Може да е изненадващо да се знае, че патентът за „полеви транзистор“ е предшествал създаването на биполярния транзистор поне от двадесет години. Биполярните транзистори обаче се уловиха по-бързо в търговската мрежа, като първият чип, изработен от биполярни транзистори, се появи през 60-те години, като производствената технология на MOSFET беше усъвършенствана през 80-те години и скоро изпревари биполярните им братовчеди.
След като през 1947 г. е изобретен точково-контактният транзистор, нещата започват да се движат бързо. За първи път се появи изобретението на първия биполярен транзистор през следващата година. След това през 1958 г. Джак Килби излезе с първата интегрална схема, която поставя повече от един транзистор на една и съща матрица. Единадесет години по-късно Apollo 11 кацна на Луната, благодарение на революционния Apollo Guidance Computer, който беше първият вграден компютър в света. Изработена е с използване на примитивни двойни интегрални схеми с NOR порта с три входа, които се състоят само от 3 транзистора на порта.
Това породи популярната серия логически чипове TTL (Transistor-Transistor Logic), които бяха конструирани с помощта на биполярни транзистори. Тези чипове работят с 5V и могат да работят със скорост до 25MHz.
Те скоро отстъпиха на транзисторната логика на Schottky, която добави диод на Schottky през основата и колектора, за да предотврати наситеността, което значително намали зареждането на съхранение и намали времето за превключване, което от своя страна намали забавянето на разпространението, причинено от зареждането на съхранението.
Друга поредица от биполярни базирани на транзистори логика е серията ECL (Emitter Coupled Logic), която работи на отрицателни напрежения, като по същество работи „назад“ в сравнение със стандартните си TTL колеги, ECL може да работи до 500MHz.
Приблизително по това време е въведена логика на CMOS (допълнителен метален оксиден полупроводник). Той използва както N-канални, така и P-канални устройства, откъдето идва и името допълващо.
TTL VS CMOS: Предимства и недостатъци
Първата и най-обсъжданата е консумацията на енергия - TTL консумира повече енергия от CMOS.
Това е вярно в смисъл, че TTL входът е само основата на биполярен транзистор, който се нуждае от малко ток, за да го включи. Размерът на входния ток зависи от веригата вътре, потъвайки до 1.6mA. Това се превръща в проблем, когато много TTL входове са свързани към един TTL изход, който обикновено е само издърпващ резистор или доста лошо задвижван транзистор от висока страна.
От друга страна, CMOS транзисторите имат полеви ефект, с други думи, наличието на електрическо поле в портата е достатъчно, за да повлияе на полупроводниковия канал в проводимост. На теория не се тече ток, с изключение на малкия ток на изтичане на портата, който често е от порядъка на пико- или наноампери. Това обаче не означава, че същата ниска консумация на ток е вярна дори за по-високи скорости. Входът на CMOS чип има известен капацитет и следователно ограничено време на нарастване. За да сте сигурни, че времето за нарастване е бързо при висока честота, е необходим голям ток, който може да бъде от порядъка на няколко ампера при честоти MHz или GHz. Този ток се консумира само когато входът трябва да промени състоянието си, за разлика от TTL, където токът на отклонение трябва да присъства със сигнала.
Що се отнася до изходите, CMOS и TTL имат свои собствени предимства и недостатъци. TTL изходите са или тотем полюс, или издърпвания. При тотемния стълб изходът може да се люлее само в рамките на 0,5V от релсите. Изходните токове обаче са много по-високи от техните CMOS аналози. Междувременно CMOS изходите, които могат да бъдат сравнени с резистори, контролирани с напрежение, могат да извеждат в рамките на миливолта от захранващите релси в зависимост от товара. Изходните токове обаче са ограничени, често са едва достатъчни за задвижване на няколко светодиода.
Благодарение на по-малките им настоящи изисквания, CMOS логиката се поддава много на миниатюризация, като милиони транзистори могат да бъдат пакетирани на малка площ, без настоящото изискване да е непрактично високо.
Друго важно предимство, което TTL има пред CMOS, е неговата здравина. Транзисторите с полеви ефект зависят от тънък слой силициев оксид между портата и канала, за да осигурят изолация между тях. Този оксиден слой е с дебелина нанометри и има много малко напрежение на пробив, рядко надвишаващо 20V дори при полеви транзистори с висока мощност. Това прави CMOS много податлив на електростатичен разряд и пренапрежение. Ако входовете останат плаващи, те бавно натрупват заряд и причиняват фалшиви промени в състоянието на изхода, поради което CMOS входовете обикновено се изтеглят нагоре, надолу или заземяват. TTL не страда от този проблем в по-голямата си част, тъй като входът е транзисторна основа, която действа по-скоро като диод и е по-малко чувствителна към шум поради по-ниския импеданс.
TTL ИЛИ CMOS? Кое е по добро?
CMOS логиката е заместила TTL в почти всяко отношение. Въпреки че TTL чиповете все още се предлагат, няма реално предимство при използването им.
Въпреки това, нивата на TTL вход са донякъде стандартизирани и много логически входове все още казват „TTL съвместим“, така че наличието на CMOS, управляващо TTL изходен етап за съвместимост, не е необичайно. Като цяло CMOS е категоричният победител, когато става въпрос за полезност.
Логическото семейство TTL използва биполярни транзистори за изпълнение на логически функции, а CMOS използва полеви транзистори. CMOS обикновено консумира много по-малко енергия, въпреки че е по-чувствителен от TTL. CMOS и TTL всъщност не са взаимозаменяеми и с наличието на CMOS чипове с ниска мощност, използването на TTL в съвременния дизайн е рядкост.