Логика металл-оксид-полупроводник N-типа использует МОП-транзисторы n-типа (-) ( полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник ) для реализации логических вентилей и других цифровых схем . [1] [2] Эти nMOS-транзисторы работают за счет создания инверсионного слоя в корпусе транзистора p-типа . Этот инверсионный слой, называемый n-каналом, может проводить электроны между клеммами «исток» и «сток» n-типа . n-канал создается путем подачи напряжения на третий вывод, называемый затвором. Как и другие МОП-транзисторы, nMOS-транзисторы имеют четыре режима работы: отсечной (или подпороговый), триодный, насыщения (иногда называемого активным) и насыщения по скорости.
В течение многих лет схемы NMOS были намного быстрее, чем сопоставимые схемы PMOS и CMOS , в которых приходилось использовать гораздо более медленные p-канальные транзисторы. Также было проще изготовить NMOS, чем CMOS, поскольку в последней приходится размещать p-канальные транзисторы в специальных n-лунках на p-подложке. Основным недостатком NMOS (и большинства других логических семейств ) является то, что постоянный ток должен протекать через логический элемент, даже когда выходной сигнал находится в устойчивом состоянии (низкий в случае NMOS). Это означает статическое рассеивание мощности , т.е. утечку мощности, даже когда схема не переключается, что приводит к высокому энергопотреблению.
Кроме того, как и в диодно-транзисторной логике , транзисторно-транзисторной логике , логике с эмиттерной связью и т. д., асимметричные входные логические уровни делают схемы NMOS и PMOS более восприимчивыми к шуму, чем CMOS. Эти недостатки являются причиной того, что КМОП-логика вытеснила большинство этих типов в большинстве высокоскоростных цифровых схем, таких как микропроцессоры , несмотря на то, что КМОП изначально была очень медленной по сравнению с логическими вентилями , построенными на биполярных транзисторах .
МОП означает металл-оксид-полупроводник , что отражает способ первоначальной конструкции МОП-транзисторов, преимущественно до 1970-х годов, с металлическими затворами, обычно из алюминия. Однако примерно с 1970 года в большинстве МОП-схем используются самовыравнивающиеся затворы из поликристаллического кремния — технология, впервые разработанная Федерико Фаггином из Fairchild Semiconductor . Эти кремниевые затворы до сих пор используются в большинстве типов интегральных схем на основе МОП-транзисторов , хотя металлические затворы ( Al или Cu ) начали вновь появляться в начале 2000-х годов для некоторых типов высокоскоростных схем, таких как высокопроизводительные микропроцессоры.
МОП-транзисторы представляют собой транзисторы с режимом улучшения n-типа , расположенные в так называемой «понижающей сети» (PDN) между выходом логического затвора и отрицательным напряжением питания (обычно землей). Подъемник (т.е. «нагрузка», которую можно рассматривать как резистор, см. ниже) размещается между положительным напряжением питания и выходом каждого логического вентиля. Любой логический элемент , включая логический инвертор , может быть реализован путем разработки сети параллельных и/или последовательных схем, так что если желаемый выход для определенной комбинации логических входных значений равен нулю (или ложен ), PDN будет активен, что означает, что по крайней мере один транзистор пропускает ток между отрицательным источником питания и выходом. Это вызывает падение напряжения на нагрузке и, следовательно, низкое напряжение на выходе, представляющее ноль .
В качестве примера, вот вентиль ИЛИ , реализованный на схеме NMOS. Если на входе A или на входе B высокий уровень (логическая 1 = Истина), соответствующий МОП-транзистор действует как очень низкое сопротивление между выходом и отрицательным источником питания, заставляя выходной сигнал быть низким (логический 0 = Ложь). Когда оба транзистора A и B имеют высокий уровень, оба транзистора являются проводящими, создавая еще более низкое сопротивление на пути к земле. Единственный случай, когда выходной сигнал высокий, — это когда оба транзистора выключены, что происходит только тогда, когда оба A и B имеют низкий уровень, что соответствует таблице истинности логического элемента ИЛИ:
МОП-транзистор можно заставить работать как резистор, поэтому вся схема может быть выполнена только с использованием n-канальных МОП-транзисторов. Схемы NMOS медленно переходят от низкого уровня к высокому. При переходе от высокого к низкому транзисторы обеспечивают низкое сопротивление, и емкостной заряд на выходе стекает очень быстро (аналогично разряду конденсатора через очень низкое сопротивление). 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 высокого номинала). Использование резистора меньшего номинала ускорит процесс, но также увеличит рассеиваемую статическую мощность. Однако лучший (и наиболее распространенный) способ сделать затворы быстрее — использовать в качестве нагрузки транзисторы с режимом истощения вместо транзисторов с режимом улучшения . Это называется логикой NMOS с истощающей нагрузкой .
СМИ, связанные с MOS, на Викискладе?