Логика NMOS с истощением нагрузки - Depletion-load NMOS logic

NMOS с истощающей нагрузкой Ворота NAND

В интегральные схемы, NMOS с истощенной нагрузкой это форма цифрового логическая семья который использует только одно напряжение питания, в отличие от ранее nMOS (n-тип металлооксидный полупроводник ) семейства логических схем, которым требовалось более одного напряжения питания. Хотя производство этих интегральных схем требовало дополнительных этапов обработки, улучшенная скорость переключения и отказ от дополнительного источника питания сделали это семейство логических схем предпочтительным выбором для многих. микропроцессоры и другие элементы логики.

Некоторые конструкции nMOS с истощающей нагрузкой все еще производятся, как правило, параллельно с более новыми. CMOS аналоги; одним из примеров этого является Z84015[1] и Z84C15.[2]

Режим истощения n-типа МОП-транзисторы поскольку нагрузочные транзисторы допускают работу с одним напряжением и достигают большей скорости, чем это возможно с чисто повышающими нагрузочными устройствами. Отчасти это связано с тем, что полевые МОП-транзисторы в режиме истощения могут быть лучше Источник тока приближение, чем это может сделать более простой транзистор с расширенным режимом, особенно когда нет дополнительного напряжения (одна из причин, по которым первые микросхемы pMOS и nMOS требовали нескольких напряжений).

Включение n-МОП транзисторов в режиме обеднения в производственный процесс потребовались дополнительные производственные операции по сравнению с более простыми схемами повышения нагрузки; это связано с тем, что устройства с истощающей нагрузкой образуются за счет увеличения количества присадка в области канала нагрузочных транзисторов, чтобы отрегулировать их пороговое напряжение. Обычно это выполняется с помощью ионная имплантация.

История и предыстория

Смотрите также: Логика NMOS § История

После изобретения МОП-транзистор к Мохамед Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году они продемонстрировали технологию MOSFET в 1960 году.[3] Они сфабрикованный устройства pMOS и nMOS с 20 мкм процесс. Однако устройства nMOS были непрактичными, и только тип pMOS были практически рабочими устройствами.[4]

В 1965 г. Чи-Тан Сах, Отто Лейстико и А.С. Роща в Fairchild Semiconductor изготовили несколько устройств NMOS с длинами каналов между 8 мкм и 65 мкм.[5] Дейл Л. Кричлоу и Роберт Х. Деннард в IBM также производили устройства NMOS в 1960-х годах. Первым продуктом IBM NMOS был микросхема памяти с 1 kb данные и 50–100 нс время доступа, которая начала массовое производство в начале 1970-х годов. Это привело к MOS полупроводниковая память замена ранее биполярный и память с ферритовым сердечником технологии в 1970-е годы.[6]

Силиконовый затвор

В конце 1960-х гг. биполярные переходные транзисторы были быстрее, чем (p-канальные) МОП-транзисторы, которые использовались тогда, и были более надежными, но они также потреблял гораздо больше энергии, требовала большей площади и более сложного производственного процесса. МОП-микросхемы считались интересными, но неадекватными для замены быстрых биполярных схем чем-либо, кроме нишевые рынки, например, приложения с низким энергопотреблением. Одна из причин низкой скорости заключалась в том, что МОП-транзисторы имели ворота сделано из алюминий что привело к значительному паразитные емкости с использованием процессы изготовления времени. Внедрение транзисторов с затворами поликристаллический кремний (это стало де-факто стандарт с середины 1970-х до начала 2000-х годов) был важным первым шагом на пути к уменьшению этой инвалидности. Этот новый самовыравнивающийся кремниевый затвор транзистор был представлен Федерико Фаггин в Fairchild Semiconductor в начале 1968 г .; это была доработка (и первая рабочая реализация) идей и работы Джона С. Сараса, Тома Кляйна и Роберт В. Бауэр (около 1966–67) для транзистора с более низкими паразитными емкостями, который мог быть изготовлен как часть ИС (а не только как дискретный компонент ). Этот новый тип pMOS-транзистора был в 3–5 раз быстрее (на ватт), чем pMOS-транзистор с алюминиевым затвором, и он требовал меньшей площади, имел гораздо меньшую утечку и более высокую надежность. В том же году Фаггин также построил первую ИС с использованием нового типа транзисторов, Fairchild 3708 (8-битный аналог мультиплексор с декодер ), который продемонстрировал значительно улучшенные характеристики по сравнению с 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.

