Varētu būt pārsteidzoši zināt, ka “lauka tranzistora” patents pirms bipolārā tranzistora izveides bija pirms vismaz divdesmit gadiem. Tomēr bipolāros tranzistorus komerciāli varēja ātrāk noķert, jo pirmā no bipolāriem tranzistoriem izgatavotā mikroshēma parādījās pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados, MOSFET ražošanas tehnoloģija tika pilnveidota 1980. gados un drīz vien apsteidza savus bipolāros brālēnus.
Pēc punktkontakta tranzistora izgudrošanas 1947. gadā viss sāka ātri kustēties. Vispirms tika izgudrots pirmais bipolārais tranzistors nākamajā gadā. Tad 1958. gadā Džeks Kilbijs nāca klajā ar pirmo integrēto shēmu, kas uz vienas un tās pašas formas uzlika vairāk nekā vienu tranzistoru. Vienpadsmit gadus vēlāk Apollo 11 nolaidās uz Mēness, pateicoties revolucionārajam Apollo Guidance Computer, kas bija pasaulē pirmais iegultais dators. Tas tika izgatavots, izmantojot primitīvas divējādas trīs ieejas NOR vārtu IC, kas sastāvēja tikai no 3 tranzistoriem uz vārtiem.
Tas radīja populāro loģisko mikroshēmu sēriju TTL (Transistor-Transistor Logic), kas tika konstruētas, izmantojot bipolārus tranzistorus. Šīs mikroshēmas darbojās ar 5 V un varēja darboties ar ātrumu līdz 25 MHz.
Drīz tie atdeva vietu Schottky iespīlētajam tranzistora loģikai, kas visā pamatnē un kolektorā pievienoja Schottky diode, lai novērstu piesātinājumu, kas ievērojami samazināja uzglabāšanas maksu un samazināja pārslēgšanās laiku, kas savukārt samazināja uzglabāšanas maksas izraisīto izplatīšanās kavēšanos.
Vēl viena uz bipolāriem uz tranzistoriem balstītas loģikas sērija bija ECL (Emitter Coupled Logic) sērija, kas darbojās ar negatīvu spriegumu, galvenokārt darbojoties “atpakaļ”, salīdzinot ar to standarta TTL kolēģiem, ECL varētu darboties līdz 500 MHz.
Ap šo laiku tika ieviesta CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) loģika. Tas izmantoja gan N-kanālu, gan P-kanālu ierīces, tāpēc nosaukums papildināja.
TTL VS CMOS: Priekšrocības un trūkumi
Pirmais un visvairāk apspriestais ir enerģijas patēriņš - TTL patērē vairāk enerģijas nekā CMOS.
Tas ir taisnība tādā ziņā, ka TTL ieeja ir tikai bipolārā tranzistora pamats, kura ieslēgšanai ir nepieciešama zināma strāva. Ievades strāvas lielums ir atkarīgs no iekšējās shēmas, noslīdot līdz 1,6 mA. Tas kļūst par problēmu, ja daudzas TTL ieejas ir savienotas ar vienu TTL izeju, kas parasti ir tikai pievilkšanas rezistors vai diezgan slikti darbināms augstas puses tranzistors.
No otras puses, CMOS tranzistori ir lauka efekti, citiem vārdiem sakot, elektriskā lauka klātbūtne pie vārtiem ir pietiekama, lai ietekmētu pusvadītāju kanālu vadībā. Teorētiski strāva netiek novilkta, izņemot vārtu mazo noplūdes strāvu, kas bieži ir piko vai nanoampu secībā. Tomēr tas nenozīmē, ka tāds pats zems strāvas patēriņš ir pat lielākiem ātrumiem. CMOS mikroshēmas ievadam ir zināma kapacitāte un līdz ar to ierobežots pieauguma laiks. Lai pārliecinātos, ka paaugstināšanās laiks ir ātrs augstā frekvencē, nepieciešama liela strāva, kas var būt vairāku ampēru secībā pie MHz vai GHz frekvencēm. Šī strāva tiek patērēta tikai tad, ja ieejai ir jāmaina stāvoklis, atšķirībā no TTL, kur signālam jābūt neobjektīvajai strāvai.
Runājot par rezultātiem, CMOS un TTL ir savas priekšrocības un trūkumi. TTL izejas ir vai nu totēma stabs, vai izvilkums. Izmantojot totēma stabu, izeja var šūpoties tikai 0,5 V robežās no sliedēm. Tomēr izejas strāvas ir daudz lielākas nekā to CMOS kolēģiem. Tikmēr CMOS izejas, kuras var salīdzināt ar sprieguma kontrolētiem rezistoriem, atkarībā no slodzes var izvadīt milivoltos no barošanas sliedēm. Tomēr izejas strāvas ir ierobežotas, bieži vien ar knapi pietiek, lai vadītu pāris gaismas diodes.
Pateicoties to mazākajām pašreizējām prasībām, CMOS loģika ir ļoti piemērota miniaturizācijai, jo miljoniem tranzistoru ir iespējams iesaiņot nelielā platībā, un pašreizējās prasības nav nepraktiski augstas.
Vēl viena svarīga TTL priekšrocība salīdzinājumā ar CMOS ir tā izturība. Lauka efekta tranzistori ir atkarīgi no plāna silīcija oksīda slāņa starp vārtiem un kanālu, lai nodrošinātu izolāciju starp tiem. Šis oksīda slānis ir nanometru biezs, un tam ir ļoti mazs sadalīšanās spriegums, kas reti pārsniedz 20 V pat lieljaudas FET. Tas padara CMOS ļoti uzņēmīgu pret elektrostatisko izlādi un pārspriegumu. Ja ieejas tiek atstātas peldošas, tās lēnām uzkrāj lādiņu un izraisa nepareizas izejas stāvokļa izmaiņas, tāpēc CMOS ieejas parasti tiek uzvilktas, uz leju vai iezemētas. TTL lielākoties necieš šo problēmu, jo ieeja ir tranzistora bāze, kas darbojas vairāk kā diode un ir mazāk jutīga pret troksni zemākas pretestības dēļ.
TTL VAI CMOS? Kurš ir labāks?
CMOS loģika gandrīz visos veidos ir aizstājusi TTL. Kaut arī TTL mikroshēmas joprojām ir pieejamas, to izmantošanā nav reālu priekšrocību.
Tomēr TTL ievades līmeņi ir nedaudz standartizēti, un daudzās loģiskajās ieejās joprojām teikts “saderīgs ar TTL”, tāpēc CMOS vadīšana, lai saderība būtu TTL izvades pakāpe, nav nekas neparasts. Kopumā CMOS ir skaidrs ieguvējs, kad runa ir par lietderību.
TTL loģikas saime izmanto bipolārus tranzistorus, lai veiktu loģikas funkcijas, un CMOS izmanto lauka tranzistorus. CMOS parasti patērē daudz mazāk enerģijas, neskatoties uz to, ka tā ir jutīgāka nekā TTL. CMOS un TTL nav īsti savstarpēji aizstājami, un, ja ir pieejamas mazjaudas CMOS mikroshēmas, TTL izmantošana mūsdienu dizainā ir reta.