Lógica PMOS

La lógica PMOS o pMOS (de p-channel metal–oxide–semiconductor ) es una familia de circuitos digitales basados ​​en transistores de efecto de campo de metal–óxido–semiconductor (MOSFET) de canal p y modo de mejora . A finales de los años 1960 y principios de los años 1970, la lógica PMOS era la tecnología de semiconductores dominante para circuitos integrados a gran escala antes de ser reemplazada por los dispositivos NMOS y CMOS .

Mohamed Atalla y Dawon Kahng fabricaron el primer MOSFET funcional en Bell Labs en 1959. ^[1] Fabricaron dispositivos PMOS y NMOS, pero solo los dispositivos PMOS funcionaban. ^[2] Pasaría más de una década antes de que los contaminantes en el proceso de fabricación (en particular el sodio) pudieran controlarse lo suficientemente bien como para fabricar dispositivos NMOS prácticos.

En comparación con el transistor de unión bipolar , el único otro dispositivo disponible en ese momento para su uso en un circuito integrado , el MOSFET ofrece una serie de ventajas:

• Dados los procesos de fabricación de dispositivos semiconductores de precisión similar, un MOSFET requiere solo el 10% del área de un transistor de unión bipolar. ^{[3] : 87} La razón principal es que el MOSFET es autoaislante y no requiere aislamiento de la unión p–n de los componentes vecinos en el chip.
• Un MOSFET requiere menos pasos de proceso y, por lo tanto, es más simple y más barato de fabricar (un paso de dopaje por difusión ^{[3] : 87} en comparación con cuatro para un proceso bipolar ^{[3] : 50} ).
• Dado que no existe una corriente de compuerta estática para un MOSFET, el consumo de energía de un circuito integrado basado en MOSFET puede ser menor.

Las desventajas respecto a los circuitos integrados bipolares eran:

• La velocidad de conmutación fue considerablemente menor debido a las grandes capacitancias de la compuerta .
• El alto voltaje de umbral de los primeros MOSFET condujo a un voltaje de suministro de energía mínimo más alto (-24 V a -28 V ^[4] ).

General Microelectronics introdujo el primer circuito PMOS comercial en 1964, un registro de desplazamiento de 20 bits con 120 MOSFET, en aquel momento un nivel de integración increíble. ^[5] El intento de General Microelectronics en 1965 de desarrollar un conjunto de 23 circuitos integrados personalizados para una calculadora electrónica para Victor Comptometer ^[5] resultó ser demasiado ambicioso dada la fiabilidad de los circuitos PMOS en aquel momento y, en última instancia, condujo a la desaparición de General Microelectronics. ^[6] Otras empresas siguieron fabricando circuitos PMOS como grandes registros de desplazamiento ( General Instrument ) ^{[7] o el} multiplexor analógico 3705 ( Fairchild Semiconductor ) ^[8] que no eran factibles en las tecnologías bipolares de la época.

Una mejora importante llegó con la introducción de la tecnología de compuerta autoalineada de polisilicio en 1968. ^[9] Tom Klein y Federico Faggin en Fairchild Semiconductor mejoraron el proceso de compuerta autoalineada para hacerlo comercialmente viable, lo que resultó en el lanzamiento del multiplexor analógico 3708 como el primer circuito integrado de compuerta de silicio. ^[9] El proceso de compuerta autoalineada permitió tolerancias de fabricación más estrictas y, por lo tanto, MOSFET más pequeños y capacitancias de compuerta reducidas y consistentes. Por ejemplo, para las memorias PMOS, esta tecnología proporcionó de tres a cinco veces la velocidad en la mitad del área del chip. ^[9] El material de compuerta de polisilicio no solo hizo posible la compuerta autoalineada, sino que también resultó en un voltaje de umbral reducido y, en consecuencia, en un voltaje de suministro de energía mínimo más bajo (por ejemplo, -16 V ^{[10] : 1–13} ), lo que redujo el consumo de energía. Debido al menor voltaje de suministro de energía, la lógica PMOS de compuerta de silicio a menudo se conoce como PMOS de bajo voltaje en contraste con los PMOS de compuerta de metal más antiguos como PMOS de alto voltaje . ^{[3] : 89}

Por diversas razones, Fairchild Semiconductor no procedió con el desarrollo de circuitos integrados PMOS tan intensamente como querían los gerentes involucrados. ^{[11] : 1302} Dos de ellos, Gordon Moore y Robert Noyce , decidieron en 1968 fundar su propia empresa: Intel . Poco después se les unieron otros ingenieros de Fairchild, incluidos Federico Faggin y Les Vadasz . Intel presentó su primera memoria de acceso aleatorio estática PMOS con una capacidad de 256 bits, el Intel 1101, en 1969. ^{[11] : 1303} La memoria de acceso aleatorio dinámica de 1024 bits Intel 1103 le siguió en 1970. ^[12] El 1103 fue un éxito comercial y rápidamente comenzó a reemplazar la memoria de núcleo magnético en las computadoras. ^{[12] Intel presentó su primer} microprocesador PMOS , el Intel 4004 , en 1971. Varias empresas siguieron el ejemplo de Intel. La mayoría de los primeros microprocesadores se fabricaron con tecnología PMOS: 4040 y 8008 de Intel; IMP-16 , PACE y SC/MP de National Semiconductor ; TMS1000 de Texas Instruments ; PPS-4 ^[13] y PPS-8 ^[14] de Rockwell International . Hay varias primicias comerciales en esta lista de microprocesadores: el primer microprocesador de 4 bits (4004), el primer microprocesador de 8 bits (8008), el primer microprocesador de 16 bits en un solo chip (PACE) y el primer microcontrolador de 4 bits en un solo chip (TMS1000; RAM y ROM en el mismo chip que la CPU ).

