Bir 'alan etkili transistör' patentinin bipolar transistörün yaratılmasından en az yirmi yıl önce olduğunu bilmek şaşırtıcı olabilir. Bununla birlikte, bipolar transistörler, 1960'larda ortaya çıkan bipolar transistörlerden yapılan ilk çip ile, 1980'lerde mükemmelleşen MOSFET üretim teknolojisiyle ve kısa süre sonra bipolar kuzenlerini sollayarak, ticari olarak daha hızlı yakalandı.
Nokta temaslı transistör 1947'de icat edildikten sonra, işler hızla hareket etmeye başladı. İlk olarak, ertesi yıl ilk bipolar transistörün icadı geldi. Sonra 1958'de Jack Kilby, aynı kalıba birden fazla transistör yerleştiren ilk entegre devreyi buldu. On bir yıl sonra Apollo 11, dünyanın ilk gömülü bilgisayarı olan devrim niteliğindeki Apollo Rehberlik Bilgisayarı sayesinde Ay'a indi. Kapı başına yalnızca 3 transistörden oluşan ilkel çift üç girişli NOR geçidi IC'leri kullanılarak yapıldı.
Bu, bipolar transistörler kullanılarak inşa edilen popüler TTL (Transistör-Transistör Mantığı) serisi mantık yongalarına yol açtı. Bu çipler 5V bitti ve 25MHz'e kadar hızlarda çalışabilirdi.
Bunlar kısa süre sonra yerini Schottky kenetlenmiş transistör mantığına bıraktı; bu, doygunluğu önlemek için taban ve toplayıcıya bir Schottky diyot ekledi; bu, depolama yükünü büyük ölçüde azalttı ve anahtarlama sürelerini düşürdü, bu da depolama yükünün neden olduğu yayılma gecikmesini azalttı.
Bipolar transistör tabanlı bir başka mantık serisi, negatif voltajlarda çalışan, esasen standart TTL muadillerine kıyasla 'geriye doğru' çalışan ECL (Emitter Coupled Logic) serisiydi, ECL 500MHz'e kadar çalışabilirdi.
Bu süre zarfında CMOS (Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletken) mantığı tanıtıldı. Hem N-kanal hem de P-kanal cihazlarını kullandı, dolayısıyla ad tamamlayıcı oldu.
TTL VS CMOS: Avantajlar ve Dezavantajlar
İlk ve en çok konuşulan güç tüketimidir - TTL, CMOS'tan daha fazla güç tüketir.
Bu, bir TTL girişinin, onu açmak için biraz akıma ihtiyaç duyan bir bipolar transistörün sadece tabanı olduğu anlamında doğrudur. Giriş akımının büyüklüğü, 1.6mA'ya kadar batan içerideki devreye bağlıdır. Bu, birçok TTL girişi bir TTL çıkışına bağlandığında bir sorun haline gelir, bu genellikle sadece bir çekme direnci veya oldukça zayıf bir şekilde çalıştırılan bir yüksek taraf transistörüdür.
Öte yandan, CMOS transistörler alan etkisidir, başka bir deyişle, kapıda bir elektrik alanın varlığı, yarı iletken kanalı iletime etkilemek için yeterlidir. Teorik olarak, kapının genellikle piko veya nanoamper sırasındaki küçük kaçak akımı dışında hiçbir akım çekilmez. Ancak bu, aynı düşük akım tüketiminin daha yüksek hızlar için bile doğru olduğu anlamına gelmez. Bir CMOS yongasının girişi bir miktar kapasitansa ve dolayısıyla sınırlı bir yükselme süresine sahiptir. Yükselme süresinin yüksek frekansta hızlı olduğundan emin olmak için, MHz veya GHz frekanslarında birkaç amper düzeyinde olabilen büyük bir akıma ihtiyaç vardır. Bu akım, öngerilim akımının sinyalle birlikte bulunması gereken TTL'nin aksine, yalnızca girişin durumunu değiştirmek zorunda kaldığında tüketilir.
Çıktılar söz konusu olduğunda, CMOS ve TTL'nin kendi avantajları ve dezavantajları vardır. TTL çıkışları totem direği veya pullups'tur. Totem direği ile çıkış, rayların yalnızca 0,5V'u dahilinde sallanabilir. Bununla birlikte, çıkış akımları CMOS muadillerinden çok daha yüksektir. Bu arada gerilim kontrollü dirençlerle karşılaştırılabilecek CMOS çıkışları yüke bağlı olarak besleme raylarının milivoltları içinde çıkış yapabilmektedir. Bununla birlikte, çıkış akımları sınırlıdır ve genellikle birkaç LED'i sürmek için zar zor yeterlidir.
Daha küçük güncel gereksinimleri sayesinde CMOS mantığı, milyonlarca transistörün mevcut gereksinim pratik olmayan bir şekilde yüksek olmadan küçük bir alana paketlenebilmesi ile minyatürleştirmeye çok iyi katkıda bulunur.
TTL'nin CMOS'a göre sahip olduğu bir diğer önemli avantaj sağlamlığıdır. Alan etkili transistörler, aralarında izolasyon sağlamak için kapı ile kanal arasında ince bir silikon oksit katmanına bağlıdır. Bu oksit tabakası nanometre kalınlığındadır ve çok küçük bir kırılma voltajına sahiptir, yüksek güçlü FET'lerde bile nadiren 20V'u aşar. Bu, CMOS'u elektrostatik boşalma ve aşırı gerilime karşı çok duyarlı hale getirir. Girişler yüzer halde bırakılırsa, yavaşça yük biriktirirler ve sahte çıkış durumu değişikliklerine neden olurlar, bu nedenle CMOS girişleri genellikle yukarı, aşağı veya topraklanır. Giriş, daha çok bir diyot gibi davranan ve düşük empedansı nedeniyle gürültüye daha az duyarlı olan bir transistör tabanı olduğundan, TTL bu sorunu büyük ölçüde yaşamaz.
TTL VEYA CMOS? Hangisi daha iyi?
CMOS mantığı neredeyse her şekilde TTL'nin yerini aldı. TTL çipleri hala mevcut olsa da, bunları kullanmanın gerçek bir avantajı yoktur.
Bununla birlikte, TTL giriş seviyeleri bir şekilde standartlaştırılmıştır ve birçok mantık girişi hala 'TTL uyumlu' diyor, bu nedenle uyumluluk için bir TTL çıkış aşaması süren bir CMOS'a sahip olmak nadir değildir. Genel olarak CMOS, yardımcı program söz konusu olduğunda açık ara kazanır.
TTL mantık ailesi, mantık işlevlerini gerçekleştirmek için bipolar transistörler kullanır ve CMOS, alan etkili transistörleri kullanır. CMOS, TTL'den daha hassas olmasına rağmen genellikle çok daha az güç tüketir. CMOS ve TTL gerçekten birbirinin yerine geçemez ve düşük güçlü CMOS yongalarının mevcudiyeti ile modern tasarımlarda TTL kullanımı nadirdir.