Ίσως να εκπλήσσει το γεγονός ότι το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για ένα «τρανζίστορ εφέ πεδίου» προηγήθηκε της δημιουργίας του διπολικού τρανζίστορ για τουλάχιστον είκοσι χρόνια. Ωστόσο, τα διπολικά τρανζίστορ ήταν πιο γρήγορα στο εμπόριο, με το πρώτο τσιπ από διπολικά τρανζίστορ να εμφανίζεται στη δεκαετία του 1960, με την τεχνολογία κατασκευής MOSFET να τελειοποιείται τη δεκαετία του 1980 και σύντομα να ξεπεράσει τα διπολικά ξαδέλφια τους.
Αφού εφευρέθηκε το τρανζίστορ επαφής σημείου το 1947, τα πράγματα άρχισαν να κινούνται γρήγορα. Πρώτα ήρθε η εφεύρεση του πρώτου διπολικού τρανζίστορ τον επόμενο χρόνο. Στη συνέχεια το 1958, ο Jack Kilby βρήκε το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα που έβαλε περισσότερα από ένα τρανζίστορ στην ίδια μήτρα. Έντεκα χρόνια αργότερα, το Apollo 11 προσγειώθηκε στη Σελήνη, χάρη στον επαναστατικό υπολογιστή Apollo Guidance Computer, ο οποίος ήταν ο πρώτος ενσωματωμένος υπολογιστής στον κόσμο. Κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας πρωτόγονα διπλά IC εισόδου 3 θυρών NOR, τα οποία αποτελούσαν μόνο 3 τρανζίστορ ανά πύλη.
Αυτό οδήγησε στη δημοφιλή σειρά λογικών τσιπ TTL (Transistor-Transistor Logic), τα οποία κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας διπολικά τρανζίστορ. Αυτά τα τσιπ έτρεξαν 5V και μπορούσαν να τρέξουν σε ταχύτητες έως και 25MHz.
Αυτά σύντομα έδωσαν τη θέση τους στη λογική τρανζίστορ Schottky, η οποία πρόσθεσε μια δίοδο Schottky σε όλη τη βάση και τον συλλέκτη για να αποφευχθεί ο κορεσμός, γεγονός που μείωσε σημαντικά το φορτίο αποθήκευσης και μείωσε τους χρόνους μεταγωγής, γεγονός που με τη σειρά του μείωσε την καθυστέρηση διάδοσης που προκλήθηκε από το φορτίο αποθήκευσης.
Μια άλλη σειρά λογικής που βασίζεται σε διπολικά τρανζίστορ ήταν η σειρά ECL (Emitter Coupled Logic) που λειτουργούσε σε αρνητικές τάσεις, λειτουργώντας ουσιαστικά «προς τα πίσω» σε σύγκριση με τα τυπικά αντίστοιχα TTL ECL που θα μπορούσαν να τρέξουν έως και 500MHz.
Περίπου αυτή την περίοδο παρουσιάστηκε η λογική CMOS (Συμπληρωματικό Ημιαγωγό Μεταλλικού Οξειδίου). Χρησιμοποίησε συσκευές N-channel και P-channel, εξ ου και το όνομα συμπληρωματικό.
TTL VS CMOS: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Το πρώτο και πιο πολυσυζητημένο είναι η κατανάλωση ενέργειας - το TTL καταναλώνει περισσότερη ισχύ από το CMOS.
Αυτό ισχύει με την έννοια ότι μια είσοδος TTL είναι ακριβώς η βάση ενός διπολικού τρανζίστορ, το οποίο χρειάζεται λίγο ρεύμα για να το ενεργοποιήσει. Το μέγεθος του ρεύματος εισόδου εξαρτάται από το κύκλωμα στο εσωτερικό, βυθίζοντας έως 1,6 mA. Αυτό γίνεται ένα πρόβλημα όταν πολλές είσοδοι TTL συνδέονται σε μία έξοδο TTL, η οποία είναι συνήθως απλώς μια αντίσταση pullup ή ένα τρανζίστορ υψηλής πλευράς που κινείται αρκετά.
Από την άλλη πλευρά, τα τρανζίστορ CMOS είναι εφέ πεδίου, με άλλα λόγια, η παρουσία ηλεκτρικού πεδίου στην πύλη είναι αρκετή για να επηρεάσει το κανάλι ημιαγωγών στην αγωγιμότητα. Θεωρητικά, δεν τραβάται ρεύμα, εκτός από το μικρό ρεύμα διαρροής της πύλης, το οποίο συχνά είναι της τάξης των pico- ή nanoamps. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι η ίδια χαμηλή κατανάλωση ρεύματος ισχύει ακόμη και για υψηλότερες ταχύτητες. Η είσοδος ενός τσιπ CMOS έχει κάποια χωρητικότητα και επομένως έναν πεπερασμένο χρόνο αύξησης. Για να βεβαιωθείτε ότι ο χρόνος ανόδου είναι γρήγορος σε υψηλή συχνότητα, απαιτείται μεγάλο ρεύμα, το οποίο μπορεί να είναι της τάξης πολλών ενισχυτών σε συχνότητες MHz ή GHz. Αυτό το ρεύμα καταναλώνεται μόνο όταν η είσοδος πρέπει να αλλάξει κατάσταση, σε αντίθεση με το TTL όπου το ρεύμα προκατάληψης πρέπει να υπάρχει με το σήμα.
