منطق NMOS

تستخدم تقنية NMOS أو منطق nMOS (اختصارًا لـ N-type metal–oxide–semiconductor) ترانزستورات MOSFET من النوع السالب (-) ( ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ) لتنفيذ البوابات المنطقية والدوائر الرقمية الأخرى . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تعمل ترانزستورات NMOS عن طريق إنشاء طبقة انعكاس في جسم الترانزستور من النوع p . تُسمى طبقة الانعكاس هذه بالقناة n، وهي قادرة على توصيل الإلكترونات بين طرفي المصدر والمصب من النوع n . يتم إنشاء القناة n بتطبيق جهد على الطرف الثالث، المسمى بالبوابة . ومثل ترانزستورات MOSFET الأخرى، تتميز ترانزستورات nMOS بأربعة أوضاع تشغيل: القطع (أو ما دون العتبة)، والثلاثي، والتشبع (يُسمى أحيانًا الوضع النشط)، وتشبع السرعة.

قد تُنتج دوائر NMOS المنطقية التي تعتمد على AND افتراضيًا أعطالًا غير عادية أو سلوكًا معيبًا في مكونات NMOS، مثل "الرموز غير القانونية" في شريحة 6502، والتي لا توجد في شرائح CMOS 6502. في بعض الحالات، مثل شريحة VIC-II من كومودور ، استغل المبرمجون هذه الأخطاء الموجودة في منطق الشريحة على نطاق واسع لإنتاج تأثيرات رسومية.

لسنوات عديدة، كانت دوائر NMOS أسرع بكثير من دوائر PMOS و CMOS المماثلة ، والتي كانت تستخدم ترانزستورات قناة p أبطأ بكثير. كما كان تصنيع NMOS أسهل من CMOS، حيث يتطلب الأخير استخدام ترانزستورات قناة p في آبار n خاصة على ركيزة p، وهي أقل عرضة للتلف الناتج عن تداخلات ناقل البيانات، وأقل تأثرًا بتلف التفريغ الكهروستاتيكي. أما العيب الرئيسي في NMOS (ومعظم عائلات المنطق الأخرى ) فهو ضرورة مرور تيار مستمر عبر بوابة المنطق حتى عندما يكون الخرج في حالة مستقرة (منخفضة في حالة NMOS). هذا يعني تبديدًا للطاقة الساكنة ، أي استهلاكًا للطاقة حتى عندما لا تقوم الدائرة بالتبديل، مما يؤدي إلى استهلاك عالٍ للطاقة.

من عيوب دوائر NMOS الأخرى ارتفاع درجة حرارتها. فبسبب الحاجة إلى تيار ثابت يمر عبر الدائرة للحفاظ على حالة الترانزستورات، قد تولد هذه الدوائر كمية كبيرة من الحرارة أثناء التشغيل، مما قد يقلل من موثوقية الجهاز. وقد برزت هذه المشكلة بشكل خاص مع تقنيات تصنيع البوابات الكبيرة في سبعينيات القرن الماضي. في المقابل، لا تولد دوائر CMOS أي حرارة تقريبًا إلا إذا اقترب عدد الترانزستورات من مليون.

كانت مكونات CMOS نادرة نسبيًا في سبعينيات القرن العشرين وبداية ثمانينياته، وكان يُشار إليها عادةً بالحرف "C" في رقم القطعة. خلال ثمانينيات القرن العشرين، شاع استخدام كل من مكونات NMOS وCMOS، مع ازدياد انتشار CMOS تدريجيًا. فُضِّل استخدام NMOS في المكونات التي تُجري عمليات معالجة نشطة، مثل وحدات المعالجة المركزية ومعالجات الرسومات، نظرًا لسرعتها العالية وتكلفة تصنيعها المنخفضة، إذ كانت هذه المكونات باهظة الثمن مقارنةً بالمكونات السلبية، مثل شريحة الذاكرة. بعض الشرائح، مثل Motorola 68030، كانت هجينة تجمع بين تقنيتي NMOS وCMOS. ومنذ تسعينيات القرن العشرين، أصبحت تقنية CMOS شبه عالمية في الدوائر المتكاملة.

