Логика NMOS или nMOS (от N-типа металл-оксид-полупроводник) использует n-типа (-) МОП-транзисторы ( полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник ) для реализации логических вентилей и других цифровых схем . [1] [2]
NMOS-транзисторы работают, создавая инверсионный слой в теле транзистора p-типа . Этот инверсионный слой, называемый n-каналом, может проводить электроны между истоком и стоком n-типа . N-канал создается путем подачи напряжения на третий вывод, называемый затвором . Как и другие MOSFET, nMOS-транзисторы имеют четыре режима работы: отсечка (или подпороговый), триод, насыщение (иногда называемое активным) и насыщение скорости.
Логика NMOS AND-по-умолчанию может вызывать необычные сбои или ошибочное поведение в компонентах NMOS, таких как «незаконные коды операций» 6502 , которые отсутствуют в CMOS 6502. В некоторых случаях, таких как чип Commodore VIC-II , ошибки, присутствующие в логике чипа, широко использовались программистами для графических эффектов.
В течение многих лет схемы NMOS были намного быстрее, чем сопоставимые схемы PMOS и CMOS , которые должны были использовать гораздо более медленные p-канальные транзисторы. Также было проще производить NMOS, чем CMOS, поскольку в последнем случае p-канальные транзисторы должны были быть реализованы в специальных n-карманах на p-подложке, не подверженных повреждениям от конфликтов шины и не столь уязвимых к повреждениям от электростатического разряда. Основным недостатком NMOS (и большинства других семейств логических схем ) является то, что постоянный ток должен протекать через логический вентиль, даже когда выход находится в устойчивом состоянии (низком в случае NMOS). Это означает статическую диссипацию мощности , т. е. утечку мощности, даже когда схема не переключается, что приводит к высокому энергопотреблению.
Другим недостатком схем NMOS является их тепловыделение. Из-за необходимости поддерживать постоянное напряжение, проходящее через схему, чтобы удерживать состояния транзисторов, схемы NMOS могут генерировать значительное количество тепла при работе, что может снизить надежность устройства. Это было особенно проблематично для ранних узлов с большими затворами в 1970-х годах. Схемы CMOS для контраста почти не генерируют тепла, если количество транзисторов не приближается к 1 миллиону.
Компоненты CMOS были относительно редки в 1970-х — начале 1980-х годов и обычно обозначались буквой «C» в номере детали. На протяжении 1980-х годов широко использовались как детали NMOS, так и CMOS, причем CMOS становилась все более распространенной по мере продвижения десятилетия. NMOS была предпочтительна для компонентов, которые выполняли активную обработку, таких как центральные процессоры или графические процессоры, из-за ее более высокой скорости и более низкой стоимости производства, поскольку они были дорогими по сравнению с пассивными компонентами, такими как микросхема памяти, а некоторые микросхемы, такие как Motorola 68030, были гибридами как с NMOS, так и с CMOS-секциями. CMOS была почти универсальной в интегральных схемах с 1990-х годов.
Кроме того, как и в диодно-транзисторной логике , транзисторно-транзисторной логике , эмиттерно-связанной логике и т. д., асимметричные входные логические уровни делают схемы NMOS и PMOS более восприимчивыми к шуму, чем КМОП. Эти недостатки являются причиной того, что логика КМОП вытеснила большинство этих типов в большинстве высокоскоростных цифровых схем, таких как микропроцессоры, несмотря на то, что изначально КМОП была очень медленной по сравнению с логическими вентилями, построенными на биполярных транзисторах .
MOS означает металл-оксид-полупроводник , отражая способ, которым изначально конструировались MOS-транзисторы, в основном до 1970-х годов, с затворами из металла, как правило, алюминия. Однако примерно с 1970 года большинство схем MOS используют самосовмещенные затворы из поликристаллического кремния , технологию, впервые разработанную Федерико Фаггином в Fairchild Semiconductor . Эти кремниевые затворы по-прежнему используются в большинстве типов интегральных схем на основе MOSFET , хотя металлические затворы ( Al или Cu ) начали появляться в начале 2000-х годов для определенных типов высокоскоростных схем, таких как высокопроизводительные микропроцессоры.
МОП-транзисторы — это транзисторы n-типа с режимом улучшения , расположенные в так называемой «сетке с понижением» (PDN) между выходом логического вентиля и отрицательным напряжением питания (обычно землей). Подтягивающий резистор (т. е. «нагрузка», которую можно рассматривать как резистор, см. ниже) размещается между положительным напряжением питания и каждым выходом логического вентиля. Любой логический вентиль , включая логический инвертор , затем может быть реализован путем проектирования сети параллельных и/или последовательных цепей таким образом, что если желаемый выход для определенной комбинации булевых входных значений равен нулю (или ложному ), PDN будет активен, что означает, что по крайней мере один транзистор обеспечивает путь тока между отрицательным питанием и выходом. Это вызывает падение напряжения на нагрузке и, таким образом, низкое напряжение на выходе, представляющее ноль .
В качестве примера, вот вентиль NOR , реализованный в схеме NMOS. Если либо вход A, либо вход B имеет высокий уровень (логическая 1, = True), соответствующий транзистор MOS действует как очень низкое сопротивление между выходом и отрицательным источником питания, заставляя выход быть низким (логический 0, = False). Когда оба A и B имеют высокий уровень, оба транзистора являются проводящими, создавая еще более низкое сопротивление пути к земле. Единственный случай, когда выход имеет высокий уровень, это когда оба транзистора выключены, что происходит только тогда, когда оба A и B имеют низкий уровень, таким образом удовлетворяя таблице истинности вентиля NOR:
MOSFET можно заставить работать как резистор, поэтому вся схема может быть сделана только с n-канальными MOSFET. Схемы NMOS медленно переходят от низкого к высокому уровню. При переходе от высокого к низкому уровню транзисторы обеспечивают низкое сопротивление, и емкостный заряд на выходе очень быстро стекает (аналогично разрядке конденсатора через очень низкий резистор). Но сопротивление между выходом и положительной шиной питания намного больше, поэтому переход от низкого к высокому уровню занимает больше времени (аналогично зарядке конденсатора через резистор с высоким сопротивлением). Использование резистора с меньшим сопротивлением ускорит процесс, но также увеличит рассеивание статической мощности. Однако лучший (и наиболее распространенный) способ сделать затворы быстрее — использовать транзисторы в режиме истощения вместо транзисторов в режиме обогащения в качестве нагрузок. Это называется логикой NMOS с обеднением и нагрузкой .
Медиа, связанные с MOS на Wikimedia Commons