منطق NMOS الناتج عن استنزاف الأحمال

في الدوائر المتكاملة ، تعد دوائر NMOS ذات الحمل المستنفذ شكلاً من أشكال عائلة المنطق الرقمي التي تستخدم جهد مصدر طاقة واحد فقط، على عكس عائلات المنطق NMOS ( أشباه الموصلات المعدنية من النوع n ) السابقة التي كانت تحتاج إلى أكثر من جهد مصدر طاقة مختلف. وعلى الرغم من أن تصنيع هذه الدوائر المتكاملة يتطلب خطوات معالجة إضافية، فإن تحسين سرعة التبديل والتخلص من مصدر الطاقة الإضافي جعل هذه العائلة المنطقية الخيار المفضل للعديد من المعالجات الدقيقة وعناصر المنطق الأخرى.

تسمح ترانزستورات MOSFET من النوع n ذات وضع الاستنفاد بالعمل بجهد واحد وتحقيق سرعة أكبر مما يمكن تحقيقه باستخدام أجهزة تعزيز الحمل الصرفة. ويرجع هذا جزئيًا إلى أن ترانزستورات MOSFET ذات وضع الاستنفاد يمكن أن تكون تقريب مصدر تيار أفضل من ترانزستور وضع التعزيز الأبسط، وخاصةً عندما لا يتوفر جهد إضافي (أحد الأسباب التي جعلت رقائق PMOS وNMOS المبكرة تتطلب عدة فولتات).

تطلب إدراج ترانزستورات NMOS ذات وضع الاستنفاد في عملية التصنيع خطوات تصنيع إضافية مقارنة بدوائر تعزيز الحمل الأبسط؛ وذلك لأن أجهزة حمل الاستنفاد تتشكل عن طريق زيادة كمية الشوائب في منطقة قناة ترانزستورات الحمل، من أجل ضبط جهد العتبة الخاص بها . يتم تنفيذ ذلك عادةً باستخدام زرع الأيونات .

على الرغم من أن عملية CMOS حلت محل معظم تصميمات NMOS خلال الثمانينيات، إلا أن بعض تصميمات NMOS ذات الأحمال المستنفدة لا تزال تُنتج، عادةً بالتوازي مع نظيراتها من CMOS الأحدث. ومن الأمثلة على ذلك Z84015 [ ^1] وZ84C15. ^[2]

تم تطوير النوعين الأصليين من بوابات منطق MOSFET، PMOS و NMOS ، بواسطة Frosch و Derick في عام 1957 في مختبرات Bell. ^[3] بعد هذا البحث، اقترح Atalla و Kahng إثبات جهاز MOS عامل مع فريق Bell Labs الخاص بهم في عام 1960. ^{[4] [5]} شمل فريقهم EE LaBate و EI Povilonis الذين صنعوا الجهاز؛ MO Thurston و LA D'Asaro و JR Ligenza الذين طوروا عمليات الانتشار، و HK Gummel و R. Lindner الذين وصفوا الجهاز. ^[6] ومع ذلك، كانت أجهزة NMOS غير عملية، وكان نوع PMOS فقط هو الأجهزة العملية العاملة. ^[7]

في عام 1965، صنع تشيه تانج ساه وأوتو ليستيكو وأس جروف في شركة فيرتشايلد سيميكوندكتور العديد من أجهزة NMOS بأطوال قنوات تتراوح بين 8  ميكرومتر و65  ميكرومتر. ^[8] كما صنع ديل إل كريتشلو وروبرت إتش دينارد في شركة آي بي إم أجهزة NMOS في الستينيات. كان أول منتج من منتجات آي بي إم NMOS عبارة عن شريحة ذاكرة بسعة بيانات 1 كيلو بايت ووقت وصول 50-100 نانوثانية ، والتي دخلت التصنيع على نطاق واسع في أوائل السبعينيات. أدى هذا إلى استبدال ذاكرة أشباه الموصلات MOS بتقنيات الذاكرة ثنائية القطب ونواة الفريت السابقة في السبعينيات. ^[9] 

