Może być zaskakujące wiedzieć, że patent na „tranzystor polowy” poprzedzał powstanie tranzystora bipolarnego o co najmniej dwadzieścia lat. Jednak tranzystory bipolarne szybciej się przyjęły na rynku, a pierwszy chip wykonany z tranzystorów bipolarnych pojawił się w latach sześćdziesiątych, a technologia produkcji MOSFET została udoskonalona w latach osiemdziesiątych i wkrótce wyprzedziła swoich bipolarnych kuzynów.
Po wynalezieniu tranzystora ze stykiem punktowym w 1947 r. Sytuacja zaczęła się szybko toczyć. Po raz pierwszy w następnym roku przyszedł czas na wynalezienie pierwszego tranzystora bipolarnego. Następnie w 1958 roku Jack Kilby wymyślił pierwszy układ scalony, w którym na tej samej matrycy zastosowano więcej niż jeden tranzystor. Jedenaście lat później Apollo 11 wylądował na Księżycu dzięki rewolucyjnemu komputerowi nawigacyjnemu Apollo, który był pierwszym na świecie wbudowanym komputerem. Został wykonany przy użyciu prymitywnych układów scalonych z podwójną, trójwejściową bramką NOR, które zawierały zaledwie 3 tranzystory na bramkę.
Dało to początek popularnej serii chipów logicznych TTL (Transistor-Transistor Logic), które zostały skonstruowane przy użyciu tranzystorów bipolarnych. Te układy pobierały napięcie 5 V i mogły działać z prędkością do 25 MHz.
Szybko ustąpiły one miejsca logice tranzystorowej Schottky'ego, która dodała diodę Schottky'ego na podstawie i kolektorze, aby zapobiec nasyceniu, co znacznie zmniejszyło ładunek pamięci i skróciło czasy przełączania, co z kolei zmniejszyło opóźnienie propagacji spowodowane przez ładunek magazynujący.
Inną serią logiki opartej na tranzystorach bipolarnych była seria ECL (logika sprzężona z emiterami), która działała na napięciach ujemnych, zasadniczo działając „wstecz” w porównaniu do ich standardowych odpowiedników TTL ECL może pracować z częstotliwością do 500 MHz.
Mniej więcej w tym czasie wprowadzono logikę CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Używał zarówno urządzeń z kanałem N, jak i z kanałem P, stąd nazwa komplementarna.
TTL VS CMOS: zalety i wady
Pierwszym i najczęściej omawianym jest zużycie energii - TTL zużywa więcej energii niż CMOS.
Jest to prawdą w tym sensie, że wejście TTL jest tylko podstawą tranzystora bipolarnego, który potrzebuje prądu, aby go włączyć. Wielkość prądu wejściowego zależy od wewnętrznych obwodów i spada do 1,6 mA. Staje się to problemem, gdy wiele wejść TTL jest podłączonych do jednego wyjścia TTL, które zwykle jest po prostu rezystorem podciągającym lub raczej słabo napędzanym tranzystorem strony wysokiej.
Z drugiej strony tranzystory CMOS są polem, innymi słowy, obecność pola elektrycznego na bramce wystarczy, aby wpłynąć na kanał półprzewodnikowy na przewodzenie. Teoretycznie nie jest pobierany żaden prąd, z wyjątkiem małego prądu upływu bramki, który często jest rzędu piko- lub nanoamperów. Nie oznacza to jednak, że ten sam niski pobór prądu jest prawdziwy nawet dla wyższych prędkości. Wejście układu CMOS ma pewną pojemność, a zatem skończony czas narastania. Aby mieć pewność, że czas narastania jest szybki przy wysokich częstotliwościach, potrzebny jest duży prąd, który może być rzędu kilku amperów przy częstotliwościach MHz lub GHz. Ten prąd jest pobierany tylko wtedy, gdy wejście musi zmienić stan, w przeciwieństwie do TTL, gdzie prąd polaryzacji musi być obecny z sygnałem.
Jeśli chodzi o wyjścia, CMOS i TTL mają swoje zalety i wady. Wyjścia TTL są albo biegunami totemu, albo podciągnięciami. W przypadku totemu wyjście może wychylać się tylko w granicach 0,5 V od szyn. Jednak prądy wyjściowe są znacznie wyższe niż ich odpowiedniki CMOS. Tymczasem wyjścia CMOS, które można porównać z rezystorami sterowanymi napięciem, mogą wyprowadzać w miliwoltach szyn zasilających w zależności od obciążenia. Jednak prądy wyjściowe są ograniczone, często ledwo wystarczające do wysterowania kilku diod LED.
Dzięki mniejszym wymaganiom prądowym, logika CMOS bardzo dobrze nadaje się do miniaturyzacji, z milionami tranzystorów, które można upakować na małym obszarze bez niepraktycznie wysokich wymagań.
Kolejną ważną zaletą TTL w porównaniu z CMOS jest jego wytrzymałość. Tranzystory polowe zależą od cienkiej warstwy tlenku krzemu między bramką a kanałem, aby zapewnić izolację między nimi. Ta warstwa tlenku ma grubość nanometrów i ma bardzo małe napięcie przebicia, rzadko przekraczające 20 V, nawet w tranzystorach FET o dużej mocy. To sprawia, że CMOS jest bardzo podatny na wyładowania elektrostatyczne i przepięcia. Jeśli wejścia pozostaną pływające, powoli akumulują ładunek i powodują fałszywe zmiany stanu wyjścia, dlatego wejścia CMOS są zwykle podciągane, obniżane lub uziemione. TTL nie ma tego problemu w przeważającej części, ponieważ wejście jest bazą tranzystora, która działa bardziej jak dioda i jest mniej wrażliwa na szum z powodu swojej niższej impedancji.
TTL CZY CMOS? Co jest lepsze?
Logika CMOS niemal pod każdym względem wyparła TTL. Chociaż chipy TTL są nadal dostępne, ich używanie nie daje żadnych korzyści.
Jednak poziomy wejściowe TTL są w pewnym stopniu znormalizowane, a wiele wejść logicznych nadal mówi o „zgodności z TTL”, więc posiadanie CMOS sterującego stopniem wyjściowym TTL w celu zapewnienia zgodności nie jest rzadkością. Ogólnie CMOS jest wyraźnym zwycięzcą, jeśli chodzi o użyteczność.
Rodzina układów logicznych TTL wykorzystuje tranzystory bipolarne do wykonywania funkcji logicznych, a CMOS wykorzystuje tranzystory polowe. CMOS generalnie zużywa znacznie mniej energii, mimo że jest bardziej czuły niż TTL. CMOS i TTL nie są tak naprawdę zamienne, a dzięki dostępności chipów CMOS małej mocy, użycie TTL w nowoczesnych projektach jest rzadkie.