Logika vyčerpání a načtení NMOS - Depletion-load NMOS logic

Brána nMOS NAND vyčerpání a načtení

V integrovaných obvodů , vyčerpání zatížení NMOS je forma digitálních logiky rodiny , který používá pouze jeden napájecí napětí, na rozdíl od dřívějších NMOS (n-type polovodič metal-oxide ) logické rodiny, které vyžadovaly více než jednoho dalšího napájecího napětí. Ačkoli výroba těchto integrovaných obvodů vyžadovala další kroky zpracování, díky vylepšené rychlosti spínání a eliminaci dalšího zdroje napájení byla tato logická rodina preferovanou volbou pro mnoho mikroprocesorů a dalších logických prvků.

Některé designy nMOS s vyčerpáním a načtením se stále vyrábějí, obvykle paralelně s novějšími protějšky CMOS ; jedním z příkladů je Z84015 a Z84C15 .

MOSFET typu n v módu vyčerpání jako zatěžovací tranzistory umožňují provoz s jedním napětím a dosahují vyšší rychlosti, než je možné u čistých zařízení se zvýšeným zatížením. To je částečně proto, že MOSFETy v režimu vyčerpání mohou být lepší aproximací zdroje proudu než jednodušší tranzistor v režimu vylepšení, zvláště když není k dispozici žádné další napětí (jeden z důvodů, proč brzy čipy pMOS a nMOS vyžadovaly několik napětí).

Zahrnutí vyčerpání režimu n-MOS tranzistorů v procesu výroby požadoval dodatečné výrobní kroky, ve srovnání s jednoduššími zvýšení zatížení obvodů; je to proto, že zařízení pro snižování zátěže jsou vytvářena zvyšováním množství dopantu v oblasti kanálu zátěžových tranzistorů, aby se upravilo jejich prahové napětí . To se obvykle provádí pomocí iontové implantace .

Historie a pozadí

Po vynález MOSFET podle Mohamed Atalla a Dawon Kahng v Bell Labs v roce 1959, prokázaly technologie MOSFET v roce 1960. Jsou vyrobeny oba PMOS a NMOS přístroje s 20   procesu um . Zařízení nMOS však byla nepraktická a praktická pracovní zařízení byla pouze u typu pMOS.

V roce 1965 vyrobili Chih-Tang Sah , Otto Leistiko a AS Grove ve společnosti Fairchild Semiconductor několik zařízení NMOS s délkou kanálu mezi 8   µm a 65   µm. Dale L. Critchlow a Robert H. Dennard ze společnosti IBM také vyráběli zařízení NMOS v 60. letech. Prvním produktem IBM NMOS byl paměťový čip s daty 1 kB a přístupovou dobou 50–100 ns , který se do rozsáhlé výroby dostal na začátku 70. let. To vedlo k tomu, že polovodičová paměť MOS nahradila dřívější technologie bipolárních a feritových jader v 70. letech.  

Křemíková brána

Na konci 60. let byly bipolární tranzistory rychlejší než tranzistory (p-kanál) MOS, které se tehdy používaly, a byly spolehlivější, ale také spotřebovávaly mnohem více energie , vyžadovaly více prostoru a vyžadovaly komplikovanější výrobní proces. Integrované obvody MOS byly považovány za zajímavé, ale neadekvátní pro nahrazení rychlých bipolárních obvodů na jakémkoli trhu , kromě specializovaných trhů , jako jsou aplikace s nízkou spotřebou. Jedním z důvodů nízké rychlosti bylo to, že tranzistory MOS měly brány vyrobené z hliníku, což vedlo ke značným parazitním kapacitám s využitím tehdejších výrobních procesů . Zavedení tranzistorů s bránami z polykrystalického křemíku (které se stalo de facto standardem od poloviny 70. do počátku 21. století) bylo důležitým prvním krokem ke snížení tohoto znevýhodnění. Tento nový samonastavitelný tranzistor s křemíkovým hradlem představil Federico Faggin ve společnosti Fairchild Semiconductor počátkem roku 1968; bylo to zdokonalení (a první funkční implementace) nápadů a prací John C. Sarace, Tom Klein a Robert W. Bower (kolem 1966–67) pro tranzistor s nižší parazitní kapacitou, který mohl být vyroben jako součást IC (a nejen jako diskrétní součást ). Tento nový typ tranzistoru pMOS byl 3–5krát rychlejší (na watt) jako tranzistor pMOS s hliníkovou bránou a potřeboval menší plochu, měl mnohem nižší úniky a vyšší spolehlivost. Ve stejném roce Faggin také postavil první IC pomocí nového typu tranzistoru, Fairchild 3708 (8bitový analogový multiplexer s dekodérem ), který prokázal podstatně lepší výkon oproti svému protějšku s kovovou bránou. Za méně než 10 let nahradil tranzistor MOS se silikonovou bránou bipolární obvody jako hlavní prostředek pro komplexní digitální integrované obvody.