في أواخر الستينيات، كانت ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب أسرع من ترانزستورات MOS (قناة p) المستخدمة آنذاك وكانت أكثر موثوقية، لكنها استهلكت أيضًا قدرًا أكبر من الطاقة، وتطلبت مساحة أكبر، وطالبت بعملية تصنيع أكثر تعقيدًا. اعتُبرت دوائر MOS المتكاملة مثيرة للاهتمام ولكنها غير كافية لتحل محل الدوائر ثنائية القطب السريعة في أي شيء باستثناء الأسواق المتخصصة، مثل تطبيقات الطاقة المنخفضة. كان أحد أسباب السرعة المنخفضة هو أن ترانزستورات MOS بها بوابات مصنوعة من الألومنيوم مما أدى إلى سعات طفيلية كبيرة باستخدام عمليات التصنيع في ذلك الوقت. كان إدخال الترانزستورات ذات بوابات السيليكون متعدد البلورات (التي أصبحت المعيار الفعلي من منتصف السبعينيات إلى أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين) خطوة أولى مهمة من أجل تقليل هذا العائق. تم تقديم ترانزستور بوابة السيليكون ذاتية المحاذاة الجديد هذا بواسطة Federico Faggin في Fairchild Semiconductor في أوائل عام 1968؛ كان ذلك بمثابة تحسين (وأول تطبيق عملي) لأفكار وعمل جون سي ساراس وتوم كلاين وروبرت دبليو باور (حوالي 1966-1967) لترانزستور بسعات طفيلية أقل يمكن تصنيعها كجزء من دائرة متكاملة (وليس فقط كمكون منفصل ). كان هذا النوع الجديد من ترانزستور pMOS أسرع بمقدار 3-5 مرات (لكل واط) من ترانزستور pMOS ذي البوابة الألومنيومية، وكان يحتاج إلى مساحة أقل، وكان تسربه أقل بكثير وموثوقيته أعلى. في نفس العام، بنى فاجين أيضًا أول دائرة متكاملة باستخدام نوع الترانزستور الجديد، فيرتشايلد 3708 ( مضاعف تناظري 8 بت مع فك تشفير )، والذي أظهر أداءً محسنًا بشكل كبير على نظيره ذي البوابة المعدنية. في أقل من 10 سنوات، حل ترانزستور MOS ذو البوابة السيليكونية محل الدوائر ثنائية القطب باعتباره الوسيلة الرئيسية للدوائر المتكاملة الرقمية المعقدة.

هناك بعض العيوب المرتبطة بـ PMOS: فثقوب الإلكترون التي تمثل حاملات الشحنة (التيار) في ترانزستورات PMOS تتمتع بقدرة أقل على الحركة من الإلكترونات التي تمثل حاملات الشحنة في ترانزستورات NMOS (بنسبة تقارب 2.5)، وعلاوة على ذلك، لا تتفاعل دوائر PMOS بسهولة مع المنطق الإيجابي منخفض الجهد مثل منطق DTL ومنطق TTL (سلسلة 7400). ومع ذلك، فإن ترانزستورات PMOS سهلة التصنيع نسبيًا، وبالتالي تم تطويرها أولاً - يمكن للتلوث الأيوني لأكسيد البوابة من مواد النقش الكيميائية وغيرها من المصادر أن يمنع بسهولة شديدة ترانزستورات NMOS ( القائمة على الإلكترون ) من إيقاف التشغيل، في حين أن التأثير في ترانزستورات PMOS ( القائمة على ثقب الإلكترون ) أقل حدة بكثير. لذلك يجب أن يكون تصنيع ترانزستورات NMOS أنظف بعدة مرات من المعالجة ثنائية القطب من أجل إنتاج أجهزة عاملة.

