В интегральных схемах NMOS с истощающей нагрузкой представляет собой форму семейства цифровой логики , в которой используется только одно напряжение питания, в отличие от более ранних семейств логики NMOS ( металл-оксид-полупроводник n-типа ), которым требовалось более одного различного напряжения питания. Хотя производство этих интегральных схем требовало дополнительных этапов обработки, улучшенная скорость переключения и устранение дополнительного источника питания сделали это семейство логических устройств предпочтительным выбором для многих микропроцессоров и других логических элементов.
МОП- транзисторы n-типа с режимом истощения в качестве нагрузочных транзисторов позволяют работать при одном напряжении и достигать большей скорости, чем это возможно при использовании устройств с чистой повышающей нагрузкой. Отчасти это связано с тем, что МОП-транзисторы в режиме истощения могут быть лучшим приближением источника тока, чем более простой транзистор в режиме улучшения, особенно когда нет дополнительного напряжения (одна из причин, по которой ранние PMOS и NMOS-чипы требовали нескольких напряжений).
Включение NMOS-транзисторов с режимом истощения в производственный процесс потребовало дополнительных производственных этапов по сравнению с более простыми схемами с повышающей нагрузкой; это связано с тем, что устройства с обедненной нагрузкой формируются путем увеличения количества легирующей примеси в области канала нагрузочных транзисторов, чтобы регулировать их пороговое напряжение . Обычно это выполняется с помощью ионной имплантации .
Хотя технология КМОП заменила большинство конструкций NMOS в 1980-х годах, некоторые конструкции NMOS с истощающейся нагрузкой все еще производятся, обычно параллельно с более новыми аналогами CMOS. Одним из примеров этого являются Z84015 [1] и Z84C15. [2]
После изобретения MOSFET Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году они продемонстрировали технологию MOSFET в 1960 году. [3] Они изготовили устройства как PMOS , так и NMOS по технологическому процессу 20 мкм . Однако устройства NMOS были непрактичны, и только тип PMOS был практичным рабочим устройством. [4]
В 1965 году Чи-Танг Сах , Отто Лейстико и А.С. Гроув из Fairchild Semiconductor изготовили несколько NMOS-устройств с длиной канала от 8 до 65 мкм . [5] Дейл Л. Кричлоу и Роберт Х. Деннард из IBM также производили устройства NMOS в 1960-х годах. Первым продуктом IBM NMOS была микросхема памяти с объемом данных 1 КБ и временем доступа 50–100 нс , которая поступила в крупномасштабное производство в начале 1970-х годов. Это привело к тому, что в 1970-х годах полупроводниковая МОП-память заменила более ранние технологии биполярной памяти и памяти с ферритовым сердечником . [6]
В конце 1960-х годов биполярные транзисторы были быстрее, чем использовавшиеся тогда (p-канальные) МОП-транзисторы, и были более надежными, но они также потребляли гораздо больше энергии, требовали большей площади и требовали более сложного производственного процесса. МОП-ИС считались интересными, но недостаточными для замены быстрых биполярных схем на каких-либо рынках, кроме нишевых, таких как приложения с низким энергопотреблением. Одной из причин низкой скорости было то, что МОП-транзисторы имели затворы из алюминия , что приводило к образованию значительных паразитных емкостей при использовании производственных процессов того времени. Внедрение транзисторов с затворами из поликристаллического кремния (которые стали стандартом де-факто с середины 1970-х до начала 2000-х годов) стало важным первым шагом на пути к уменьшению этого недостатка. Этот новый самовыравнивающийся транзистор с кремниевым затвором был представлен Федерико Фаггином из Fairchild Semiconductor в начале 1968 года; это было усовершенствование (и первая рабочая реализация) идей и работ Джона К. Сараса, Тома Кляйна и Роберта В. Бауэра (около 1966–67) по созданию транзистора с более низкими паразитными емкостями, который можно было производить как часть ИС. (и не только как дискретный компонент ). Этот новый тип pMOS-транзистора был в 3–5 раз быстрее (на ватт), чем pMOS-транзистор с алюминиевым затвором, требовал меньше площади, имел гораздо меньшие утечки и более высокую надежность. В том же году Фаггин также создал первую микросхему с использованием нового типа транзистора Fairchild 3708 (8-битный аналоговый мультиплексор с декодером ), который продемонстрировал существенно улучшенные характеристики по сравнению со своим аналогом с металлическим затвором. Менее чем за 10 лет МОП-транзистор с кремниевым затвором заменил биполярные схемы в качестве основного средства создания сложных цифровых ИС.
