قد يكون من المدهش معرفة أن براءة اختراع "ترانزستور التأثير الميداني" سبقت إنشاء الترانزستور ثنائي القطب بعشرين عامًا على الأقل. ومع ذلك ، كانت الترانزستورات ثنائية القطب أسرع في الانتشار تجاريًا ، حيث ظهرت الشريحة الأولى المصنوعة من الترانزستورات ثنائية القطب في الستينيات ، مع إتقان تكنولوجيا التصنيع MOSFET في الثمانينيات وسرعان ما تجاوزت أبناء عمومتها ثنائية القطب.
بعد اختراع ترانزستور نقطة الاتصال في عام 1947 ، بدأت الأمور تتحرك بسرعة. جاء أولاً اختراع أول ترانزستور ثنائي القطب في العام التالي. ثم في عام 1958 ، ابتكر جاك كيلبي أول دائرة متكاملة وضعت أكثر من ترانزستور على نفس القالب. بعد أحد عشر عامًا ، هبطت Apollo 11 على سطح القمر ، وذلك بفضل الكمبيوتر الثوري Apollo Guidance Computer ، الذي كان أول كمبيوتر مضمن في العالم. تم تصنيعه باستخدام الدوائر المتكاملة الأولية لبوابة NOR ثلاثية المدخلات ، والتي تتكون من 3 ترانزستورات فقط لكل بوابة.
أدى ذلك إلى ظهور سلسلة TTL (منطق الترانزستور-الترانزستور) من الرقائق المنطقية ، والتي تم إنشاؤها باستخدام الترانزستورات ثنائية القطب. تعمل هذه الرقائق خارج 5 فولت ويمكن أن تعمل بسرعات تصل إلى 25 ميجاهرتز.
سرعان ما أفسحت هذه الطريقة لمنطق الترانزستور المثبت من شوتكي ، والذي أضاف صمام ثنائي شوتكي عبر القاعدة والمجمع لمنع التشبع ، مما قلل بشكل كبير من شحنة التخزين وقلل من أوقات التبديل ، مما قلل بدوره من تأخير الانتشار الناجم عن شحن التخزين.
سلسلة أخرى من المنطق القائم على الترانزستور ثنائي القطب هي سلسلة ECL (Emitter Coupled Logic) التي تعمل بجهد سالب ، وتعمل بشكل أساسي `` للخلف '' مقارنة بنظيراتها القياسية TTL التي يمكن تشغيل ECL حتى 500 ميجا هرتز.
في هذا الوقت تقريبًا ، تم تقديم منطق CMOS (أشباه الموصلات المعدنية بأكسيد المعادن). استخدم كلاً من أجهزة N-channel و P-channel ، ومن هنا جاء اسم مكمل.
TTL VS CMOS: المزايا والعيوب
الأول والأكثر شيوعًا هو استهلاك الطاقة - تستهلك TTL طاقة أكبر من CMOS.
هذا صحيح بمعنى أن إدخال TTL هو مجرد قاعدة للترانزستور ثنائي القطب ، والذي يحتاج إلى بعض التيار لتشغيله. يعتمد حجم تيار الإدخال على الدائرة الداخلية ، ويغرق حتى 1.6 مللي أمبير. تصبح هذه مشكلة عندما يتم توصيل العديد من مدخلات TTL بإخراج TTL واحد ، والذي عادة ما يكون مجرد مقاومة سحب أو ترانزستور عالي الجانب مدفوع بشكل سيئ.