تم تقديم العمل المبكر على تقنية الدوائر المتكاملة NMOS في ورقة بحثية موجزة لشركة IBM في ISSCC في عام 1969. ثم بدأت Hewlett-Packard في تطوير تقنية NMOS IC للحصول على السرعة الواعدة والواجهة السهلة لأعمال الحاسبات الآلية الخاصة بها. ^[10] في النهاية، حل توم هاسويل في HP العديد من المشكلات باستخدام مواد خام أكثر نقاءً (خاصة الألومنيوم للوصلات) وإضافة جهد تحيز لجعل عتبة البوابة كبيرة بما يكفي؛ وظل تحيز البوابة الخلفية هذا حلاً قياسيًا بحكم الأمر الواقع لملوثات الصوديوم (بشكل أساسي) في البوابات حتى تطوير زرع الأيونات (انظر أدناه). بحلول عام 1970، كانت HP تصنع دوائر متكاملة جيدة بما يكفي من nMOS وقد وصفتها بما يكفي حتى تمكن ديف مايتلاند من كتابة مقال عن nMOS في عدد ديسمبر 1970 من مجلة Electronics. ومع ذلك، ظلت NMOS غير شائعة في بقية صناعة أشباه الموصلات حتى عام 1973. ^[11]

مكنت عملية NMOS الجاهزة للإنتاج شركة HP من تطوير أول ذاكرة ROM IC بسعة 4 كيلوبت في الصناعة . عملت موتورولا في النهاية كمصدر ثانٍ لهذه المنتجات وبالتالي أصبحت واحدة من أوائل بائعي أشباه الموصلات التجارية الذين أتقنوا عملية NMOS، وذلك بفضل Hewlett-Packard. بعد فترة، أعلنت شركة Intel الناشئة عن ذاكرة DRAM pMOS بسعة 1 كيلوبت، تسمى 1102 ، تم تطويرها كمنتج مخصص لشركة Honeywell (محاولة لاستبدال ذاكرة النواة المغناطيسية في أجهزة الكمبيوتر المركزية الخاصة بهم ). ساهم مهندسو الآلات الحاسبة في HP، الذين أرادوا منتجًا مشابهًا ولكنه أكثر قوة لآلات الحاسبة من سلسلة 9800 ، بخبرة تصنيع الدوائر المتكاملة من مشروع ذاكرة ROM بسعة 4 كيلوبت للمساعدة في تحسين موثوقية Intel DRAM وجهد التشغيل ونطاق درجة الحرارة. ساهمت هذه الجهود في تحسين ذاكرة Intel 1103 1 كيلوبت pMOS DRAM بشكل كبير، والتي كانت أول ذاكرة DRAM IC متاحة تجاريًا في العالم . تم تقديمه رسميًا في أكتوبر 1970، وأصبح أول منتج ناجح حقًا لشركة Intel. ^[12]

كان لمنطق MOS المبكر نوع ترانزستور واحد، وهو وضع التحسين حتى يتمكن من العمل كمفتاح منطقي. ونظرًا لصعوبة صنع المقاومات المناسبة، فقد استخدمت بوابات المنطق أحمالًا مشبعة؛ أي لجعل نوع واحد من الترانزستور يعمل كمقاوم حمل، كان لابد من تشغيل الترانزستور دائمًا عن طريق ربط بوابته بمصدر الطاقة (السكة الأكثر سلبية لمنطق PMOS ، أو السكة الأكثر إيجابية لمنطق NMOS ). ونظرًا لأن التيار في الجهاز المتصل بهذه الطريقة يسير كمربع الجهد عبر الحمل، فإنه يوفر سرعة سحب ضعيفة نسبيًا مقارنة باستهلاكه للطاقة عند سحبه لأسفل. سيكون المقاوم (حيث يتناسب التيار ببساطة مع الجهد) أفضل، ومصدر التيار (حيث يكون التيار ثابتًا، ومستقلًا عن الجهد) أفضل. يعد جهاز وضع الاستنزاف مع ربط البوابة بسكة الإمداد المعاكسة حملًا أفضل بكثير من جهاز وضع التحسين، حيث يعمل في مكان ما بين المقاوم ومصدر التيار.

