PMOS或pMOS逻辑电路,源自p沟道金属氧化物半导体 (P-channel Metal-Oxygen-Semiconductor),是一种基于p沟道增强型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的数字电路。在20世纪60年代末到70年代初,PMOS逻辑电路曾是大规模集成电路的主流半导体技术,后来被NMOS和CMOS器件取代。
历史和应用
1959年,Mohamed Atalla和Dawon Kahng在贝尔实验室制造出第一个可用的MOSFET。他们同时制造了PMOS和NMOS器件,但其中只有PMOS器件能够工作。直到十多年后,制造过程中的污染物(尤其是钠)才得到有效控制,从而可以制造出实用的NMOS器件。
与当时可用于集成电路的唯一替代品双极性晶体管(BJT)相比,MOSFET具有许多优点:
- 在精度相似的半导体器件制造工艺下,MOSFET所需面积仅为双极结型晶体管的10%。 主要原因是MOSFET是自绝缘的,不需要与芯片上的相邻组件进行p-n结隔离。
- MOSFET需要的工艺步骤更少,因此制造起来更简单、更便宜(MOSFET只需要一个扩散掺杂步骤 。
1964年,通用微电子公司推出了第一个商用PMOS电路——一个带有120个MOSFET的20位移位寄存器,在当时其集成度之高令人难以置信。1965年,通用微电子公司试图为Victor Comptometer的Victor 3900电子计算器开发一组定制集成电路,共23个。其他公司则继续使用PMOS技术生产如大型移位寄存器(通用仪器) 或模拟多路复用器3705(仙童半导体) 之类的电路,这些电路在当时的BJT技术下是不可行的。
1968年,多晶硅自对准栅极技术的引入给PMOS技术带来了一项重大改进。仙童半导体公司的Tom Klein和Federico Faggin改进了自对准栅极工艺,使其在商业上具有可行性,并发布了第一个硅栅极集成电路——模拟多路复用器3708。),以此降低功耗。由于电源电压较低,硅栅极PMOS逻辑通常被称为低压PMOS,而较老的金属栅极PMOS则被称为高压PMOS。 其中两位高管,戈登·摩尔(Gordon Moore)和罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce),于1968年决定创办自己的初创公司——英特尔。不久之后,包括费德里科·法金(Federico Faggin)和莱斯·瓦达斯(Les Vadasz)在内的其他仙童工程师也加入了他们的行列。英特尔于1969年推出了首款256位PMOS静态随机存取存储器(SRAM),即Intel 1101。 1103取得了商业上的成功,并迅速开始取代计算机中的磁芯存储器。和PPS-8。上述微处理器中有多个系列达成了商业上的“第一”:第一个4位微处理器(4004)、第一个8位微处理器(8008)、第一个单芯片16位微处理器(PACE)和第一个单芯片4位微控制器(TMS1000;RAM和ROM与CPU位于同一芯片上)。
1972年,NMOS技术终于发展到可商用的程度。英特尔和IBMPMOS逻辑由于其低成本和相对较高的集成度,在一段时间内仍用于简单计算器和时钟等。CMOS技术的功耗比PMOS或NMOS都要低得多。尽管弗兰克·万拉斯(Frank Wanlass)早在1963年就提出了CMOS电路的构想 ,RCA公司的商用4000系列CMOS集成电路也于1968年投入生产,但CMOS的制造仍然很复杂,既达不到PMOS或NMOS的集成度,也达不到NMOS的速度。直到20世纪80年代,CMOS才取代NMOS成为微处理器的主要技术。
描述
与NMOS和CMOS替代方案相比,PMOS电路具有许多缺点:需要多个不同的电源电压(正负电源电压)、导通状态下的功耗较高以及尺寸相对较大。此外,PMOS电路的整体开关速度较低。
PMOS使用p沟道(+)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 来实现逻辑门和其他数字电路。PMOS晶体管的工作原理是在n型晶体管基底中创建一个反型层。这个反型层称为p沟道,可以在p型“源极”和“漏极”之间传导空穴。
通过在第三个端子(称为栅极)施加负电压(常用-25V ),可以创建p沟道。与其他MOSFET 一样,PMOS晶体管具有四种工作模式:截止区(或亚阈值)、三极管区(恒流区)、饱和区(有时称为导通区或线性电阻区)和速度饱和区。
虽然PMOS逻辑电路易于设计和制造(MOSFET可以用作电阻,因此整个电路可以用PMOS场效应晶体管构成),但它也存在一些缺点。在其缺陷中,最严重的是,当所谓的“上拉网络”(PUN)处于导通状态时,即输出为高电平时,PMOS逻辑门中会有直流电流,这会导致即使在电路空闲时也会产生静态功耗。
此外,PMOS电路从高电平到低电平的转换速度较慢。从低电平转换到高电平时,晶体管的电阻较低,输出端的电容电荷积累非常快(类似于通过非常低的电阻给电容器充电)。但是,输出端和负电源轨之间的电阻要大得多,因此从高电平到低电平的转换需要更长的时间(类似于通过高电阻给电容器放电)。使用较低阻值的电阻可以加快转换速度,但也会增加静态功耗。
此外,不对称的输入逻辑电平使PMOS电路易受噪声影响。
大多数PMOS集成电路需要使用17-24伏直流电源。但英特尔 4004 PMOS微处理器没有采用金属栅极,而是采用多晶硅栅极的PMOS逻辑,从而可以使用较小的电源电压差。为了兼容TTL信号,4004使用的正电源电压为VSS = +5V ,负电源电压为VDD = -10V。
逻辑门
p型MOSFET被布置在逻辑门输出和正电源电压之间的所谓“上拉网络”(PUN)中,同时在逻辑门输出和负电源电压之间放置一个电阻。该电路的设计使得如果所需输出为高电平,则PUN将处于导通状态,从而在正电源和输出之间形成电流通路。
PMOS门的元件排列方式与将所有电压反转的NMOS门相同。因此,对于高电平有效逻辑,德摩根定律表明,PMOS或非门与NMOS与非门具有相同的结构,反之亦然。
参考文献
拓展阅读
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