Potrebbe sorprendere sapere che il brevetto per un "transistor ad effetto di campo" è anteriore di almeno vent'anni alla creazione del transistor bipolare. Tuttavia, i transistor bipolari erano più veloci da prendere in considerazione commercialmente, con il primo chip fatto di transistor bipolari che apparve negli anni '60, con la tecnologia di produzione dei MOSFET perfezionata negli anni '80 e presto superando i loro cugini bipolari.
Dopo l'invenzione del transistor a punto di contatto nel 1947, le cose iniziarono a muoversi rapidamente. Per prima è arrivata l'invenzione del primo transistor bipolare nell'anno successivo. Poi, nel 1958, Jack Kilby inventò il primo circuito integrato che metteva più di un transistor sullo stesso die. Undici anni dopo, l'Apollo 11 atterrò sulla Luna, grazie al rivoluzionario Apollo Guidance Computer, il primo computer embedded al mondo. È stato realizzato utilizzando circuiti integrati primitivi a doppia porta NOR a tre ingressi, che consistevano in soli 3 transistor per porta.
Ciò ha dato origine alla popolare serie di chip logici TTL (Transistor-Transistor Logic), che sono stati costruiti utilizzando transistor bipolari. Questi chip funzionavano a 5 V e potevano funzionare a velocità fino a 25 MHz.
Questi lasciarono presto il posto alla logica del transistor bloccato Schottky, che aggiungeva un diodo Schottky attraverso la base e il collettore per prevenire la saturazione, che riduceva notevolmente la carica di stoccaggio e diminuiva i tempi di commutazione, che a sua volta diminuiva il ritardo di propagazione causato dalla carica di stoccaggio.
Un'altra serie di logica basata su transistor bipolari era la serie ECL (Emitter Coupled Logic) che funzionava con tensioni negative, operando essenzialmente "all'indietro" rispetto alle loro controparti TTL standard. ECL poteva funzionare fino a 500 MHz.
In questo periodo è stata introdotta la logica CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Utilizzava dispositivi sia a canale N che a canale P, da cui il nome complementare.
TTL VS CMOS: vantaggi e svantaggi
Il primo e di cui si parla di più è il consumo energetico: TTL consuma più energia del CMOS.
Questo è vero nel senso che un ingresso TTL è solo la base di un transistor bipolare, che ha bisogno di corrente per accenderlo. L'entità della corrente di ingresso dipende dal circuito interno, che scende fino a 1,6 mA. Questo diventa un problema quando molti ingressi TTL sono collegati a un'uscita TTL, che di solito è solo un resistore pullup o un transistor high-side piuttosto mal pilotato.
D'altra parte, i transistor CMOS sono ad effetto di campo, in altre parole, la presenza di un campo elettrico al gate è sufficiente per influenzare in conduzione il canale del semiconduttore. In teoria, non viene prelevata corrente, ad eccezione della piccola corrente di dispersione del cancello, che è spesso nell'ordine di pico- o nanoampere. Tuttavia, questo non vuol dire che lo stesso basso consumo di corrente sia vero anche per velocità più elevate. L'ingresso di un chip CMOS ha una certa capacità e quindi un tempo di salita finito. Per assicurarsi che il tempo di salita sia veloce ad alta frequenza, è necessaria una grande corrente, che può essere dell'ordine di diversi ampere alle frequenze MHz o GHz. Questa corrente viene consumata solo quando l'ingresso deve cambiare stato, a differenza del TTL dove la corrente di polarizzazione deve essere presente con il segnale.
Quando si tratta di output, CMOS e TTL hanno i loro vantaggi e svantaggi. Le uscite TTL sono totem o pullup. Con il totem pole, l'uscita può oscillare solo entro 0,5 V dai binari. Tuttavia, le correnti di uscita sono molto più elevate delle loro controparti CMOS. Nel frattempo, le uscite CMOS, che possono essere confrontate con resistori controllati in tensione, possono essere emesse entro millivolt dalle linee di alimentazione a seconda del carico. Tuttavia, le correnti di uscita sono limitate, spesso appena sufficienti per pilotare un paio di LED.
Grazie ai loro requisiti di corrente inferiori, la logica CMOS si presta molto bene alla miniaturizzazione, con milioni di transistor che possono essere imballati in una piccola area senza che i requisiti attuali siano poco elevati.
Un altro importante vantaggio che TTL ha rispetto a CMOS è la sua robustezza. I transistor ad effetto di campo dipendono da un sottile strato di ossido di silicio tra il gate e il canale per fornire l'isolamento tra di loro. Questo strato di ossido è spesso nanometri e ha una tensione di rottura molto piccola, che raramente supera i 20 V anche in FET ad alta potenza. Ciò rende CMOS molto suscettibile alle scariche elettrostatiche e alle sovratensioni. Se gli ingressi vengono lasciati fluttuanti, accumulano lentamente carica e causano cambiamenti spuri di stato dell'uscita, motivo per cui gli ingressi CMOS vengono solitamente tirati su, giù o messi a terra. TTL non soffre di questo problema per la maggior parte poiché l'ingresso è una base a transistor, che agisce più come un diodo ed è meno sensibile al rumore a causa della sua minore impedenza.
TTL O CMOS? Che è migliore?
La logica CMOS ha sostituito il TTL in quasi tutti i modi. Sebbene i chip TTL siano ancora disponibili, non vi è alcun reale vantaggio nell'usarli.
Tuttavia, i livelli di ingresso TTL sono in qualche modo standardizzati e molti ingressi logici dicono ancora "compatibile TTL", quindi avere un CMOS che pilota uno stadio di uscita TTL per compatibilità non è raro. Nel complesso CMOS è il chiaro vincitore quando si tratta di utilità.
La famiglia logica TTL utilizza transistor bipolari per eseguire funzioni logiche e CMOS utilizza transistor ad effetto di campo. CMOS generalmente consuma molta meno energia, nonostante sia più sensibile del TTL. CMOS e TTL non sono realmente intercambiabili e con la disponibilità di chip CMOS a bassa potenza, l'uso di TTL nei progetti moderni è raro.