nMOS и обратное смещение

У pMOS есть несколько недостатков: электронные дыры носители заряда (тока) в pMOS-транзисторах имеют меньшую подвижность, чем электроны которые являются носителями заряда в транзисторах nMOS (соотношение примерно 2,5), кроме того, схемы pMOS не легко взаимодействуют с низковольтной положительной логикой, такой как DTL-логика и TTL-логика (серия 7400). Однако pMOS-транзисторы относительно просты в изготовлении и поэтому были разработаны первыми - ионное загрязнение оксида затвора от химикаты для травления и другие источники могут очень легко предотвратить ( электрон на основе) nMOS-транзисторов от выключения, в то время как эффект в ( электронно-дырочный на основе) pMOS транзисторы гораздо менее серьезны. Поэтому изготовление nMOS-транзисторов должно быть во много раз чище, чем биполярная обработка, чтобы производить рабочие устройства.

Ранняя работа над nMOS Интегральная схема (IC) технология была представлена ​​вкратце IBM бумага в ISSCC в 1969 г. Hewlett Packard затем приступил к разработке технологии nMOS IC, чтобы получить многообещающую скорость и простой интерфейс для своих калькулятор бизнес.[7] Том Хасвелл из HP в конце концов решил множество проблем, используя более чистый сырье (особенно алюминий для межсоединений) и добавлением напряжения смещения, чтобы порог ворот достаточно большой; это обратное смещение остался де-факто стандартное решение (в основном) натрий загрязняющих веществ в воротах до развития ионная имплантация (Смотри 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 выпуске журнала Electronics за 1970 год. Однако nMOS оставалась редкостью в остальной полупроводниковой промышленности до 1973 года.[8]

Готовый к производству процесс nMOS позволил HP разработать первую в отрасли 4-кбитную ИС. ПЗУ. Motorola в конечном итоге стал вторым источником для этих продуктов и, благодаря Hewlett-Packard, стал одним из первых коммерческих поставщиков полупроводников, освоивших процесс nMOS. Некоторое время спустя стартап компания Intel анонсировала 1-кбитную pMOS DRAM под названием 1102, разработанный как индивидуальный продукт для Honeywell (попытка замены магнитного основная память в их мэйнфреймы ). Инженеры-калькуляторы HP, которые хотели аналогичный, но более надежный продукт для 9800 серии калькуляторы, внесли свой вклад в производство микросхем из своего проекта 4-кбитной ПЗУ, чтобы помочь улучшить надежность Intel DRAM, рабочее напряжение и температурный диапазон. Эти усилия способствовали значительному увеличению Intel 1103 1-кбитная pMOS DRAM, первая в мире коммерчески доступная DRAM IC. Он был официально представлен в октябре 1970 года и стал первым действительно успешным продуктом Intel.[9]

Транзисторы с режимом истощения

Характеристики полевого МОП-транзистора в режиме истощения

Ранняя логика МОП имела один тип транзистора, который режим улучшения так что он может действовать как логический переключатель. Так как подходящие резисторы было сложно изготовить, логические вентили использовали насыщенные нагрузки; то есть, чтобы заставить один тип транзистора действовать как нагрузочный резистор, транзистор должен быть всегда включен, привязав его затвор к источнику питания (более отрицательная шина для Логика PMOS, или более позитивный рельс для Логика NMOS ). Поскольку ток в устройстве, подключенном таким образом, является квадратом напряжения на нагрузке, оно обеспечивает низкую скорость подтяжки по сравнению с потребляемой мощностью при понижении напряжения. Резистор (с током, просто пропорциональным напряжению) был бы лучше, а источник тока (с фиксированным током, независимо от напряжения) еще лучше. А режим истощения Устройство с затвором, привязанным к противоположной шине питания, представляет собой гораздо лучшую нагрузку, чем устройство расширенного режима, действующее где-то между резистором и источником тока.