كانت شركة Mostek المصنعة لذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية رائدة في تصنيع أول دوائر NMOS ذات الحمل المستنفذ ، والتي جعلت ترانزستورات وضع الاستنفاد متاحة لتصميم Zilog Z80 الأصلي في الفترة من 1975 إلى 1976. ^[13] كان لدى شركة Mostek معدات زرع الأيونات اللازمة لإنشاء ملف تعريف للتشويب أكثر دقة مما هو ممكن باستخدام طرق الانتشار ، بحيث يمكن تعديل جهد عتبة ترانزستورات الحمل بشكل موثوق. في شركة Intel، تم تقديم حمل الاستنفاد في عام 1974 بواسطة Federico Faggin، وهو مهندس سابق في Fairchild ومؤسس Zilog لاحقًا . تم استخدام حمل الاستنفاد لأول مرة لإعادة تصميم أحد أهم منتجات Intel في ذلك الوقت، وهو ذاكرة وصول عشوائي ديناميكية NMOS بسعة 1 كيلوبت +5 فولت فقط تسمى 2102 (تستخدم أكثر من 6000 ترانزستور ^[14] ). كانت نتيجة إعادة التصميم هذه هي 2102A الأسرع بشكل ملحوظ ، حيث كانت الإصدارات الأعلى أداءً من الشريحة تتمتع بأوقات وصول أقل من 100 نانوثانية، مما جعل ذاكرة MOS تقترب من سرعة ذاكرة الوصول العشوائي ثنائية القطب لأول مرة. ^[15]

كما استخدمت العديد من الشركات المصنعة الأخرى عمليات NMOS ذات الحمل المستنفذ لإنتاج العديد من تجسيدات وحدات المعالجة المركزية الشائعة ذات 8 بت و16 بت و32 بت. وعلى غرار تصميمات PMOS وNMOS CPU المبكرة باستخدام MOSFETs في وضع التحسين كأحمال، استخدمت تصميمات nMOS ذات الحمل المستنفذ عادةً أنواعًا مختلفة من المنطق الديناميكي (بدلاً من مجرد بوابات ثابتة) أو ترانزستورات المرور المستخدمة كمزالج ديناميكية موقوتة . يمكن لهذه التقنيات تعزيز الاقتصاد في المساحة بشكل كبير على الرغم من أن التأثير على السرعة معقد. تشمل المعالجات المبنية بدوائر NMOS ذات الحمل المستنفذ 6800 (في الإصدارات اللاحقة ^[16] )، و 6502 ، و Signetics 2650 ، و8085 ، و6809 ، و8086 ، و Z8000 ، و NS32016 ، والعديد من المعالجات الأخرى (سواء تم تضمين معالجات HMOS أدناه أم لا، كحالات خاصة).

كما تم تنفيذ عدد كبير من الدوائر المتكاملة الداعمة والمحيطية باستخدام دوائر تعتمد على حمل الاستنزاف (غالبًا ثابتة). ومع ذلك، لم تكن هناك أبدًا أي عائلات منطقية موحدة في NMOS، مثل سلسلة 7400 ثنائية القطب وسلسلة CMOS 4000 ، على الرغم من أن التصميمات التي تحتوي على العديد من الشركات المصنعة للمصدر الثانوي غالبًا ما حققت شيئًا من حالة المكون القياسي بحكم الأمر الواقع. أحد الأمثلة على ذلك هو تصميم NMOS 8255 PIO ، والمقصود في الأصل أن يكون شريحة محيطية 8085، والتي تم استخدامها في أنظمة Z80 وx86 المضمنة والعديد من السياقات الأخرى لعدة عقود. تتوفر إصدارات حديثة منخفضة الطاقة كتطبيقات CMOS أو BiCMOS، على غرار سلسلة 7400.

