Lógica PMOS - PMOS logic

PMOS o pMOS lógica (de canal P de metal-óxido-semiconductor ) es una familia de circuitos digitales basados en p-canal , modo de enriquecimiento transistores de metal-óxido-semiconductor de efecto de campo (MOSFETs). A finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, la lógica PMOS era la tecnología de semiconductores dominante para los circuitos integrados a gran escala antes de ser reemplazada por los dispositivos NMOS y CMOS .

Historia y aplicación

Mohamed Atalla y Dawon Kahng fabricaron el primer MOSFET funcional en Bell Labs en 1959. Fabricaron dispositivos PMOS y NMOS, pero solo funcionaban los dispositivos PMOS. Pasaría más de una década antes de que los contaminantes en el proceso de fabricación (particularmente el sodio) pudieran manejarse lo suficientemente bien como para fabricar dispositivos NMOS prácticos.

En comparación con el transistor de unión bipolar , el único otro dispositivo disponible en ese momento para su uso en un circuito integrado , el MOSFET ofrece una serie de ventajas:

• Dados los procesos de fabricación de dispositivos semiconductores de precisión similar, un MOSFET requiere solo el 10% del área de un transistor de unión bipolar. La razón principal es que el MOSFET es autoaislante y no requiere aislamiento de la unión p – n de los componentes vecinos en el chip.
• Un MOSFET requiere menos pasos de proceso y, por lo tanto, es más simple y económico de fabricar (un paso de dopaje por difusión en comparación con cuatro para un proceso bipolar).
• Dado que no hay corriente de puerta estática para un MOSFET, el consumo de energía de un circuito integrado basado en MOSFET puede ser menor.

Las desventajas relativas a los circuitos integrados bipolares fueron:

• La velocidad de conmutación fue considerablemente menor debido a las grandes capacidades de la puerta .
• El alto voltaje de umbral de los primeros MOSFET condujo a un voltaje mínimo de suministro de energía más alto (-24 V a -28 V).

General Microelectronics introdujo el primer circuito PMOS comercial en 1964, un registro de desplazamiento de 20 bits con 120 MOSFET, en ese momento un nivel increíble de integración. El intento de General Microelectronics en 1965 de desarrollar un conjunto de 23 circuitos integrados personalizados para una calculadora electrónica para Victor Comptometer demostró ser demasiado ambicioso dada la confiabilidad de los circuitos PMOS en ese momento y finalmente llevó a la desaparición de General Microelectronics. Otras empresas continuaron fabricando circuitos PMOS como los grandes registros de desplazamiento ( Instrumento general ) o el multiplexor analógico 3705 ( Fairchild Semiconductor ) que no eran factibles en las tecnologías bipolares de la época.

Una mejora importante llegó con la introducción de la tecnología de compuerta autoalineada de polisilicio en 1968. Tom Klein y Federico Faggin de Fairchild Semiconductor mejoraron el proceso de compuerta autoalineada para hacerlo comercialmente viable, lo que resultó en el lanzamiento del multiplexor analógico 3708 como el primero Circuito integrado de puerta de silicio. El proceso de puerta autoalineada permitió tolerancias de fabricación más estrictas y, por lo tanto, MOSFET más pequeños y capacitancias de puerta consistentes y reducidas. Por ejemplo, para las memorias PMOS, esta tecnología ofreció de tres a cinco veces la velocidad en la mitad del área del chip. El material de la puerta de polisilicio no solo hizo posible la puerta autoalineada, sino que también dio como resultado una tensión de umbral reducida y, en consecuencia, una tensión de alimentación mínima más baja (por ejemplo, -16 V), reduciendo el consumo de energía. Debido al voltaje más bajo de la fuente de alimentación, la lógica PMOS de compuerta de silicio a menudo se denomina PMOS de bajo voltaje en contraste con los PMOS de compuerta metálica más antiguos como PMOS de alto voltaje .

Por diversas razones, Fairchild Semiconductor no avanzó con el desarrollo de circuitos integrados PMOS con tanta intensidad como querían los gerentes involucrados. Dos de ellos, Gordon Moore y Robert Noyce , decidieron en 1968 fundar su propia startup: Intel . Poco después se les unieron otros ingenieros de Fairchild, incluidos Federico Faggin y Les Vadasz . Intel introdujo su primera memoria estática de acceso aleatorio PMOS con una capacidad de 256 bits, la Intel 1101, en 1969. La memoria dinámica de acceso aleatorio de 1024 bits Intel 1103 siguió en 1970. La 1103 fue un éxito comercial y rápidamente comenzó a reemplazar la magnética. memoria central en computadoras. Intel presentó su primer microprocesador PMOS , el Intel 4004 , en 1971. Varias empresas siguieron el ejemplo de Intel. La mayoría de los primeros microprocesadores se fabricaron con tecnología PMOS: 4040 y 8008 de Intel; IMP-16 , PACE y SC / MP de National Semiconductor ; TMS1000 de Texas Instruments ; PPS-4 y PPS-8 de Rockwell International . Hay varias novedades comerciales en esta lista de microprocesadores: el primer microprocesador de 4 bits (4004), el primer microprocesador de 8 bits (8008), el primer microprocesador de 16 bits de un solo chip (PACE) y el primer microprocesador de un solo chip Microcontrolador de 4 bits (TMS1000; RAM y ROM en el mismo chip que la CPU ).