من ناحية أخرى ، تعتبر ترانزستورات CMOS ذات تأثير ميداني ، وبعبارة أخرى ، فإن وجود مجال كهربائي عند البوابة يكفي للتأثير على قناة أشباه الموصلات في التوصيل. من الناحية النظرية ، لا يتم سحب أي تيار ، باستثناء تيار التسرب الصغير للبوابة ، والذي غالبًا ما يكون بترتيب البيكو أو النانو أمبير. ومع ذلك ، هذا لا يعني أن نفس الاستهلاك الحالي المنخفض ينطبق حتى على السرعات العالية. يحتوي إدخال شريحة CMOS على بعض السعة ، وبالتالي وقت ارتفاع محدود. للتأكد من أن وقت الصعود سريع عند التردد العالي ، يلزم وجود تيار كبير ، والذي يمكن أن يكون في حدود عدة أمبير عند ترددات MHz أو GHz. يتم استهلاك هذا التيار فقط عندما يتعين على الإدخال تغيير الحالة ، على عكس TTL حيث يجب أن يكون تيار التحيز موجودًا مع الإشارة.
عندما يتعلق الأمر بالمخرجات ، فإن CMOS و TTL لهما مزايا وعيوب. مخرجات TTL هي إما عمود الطوطم أو pullups. مع عمود الطوطم ، يمكن أن يتأرجح الإخراج فقط في حدود 0.5 فولت من القضبان. ومع ذلك ، فإن تيارات الإخراج أعلى بكثير من نظيراتها في CMOS. وفي الوقت نفسه ، يمكن لمخرجات CMOS ، التي يمكن مقارنتها بالمقاومات التي يتم التحكم فيها بالجهد الكهربائي ، أن تنتج في حدود ملي فولت من قضبان الإمداد حسب الحمل. ومع ذلك ، فإن تيارات الإخراج محدودة ، وغالبًا ما تكون بالكاد كافية لدفع زوج من مصابيح LED.
بفضل متطلباتها الحالية الأصغر ، يفسح منطق CMOS نفسه جيدًا للتصغير ، حيث يمكن تعبئة ملايين الترانزستورات في مساحة صغيرة دون أن تكون المتطلبات الحالية عالية بشكل غير عملي.
TTL ميزة هامة أخرى لديها أكثر من CMOS هو في غلظة. تعتمد ترانزستورات التأثير الميداني على طبقة رقيقة من أكسيد السيليكون بين البوابة والقناة لتوفير العزل بينهما. طبقة الأكسيد هذه بسمك نانومتر ولها جهد انهيار صغير جدًا ، ونادرًا ما يتجاوز 20 فولت حتى في FETs عالية الطاقة. هذا يجعل CMOS شديد التأثر بالتفريغ الكهروستاتيكي والجهد الزائد. إذا تركت المدخلات عائمة ، فإنها تتراكم ببطء الشحنة وتسبب تغيرات زائفة في حالة الإخراج ، وهذا هو سبب سحب مدخلات CMOS لأعلى أو لأسفل أو مؤرضة. لا يعاني TTL في الغالب من هذه المشكلة نظرًا لأن الإدخال عبارة عن قاعدة ترانزستور ، والتي تعمل بشكل أشبه بصمام ثنائي وهي أقل حساسية للضوضاء بسبب مقاومة أقل لها.
TTL أو CMOS؟ ايهما افضل؟
لقد حل منطق CMOS محل TTL بكل الطرق تقريبًا. على الرغم من أن شرائح TTL لا تزال متوفرة ، إلا أنه لا توجد ميزة حقيقية في استخدامها.
ومع ذلك ، فإن مستويات الإدخال TTL معيارية إلى حد ما ولا تزال العديد من المدخلات المنطقية تقول "متوافقة مع TTL" ، لذا فإن وجود CMOS يقود مرحلة إخراج TTL للتوافق ليس نادرًا. CMOS بشكل عام هو الفائز الواضح عندما يتعلق الأمر بالفائدة.
تستخدم عائلة منطق TTL الترانزستورات ثنائية القطب لأداء الوظائف المنطقية وتستخدم CMOS ترانزستورات التأثير الميداني. يستهلك CMOS عمومًا طاقة أقل بكثير ، على الرغم من كونه أكثر حساسية من TTL. CMOS و TTL ليسا قابلين للتبادل حقًا ، ومع توفر رقائق CMOS منخفضة الطاقة ، فإن استخدام TTL في التصميمات الحديثة نادر الحدوث.