Есть несколько недостатков, связанных с PMOS: электронные дырки , которые являются носителями заряда (тока) в PMOS-транзисторах, имеют меньшую подвижность, чем электроны , которые являются носителями заряда в NMOS-транзисторах (соотношение примерно 2,5), более того, схемы PMOS имеют сложно взаимодействовать с низковольтной положительной логикой, такой как DTL-логика и TTL-логика (серия 7400). Однако PMOS-транзисторы относительно легко изготовить, и поэтому они были разработаны первыми — ионное загрязнение оксида затвора травильными химикатами и другими источниками может очень легко предотвратить выключение ( электронных ) NMOS-транзисторов, в то время как эффект в ( электронно-электронном ) на основе дырок ) PMOS-транзисторы гораздо менее опасны. Поэтому производство NMOS-транзисторов должно быть во много раз чище, чем биполярная обработка, чтобы производить работающие устройства.
Ранние работы по технологии NMOS-интегральных схем (ИС) были представлены в кратком докладе IBM на ISSCC в 1969 году. Затем компания Hewlett-Packard приступила к разработке технологии NMOS-ИС, чтобы обеспечить многообещающую скорость и простой интерфейс для своего бизнеса по производству калькуляторов. [7] Том Хасвелл из HP в конечном итоге решил многие проблемы, используя более чистое сырье (особенно алюминий для межсоединений) и добавляя напряжение смещения, чтобы сделать порог затвора достаточно большим; это смещение обратных ворот оставалось де-факто стандартным решением проблемы (в основном) натриевых примесей в воротах до появления ионной имплантации (см. Ниже). Уже к 1970 году HP производила достаточно хорошие микросхемы nMOS и достаточно охарактеризовала их, чтобы Дэйв Мейтленд смог написать статью о nMOS в декабрьском номере журнала Electronics за 1970 год. Однако до 1973 года NMOS оставался редкостью в остальной части полупроводниковой промышленности. [8]
Готовый к производству процесс NMOS позволил HP разработать первое в отрасли 4-кбитное ПЗУ IC . В конечном итоге Motorola стала вторым поставщиком этой продукции и стала одним из первых коммерческих поставщиков полупроводников, освоивших процесс NMOS благодаря Hewlett-Packard. Некоторое время спустя стартап-компания Intel анонсировала 1-кбитную pMOS DRAM под названием 1102 , разработанную как специальный продукт для Honeywell (попытка заменить память на магнитных сердечниках в их мейнфреймах ). Инженеры-калькуляторы HP, которым нужен был аналогичный, но более надежный продукт для калькуляторов серии 9800 , поделились опытом изготовления микросхем из своего проекта 4-кбитного ПЗУ, чтобы помочь улучшить надежность Intel DRAM, рабочее напряжение и температурный диапазон. Эти усилия способствовали созданию значительно усовершенствованной 1-кбитной микросхемы pMOS DRAM Intel 1103 , которая стала первой в мире коммерчески доступной микросхемой DRAM . Официально он был представлен в октябре 1970 года и стал первым по-настоящему успешным продуктом Intel. [9]
Ранняя МОП-логика имела один тип транзистора, который находится в режиме улучшения и может действовать как логический переключатель. Поскольку подходящие резисторы было трудно изготовить, в логических элементах использовались насыщенные нагрузки; то есть, чтобы транзистор одного типа действовал как нагрузочный резистор, транзистор нужно было всегда включать, связывая его затвор с источником питания (более отрицательная шина для логики PMOS или более положительная шина для логики NMOS ). . Поскольку ток в подключенном таким образом устройстве определяется как квадрат напряжения на нагрузке, это обеспечивает низкую скорость подтягивания по сравнению с потребляемой мощностью при понижении напряжения. Резистор (с током, просто пропорциональным напряжению) был бы лучше, а источник тока (с фиксированным током, независимым от напряжения) еще лучше. Устройство в режиме истощения с затвором, подключенным к противоположной шине питания, представляет собой гораздо лучшую нагрузку, чем устройство в режиме улучшения, действуя где-то между резистором и источником тока.
