Ugrás a tartalomhoz

PMOS

Ellenőrzött
A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
PMOS óra-IC, 1974

A PMOS vagy pMOS logika (p-csatornás fém–oxid–félvezető) p-csatornás, javító módú MOSFET-eken alapuló digitális áramkörök családja. Az 1960-as évek végén és az 1970-es évek elején a PMOS logika volt a legfőbb félvezető-technológia az LSI-k terén, mielőtt az NMOS és a CMOS felváltotta.

Története és alkalmazása

[szerkesztés]

Mohamed Atalla és Dawon Kahng hozták létre az első működő MOSFET-et a Bell Labsnél 1959-ben.[1] PMOS- és NMOS-eszközöket is létrehoztak, de csak a PMOS-eszközök működtek.[2] Több mint egy évtizeddel később sikerült csak a gyártási folyamat során bekerülő szennyeződések (különösen a nátrium) gyakorlatban használható NMOS-eszközökhöz megfelelő kezelése.

A bipoláris kapcsolásos tranzisztorhoz képest az egyetlen ekkor az integrált áramkörben elérhető eszköz, a MOSFET számos előnnyel rendelkezik:

  • A hasonló félvezető eszközök létrehozásának hasonló pontosságot igénylő folyamataihoz képest a MOSFET területigénye csak 10%-a a bipoláris kapcsolásos tranzisztorénak.[3]:87 Ennek oka, hogy a MOSFET önszigetelő, és nem igényel p–n kapcsolásizolációt a környező komponensektől.
  • A MOSFET előállítása kevesebb lépésből áll, így egyszerűbben és olcsóbban gyártható (egy diffúziós dópolás[3](pp87) szemben a bipoláris tranzisztor 4 lépésével).[3](pp50)
  • Mivel nincs statikus elektromosság a MOSFET-nél, a MOSFET-alapú integrált áramkör energiaigénye alacsonyabb.

Hátrányai ezek voltak a bipoláris integrált áramkörhöz képest:

  • A váltási sebesség sokkal kisebb volt a nagy kapukapacitás miatt
  • A magas küszöbfeszültség nagyobb minimális áramforrás-feszültséghez vezetett (-24-től –28 V-ig).[4]

A General Microelectronics az első kereskedelmi PMOS áramkört 1964-ben mutatta be, mely 20 bites eltolásos regiszter volt 120 MOSFET-tel, mely ekkor nagy fokú integráltság volt.[5] Az 1965-ös kísérlet 23 külön integrált áramkör létrehozására a Victor Comptometer számára[5] azonban nem sikerült, és ez végül a General Microelectronics végét okozta.[6] Más számítógépek tovább készítettek PMOS áramköröket, például eltolásos regisztereket (General Instrument)[7] vagy az analóg 3705-ös multiplexert (Fairchild Semiconductor),[8] ami lehetetlen volt a bipoláris technológiákkal.

Jelentős javítás volt a poliszilícium önelrendezettkapu-technológia (1968).[9] Tom Klein és Federico Faggin, a Fairchild Semiconductor dolgozói a folyamatot javították, hogy kereskedelemben is megfelelhessen, lehetővé téve az analóg 3708-as multiplexer, az első szilíciumkapus integrált áramkör megjelenését.[9] A folyamat lehetővé tett kisebb gyártási hibahatárokat, így kisebb MOSFET-ek és kisebb állandó kapukapacitásokat. Például a kor PMOS memóriái 3-5-ször akkora sebességet értek el feleakkora területen.[9] A poliszilícium kapuanyag nemcsak az önelrendezett kaput tette lehetővé, hanem kisebb küszöbfeszültséget, így kisebb minimális áramforrás-feszültséget (például -16 V),[10]:1–13 csökkentve az energiaigényt. Az alacsonyabb feszültség miatt a szilíciumkapus PMOS logikát gyakran alacsony feszültségű PMOS-nak nevezik a régebbi, fémkapussal szemben, melyet magas feszültségűnek neveznek.[3]:89

Bizonyos okokból a Fairchild Semiconductor nem haladt tovább a PMOS integrált áramkörök fejlesztésével a menedzserek kéréseinek megfelelően.[11]:1302 Kettejük, Gordon Moore és Robert Noyce, 1968-ban kivált és létrehozta saját cégüket, az Intelt. Kevéssel később további Fairchild-mérnökök csatlakoztak hozzájuk, például Federico Faggin és Les Vadasz. Az Intel az első, 256 bites kapacitású PMOS statikus RAM-ot, az Intel 1101-et 1969-ben mutatta be.[11]:1303 Az 1024 bites dinamikus RAM, az Intel 1103 követte ezt 1970-ben.[12] Az 1103 sikeres volt, és gyorsan kezdte a ferritgyűrűs memória felváltását.[12] Az Intel első PMOS mikroprocesszora, az Intel 4004 1971-ben jelent meg. Számos társaság követte az Intelt. A legtöbb korai mikroprocesszor PMOS technológiával készült: ilyen volt még az Inteltől a 4040 és 8008, az IMP-16, a National Semiconductortól a PACE és az SC/MP, a Texas Instrumentstől a TMS1000, a Rockwell Internationaltől a PPS-4[13] és a PPS-8[14] processzora. Számos első van ezek közt: az első 4 bite (4004), illetve 8 bites mikroprocesszor (8008), az első egychipes 16 bites mikroprocesszor (PACE) és az első egychipes 4 bites mikrokontroller (TMS1000, ahol a RAM és a ROM egy chipen van a processzorral).