Όσον αφορά τις εξόδους, τα CMOS και TTL έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Οι έξοδοι TTL είναι είτε πόλοι τοτέμ είτε pullups. Με το πόλο τοτέμ, η έξοδος μπορεί να μετακινείται μόνο εντός 0,5V από τις ράγες. Ωστόσο, τα ρεύματα εξόδου είναι πολύ υψηλότερα από τα αντίστοιχα CMOS. Εν τω μεταξύ, οι έξοδοι CMOS, οι οποίες μπορούν να συγκριθούν με αντιστάσεις ελεγχόμενης τάσης, μπορούν να εξάγονται εντός χιλιοστών βολτ των σιδηροτροχιών τροφοδοσίας ανάλογα με το φορτίο. Ωστόσο, τα ρεύματα εξόδου είναι περιορισμένα, συχνά είναι αρκετά δύσκολα για να οδηγήσουν μερικά LED.
Χάρη στις μικρότερες τρέχουσες απαιτήσεις τους, η λογική CMOS προσφέρεται πολύ για τη μικρογραφία, με εκατομμύρια τρανζίστορ να μπορούν να συσκευαστούν σε μια μικρή περιοχή χωρίς η τρέχουσα απαίτηση να είναι πρακτικά υψηλή.
Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα που έχει το TTL έναντι του CMOS είναι η ανθεκτικότητά του. Τα τρανζίστορ εφέ πεδίου εξαρτώνται από ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του πυριτίου μεταξύ της πύλης και του καναλιού για να παρέχουν απομόνωση μεταξύ τους. Αυτό το στρώμα οξειδίου έχει πάχος νανομέτρων και έχει πολύ μικρή τάση διακοπής, σπάνια υπερβαίνει τα 20V ακόμη και σε FET υψηλής ισχύος. Αυτό καθιστά το CMOS πολύ ευαίσθητο σε ηλεκτροστατική εκφόρτιση και υπέρταση. Εάν οι είσοδοι παραμείνουν αιωρούμενες, συσσωρεύονται αργά φόρτιση και προκαλούν ψευδείς αλλαγές στην κατάσταση εξόδου, γι 'αυτό οι είσοδοι CMOS συνήθως τραβιούνται προς τα πάνω, προς τα κάτω ή γειώνονται. Το TTL δεν αντιμετωπίζει αυτό το πρόβλημα ως επί το πλείστον, δεδομένου ότι η είσοδος είναι μια βάση τρανζίστορ, η οποία ενεργεί περισσότερο σαν δίοδος και είναι λιγότερο ευαίσθητη στον θόρυβο λόγω της χαμηλότερης σύνθετης αντίστασης.
TTL Ή CMOS; Ποιό είναι καλύτερο?
Η λογική CMOS αντικατέστησε το TTL σχεδόν με κάθε τρόπο. Αν και τα τσιπ TTL είναι ακόμα διαθέσιμα, δεν υπάρχει πραγματικό πλεονέκτημα στη χρήση τους.
Ωστόσο, τα επίπεδα εισόδου TTL είναι κάπως τυποποιημένα και πολλές λογικές είσοδοι εξακολουθούν να λένε «συμβατές με TTL», οπότε το να έχει ένα CMOS που οδηγεί ένα στάδιο εξόδου TTL για συμβατότητα δεν είναι ασυνήθιστο. Συνολικά, το CMOS είναι ο ξεκάθαρος νικητής όσον αφορά τη χρησιμότητα.
Η οικογένεια λογικής TTL χρησιμοποιεί διπολικά τρανζίστορ για την εκτέλεση λογικών λειτουργιών και το CMOS χρησιμοποιεί τρανζίστορ εφέ πεδίου. Το CMOS καταναλώνει γενικά πολύ λιγότερη ισχύ, παρά το γεγονός ότι είναι πιο ευαίσθητο από το TTL. Τα CMOS και TTL δεν είναι πραγματικά εναλλάξιμα και με τη διαθεσιμότητα τσιπ CMOS χαμηλής ισχύος, η χρήση TTL σε μοντέρνα σχέδια είναι σπάνια.