Het is misschien verrassend om te weten dat het patent voor een 'veldeffecttransistor' minstens twintig jaar ouder is dan de oprichting van de bipolaire transistor. Bipolaire transistors waren echter sneller te vangen in de handel, met de eerste chip gemaakt van bipolaire transistors die in de jaren zestig verscheen, terwijl de MOSFET-productietechnologie in de jaren tachtig werd geperfectioneerd en al snel hun bipolaire neven inhaalde.
Nadat de puntcontacttransistor in 1947 was uitgevonden, begon het snel te bewegen. Voor het eerst kwam de uitvinding van de eerste bipolaire transistor in het volgende jaar. Toen kwam Jack Kilby in 1958 met de eerste geïntegreerde schakeling die meer dan één transistor op dezelfde chip plaatste. Elf jaar later landde Apollo 11 op de maan, dankzij de revolutionaire Apollo Guidance Computer, de eerste embedded computer ter wereld. Het werd gemaakt met behulp van primitieve dual drie-input NOR-poort IC's, die uit slechts 3 transistors per poort bestonden.
Zo ontstond de populaire serie TTL (Transistor-Transistor Logic) logica-chips, die met bipolaire transistors werden geconstrueerd. Deze chips werkten op 5V en konden op snelheden tot 25 MHz werken.
Deze maakten al snel plaats voor Schottky-geklemde transistorlogica, die een Schottky-diode over de basis en collector voegde om verzadiging te voorkomen, waardoor de opslaglading aanzienlijk werd verminderd en de schakeltijden werden verkort, wat op zijn beurt de voortplantingsvertraging door de opslaglading verminderde.
Een andere serie bipolaire transistorgebaseerde logica was de ECL (Emitter Coupled Logic) -serie die op negatieve spanningen werkte en in wezen 'achterwaarts' werkte in vergelijking met hun standaard TTL-tegenhangers. ECL kon oplopen tot 500 MHz.
Rond deze tijd werd CMOS- logica (Complementary Metal Oxide Semiconductor) geïntroduceerd. Het gebruikte zowel N-kanaals als P-kanaals apparaten, vandaar de naam complementair.
TTL VS CMOS: voor- en nadelen
Het eerste en meest besproken is het stroomverbruik - TTL verbruikt meer stroom dan CMOS.
Dit is waar in de zin dat een TTL-ingang slechts de basis is van een bipolaire transistor, die wat stroom nodig heeft om hem in te schakelen. De grootte van de ingangsstroom hangt af van het circuit binnenin en daalt tot 1,6 mA. Dit wordt een probleem wanneer veel TTL-ingangen zijn aangesloten op één TTL-uitgang, die meestal slechts een pullup-weerstand is of een nogal slecht aangestuurde high-side transistor.
Aan de andere kant zijn CMOS-transistors veldeffect, met andere woorden, de aanwezigheid van een elektrisch veld bij de poort is voldoende om het halfgeleiderkanaal in geleiding te beïnvloeden. In theorie wordt er geen stroom afgenomen, behalve de kleine lekstroom van de poort, die vaak in de orde van grootte van pico- of nanoampère ligt. Dit wil echter niet zeggen dat hetzelfde lage stroomverbruik ook geldt voor hogere snelheden. De ingang van een CMOS-chip heeft enige capaciteit, en dus een eindige stijgtijd. Om ervoor te zorgen dat de stijgtijd snel is bij hoge frequenties, is een grote stroom nodig, die in de orde van grootte van verschillende ampère kan zijn bij MHz- of GHz-frequenties. Deze stroom wordt alleen verbruikt als de ingang van status moet veranderen, in tegenstelling tot TTL waar de biasstroom aanwezig moet zijn bij het signaal.
Als het op outputs aankomt, hebben CMOS en TTL hun eigen voor- en nadelen. TTL-uitgangen zijn totempaal of pullups. Met totempaal kan de uitgang alleen binnen 0,5V van de rails zwaaien. De uitgangsstromen zijn echter veel hoger dan die van hun CMOS-tegenhangers. Ondertussen kunnen CMOS-uitgangen, die kunnen worden vergeleken met spanningsgestuurde weerstanden, worden uitgevoerd binnen millivolt van de voedingsrails, afhankelijk van de belasting. De uitgangsstromen zijn echter beperkt, vaak nauwelijks genoeg om een paar leds aan te sturen.
Dankzij hun kleinere stroomvereisten leent CMOS-logica zich uitstekend voor miniaturisatie, waarbij miljoenen transistors in een klein gebied kunnen worden verpakt zonder dat de stroomvereiste onpraktisch hoog is.
Een ander belangrijk voordeel dat TTL ten opzichte van CMOS heeft, is de robuustheid. Veldeffecttransistors zijn afhankelijk van een dunne siliciumoxidelaag tussen de poort en het kanaal om te zorgen voor isolatie daartussen. Deze oxidelaag is nanometer dik en heeft een zeer kleine doorslagspanning, die zelfs bij krachtige FET's zelden hoger is dan 20V. Dit maakt CMOS erg gevoelig voor elektrostatische ontlading en overspanning. Als de ingangen zweven, accumuleren ze langzaam lading en veroorzaken ze onechte veranderingen in de uitgangstoestand, daarom worden CMOS-ingangen meestal omhoog, omlaag of geaard. TTL kent dit probleem grotendeels niet, aangezien de ingang een transistorbasis is, die meer als een diode werkt en minder gevoelig is voor ruis vanwege de lagere impedantie.
TTL OF CMOS? Wat is beter?
CMOS-logica heeft TTL op bijna alle manieren vervangen. Hoewel TTL-chips nog steeds beschikbaar zijn, heeft het geen echt voordeel om ze te gebruiken.
TTL-ingangsniveaus zijn echter enigszins gestandaardiseerd en veel logische ingangen zeggen nog steeds 'TTL-compatibel', dus het hebben van een CMOS die een TTL-uitgangstrap aanstuurt voor compatibiliteit is niet ongewoon. Over het algemeen is CMOS de duidelijke winnaar als het gaat om nut.
De TTL-logicafamilie gebruikt bipolaire transistors om logische functies uit te voeren en CMOS gebruikt veldeffecttransistors. CMOS verbruikt over het algemeen veel minder stroom, ondanks dat het gevoeliger is dan TTL. CMOS en TTL zijn niet echt uitwisselbaar, en met de beschikbaarheid van CMOS-chips met een laag vermogen is TTL-gebruik in moderne ontwerpen zeldzaam.