Es könnte überraschend sein zu wissen, dass das Patent für einen "Feldeffekttransistor" mindestens zwanzig Jahre vor der Herstellung des Bipolartransistors lag. Bipolartransistoren haben sich jedoch im Handel schneller durchgesetzt. Der erste Chip aus Bipolartransistoren erschien in den 1960er Jahren. Die MOSFET-Herstellungstechnologie wurde in den 1980er Jahren perfektioniert und überholte bald ihre bipolaren Verwandten.
Nachdem der Punktkontakttransistor 1947 erfunden wurde, begannen sich die Dinge schnell zu bewegen. Zum ersten Mal wurde im folgenden Jahr der erste Bipolartransistor erfunden. Dann, im Jahr 1958, entwickelte Jack Kilby die erste integrierte Schaltung, bei der mehr als ein Transistor auf demselben Chip angeordnet war. Elf Jahre später landete Apollo 11 dank des revolutionären Apollo Guidance Computer, dem weltweit ersten eingebetteten Computer, auf dem Mond. Es wurde unter Verwendung primitiver Doppel-NOR-Gate-ICs mit drei Eingängen hergestellt, die lediglich aus 3 Transistoren pro Gate bestanden.
Dies führte zur beliebten TTL-Reihe (Transistor-Transistor Logic) von Logikchips, die unter Verwendung von Bipolartransistoren konstruiert wurden. Diese Chips wurden mit 5 V betrieben und konnten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 25 MHz betrieben werden.
Diese machten bald der Schottky-geklemmten Transistorlogik Platz, die eine Schottky-Diode über der Basis und dem Kollektor hinzufügte, um eine Sättigung zu verhindern, was die Speicherladung stark reduzierte und die Schaltzeiten verkürzte, was wiederum die durch die Speicherladung verursachte Ausbreitungsverzögerung verringerte.
Eine weitere Serie von auf Bipolartransistoren basierender Logik war die ECL- Serie (Emitter Coupled Logic), die mit negativen Spannungen betrieben wurde und im Vergleich zu ihren Standard-TTL-Gegenstücken, bei denen ECL bis zu 500 MHz laufen konnte, im Wesentlichen "rückwärts" arbeitete.
Um diese Zeit wurde die CMOS- Logik (Complementary Metal Oxide Semiconductor) eingeführt. Es wurden sowohl N-Kanal- als auch P-Kanal-Geräte verwendet, daher der Name komplementär.
TTL VS CMOS: Vor- und Nachteile
Der erste und am meisten diskutierte ist der Stromverbrauch - TTL verbraucht mehr Strom als CMOS.
Dies gilt in dem Sinne, dass ein TTL-Eingang nur die Basis eines Bipolartransistors ist, der zum Einschalten etwas Strom benötigt. Die Größe des Eingangsstroms hängt von der Schaltung im Inneren ab und sinkt auf 1,6 mA. Dies wird zu einem Problem, wenn viele TTL-Eingänge mit einem TTL-Ausgang verbunden sind, bei dem es sich normalerweise nur um einen Pullup-Widerstand oder einen eher schlecht angesteuerten High-Side-Transistor handelt.
Andererseits sind CMOS-Transistoren Feldeffekt, mit anderen Worten, das Vorhandensein eines elektrischen Feldes am Gate reicht aus, um den Halbleiterkanal in die Leitung zu beeinflussen. Theoretisch wird kein Strom gezogen, mit Ausnahme des kleinen Leckstroms des Gates, der häufig in der Größenordnung von Pico- oder Nanoampere liegt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass der gleiche niedrige Stromverbrauch auch für höhere Geschwindigkeiten gilt. Der Eingang eines CMOS-Chips hat eine gewisse Kapazität und daher eine endliche Anstiegszeit. Um sicherzustellen, dass die Anstiegszeit bei hohen Frequenzen schnell ist, wird ein großer Strom benötigt, der bei MHz- oder GHz-Frequenzen in der Größenordnung von mehreren Ampere liegen kann. Dieser Strom wird nur verbraucht, wenn der Eingang seinen Zustand ändern muss, im Gegensatz zu TTL, wo der Vorspannungsstrom mit dem Signal vorhanden sein muss.
Bei den Ausgängen haben CMOS und TTL ihre eigenen Vor- und Nachteile. TTL-Ausgänge sind entweder Totempfahl oder Klimmzüge. Mit Totempfahl kann der Ausgang nur innerhalb von 0,5 V von den Schienen schwingen. Die Ausgangsströme sind jedoch viel höher als ihre CMOS-Gegenstücke. Währenddessen können CMOS-Ausgänge, die mit spannungsgesteuerten Widerständen verglichen werden können, abhängig von der Last innerhalb von Millivolt von den Versorgungsschienen ausgegeben werden. Die Ausgangsströme sind jedoch begrenzt und reichen oft kaum aus, um ein paar LEDs anzusteuern.
Aufgrund ihres geringeren Strombedarfs eignet sich die CMOS-Logik sehr gut für die Miniaturisierung, da Millionen von Transistoren auf kleinem Raum gepackt werden können, ohne dass der Strombedarf unpraktisch hoch ist.
Ein weiterer wichtiger Vorteil von TTL gegenüber CMOS ist seine Robustheit. Feldeffekttransistoren hängen von einer dünnen Siliziumoxidschicht zwischen dem Gate und dem Kanal ab, um eine Isolation zwischen ihnen bereitzustellen. Diese Oxidschicht ist Nanometer dick und hat eine sehr kleine Durchbruchspannung, die selbst in Hochleistungs-FETs selten 20 V überschreitet. Dies macht CMOS sehr anfällig für elektrostatische Entladung und Überspannung. Wenn die Eingänge schwebend bleiben, akkumulieren sie langsam Ladung und verursachen störende Änderungen des Ausgangszustands, weshalb CMOS-Eingänge normalerweise nach oben, unten oder geerdet gezogen werden. TTL leidet dieses Problem größtenteils nicht, da der Eingang eine Transistorbasis ist, die eher wie eine Diode wirkt und aufgrund ihrer niedrigeren Impedanz weniger rauschempfindlich ist.
TTL ODER CMOS? Welches ist besser?
Die CMOS-Logik hat TTL in fast jeder Hinsicht abgelöst. Obwohl TTL-Chips noch verfügbar sind, gibt es keinen wirklichen Vorteil bei der Verwendung.
Die TTL-Eingangspegel sind jedoch etwas standardisiert, und viele Logikeingänge sagen immer noch "TTL-kompatibel". Daher ist es nicht ungewöhnlich, dass ein CMOS eine TTL-Ausgangsstufe aus Kompatibilitätsgründen ansteuert. Insgesamt ist CMOS der klare Gewinner, wenn es um Nützlichkeit geht.
Die TTL-Logikfamilie verwendet Bipolartransistoren, um Logikfunktionen auszuführen, und CMOS verwendet Feldeffekttransistoren. CMOS verbraucht im Allgemeinen viel weniger Strom, obwohl es empfindlicher als TTL ist. CMOS und TTL sind nicht wirklich austauschbar, und mit der Verfügbarkeit von CMOS-Chips mit geringem Stromverbrauch ist die Verwendung von TTL in modernen Designs selten.