1972-re az NMOS technológiája annyira fejlődött, hogy kereskedelemben kapható termékekben is használható lett. Mind az Intel (a 2102-vel),[15] mind az IBM[12] bevezetett 1 kbites memóriákat. Mivel az elektronok az NMOS MOSFET-ekben nagyjából háromszor olyan könnyen mozgékonyak, mint az elektronhiányok a PMOS MOSFET-ek p-csatornájában, az NMOS-logika nagyobb váltósebességet tesz lehetővé, ezért az NMOS-logika elkezdte felváltani a PMOS-t. Az 1970-es évek végére az NMOS processzorok felváltották a PMOS-t.[16] A PMOS egy ideig használatban maradt alacsony költsége és magas integráltsága miatt egyszerű órákban és számológépekben. A CMOS energiaigénye sokkal alacsonyabb mind a PMOS-nál, mind az NMOS-nál. Bár a CMOS áramkört már 1963-ban javasolta Frank Wanlass,[17] és a kereskedelemben kapható 4000 sorozat CMOS integrált áramköreit 1968-tól kezdték gyártani, a CMOS gyártása bonyolult maradt, és se a PMOS vagy NMOS integrációs fokát, se az NMOS sebességét nem tudta elérni. Az 1980-as évekig tartott, hogy a CMOS felváltsa az NMOS-t a fő mikroprocesszor-technológiaként.

Leírása

[szerkesztés]

A PMOS áramkörök számos hátránnyal rendelkeznek az NMOS-hoz és a CMOS-hoz képest, amilyenek a számos eltérő áramforrási feszültség igénye, nagy áramveszteség a vezetői állapotban, a nagy felületi igények és az alacsonyabb váltási sebesség.

A PMOS p-csatornás (+) fém-oxid-félvezető mezőhatás-tranzisztorokat (MOSFET) használ a logikai kapukhoz és más digitális áramkörökhöz. A PMOS tranzisztorok n-típusú tranzisztorteste inverziós réteggel rendelkezik. Ez a p-csatorna, mely elektronlyukakat képes vezetni a p-típusú forrás és cél közt.

A p-csatorna negatív feszültség (gyakran -25 V)[18] harmadik terminálhoz (kapu) való csatlakoztatásával jön létre. Más MOSFET-ekhez hasonlóan a PMOS tranzisztorok négyféleképp működhetnek: küszöb alatti, trióda, feltöltött (más néven aktív) és gyorsan feltöltött.

Míg a PMOS-logika könnyen tervezhető és készíthető (egy MOSFET működhet ellenállásként, így egy teljes áramkör létrehozható PMOS FET-ekkel), számos hátránya van, például egyenáram áthaladása aktív PUN mellett, vagyis ha a kimenet 1, ami statikus elektromossággal jár tétlen áramkör esetén is.

Ezenkívül a PMOS áramkörökben az 1–0 átmenet lassú: 0-ról 1-re való átmenetkor a tranzisztorok ellenállása alacsony, és a töltés a kimeneten hamar összegyűlik (hasonlóan egy kondenzátor alacsony ellenállású töltéséhez). Azonban a kimenet és a negatív forrás közti ellenállás sokkal nagyobb, így az 1-ről 0-ra való átmenet hosszabb (hasonlóan a kondenzátor magas ellenállás melletti lemerítéséhez). through a high resistance). Egy alacsonyabb értékű ellenállás gyorsítja a folyamatot, de növeli a statikus elektromosságvesztést.

Ezenkívül az aszimmetrikus bemeneti logikai szintek a PMOS áramköröket érzékennyé teszi a zajra.[19]

A legtöbb PMOS integrált áramkörnek 17-24 V-os egyenáramú forrás kell.[20] Az Intel 4004 PMOS mikroprocesszor azonban poliszilícium kapus PMOS-logikát használ, nem fémkapusat, lehetővé téve kisebb feszültségkülönbséget. A TTL-jelekkel való kompatibilitáshoz a 4004 pozitív áramforrásának , a negatívnak a feszültsége.[21]

Kapuk

[szerkesztés]

A p-típusú MOSFET-ek „ellenállásnövelő hálózatban” (angol rövidítés: PUN) vannak elrendezve a logikai kapu kimenete és a pozitív áramforrási feszültség közt, és egy ellenállás van a kimenet és a negatív forrás feszültsége közt. Az áramkörben ha a kívánt kimenet 1, a PUN aktív, létrehozva az áramnak egy utat az áramforrás és a kimenet közt.