nMOS a zkreslení zadní brány

S pMOS je spojeno několik nevýhod: Elektronové díry, které jsou nosiči náboje (proudu) v tranzistorech pMOS, mají nižší pohyblivost než elektrony, které jsou nosiči náboje v tranzistorech nMOS (poměr přibližně 2,5), dále obvody pMOS není rozhraní snadno s nízkonapěťovým pozitivní logice jako DTL-logiky a TTL logiky (dále 7400-series). Výroba tranzistorů pMOS je však poměrně snadná, a proto byly vyvinuty jako první - iontová kontaminace oxidu hradla leptavými chemikáliemi a jinými zdroji může velmi snadno zabránit ( elektronově ) tranzistorům nMOS v vypnutí, zatímco účinek v ( elektron založené na díře ) pMOS tranzistory jsou mnohem méně závažné. Výroba nMOS tranzistorů proto musí být mnohokrát čistší než bipolární zpracování, aby bylo možné vyrobit funkční zařízení.

Rané práce na technologii integrovaných obvodů nMOS (IC) byly představeny v krátkém příspěvku IBM na ISSCC v roce 1969. Hewlett-Packard poté začal vyvíjet technologii nMOS IC, aby získal slibnou rychlost a snadné rozhraní pro své podnikání s kalkulačkami . Tom Haswell ze společnosti HP nakonec vyřešil mnoho problémů použitím čistších surovin (zejména hliníku pro propojení) a přidáním zkresleného napětí, aby byl práh brány dostatečně velký; toto vychýlení zadní brány zůstalo de facto standardním řešením (hlavně) kontaminantů sodíku v branách až do vývoje iontové implantace (viz níže). Již v roce 1970 společnost HP vyráběla dostatečně dobré integrované obvody nMOS a charakterizovala to natolik, že Dave Maitland byl schopen napsat článek o nMOS v čísle časopisu Electronics z prosince 1970. Nicméně, nMOS zůstal neobvyklý ve zbytku polovodičového průmyslu až do roku 1973.

Proces nMOS připravený na výrobu umožnil společnosti HP vyvinout první 4kbitovou IC ROM v oboru . Motorola nakonec sloužila jako druhý zdroj pro tyto produkty, a tak se díky společnosti Hewlett-Packard stala jedním z prvních komerčních dodavatelů polovodičů, kteří zvládli proces nMOS. O chvíli později startupová společnost Intel oznámila 1 kbitovou pMOS DRAM s názvem 1102 , vyvinutou jako vlastní produkt pro Honeywell (pokus nahradit paměť magnetického jádra v jejich sálových počítačích ). Inženýři společnosti HP pro kalkulačky, kteří chtěli podobný, ale robustnější produkt pro kalkulačky řady 9800 , přispěli zkušenostmi s výrobou IC ze svého projektu ROM s rychlostí 4 kbit, aby pomohli zlepšit spolehlivost, provozní napětí a teplotní rozsah Intel DRAM. Toto úsilí přispělo k výrazně vylepšené paměti Intel 1103 1 kbit pMOS DRAM, která byla prvním komerčně dostupným DRAM IC na světě . Formálně byl představen v říjnu 1970 a stal se prvním skutečně úspěšným produktem společnosti Intel.

Tranzistory v režimu vyčerpání

Charakteristika MOSFET v režimu vyčerpání

Časná logika MOS měla jeden typ tranzistoru, což je režim vylepšení, takže může fungovat jako logický přepínač. Protože bylo obtížné vyrobit vhodné odpory, logické brány používaly nasycené zátěže; to znamená, aby jeden typ tranzistoru fungoval jako zatěžovací rezistor, musel být tranzistor vždy zapnutý přivázáním jeho brány k napájecímu zdroji (čím negativnější kolejnice pro logiku PMOS , nebo pozitivnější kolejnice pro logiku NMOS ) . Jelikož proud v takto připojeném zařízení jde jako druhá mocnina napětí napříč zátěží, poskytuje špatnou rychlost vytažení v poměru k jeho spotřebě energie při vytažení. Odpor (s proudem jednoduše úměrným napětí) by byl lepší a zdroj proudu (s proudem pevným, nezávislým na napětí) ještě lepší. Zařízení v režimu vyčerpání s hradlem přivázaným k opačné napájecí liště je mnohem lepší zátěž než zařízení v režimu vylepšení, které působí někde mezi rezistorem a zdrojem proudu.

