve CMOS 4000 serisi gibi nMOS'ta hiçbir zaman standartlaştırılmış mantık ailesi olmamıştır , ancak birkaç ikinci kaynak üreticisi ile tasarımlar genellikle fiili bir standart bileşen statüsü elde etmiştir. Bunun bir örneği, Z80 ve x86 gömülü sistemlerde ve diğer pek çok bağlamda on yıllardır kullanılan, başlangıçta bir 8085 çevresel yonga olarak tasarlanan nMOS 8255 PIO tasarımıdır . Modern düşük güçlü versiyonlar, 7400 serisine benzer şekilde CMOS veya BiCMOS uygulamaları olarak mevcuttur.

Intel HMOS

Intel'in kendi tükenme yükü NMOS süreci, Yüksek yoğunluklu, kısa kanal MOS için HMOS olarak biliniyordu . İlk sürüm 1976'nın sonlarında tanıtıldı ve ilk olarak statik RAM ürünleri için kullanıldı, kısa süre sonra 8085, 8086 ve diğer yongaların daha hızlı ve / veya daha az güç tüketen sürümleri için kullanıldı.

HMOS geliştirilmeye devam etti ve dört farklı nesilden geçti. Intel'e göre, HMOS II (1979), diğer tipik çağdaş tükenme yükü nMOS işlemlerine göre iki kat yoğunluk ve dört kat daha fazla hız / güç ürünü sağladı. Bu sürüm yaygın 3. kişilere, (diğerlerinin yanı sıra) dahil edilerek lisans verilen Motorola onların için kullanmıştır Motorola 68000 ve Commodore Semiconductor Grubu onların için kullandı, MOS Technology 8502 kalıp büzüşen MOS 6502 .

Daha sonra HMOS I olarak anılan orijinal HMOS işlemi, 3 mikronluk bir kanal uzunluğuna sahipti ve bu, HMOS II için 2'ye ve HMOS III için 1.5'e düşürüldü. HMOS III 1982'de piyasaya sürüldüğünde Intel , HMOS hatlarının tasarım öğelerini kullanan bir CMOS süreci olan CHMOS sürecine geçiş yapmaya başlamıştı . Sistemin son bir sürümü olan HMOS-IV yayınlandı. HMOS hattının önemli bir avantajı, her neslin bilinçli olarak mevcut düzenlerin büyük değişiklikler olmadan ölüp küçülmesine izin verecek şekilde tasarlanmasıydı. Düzen değiştikçe sistemlerin çalışmasını sağlamak için çeşitli teknikler tanıtıldı.

HMOS, HMOS II, HMOS III ve HMOS IV birçok farklı işlemci türü için birlikte kullanıldı; 8085 , 8048 , 8051 , 8086 , 80186 , 80286 , ve diğerleri, aynı zamanda aynı temel tasarımın birkaç kuşak için bkz veri sayfalarını .

Daha fazla gelişme

1980'lerin ortalarında, Intel'in CHMOS I, II, III, IV, vb. Gibi benzer HMOS işlem teknolojisini kullanan daha hızlı CMOS varyantları, Intel 80386 ve belirli mikro denetleyiciler gibi uygulamalar için n-kanallı HMOS'un yerini almaya başladı . Birkaç yıl sonra, 1980'lerin sonunda BiCMOS , yüksek performanslı mikroişlemciler ve yüksek hızlı analog devreler için piyasaya sürüldü . Günümüzde, her yerde bulunan 7400 serisi de dahil olmak üzere çoğu dijital devre, kullanılan bir dizi farklı topolojiyle çeşitli CMOS süreçleri kullanılarak üretilmektedir. Bu, hızı artırmak ve kalıp alanını (transistörler ve kablolama) korumak için, yüksek hızlı CMOS tasarımlarının genellikle tipik yavaş düşük güçlü CMOS devrelerinin ( tek CMOS tipi) tamamlayıcı statik kapılar ve iletim kapıları dışında başka unsurlar kullandığı anlamına gelir. 1960'lar ve 1970'ler boyunca). Bu yöntemler , çip üzerinde mandallar, kod çözücüler, çoklayıcılar vb. Gibi daha büyük yapı bloklarını oluşturmak için önemli miktarda dinamik devre kullanır ve 1970'lerde pMOS ve nMOS devreleri için geliştirilen çeşitli dinamik metodolojilerden gelişmiştir.