كانت عملية NMOS ذات الحمل المستنفذ الخاصة بشركة Intel تُعرف باسم HMOS ، وهي اختصار لـ High density, short channel MOS . تم تقديم الإصدار الأول في أواخر عام 1976 وتم استخدامه لأول مرة لمنتجات ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة الخاصة بهم ، ^[17] وسرعان ما تم استخدامه لإصدارات أسرع و/أو أقل استهلاكًا للطاقة من 8085 و8086 والرقائق الأخرى.

استمر تحسين HMOS ومرت بأربعة أجيال مميزة. وفقًا لشركة Intel، قدم HMOS II (1979) ضعف الكثافة وأربعة أضعاف سرعة / طاقة المنتج مقارنة بعمليات NMOS المعاصرة النموذجية الأخرى ذات الحمل المستنفذ. ^[18] تم ترخيص هذا الإصدار على نطاق واسع من قبل أطراف ثالثة، بما في ذلك (من بين آخرين) Motorola التي استخدمته في Motorola 68000 ، و Commodore Semiconductor Group ، التي استخدمته في MOS Technology 8502 die-shrunk MOS 6502 .

كانت عملية HMOS الأصلية، والتي أُشير إليها لاحقًا باسم HMOS I، بطول قناة يبلغ 3 ميكرون، والذي تم تقليصه إلى 2 لـ HMOS II، و1.5 لـ HMOS III. وبحلول الوقت الذي تم فيه تقديم HMOS III في عام 1982، بدأت شركة Intel في التحول إلى عملية CHMOS الخاصة بها، وهي عملية CMOS تستخدم عناصر تصميم خطوط HMOS. تم إصدار نسخة نهائية من النظام، HMOS-IV. كانت الميزة المهمة لخط HMOS هي أن كل جيل تم تصميمه عمدًا للسماح للتخطيطات الموجودة بالانكماش دون تغييرات كبيرة. تم تقديم تقنيات مختلفة لضمان عمل الأنظمة مع تغير التخطيط. ^{[19] [20]}

تم استخدام HMOS وHMOS II وHMOS III وHMOS IV معًا للعديد من أنواع المعالجات المختلفة؛ 8085 و 8048 و 8051 و 8086 و 80186 و 80286 والعديد من المعالجات الأخرى، ولكن أيضًا لعدة أجيال من نفس التصميم الأساسي، راجع أوراق البيانات .

في منتصف الثمانينيات، بدأت متغيرات CMOS الأسرع، باستخدام تقنية معالجة HMOS مماثلة، مثل CHMOS I وII وIII وIV من Intel، وما إلى ذلك، في استبدال HMOS ذات القناة n لتطبيقات مثل Intel 80386 وبعض المتحكمات الدقيقة . بعد بضع سنوات، في أواخر الثمانينيات، تم تقديم BiCMOS للمعالجات الدقيقة عالية الأداء وكذلك للدوائر التناظرية عالية السرعة . اليوم، يتم تصنيع معظم الدوائر الرقمية، بما في ذلك سلسلة 7400 المنتشرة ، باستخدام عمليات CMOS مختلفة مع مجموعة من الطوبولوجيات المختلفة المستخدمة. وهذا يعني أنه من أجل تعزيز السرعة وتوفير مساحة القالب (الترانزستورات والأسلاك)، غالبًا ما تستخدم تصميمات CMOS عالية السرعة عناصر أخرى غير البوابات الثابتة التكميلية وبوابات الإرسال لدوائر CMOS البطيئة النموذجية منخفضة الطاقة ( نوع CMOS الوحيد خلال الستينيات والسبعينيات). تستخدم هذه الطرق كميات كبيرة من الدوائر الديناميكية من أجل بناء وحدات البناء الأكبر على الشريحة، مثل المزالج، ومفككات التشفير، والمجمعات، وما إلى ذلك، وتطورت من المنهجيات الديناميكية المختلفة التي تم تطويرها لدوائر NMOS وPMOS خلال السبعينيات.