První obvody nMOS se sníženou zátěží propagoval a vyrobil výrobce DRAM Mostek , který v letech 1975–1976 zpřístupnil tranzistory v režimu vyčerpání pro konstrukci původního Zilog Z80 . Mostek měl vybavení pro iontovou implantaci potřebné k vytvoření dopingového profilu přesnějšího než je to možné pomocí difúzních metod, aby bylo možné spolehlivě nastavit prahové napětí zátěžových tranzistorů. V Intel představil vyčerpání v roce 1974 Federico Faggin, bývalý inženýr Fairchild a později zakladatel Zilogu . Depletion-load byl poprvé použit pro redesign jednoho z nejdůležitějších produktů Intel v té době, a to pouze 5 V nKM SRAM s názvem 1Kbit s názvem 2102 (s použitím více než 6000 tranzistorů). Výsledkem tohoto redesignu byl výrazně rychlejší 2102A , kde nejvýkonnější verze čipu měly přístupové časy menší než 100 ns, čímž se MOS paměti poprvé přiblížily rychlosti bipolárních RAM.

Procesy nMOS s vyčerpáním a načtením byly také použity několika dalšími výrobci k výrobě mnoha inkarnací populárních 8bitových, 16bitových a 32bitových procesorů. Podobně jako u dřívějších návrhů procesorů pMOS a nMOS, které používají MOSFET v režimu vylepšení jako zátěže, designy nMOS při vyčerpání a načítání obvykle používaly různé typy dynamické logiky (spíše než jen statické brány) nebo propustné tranzistory používané jako dynamické hodinové západky . Tyto techniky mohou značně zlepšit oblastní ekonomiku, i když účinek na rychlost je složitý. Mezi procesory postavené s obvody nMOS se sníženým zatížením patří 6800 (v novějších verzích), 6502 , Signetics 2650 , 8085 , 6809 , 8086 , Z8000 , NS32016 a mnoho dalších (ať už jsou zahrnuty níže uvedené procesory HMOS nebo ne) ).

Velké množství podpůrných a periferních integrovaných obvodů bylo také implementováno pomocí (často statických) obvodů založených na vyčerpání a zatížení. V nMOS však nikdy nebyly žádné standardizované logické rodiny , jako jsou bipolární řady 7400 a CMOS 4000 , i když designy s několika výrobci druhého zdroje často dosáhly stavu de facto standardního komponentu. Jedním z příkladů je design nMOS 8255 PIO , původně zamýšlený jako periferní čip 8085, který se již několik desetiletí používá ve vestavěných systémech Z80 a x86 a v mnoha dalších kontextech. Moderní nízkoenergetické verze jsou k dispozici jako implementace CMOS nebo BiCMOS, podobně jako u řady 7400.

Intel HMOS

Vlastní proces NMOS pro vyčerpání a načtení Intel byl známý jako HMOS pro MOS s vysokou hustotou a krátkým kanálem . První verze byla představena koncem roku 1976 a poprvé se používala pro jejich statické produkty RAM. Brzy se začala používat pro rychlejší a / nebo méně náročné verze 8085, 8086 a dalších čipů s nižší spotřebou energie.

HMOS se nadále zlepšoval a prošel čtyřmi odlišnými generacemi. Podle Intelu poskytl HMOS II (1979) dvojnásobnou hustotu a čtyřnásobek rychlosti a výkonu oproti jiným typickým současným procesům nMOS vyčerpání a načtení. Tato verze byla široce licencována třetími stranami, včetně (mimo jiné) společnosti Motorola, která ji použila pro svoji Motorola 68000 , a Commodore Semiconductor Group , která ji použila pro svou MOS Technology 8502 smrštěnou MOS 6502 .

Původní proces HMOS, později označovaný jako HMOS I, měl délku kanálu 3 mikrony, která byla snížena na 2 pro HMOS II a 1,5 pro HMOS III. V době, kdy byl HMOS III představen v roce 1982, Intel zahájil přechod na svůj proces CHMOS, proces CMOS využívající designové prvky linek HMOS. Byla vydána jedna finální verze systému, HMOS-IV. Významnou výhodou řady HMOS bylo, že každá generace byla záměrně navržena tak, aby umožňovala zmenšení existujících rozvržení bez větších změn. Byly zavedeny různé techniky, aby bylo zajištěno, že systémy fungovaly při změně rozložení.

HMOS, HMOS II, HMOS III a HMOS IV byly společně použity pro mnoho různých druhů procesorů; 8085 , 8048 , 8051 , 8086 , 80186 , 80286 , a mnoho dalších, ale i pro několik generací stejné základní konstrukce, viz listech .

