Il pourrait être surprenant de savoir que le brevet pour un «transistor à effet de champ» a précédé la création du transistor bipolaire d'au moins vingt ans. Cependant, les transistors bipolaires ont été plus rapidement commercialisés, la première puce constituée de transistors bipolaires étant apparue dans les années 1960, la technologie de fabrication MOSFET étant mise au point dans les années 1980 et dépassant bientôt leurs cousins bipolaires.
Après l'invention du transistor de contact ponctuel en 1947, les choses ont commencé à bouger rapidement. La première est venue l'invention du premier transistor bipolaire l'année suivante. Puis en 1958, Jack Kilby a inventé le premier circuit intégré qui mettait plus d'un transistor sur la même puce. Onze ans plus tard, Apollo 11 a atterri sur la Lune, grâce au révolutionnaire Apollo Guidance Computer, qui était le premier ordinateur embarqué au monde. Il a été réalisé en utilisant des circuits intégrés primitifs à double porte NOR à trois entrées, qui se composaient de seulement 3 transistors par porte.
Cela a donné naissance à la populaire série de puces logiques TTL (Transistor-Transistor Logic), qui ont été construites à l'aide de transistors bipolaires. Ces puces fonctionnaient à 5 V et pouvaient fonctionner à des vitesses allant jusqu'à 25 MHz.
Celles-ci ont rapidement cédé la place à la logique de transistor à blocage Schottky, qui a ajouté une diode Schottky à travers la base et le collecteur pour éviter la saturation, ce qui a considérablement réduit la charge de stockage et diminué les temps de commutation, ce qui a à son tour diminué le délai de propagation causé par la charge de stockage.
Une autre série de logique bipolaire basée sur des transistors était la série ECL (Emitter Coupled Logic) qui fonctionnait sur des tensions négatives, fonctionnant essentiellement `` à l'envers '' par rapport à leurs homologues TTL standard.ECL pouvait fonctionner jusqu'à 500 MHz.
À peu près à cette époque, la logique CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) a été introduite. Il utilisait à la fois des appareils à canal N et à canal P, d'où le nom complémentaire.
TTL VS CMOS: avantages et inconvénients
Le premier et le plus discuté est la consommation d'énergie - TTL consomme plus d'énergie que CMOS.
Cela est vrai dans le sens où une entrée TTL n'est que la base d'un transistor bipolaire, qui a besoin de courant pour l'allumer. L'amplitude du courant d'entrée dépend du circuit à l'intérieur, descendant jusqu'à 1,6 mA. Cela devient un problème lorsque de nombreuses entrées TTL sont connectées à une sortie TTL, qui est généralement juste une résistance de rappel ou un transistor côté haut plutôt mal piloté.
En revanche, les transistors CMOS sont à effet de champ, c'est-à-dire que la présence d'un champ électrique au niveau de la grille suffit à influencer le canal semi-conducteur en conduction. En théorie, aucun courant n'est prélevé, à l'exception du faible courant de fuite de la grille, qui est souvent de l'ordre des pico- ou nanoampères. Cependant, cela ne veut pas dire que la même faible consommation de courant est vraie même pour des vitesses plus élevées. L'entrée d'une puce CMOS a une certaine capacité, et donc un temps de montée fini. Pour s'assurer que le temps de montée est rapide à haute fréquence, un courant important est nécessaire, qui peut être de l'ordre de plusieurs ampères aux fréquences MHz ou GHz. Ce courant n'est consommé que lorsque l'entrée doit changer d'état, contrairement au TTL où le courant de polarisation doit être présent avec le signal.
En ce qui concerne les sorties, CMOS et TTL ont leurs propres avantages et inconvénients. Les sorties TTL sont soit des totems, soit des pullups. Avec le mât totémique, la sortie ne peut pivoter qu'à moins de 0,5 V des rails. Cependant, les courants de sortie sont beaucoup plus élevés que leurs homologues CMOS. Pendant ce temps, les sorties CMOS, qui peuvent être comparées aux résistances contrôlées en tension, peuvent sortir à quelques millivolts des rails d'alimentation en fonction de la charge. Cependant, les courants de sortie sont limités, étant souvent à peine suffisants pour alimenter quelques LED.
Grâce à leurs exigences de courant plus faibles, la logique CMOS se prête très bien à la miniaturisation, des millions de transistors pouvant être emballés dans une petite zone sans que l'exigence de courant ne soit trop élevée.
Un autre avantage important du TTL par rapport au CMOS est sa robustesse. Les transistors à effet de champ dépendent d'une fine couche d'oxyde de silicium entre la grille et le canal pour assurer une isolation entre eux. Cette couche d'oxyde a une épaisseur de nanomètres et a une très faible tension de claquage, dépassant rarement 20 V, même dans les FET de haute puissance. Cela rend le CMOS très sensible aux décharges électrostatiques et aux surtensions. Si les entrées restent flottantes, elles accumulent lentement la charge et provoquent des changements d'état de sortie parasites, c'est pourquoi les entrées CMOS sont généralement tirées vers le haut, vers le bas ou mises à la terre. TTL ne souffre pas de ce problème pour la plupart puisque l'entrée est une base de transistor, qui agit plus comme une diode et est moins sensible au bruit en raison de sa plus faible impédance.
TTL OU CMOS? Ce qui est mieux?
La logique CMOS a remplacé TTL à presque tous les égards. Bien que les puces TTL soient toujours disponibles, il n'y a aucun réel avantage à les utiliser.
Cependant, les niveaux d'entrée TTL sont quelque peu normalisés et de nombreuses entrées logiques disent toujours «compatible TTL», il n'est donc pas rare d'avoir un CMOS pilotant un étage de sortie TTL pour la compatibilité. Globalement, le CMOS est clairement le gagnant en matière d'utilité.
La famille logique TTL utilise des transistors bipolaires pour exécuter des fonctions logiques et CMOS utilise des transistors à effet de champ. Le CMOS consomme généralement beaucoup moins d'énergie, bien qu'il soit plus sensible que TTL. CMOS et TTL ne sont pas vraiment interchangeables, et avec la disponibilité de puces CMOS de faible puissance, l'utilisation du TTL dans les conceptions modernes est rare.