بالمقارنة مع CMOS الساكنة، فإن جميع متغيرات NMOS (وPMOS) تستهلك قدرًا نسبيًا من الطاقة في الحالة المستقرة. وذلك لأنها تعتمد على ترانزستورات الحمل التي تعمل كمقاومات ، حيث يحدد التيار الساكن أقصى حمل ممكن عند الخرج بالإضافة إلى سرعة البوابة (أي مع ثبات العوامل الأخرى). وهذا يتناقض مع خصائص استهلاك الطاقة لدوائر CMOS الساكنة ، والتي ترجع فقط إلى سحب الطاقة العابر عند تغيير حالة الخرج وبالتالي توصيل الترانزستورات p وn لفترة وجيزة في نفس الوقت. ومع ذلك، فهذه وجهة نظر مبسطة، ويجب أن تتضمن الصورة الأكثر اكتمالاً أيضًا حقيقة مفادها أن حتى دوائر CMOS الساكنة البحتة بها تسرب كبير في الهندسة الصغيرة الحديثة، فضلاً عن حقيقة أن شرائح CMOS الحديثة غالبًا ما تحتوي على منطق ديناميكي و/أو منطق دومينو مع قدر معين من دوائر nMOS الزائفة . ^[21]

تختلف عمليات حمل الاستنزاف عن سابقاتها في الطريقة التي يتصل بها مصدر جهد Vdd ، الذي يمثل 1 ، بكل بوابة. في كلتا التقنيتين، تحتوي كل بوابة على ترانزستور NMOS واحد يتم تشغيله بشكل دائم ومتصل بـ Vdd. عندما يتم إيقاف تشغيل الترانزستورات المتصلة بـ 0 ، يحدد ترانزستور السحب هذا الخرج ليكون 1 افتراضيًا. في NMOS القياسي، يكون ترانزستور السحب هو نفس نوع الترانزستور المستخدم في مفاتيح المنطق. عندما يقترب جهد الخرج من قيمة أقل من Vdd ، فإنه ينطفئ تدريجيًا. يؤدي هذا إلى إبطاء الانتقال من 0 إلى 1 ، مما يؤدي إلى دائرة أبطأ. تستبدل عمليات حمل الاستنزاف هذا الترانزستور بـ NMOS في وضع الاستنزاف عند تحيز بوابة ثابت، مع ربط البوابة مباشرة بالمصدر. يعمل هذا النوع البديل من الترانزستور كمصدر تيار حتى يقترب الخرج من 1 ، ثم يعمل كمقاوم. والنتيجة هي انتقال أسرع من 0 إلى 1 .

تستهلك دوائر الحمل الناقص طاقة أقل من دوائر الحمل المعزز بنفس السرعة. في كلتا الحالتين يكون الاتصال بـ 1 نشطًا دائمًا، حتى عندما يكون الاتصال بـ 0 نشطًا أيضًا. يؤدي هذا إلى استهلاك طاقة ساكنة عالية. تعتمد كمية الهدر على قوة السحب لأعلى أو الحجم المادي. يستخدم كل من ترانزستورات السحب لأعلى ذات الحمل المشبع (في وضع التعزيز) ووضع الاستنفاد أكبر قدر من الطاقة عندما يكون الإخراج مستقرًا عند 0 ، لذا فإن هذه الخسارة كبيرة. نظرًا لأن قوة ترانزستور وضع الاستنفاد تقل بدرجة أقل عند الاقتراب من 1 ، فقد يصل إلى 1 بشكل أسرع على الرغم من البدء بشكل أبطأ، أي توصيل تيار أقل في بداية الانتقال وفي الحالة المستقرة.