CMOS ile karşılaştırıldığında

Statik CMOS ile karşılaştırıldığında, tüm nMOS (ve pMOS) varyantları, sabit durumda göreceli olarak güç açtır. Bunun nedeni , durgun akımın çıkıştaki maksimum olası yükü ve kapının hızını belirlediği (yani diğer faktörlerle sabit) direnç olarak çalışan yük transistörlerine güvenmeleridir . Bu, statik CMOS devrelerinin güç tüketimi özellikleriyle çelişir ; bu, yalnızca çıkış durumu değiştiğinde geçici güç çekiminden kaynaklanır ve böylece p- ve n-transistörler aynı anda kısa bir süre çalışır. Bununla birlikte, bu basitleştirilmiş bir görünümdür ve daha eksiksiz bir resim, tamamen statik CMOS devrelerinin bile modern küçük geometrilerde önemli sızıntılara sahip olduğu gerçeğinin yanı sıra modern CMOS yongalarının genellikle dinamik ve / veya domino mantığı içerdiği gerçeğini de içermelidir. belirli bir miktarda sözde nMOS devresi ile.

Önceki NMOS türlerinden evrim

Tükenme yükü süreçleri , 1'i temsil eden Vdd voltaj kaynağının her bir kapıya bağlanması açısından öncekilerden farklıdır . Her iki teknolojide de, her kapı, kalıcı olarak açık ve Vdd'ye bağlanan bir NMOS transistörü içerir. 0'a bağlanan transistörler kapandığında, bu yukarı çekme transistörü çıkışın varsayılan olarak 1 olduğunu belirler . Standart NMOS'ta, kaldırma, mantık anahtarları için kullanılanla aynı türden bir transistördür. Çıkış voltajı Vdd'den daha düşük bir değere yaklaştığında , kademeli olarak kendini kapatır. Bu yavaşlatır 0 bulundunuz 1 daha yavaş devreye sebep geçiş. Tükenme yükü süreçleri, bu transistörü, doğrudan kaynağa bağlı olan kapı ile sabit bir geçit önyargılı tükenme modu NMOS ile değiştirir. Bu alternatif transistör tipi, çıkış 1'e yaklaşana kadar bir akım kaynağı görevi görür, ardından bir direnç görevi görür. Sonuç hızlı 0 bulundunuz 1 geçişi.

Statik güç tüketimi

Doymuş geliştirme modu yükleme cihazına sahip bir nMOS NAND geçidi. İyileştirme cihazı, aynı zamanda, doymamış bir konfigürasyonda daha pozitif bir geçit önyargısı ile de kullanılabilir; bu, daha güç açısından verimli ancak yüksek bir geçit voltajı ve daha uzun bir transistör gerektirir. Tükenme yükü kadar güç verimli veya kompakt değildir.

Tükenme yükü devreleri, aynı hızdaki artırma-yük devrelerinden daha az güç tüketir. Her iki durumda da 1 bağlantısı her zaman etkindir, 0 bağlantısı da aktif olsa bile . Bu, yüksek statik güç tüketimiyle sonuçlanır. Atık miktarı, çekmenin gücüne veya fiziksel boyutuna bağlıdır. Hem (geliştirme modu) doymuş yük hem de tükenme modu yukarı çekmeli transistörler, çıkış 0'da sabit olduğunda en yüksek gücü kullanır , bu nedenle bu kayıp önemli. Tükenme modlu bir transistörün gücü 1'e yaklaşıldığında daha az düştüğü için , daha yavaş başlamalarına rağmen 1'e daha hızlı ulaşabilirler , yani geçişin başlangıcında ve sabit durumda daha az akım iletebilirler.

Notlar ve referanslar