Первые NMOS-схемы с обедненной нагрузкой были впервые разработаны и изготовлены производителем DRAM Mostek , который сделал транзисторы с обедненным режимом доступными для разработки оригинального Zilog Z80 в 1975–76 годах. [10] У Мостека было оборудование для ионной имплантации, необходимое для создания более точного профиля легирования , чем это возможно с помощью диффузионных методов, чтобы можно было надежно регулировать пороговое напряжение нагрузочных транзисторов. В Intel истощающая нагрузка была введена в 1974 году Федерико Фаггином, бывшим инженером Fairchild, а затем основателем Zilog . Истощающая нагрузка была впервые использована при модернизации одного из наиболее важных продуктов Intel того времени — 1-килобитной NMOS SRAM с питанием только +5 В под названием 2102 (с использованием более 6000 транзисторов [11] ). Результатом этой модернизации стал значительно более быстрый 2102A , где самые производительные версии чипа имели время доступа менее 100 нс, что впервые позволило MOS-памяти приблизиться к скорости биполярного ОЗУ. [12]
Процессы NMOS с истощающей нагрузкой также использовались некоторыми другими производителями для создания множества версий популярных 8-битных, 16-битных и 32-битных процессоров. Подобно ранним конструкциям ЦП PMOS и NMOS, в которых в качестве нагрузки использовались полевые МОП-транзисторы режима улучшения , в конструкциях nMOS с истощающей нагрузкой обычно использовались различные типы динамической логики (а не только статические вентили) или проходные транзисторы, используемые в качестве динамических тактовых защелок . Эти методы могут значительно повысить экономию площади, хотя влияние на скорость является сложным. Процессоры, построенные на схеме NMOS с истощающей нагрузкой, включают 6800 (в более поздних версиях [13] ), 6502 , Signetics 2650 , 8085 , 6809 , 8086 , Z8000 , NS32016 и многие другие (независимо от того, включены или нет процессоры HMOS, указанные ниже, как особые случаи).
Большое количество вспомогательных и периферийных микросхем также было реализовано с использованием (часто статических) схем, основанных на истощении нагрузки. Однако в NMOS никогда не было никаких семейств стандартизированной логики , таких как серия биполярных 7400 и серия CMOS 4000 , хотя конструкции нескольких сторонних производителей часто достигали чего-то вроде статуса стандартных компонентов де-факто. Одним из примеров этого является конструкция NMOS 8255 PIO , первоначально задуманная как периферийный чип 8085, который использовался во встроенных системах Z80 и x86 , а также во многих других контекстах в течение нескольких десятилетий. Современные версии с низким энергопотреблением доступны в виде реализации CMOS или BiCMOS, аналогично серии 7400.
Собственный процесс NMOS с истощающей нагрузкой Intel был известен как HMOS , что означает MOS с высокой плотностью и коротким каналом . Первая версия была представлена в конце 1976 года и впервые использовалась для их продуктов со статической оперативной памятью . [14] вскоре она стала использоваться для более быстрых и/или менее энергоемких версий 8085, 8086 и других чипов.
HMOS продолжал совершенствоваться и сменил четыре поколения. По данным Intel, HMOS II (1979) обеспечил вдвое большую плотность и в четыре раза большее соотношение скорости и мощности по сравнению с другими типичными современными NMOS-процессами с истощающей нагрузкой. [15] Эта версия широко лицензировалась третьими лицами, включая (среди прочих) компанию Motorola , которая использовала ее для своего Motorola 68000 , и Commodore Semiconductor Group , которая использовала ее для своей MOS Technology 8502, усаженной кристаллом MOS 6502 .
Первоначальный процесс HMOS, позже названный HMOS I, имел длину канала 3 микрона, которая была уменьшена до 2 для HMOS II и 1,5 для HMOS III. К тому времени, когда в 1982 году был представлен HMOS III, Intel начала переход на свой процесс CHMOS , процесс CMOS , использующий элементы дизайна линейки HMOS. Была выпущена последняя версия системы — HMOS-IV. Существенным преимуществом линейки HMOS было то, что каждое поколение было специально разработано с учетом возможности уменьшения существующих компоновок без каких-либо серьезных изменений. Были внедрены различные методы, обеспечивающие работу систем при изменении планировки. [16] [17]
HMOS, HMOS II, HMOS III и HMOS IV вместе использовались для множества различных типов процессоров; 8085 , 8048 , 8051 , 8086 , 80186 , 80286 и многие другие, а также несколько поколений одной и той же базовой конструкции, см. технические описания .