En 1972, la tecnología NMOS se había desarrollado finalmente hasta el punto en que podía utilizarse en productos comerciales. Tanto Intel (con el 2102) ^[15] como IBM ^[12] introdujeron chips de memoria de 1 kbit. Como la movilidad de los electrones en el canal de tipo n de los MOSFET NMOS es aproximadamente tres veces mayor que la movilidad de los huecos en el canal de tipo p de los MOSFET PMOS, la lógica NMOS permite una mayor velocidad de conmutación. Por esta razón, la lógica NMOS comenzó rápidamente a reemplazar a la lógica PMOS. A fines de la década de 1970, los microprocesadores NMOS habían superado a los procesadores PMOS. ^[16] La lógica PMOS se mantuvo en uso durante un tiempo debido a su bajo costo y su nivel relativamente alto de integración para aplicaciones como calculadoras y relojes simples. La tecnología CMOS prometía un consumo de energía drásticamente menor que PMOS o NMOS. Aunque Frank Wanlass ^[17] ya había propuesto un circuito CMOS en 1963 y los circuitos integrados CMOS de la serie 4000 comerciales habían entrado en producción en 1968, los CMOS seguían siendo complejos de fabricar y no permitían el nivel de integración de los PMOS o NMOS ni la velocidad de estos últimos. No fue hasta la década de 1980 que los CMOS reemplazaron a los NMOS como tecnología principal para los microprocesadores.

Los circuitos PMOS presentan una serie de desventajas en comparación con las alternativas NMOS y CMOS , entre ellas, la necesidad de varios voltajes de suministro diferentes (tanto positivos como negativos), una alta disipación de potencia en el estado de conducción y características relativamente grandes. Además, la velocidad de conmutación general es menor.

Los transistores PMOS utilizan transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET) de canal p (+) para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales . Los transistores PMOS funcionan creando una capa de inversión en el cuerpo de un transistor de tipo n . Esta capa de inversión, llamada canal p, puede conducir huecos entre los terminales de "fuente" y "drenaje" de tipo p .

El canal p se crea aplicando un voltaje negativo (-25 V era común ^[18] ) al tercer terminal, llamado compuerta. Al igual que otros MOSFET, los transistores PMOS tienen cuatro modos de funcionamiento: corte (o subumbral), triodo, saturación (a veces llamado activo) y saturación de velocidad.

Si bien la lógica PMOS es fácil de diseñar y fabricar (se puede hacer que un MOSFET funcione como una resistencia, por lo que todo el circuito se puede hacer con FET PMOS), también tiene varias deficiencias. El peor problema es que hay una corriente continua (CC) a través de una compuerta lógica PMOS cuando la llamada "red pull-up" (PUN) está activa, es decir, siempre que la salida es alta, lo que provoca una disipación de potencia estática incluso cuando el circuito permanece inactivo.

Además, los circuitos PMOS tardan más en pasar de alto a bajo. Al pasar de bajo a alto, los transistores ofrecen una resistencia baja y la carga capacitiva en la salida se acumula muy rápidamente (similar a cargar un condensador a través de una resistencia muy baja). Pero la resistencia entre la salida y el riel de alimentación negativo es mucho mayor, por lo que la transición de alto a bajo lleva más tiempo (similar a la descarga de un condensador a través de una resistencia alta). El uso de una resistencia de menor valor acelerará el proceso, pero también aumentará la disipación de potencia estática.

Además, los niveles lógicos de entrada asimétricos hacen que los circuitos PMOS sean susceptibles al ruido. ^[19]

La mayoría de los circuitos integrados PMOS requieren una fuente de alimentación de 17-24 voltios CC. ^[20] Sin embargo, el microprocesador Intel 4004 PMOS utiliza lógica PMOS con polisilicio en lugar de compuertas metálicas, lo que permite un diferencial de voltaje menor. Para compatibilidad con señales TTL , el 4004 utiliza una tensión de alimentación positiva V _SS = +5 V y una tensión de alimentación negativa V _DD = -10 V. ^[21]

Los MOSFET de tipo p están dispuestos en una denominada "red pull-up" (PUN) entre la salida de la compuerta lógica y la tensión de alimentación positiva, mientras que se coloca una resistencia entre la salida de la compuerta lógica y la tensión de alimentación negativa. El circuito está diseñado de tal manera que si la salida deseada es alta, la PUN estará activa, creando una ruta de corriente entre la alimentación positiva y la salida.

Las puertas PMOS tienen la misma disposición que las puertas NMOS si se invierten todos los voltajes. ^[22] Por lo tanto, para la lógica activa alta, las leyes de De Morgan muestran que una puerta PMOS NOR tiene la misma estructura que una puerta NMOS NAND y viceversa.

• Savard, John JG (2018) [2005]. "De qué están hechas las computadoras". quadibloc . Archivado desde el original el 2018-07-02 . Consultado el 2018-07-16 .