A PMOS-kapuk elrendezése az NMOS-kapukéhoz hasonló, ellenkező feszültségekkel.[22] Így aktív 1-es logika esetén a De Morgan-törvények szerint a PMOS NOR-kapu ugyanolyan szerkezetű, mint az NMOS NAND-kapu és fordítva.

PMOS megfordítás ellenállással.
PMOS NAND-kapu ellenállással.
PMOS NOR-kapu ellenállással.

Jegyzetek

[szerkesztés]
  1. ↑ 1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated. Computer History Museum
  2. ↑ History of Semiconductor Engineering. Springer Science & Business Media, 321–323. o. (2007. november 2.). ISBN 9783540342588 
  3. ↑ a b c d Manfred Seifart. Digitale Schaltungen und Schaltkreise (német nyelven). VEB Verlag Technik (1982. november 2.) 
  4. ↑ Mogisters: The New Generation of MOS Monolithic Shift Registers. General Instrument Corp. (1965. november 2.) 
  5. ↑ a b 1964: First Commercial MOS IC Introduced. Computer History Museum. (Hozzáférés: 2020. december 7.)
  6. ↑ 13 Sextillion & Counting: The Long and Winding Road to the Most Frequently Manufactured Human Artifact in History. Computer History Museum, 2018. április 2. (Hozzáférés: 2020. december 8.)
  7. ↑ General Instrument MOS Integrated Circuit. General Instrument Microelectronics Division (1966. szeptember 1.) 
  8. ↑ M. J. Robles. New MOS Multiplex Switch is Bipolar Compatible. Fairchild Semiconductor (1968. április 9.) 
  9. ↑ a b c 1968: Silicon Gate Technology Developed for ICs. Computer History Museum. (Hozzáférés: 2020. december 11.)
  10. ↑ The Intel Memory Design Handbook [archivált változat]. Intel (1973. augusztus 1.). Hozzáférés ideje: 2023. július 31. [archiválás ideje: 2021. szeptember 20.] 
  11. ↑ a b Sah, Chih-Tang (1988. október 1.). „Evolution of the MOS transistor-from conception to VLSI”. Proceedings of the IEEE 76 (10), 1280–1326. o. DOI:10.1109/5.16328. ISSN 0018-9219.  
  12. ↑ a b c 1970: MOS dynamic RAM Competes with Magnetic Core Memory on Price. Computer History Museum. (Hozzáférés: 2020. december 17.)
  13. ↑ Rockwell PPS-4. The Antique Chip Collector's Page. (Hozzáférés: 2020. december 21.)
  14. ↑ Parallel Processing System (PPS) Microcomputer. Rockwell International (1974. október 1.) 
  15. ↑ A chronological list of Intel products. The products are sorted by date.. Intel museum. Intel Corporation, 2005. július 1. [2007. augusztus 9-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2007. július 31.)
  16. ↑ CMOS and Beyond CMOS: Scaling Challenges, High Mobility Materials for CMOS Applications. Woodhead Publishing, 1. o. (2018. november 2.). ISBN 9780081020623 
  17. ↑ 1963: Complementary MOS Circuit Configuration is invented. Computer History Museum. (Hozzáférés: 2021. január 2.)
  18. ↑ Ken Shirriff: Reverse-engineering an early calculator chip with four-phase logic, 2020. december 1. (Hozzáférés: 2020. december 31.)
  19. ↑ Microwave Engineering: Concepts and Fundamentals, 629. o. (2014. november 2.). ISBN 9781466591424 „Also, the asymmetric input logic levels make PMOS circuits susceptible to noise.” 
  20. ↑ Fairchild: CMOS, the Ideal Logic Family pp. 6, 1983. január 1. [2015. január 9-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2015. július 3.) „Most of the more popular P-MOS parts are specified with 17V to 24V power supplies while the maximum power supply voltage for CMOS is 15V.”
  21. ↑ Intel 4004 datasheet pp. 7, 1987 [2016. október 16-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2011. július 6.)
  22. ↑ Microelectronic Device Data Handbook, NPC 275-1, NASA / ARINC Research Corporation, 2-51. o. (1966. augusztus 1.) 

Fordítás

[szerkesztés]

Ez a szócikk részben vagy egészben a PMOS logic című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként. Ez a szócikk részben vagy egészben a PMOS című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

További információk

[szerkesztés]
A lap eredeti címe: „https://hu.wikipedia.org/w/index.php?title=PMOS&oldid=27288290”