В середине 1980-х годов более быстрые варианты КМОП, использующие аналогичную технологию процесса HMOS, такие как Intel CHMOS I, II, III, IV и т. д., начали вытеснять n-канальные HMOS для таких приложений, как Intel 80386 и некоторые микроконтроллеры . Несколько лет спустя, в конце 1980-х годов, BiCMOS был представлен для высокопроизводительных микропроцессоров, а также для высокоскоростных аналоговых схем . Сегодня большинство цифровых схем, включая вездесущую серию 7400 , производятся с использованием различных КМОП-процессов с использованием различных топологий. Это означает, что для повышения скорости и экономии площади кристалла (транзисторов и проводки) в высокоскоростных КМОП-схемах часто используются другие элементы, а не только дополнительные статические затворы и передающие затворы типичных медленных маломощных КМОП-схем ( единственный тип КМОП-схем). в 1960-1970-е годы). В этих методах используется значительное количество динамических схем для создания более крупных строительных блоков на кристалле, таких как защелки, декодеры, мультиплексоры и т. д., и они произошли от различных динамических методологий, разработанных для схем NMOS и PMOS в 1970-х годах.
По сравнению со статической КМОП, все варианты NMOS (и PMOS) относительно энергоемки в устойчивом состоянии. Это связано с тем, что они полагаются на нагрузочные транзисторы, работающие как резисторы , где ток покоя определяет максимально возможную нагрузку на выходе, а также скорость затвора (т.е. при постоянных других факторах). Это контрастирует с характеристиками энергопотребления статических КМОП-схем, которые обусловлены только переходным потреблением мощности при изменении выходного состояния, и, таким образом, p- и n-транзисторы кратковременно проводят ток одновременно. Однако это упрощенный взгляд, и более полная картина должна также включать тот факт, что даже чисто статические схемы КМОП имеют значительные утечки в современных крошечных геометриях, а также тот факт, что современные КМОП-чипы часто содержат динамическую логику и/или логику домино. с определенным количеством псевдо-nMOS- схем. [18]
Процессы истощения нагрузки отличаются от своих предшественников способом подключения источника напряжения Vdd , обозначающего 1 , к каждому затвору. В обеих технологиях каждый затвор содержит один NMOS-транзистор, который постоянно включен и подключен к Vdd. Когда транзисторы, подключенные к выводу 0, выключаются, этот подтягивающий транзистор определяет, что выходной сигнал по умолчанию равен 1 . В стандартном NMOS подтягивающем транзисторе используется тот же тип транзистора, который используется для логических переключателей. Когда выходное напряжение приближается к значению меньше Vdd , оно постепенно отключается. Это замедляет переход от 0 к 1 , что приводит к более медленной схеме. В процессах истощения нагрузки этот транзистор заменяется NMOS в режиме истощения с постоянным смещением затвора, при этом затвор напрямую связан с истоком. Этот альтернативный тип транзистора действует как источник тока до тех пор, пока выходной сигнал не приблизится к 1 , а затем действует как резистор. Результатом является более быстрый переход от 0 к 1 .
Цепи с истощающей нагрузкой потребляют меньше энергии, чем схемы с повышающей нагрузкой при той же скорости. В обоих случаях соединение с 1 всегда активно, даже если соединение с 0 также активно. Это приводит к высокому статическому энергопотреблению. Количество отходов зависит от силы или физического размера подтягивания. Как транзисторы с насыщенной нагрузкой (в режиме повышения), так и подтягивающие транзисторы в режиме истощения потребляют наибольшую мощность, когда выходной сигнал стабилен на уровне 0 , поэтому эти потери значительны. Поскольку мощность транзистора в режиме обеднения падает меньше при приближении к 1 , они могут достичь 1 быстрее, несмотря на более медленный запуск, т.е. проводя меньший ток в начале перехода и в установившемся состоянии.