En 1972, la tecnología NMOS finalmente se había desarrollado hasta el punto en que podía usarse en productos comerciales. Tanto Intel (con el 2102) como IBM introdujeron chips de memoria de 1 kbit. Como la movilidad de electrones en el canal de tipo n de los MOSFET NMOS es aproximadamente tres veces mayor que la movilidad de los huecos en el canal de tipo p de los MOSFET de PMOS, la lógica NMOS permite una mayor velocidad de conmutación. Por esta razón, la lógica NMOS rápidamente comenzó a reemplazar la lógica PMOS. A fines de la década de 1970, los microprocesadores NMOS habían superado a los procesadores PMOS. La lógica de PMOS se mantuvo en uso durante un tiempo debido a su bajo costo y al nivel relativamente alto de integración para aplicaciones como simples calculadoras y relojes. La tecnología CMOS prometía un consumo de energía drásticamente menor que PMOS o NMOS. Aunque Frank Wanlass ya había propuesto un circuito CMOS en 1963 y los circuitos integrados CMOS comerciales de la serie 4000 habían entrado en producción en 1968, el CMOS seguía siendo complejo de fabricar y no permitía ni el nivel de integración de PMOS o NMOS ni la velocidad de NMOS. Se necesitaría hasta la década de 1980 para que CMOS reemplazara a NMOS como la tecnología principal para microprocesadores.

Descripción

Los circuitos PMOS tienen una serie de desventajas en comparación con las alternativas NMOS y CMOS , incluida la necesidad de varios voltajes de suministro diferentes (tanto positivos como negativos), disipación de alta potencia en el estado conductor y características relativamente grandes. Además, la velocidad de conmutación general es menor.

PMOS utiliza transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) de canal p (+ ) para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales . Los transistores PMOS funcionan creando una capa de inversión en un cuerpo de transistor de tipo n . Esta capa de inversión, llamada canal p, puede conducir agujeros entre terminales de "fuente" y "drenaje" de tipo p .

El canal p se crea aplicando un voltaje negativo (-25 V era común) al tercer terminal, llamado puerta. Al igual que otros MOSFET, los transistores PMOS tienen cuatro modos de funcionamiento: corte (o subumbral), triodo, saturación (a veces llamado activo) y saturación de velocidad.

Si bien la lógica PMOS es fácil de diseñar y fabricar (se puede hacer que un MOSFET funcione como una resistencia, por lo que todo el circuito se puede hacer con PMOS FET), también tiene varias deficiencias. El peor problema es que hay una corriente continua (CC) a través de una puerta lógica PMOS cuando el PUN está activo, es decir, siempre que la salida es alta, lo que conduce a la disipación de potencia estática incluso cuando el circuito está inactivo.

Además, los circuitos PMOS tardan en pasar de alto a bajo. Al pasar de bajo a alto, los transistores proporcionan baja resistencia y la carga capacitiva en la salida se acumula muy rápidamente (similar a cargar un condensador a través de una resistencia muy baja). Pero la resistencia entre la salida y el riel de suministro negativo es mucho mayor, por lo que la transición de alto a bajo toma más tiempo (similar a la descarga de un capacitor a través de una alta resistencia). El uso de una resistencia de menor valor acelerará el proceso, pero también aumentará la disipación de potencia estática.

Además, los niveles lógicos de entrada asimétricos hacen que los circuitos PMOS sean susceptibles al ruido.

La mayoría de los circuitos integrados PMOS requieren una fuente de alimentación de 17-24 voltios CC. El Intel 4004 PMOS microprocesador, sin embargo, utiliza la lógica PMOS con polisilicio en vez de puertas de metal que permite una diferencia de voltaje menor. Para compatibilidad con señales TTL , el 4004 usa voltaje de suministro positivo V _SS = + 5V y voltaje de suministro negativo V _DD = -10V.

Puertas

Los MOSFET de tipo p están dispuestos en una llamada "red pull-up" (PUN) entre la salida de la puerta lógica y la tensión de alimentación positiva, mientras que una resistencia se coloca entre la salida de la puerta lógica y la tensión de alimentación negativa. El circuito está diseñado de manera que si la salida deseada es alta, entonces el PUN estará activo, creando una ruta de corriente entre el suministro positivo y la salida.

Las puertas PMOS tienen la misma disposición que las puertas NMOS si todos los voltajes están invertidos. Por lo tanto, para la lógica activa alta, las leyes de De Morgan muestran que una puerta PMOS NOR tiene la misma estructura que una puerta NMOS NAND y viceversa.

Inversor PMOS con resistencia de carga.

Puerta PMOS NAND con resistencia de carga.

Puerta PMOS NOR con resistencia de carga.

Referencias

Otras lecturas

• Savard, John JG (2018) [2005]. "De qué están hechas las computadoras" . quadibloc . Archivado desde el original el 2 de julio de 2018 . Consultado el 16 de julio de 2018 .