بالإضافة إلى ذلك، وكما هو الحال في منطق الثنائي-الترانزستور ، ومنطق الترانزستور-الترانزستور ، ومنطق اقتران الباعث، وما إلى ذلك، فإن مستويات الإدخال المنطقية غير المتماثلة تجعل دوائر NMOS وPMOS أكثر عرضة للتشويش من دوائر CMOS. هذه العيوب هي السبب في أن منطق CMOS قد حل محل معظم هذه الأنواع في معظم الدوائر الرقمية عالية السرعة مثل المعالجات الدقيقة، على الرغم من أن CMOS كان في الأصل بطيئًا جدًا مقارنةً بالبوابات المنطقية المبنية باستخدام الترانزستورات ثنائية القطب .

يشير اختصار MOS إلى أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ، وهو ما يعكس طريقة تصنيع ترانزستورات MOS في الأصل، وخاصةً قبل سبعينيات القرن الماضي، حيث كانت بواباتها مصنوعة من المعدن، وعادةً من الألومنيوم. ولكن منذ حوالي عام 1970، أصبحت معظم دوائر MOS تستخدم بوابات ذاتية المحاذاة مصنوعة من السيليكون متعدد البلورات ، وهي تقنية طورها فيديريكو فاجين في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات . ولا تزال هذه البوابات السيليكونية مستخدمة في معظم أنواع الدوائر المتكاملة القائمة على MOSFET ، على الرغم من أن البوابات المعدنية ( الألومنيوم أو النحاس ) بدأت بالظهور مجدداً في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين في أنواع معينة من الدوائر عالية السرعة، مثل المعالجات الدقيقة عالية الأداء.

ترانزستورات MOSFET هي ترانزستورات من النوع n ذات وضع التحسين ، مرتبة في ما يُسمى "شبكة السحب السفلي" (PDN) بين خرج البوابة المنطقية وجهد التغذية السالب (عادةً ما يكون الأرضي). يتم وضع مقاومة سحب علوي (أي "حمل" يمكن اعتباره مقاومة، انظر أدناه) بين جهد التغذية الموجب ومخرج كل بوابة منطقية. يمكن بعد ذلك تنفيذ أي بوابة منطقية ، بما في ذلك العاكس المنطقي ، من خلال تصميم شبكة من الدوائر المتوازية و/أو المتسلسلة، بحيث إذا كان الخرج المطلوب لمجموعة معينة من قيم الإدخال المنطقية يساوي صفرًا (أو خطأ )، فإن شبكة السحب السفلي ستكون نشطة، مما يعني أن ترانزستورًا واحدًا على الأقل يسمح بمرور التيار بين جهد التغذية السالب والخرج. يتسبب هذا في انخفاض الجهد عبر الحمل، وبالتالي جهد منخفض عند الخرج، يمثل الصفر .

كمثال، إليك بوابة NOR مُنفذة باستخدام مخطط NMOS. إذا كان أي من المدخلين A أو B عاليًا (منطق 1، = صحيح)، فإن ترانزستور MOS المعني يعمل كمقاومة منخفضة جدًا بين الخرج ومصدر التغذية السالب، مما يُجبر الخرج على أن يكون منخفضًا (منطق 0، = خطأ). عندما يكون كل من A وB عاليًا، يكون كلا الترانزستورين موصلين، مما يُنشئ مسارًا بمقاومة أقل إلى الأرض. الحالة الوحيدة التي يكون فيها الخرج عاليًا هي عندما يكون كلا الترانزستورين مُطفأين، وهو ما يحدث فقط عندما يكون كل من A وB منخفضين، وبالتالي يُحقق جدول الحقيقة لبوابة NOR.

يمكن تصميم ترانزستور MOSFET ليعمل كمقاوم، وبالتالي يمكن تصنيع الدائرة بالكامل باستخدام ترانزستورات MOSFET من النوع n فقط. تتميز دوائر NMOS ببطء انتقالها من الحالة المنخفضة إلى الحالة العالية. عند الانتقال من الحالة العالية إلى المنخفضة، توفر الترانزستورات مقاومة منخفضة، مما يؤدي إلى تفريغ الشحنة السعوية عند الخرج بسرعة كبيرة (كما هو الحال عند تفريغ مكثف عبر مقاومة منخفضة جدًا). ​​ولكن المقاومة بين الخرج ومصدر الطاقة الموجب تكون أكبر بكثير، لذا يستغرق الانتقال من الحالة المنخفضة إلى العالية وقتًا أطول (كما هو الحال عند شحن مكثف عبر مقاومة عالية القيمة). استخدام مقاومة ذات قيمة أقل يُسرّع العملية ولكنه يزيد أيضًا من تبديد الطاقة الساكنة. مع ذلك، فإن الطريقة الأفضل (والأكثر شيوعًا) لتسريع البوابات هي استخدام ترانزستورات من نوع الاستنزاف بدلًا من ترانزستورات من نوع التحسين كأحمال. يُطلق على هذا النوع من الدوائر اسم منطق NMOS ذي الحمل الاستنزافي .