Первые схемы nMOS с истощающей нагрузкой были впервые разработаны и изготовлены DRAM производитель Mostek, что сделало транзисторы с режимом истощения доступными для разработки оригинального Зилог Z80 в 1975–76 гг.[10] У Mostek был ионная имплантация оборудование, необходимое для создания допинговый профиль точнее, чем возможно с распространение методы, так что пороговое напряжение нагрузки транзисторов можно было надежно отрегулировать. В Intel истощающая нагрузка была введена в 1974 году Федерико Фаггин, бывшим инженером Fairchild, а затем основателем компании. Зилог. Впервые истощающая нагрузка была использована для модернизации одного из самых важных продуктов Intel в то время, nMOS 1 Кбит только с питанием от напряжения + 5 В. SRAM называется 2102 (с использованием более 6000 транзисторов[11]). Результатом этого редизайна стало значительно более быстрое 2102A, где наиболее производительные версии чипа имели время доступа менее 100 нс, что впервые приблизило скорость памяти MOS к биполярным RAM.[12]

Процессы nMOS с истощающей нагрузкой также использовались некоторыми другими производителями для производства многих воплощения популярных 8-битных, 16-битных и 32-битных процессоров. Подобно ранним проектам ЦП pMOS и nMOS с использованием режим улучшения МОП-транзисторы в качестве нагрузки, конструкции nMOS с истощающей нагрузкой обычно использовали различные типы динамическая логика (а не только статические ворота) или пройти транзисторы используется как динамический тактовые защелки. Эти методы могут значительно повысить экономию площади, хотя влияние на скорость сложное. Процессоры, построенные на схеме nMOS с истощающей нагрузкой, включают 6800 (в более поздних версиях[13]), 6502, Печатка 2650, 8085, 6809, 8086, Z8000, NS32016 и многие другие (независимо от того, включены ли перечисленные ниже процессоры HMOS, как особые случаи).

Большое количество поддерживающих и периферийных ИС также было реализовано с использованием (часто статических) схем на основе истощающей нагрузки. Однако стандартизованных логические семьи в nMOS, например биполярный 7400 серии и CMOS 4000 серии, хотя проекты с несколькими производителями второстепенных производителей часто достигают статуса стандартных компонентов де-факто. Одним из примеров этого является nMOS 8255 ПИО дизайн, первоначально предназначенный как периферийный чип 8085, который использовался в Z80 и x86 встроенные системы и многие другие контексты в течение нескольких десятилетий. Современные версии с низким энергопотреблением доступны как реализации CMOS или BiCMOS, аналогичные серии 7400.

Intel HMOS

Собственный процесс NMOS для истощения нагрузки Intel был известен как HMOS, за MOS с коротким каналом высокой плотности. Первая версия была представлена ​​в конце 1976 г. и впервые использовалась для их статическая RAM товары,[14] Вскоре он стал использоваться для более быстрых и / или менее энергоемких версий 8085, 8086 и других чипов.