Další vývoj

V polovině 80. let začaly rychlejší varianty CMOS využívající podobnou procesní technologii HMOS, jako je Intel CHMOS I, II, III, IV atd., Nahrazovat n-kanálový HMOS pro aplikace, jako je Intel 80386 a některé mikrokontroléry . O několik let později, na konci 80. let, byl představen BiCMOS pro vysoce výkonné mikroprocesory i pro vysokorychlostní analogové obvody . Dnes je většina digitálních obvodů, včetně všudypřítomné řady 7400 , vyráběna pomocí různých procesů CMOS s řadou různých použitých topologií. To znamená, že aby se zvýšila rychlost a ušetřila oblast matrice (tranzistory a kabeláž), vysokorychlostní konstrukce CMOS často používají jiné prvky než jen doplňkové statické brány a přenosové brány typických obvodů CMOS s pomalým nízkým výkonem ( jediný typ CMOS během 60. a 70. let). Tyto metody využívají značné množství dynamických obvodů pro konstrukci větších stavebních bloků na čipu, jako jsou západky, dekodéry, multiplexory atd., A vyvinuly se z různých dynamických metodik vyvinutých pro obvody pMOS a nMOS během sedmdesátých let.

Ve srovnání s CMOS

Ve srovnání se statickým CMOS jsou všechny varianty nMOS (a pMOS) v ustáleném stavu relativně hladovějící. Důvodem je to, že se spoléhají na zátěžové tranzistory pracující jako rezistory , kde klidový proud určuje maximální možné zatížení na výstupu i rychlost hradla (tj. S konstantou dalších faktorů). To je v rozporu s charakteristikami spotřeby energie statických obvodů CMOS, což je způsobeno pouze přechodným odběrem energie, když se změní stav výstupu a p- a n-tranzistory tak krátce probíhají současně. Jedná se však o zjednodušený pohled a úplnější obrázek musí zahrnovat také skutečnost, že i čistě statické obvody CMOS mají v moderních drobných geometriích výrazný únik, stejně jako skutečnost, že moderní čipy CMOS často obsahují dynamickou a / nebo dominovou logiku s určitým množstvím obvodů pseudo nMOS .

Evoluce od předchozích typů NMOS

Procesy vyčerpání a načtení se liší od svých předchůdců ve způsobu, jakým se zdroj napětí Vdd , představující 1 , připojuje ke každé bráně. V obou technologiích každá brána obsahuje jeden tranzistor NMOS, který je trvale zapnutý a připojen k Vdd. Když se tranzistory připojující k 0 vypnou, určuje tento vytahovací tranzistor standardně výstup na 1 . Ve standardním NMOS je pull-up stejný druh tranzistoru, jaký se používá pro logické spínače. Jakmile se výstupní napětí blíží hodnotě menší než Vdd , postupně se vypíná. To zpomaluje přechod z 0 na 1 , což vede k pomalejšímu obvodu. Procesy vyčerpání a zátěže nahradí tento tranzistor NMOS v režimu vyčerpání při konstantním předpětí brány, přičemž brána je vázána přímo ke zdroji. Tento alternativní typ tranzistoru funguje jako zdroj proudu, dokud se výstup nepřiblíží 1 , a poté funguje jako rezistor. Výsledkem je rychlejší přechod z 0 na 1 .

Statická spotřeba energie

Brána nMOS NAND s nasyceným zařízením pro načítání v režimu vylepšení. Vylepšovací zařízení lze také použít s pozitivnějším předpětím hradla v nenasycené konfiguraci, což je energeticky účinnější, ale vyžaduje vysoké hradlové napětí a delší tranzistor. Ani není tak energeticky efektivní nebo kompaktní jako vyčerpání zátěže.

Obvody snižující zátěž spotřebovávají při stejné rychlosti méně energie než obvody zesilovací zátěže. V obou případech je připojení k 1 vždy aktivní, i když je aktivní také připojení k 0 . To má za následek vysokou statickou spotřebu energie. Množství odpadu závisí na síle nebo fyzické velikosti roztažení. Vytahovací tranzistory (režim vylepšení) nasycené zátěže a režimy vyčerpání používají největší výkon, když je výstup stabilní na 0 , takže tato ztráta je značná. Protože síla tranzistoru v režimu vyčerpání klesá méně při přístupu k 1 , mohou dosáhnout 1 rychleji, přestože začínají pomaleji, tj. Vedou méně proudu na začátku přechodu a v ustáleném stavu.

Poznámky a odkazy