اخترع المهندس المصري محمد محمد عطا الله والمهندس الكوري داوون كانغ ترانزستور MOSFET في مختبرات بيل عام 1959، وتم عرضه عمليًا عام 1960. ^{[ 3 ]} وقد صنعا نوعي الترانزستور PMOS وNMOS بتقنية 20 ميكرومتر . إلا أن ترانزستورات NMOS كانت غير عملية، بينما كانت ترانزستورات PMOS هي الوحيدة العملية. ^{[ 4 ]} 

في عام 1965، قام كلٌ من تشيه-تانغ ساه ، وأوتو ليستيكو، وأندرو غروف في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات بتصنيع العديد من أجهزة NMOS بأطوال قنوات تتراوح بين 8  و65 ميكرومترًا  . ^{[ 5 ]} كما قام ديل إل. كريتشلو وروبرت إتش. دينارد في شركة IBM بتصنيع أجهزة NMOS في ستينيات القرن الماضي. وكان أول منتج من IBM لأجهزة NMOS عبارة عن شريحة ذاكرة بسعة 1 كيلوبايت وزمن وصول يتراوح بين 50 و 100 نانوثانية ، والتي دخلت مرحلة الإنتاج على نطاق واسع في أوائل سبعينيات القرن الماضي. وقد أدى ذلك إلى استبدال تقنيات الذاكرة ثنائية القطب وذاكرة النوى الفريتية السابقة بذاكرة أشباه موصلات MOS في سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 6 ]} 

كانت معالجات PMOS أولى المعالجات الدقيقة في أوائل سبعينيات القرن العشرين، والتي هيمنت في البداية على صناعة المعالجات الدقيقة . ^{[ 7 ]} في عام 1973، كان معالج μCOM-4 من شركة NEC معالجًا دقيقًا من نوع NMOS، صُنع بواسطة فريق NEC LSI ، الذي ضم خمسة باحثين بقيادة سوهيتشي سوزوكي. ^{[ 8 ] [ 9 ]} وبحلول أواخر سبعينيات القرن العشرين، تفوقت معالجات NMOS على معالجات PMOS. ^{[ 7 ]} وطُرحت معالجات CMOS الدقيقة في عام 1975. ^{[ 7 ] [ 10 ] [ 11 ]} ومع ذلك، لم تصبح معالجات CMOS مهيمنة إلا في ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 7 ]}

كانت تقنية CMOS في البداية أبطأ من منطق NMOS، ولذلك شاع استخدام NMOS في أجهزة الكمبيوتر خلال سبعينيات القرن العشرين. ^{[ 12 ]} بلغ زمن الوصول لشريحة ذاكرة CMOS من إنتل 5101 ( ذاكرة SRAM سعة 1 كيلوبت ) (1974) 800 نانوثانية ، ^{[ 13 ] [ 14 ]} بينما كان زمن الوصول لأسرع شريحة NMOS في ذلك الوقت، وهي شريحة ذاكرة HMOS من إنتل 2147 ( ذاكرة SRAM سعة 4 كيلوبت) (1976)، 55/70 نانوثانية . ^{[ 12 ] [ 14 ]} في عام 1978، قدم فريق بحثي من هيتاشي بقيادة توشياكي ماسوهارا عملية Hi-CMOS ثنائية البئر، مع شريحة الذاكرة HM6147 (ذاكرة SRAM سعة 4 كيلوبت)، المصنعة بتقنية 3 ميكرومتر . ^{[ 12 ] [ 15 ]} استطاعت شريحة هيتاشي HM6147 أن تُضاهي أداء شريحة إنتل 2147 HMOS (زمن الوصول 55/70 نانوثانية)، مع استهلاكها طاقة أقل بكثير (15 مللي أمبير ) مقارنةً بشريحة 2147 (110 مللي أمبير). وبفضل الأداء المُماثل واستهلاك الطاقة الأقل بكثير، تفوّقت تقنية CMOS ثنائية البئر على تقنية NMOS لتصبح عملية تصنيع أشباه الموصلات الأكثر شيوعًا لأجهزة الكمبيوتر في ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 12 ] [ 7 ]}        

• الوسائط المتعلقة بـ MOS على ويكيميديا ​​كومنز