HMOS продолжала совершенствоваться и прошла через четыре различных поколения. Согласно Intel, HMOS II (1979) обеспечивает удвоенную плотность и в четыре раза более высокую производительность / мощность по сравнению с другими типичными современными процессами nMOS с истощающей нагрузкой.[15] Эта версия широко лицензировалась третьими сторонами, в том числе (среди прочих) Motorola кто использовал это для своих Motorola 68000, и Commodore Semiconductor Group, кто использовал это для своих Технология MOS 8502 усохший 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 была представлена ​​HMOS III, Intel начала переходить на их ХМОС процесс, CMOS процесс с использованием элементов дизайна линий HMOS. Была выпущена последняя версия системы - HMOS-IV. Существенным преимуществом линейки HMOS было то, что каждое поколение было намеренно разработано так, чтобы позволить существующим макетам термоусадку без серьезных изменений. Были внедрены различные методы для обеспечения работы систем при изменении компоновки.[16][17]

HMOS, HMOS II, HMOS III и HMOS IV вместе использовались для многих различных типов процессоров; то 8085, 8048, 8051, 8086, 80186, 80286, и многие другие, но также для нескольких поколений одной и той же базовой конструкции, см. таблицы.

Дальнейшее развитие

В середине 1980-х годов более быстрые варианты CMOS, использующие аналогичные технологии 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, BiCMOS был введен для высокопроизводительных микропроцессоров, а также для высокоскоростных аналоговые схемы. Сегодня большинство цифровых схем, в том числе повсеместно 7400 серии, производятся с использованием различных процессов КМОП с различными используемыми топологиями. Это означает, что для увеличения скорости и экономии площади кристалла (транзисторов и проводки) в высокоскоростных КМОП-конструкциях часто используются другие элементы, помимо дополнительный статический ворота и ворота передачи типичных медленных маломощных КМОП-схем ( Только Типа CMOS в 1960-х и 1970-х годах). Эти методы используют значительное количество динамичный схемы для создания более крупных строительных блоков на микросхеме, таких как защелки, декодеры, мультиплексоры и т. д., и произошли от различных динамических методологий, разработанных для схем pMOS и nMOS в 1970-х годах.

По сравнению с CMOS

По сравнению со статической CMOS, все варианты nMOS (и pMOS) относительно энергоемки в устойчивом состоянии. Это потому, что они полагаются на нагрузочные транзисторы, работающие как резисторы, где ток покоя определяет максимально возможную нагрузку на выходе, а также скорость ворот (т.е. с постоянными другими факторами). Это контрастирует с характеристиками энергопотребления статический КМОП-схемы, которые возникают только из-за переходного энергопотребления при изменении состояния выхода, и, таким образом, p- и n-транзисторы проводят короткое время одновременно. Однако это упрощенный вид, и более полная картина должна также включать тот факт, что даже чисто статические схемы CMOS имеют значительные утечки в современных крошечных геометриях, а также тот факт, что современные чипы CMOS часто содержат динамичный и / или логика домино с определенным количеством псевдо nMOS схема.[18]

Эволюция предыдущих типов NMOS

Процессы истощения нагрузки отличаются от своих предшественников тем, как Vdd источник напряжения, представляющий 1, соединяется с каждыми воротами. В обеих технологиях каждый затвор содержит один транзистор NMOS, который постоянно включен и подключен к Vdd. Когда транзисторы подключаются к 0 выключи, это остановить транзистор определяет выход как 1 по умолчанию. В стандартных NMOS подтягивающий транзистор аналогичен тому, что используется для логических переключателей. Когда выходное напряжение приближается к значению меньше Vdd, он постепенно отключается. Это замедляет 0 к 1 переход, приводящий к более медленной цепи. Процессы истощающей нагрузки заменяют этот транзистор на NMOS режима истощения при постоянном смещении затвора, при этом затвор подключен непосредственно к истоку. Этот альтернативный тип транзистора действует как источник тока до тех пор, пока выход не приблизится к 1, затем действует как резистор. Результат - более быстрый 0 к 1 переход.

Статическая потребляемая мощность

Логический элемент nMOS NAND с загрузочным устройством в режиме насыщения. Устройство улучшения также может использоваться с более положительным смещением затвора в ненасыщенной конфигурации, которая более энергоэффективна, но требует высокого напряжения затвора и более длинного транзистора. Ни один из них не является таким энергоэффективным и компактным, как истощающая нагрузка.

Цепи истощающей нагрузки потребляют меньше энергии, чем схемы увеличивающей нагрузки при той же скорости. В обоих случаях подключение к 1 всегда активен, даже если соединение с 0 также активен. Это приводит к высокому статическому энергопотреблению. Количество потерь зависит от силы или физического размера подтягивания. Подтягивающие транзисторы в режиме насыщения и истощения потребляют наибольшую мощность, когда выходной сигнал стабильный. 0, так что эта потеря значительна. Поскольку мощность транзистора в режиме обеднения падает меньше при приближении к 1, они могут достичь 1 быстрее, несмотря на медленный запуск, т. е. проводящий меньший ток в начале перехода и в установившемся режиме.

Примечания и ссылки

  1. ^ Видеть http://www.zilog.com/index.php?option=com_product&Itemid=26&mode=showProductDetails&familyId=20&productId=Z84015.
  2. ^ Видеть http://www.zilog.com/index.php?option=com_product&Itemid=26&mode=showProductDetails&familyId=20&productId=Z84C15.
  3. ^ «1960 - Демонстрация металлооксидного полупроводникового (МОП) транзистора». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров.
  4. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media. стр.321 –3. ISBN  9783540342588.
  5. ^ Сах, Чжи-Тан; Лейстико, Отто; Гроув, А. С. (май 1965 г.). «Подвижность электронов и дырок в инверсионных слоях на термически окисленных поверхностях кремния». Транзакции IEEE на электронных устройствах. 12 (5): 248–254. Дои:10.1109 / T-ED.1965.15489.
  6. ^ Кричлоу, Д. Л. (2007). «Воспоминания о масштабировании MOSFET». Информационный бюллетень IEEE Solid-State Circuits Society. 12 (1): 19–22. Дои:10.1109 / N-SSC.2007.4785536.
  7. ^ Эти калькуляторы (словно Datapoint 2200 и другие) были во многом маленькими настольные компьютеры, но предшествовал Яблоко II и IBM PC на много лет.
  8. ^ Об этом свидетельствует его простое упоминание в большой обзорной статье, написанной инженером GE Германом Шмидом в декабрьском выпуске журнала IEEE Transactions on Manufacturing Technology за 1972 год. Хотя он цитирует статью Мейтленда в 1970 году в электронике, статья Шмида не обсуждает подробно производство nMOS, но широко охватывает производство pMOS и даже CMOS.
  9. ^ http: //См. Www.hp9825.com/html/prologues.html.
  10. ^ Zilog полагался на Mostek и Synertek производить Z80 и другие чипы до того, как будут готовы их собственные производственные мощности.
  11. ^ Для каждого бита требуется шесть транзисторов в обычном статическая RAM.
  12. ^ См. Например: http://www.intel4004.com/sgate.htm или же http://archive.computerhistory.org/resources/text/Oral_History/Faggin_Federico/Faggin_Federico_1_2_3.oral_history.2004.102658025.pdf В архиве 2017-01-10 в Wayback Machine
  13. ^ «Motorola модернизирует 6800» (PDF). Микрокомпьютерный дайджест. Санта-Клара, Калифорния: Microcomputer Associates. 3 (2): 4 августа 1976 г. «Motorola модернизирует семейство микропроцессоров M6800, добавляя истощающие нагрузки, чтобы увеличить скорость и уменьшить размер процессора 6800 до 160 мил».
  14. ^ Видеть http://lark.tu-sofia.bg/ntt/eusku/readings/art_1.pdf
  15. ^ См. Например: Лео Скэнлон 68000 Принципы и программирование.
  16. ^ Технология HMOS III. ISSCC 82.1982.
  17. ^ «Технология HMOS III». Журнал IEEE по твердотельным схемам. Октябрь 1982 г.
  18. ^ Псевдо-МОП означает, что вместо n-канального транзистора, работающего в режиме обеднения, используется p-канальный транзистор с заземленным затвором. Видеть http://eia.udg.es/~forest/VLSI/lect.10.pdf