पीएमओएस तर्क

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पीएमओएस घड़ी आईसी, 1974

पीएमओएस तर्क पी-चैनल, एन्हांसमेंट मोड मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) पर आधारित डिजिटल सर्किट का एक परिवार है। 1960 के दशक के अंत और 1970 के दशक के प्रारंभ में, एनएमओएस और सीएमओएस उपकरणों द्वारा प्रतिस्थापित किए जाने से पहले बड़े पैमाने पर एकीकृत सर्किट के लिए पीएमओएस तर्क प्रमुख अर्धचालक तकनीक थी।

इतिहास और आवेदन

Main article: एमओएसएफईटी § प्रारंभिक इतिहास
See also: डिप्लेशन-लोड एनएमओएस लॉजिक § इतिहास और पृष्ठभूमि

1959 में मोहम्मद ओटाला और डावोन कहंग ने बेल लैब्स में पहला काम करने वाला मॉस्फेट बनाया था।[1] उन्होंने पीएमओएस और एनएमओएस दोनों उपकरणों का निर्माण किया लेकिन केवल पीएमओएस उपकरण ही काम कर रहे थे।[2] निर्माण प्रक्रिया (विशेष रूप से सोडियम) में प्रदूषकों को व्यावहारिक एनएमओएस उपकरणों के निर्माण के लिए पर्याप्त रूप से प्रबंधित करने से पहले एक दशक से अधिक का समय लगता था।

द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर की तुलना में, एक एकीकृत सर्किट में उपयोग के लिए उस समय उपलब्ध एकमात्र अन्य उपकरण, मॉस्फेट कई फायदे प्रदान करता है:

  • समान परिशुद्धता की सेमीकंडक्टर डिवाइस निर्माण प्रक्रियाओं को देखते हुए, एक मॉस्फेट को द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर के क्षेत्र के केवल 10% की आवश्यकता होती है।[3]: 87  मुख्य कारण यह है कि एमओएसएफईटी स्वयं-इन्सुलेटिंग है और चिप पर निकटतम घटकों से पी-एन जंक्शन अलगाव की आवश्यकता नहीं है।
  • एक एमओएसएफईटी को कम प्रक्रिया चरणों की आवश्यकता होती है और इसलिए निर्माण के लिए सरल और सस्ता है (एक प्रसार डोपिंग कदम[3]: 87  द्विध्रुवीय प्रक्रिया के लिए चार की तुलना में[3]: 50 ).
  • चूंकि एमओएसएफईटी के लिए कोई स्थिर गेट धारा नहीं है, एमओएसएफईटी पर आधारित एक एकीकृत सर्किट की बिजली खपत कम हो सकती है।

द्विध्रुवी एकीकृत परिपथों के सापेक्ष नुकसान थे:

  • बड़े गेट समाई के कारण स्विचिंग स्पीड अधिक कम थी।
  • प्रारंभिक मॉस्फेट्स के उच्च सीमा वोल्टेज के कारण न्यूनतम बिजली-आपूर्ति वोल्टेज (-24 V से -28 V) हो गया[4]).

सामान्य माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक ने 1964 में पहला वाणिज्यिक पीएमओएस सर्किट प्रस्तुत किया, 120 एमओएसएफईटी के साथ 20-बिट शिफ्ट रजिस्टर - उस समय एकीकरण का एक अविश्वसनीय स्तर है।[5] विक्टर टेक्नोलॉजी के लिए इलेक्ट्रॉनिक कैलकुलेटर के लिए 23 कस्टम एकीकृत सर्किट का एक सेट विकसित करने के लिए 1965 में जनरल माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक द्वारा प्रयास[5]उस समय पीएमओएस सर्किट की विश्वसनीयता को देखते हुए बहुत महत्वाकांक्षी साबित हुआ और अंततः जनरल माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के निधन का कारण बना।[6] अन्य कंपनियों ने बड़े शिफ्ट रजिस्टर (सामान्य उपकरण) जैसे पीएमओएस सर्किट का निर्माण जारी रखा[7] या एनालॉग बहुसंकेतक 3705 (फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर)[8] जो उस समय की द्विध्रुवीय प्रौद्योगिकियों में संभव नहीं थे।

1968 में पॉलीसिलिकॉन स्व-संरेखित गेट तकनीक की शुरुआत के साथ एक बड़ा सुधार आया।[9] फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर में टॉम क्लेन और फेडेरिको फागिन ने इसे व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए स्व-संरेखित गेट प्रक्रिया में सुधार किया, जिसके परिणामस्वरूप एनालॉग मल्टीप्लेक्सर 3708 को पहले सिलिकॉन-गेट एकीकृत सर्किट के रूप में जारी किया गया।[9]स्व-संरेखित गेट प्रक्रिया ने सख्त विनिर्माण सहनशीलता की अनुमति दी और इस प्रकार छोटे एमओएसएफईटी और कम, लगातार गेट कैपेसिटेंस दोनों। उदाहरण के लिए, पीएमओएस मेमोरी के लिए इस तकनीक ने आधे चिप क्षेत्र में तीन से पांच गुना गति प्रदान की थी।[9] पॉलीसिलिकॉन गेट सामग्री ने न केवल स्व-संरेखित गेट को संभव बनाया, जबकि इसके परिणामस्वरूप थ्रेशोल्ड वोल्टेज भी कम हो गया और परिणामस्वरूप कम न्यूनतम बिजली आपूर्ति वोल्टेज (जैसे -16 V)[10]: 1-13 ), बिजली की खपत को कम करना होता है। कम बिजली आपूर्ति वोल्टेज के कारण, सिलिकॉन गेट पीएमओएस तर्क को अधिकांशतः उच्च वोल्टेज पीएमओएस के रूप में पुराने, धातु-गेट पीएमओएस के विपरीत कम वोल्टेज पीएमओएस के रूप में संदर्भित किया जाता है।[3]: 89 

विभिन्न कारणों से फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर पीएमओएस एकीकृत परिपथों के विकास के साथ उतनी गहनता से आगे नहीं बढ़ा जितना इसमें सम्मलित प्रबंधक चाहते थे।[11]: 1302  उनमें से दो, गॉर्डन मूर और रॉबर्ट नोयस ने 1968 में इसके अतिरिक्त अपना खुद का स्टार्टअप खोजने का फैसला किया। वे शीघ्र ही बाद में अन्य फेयरचाइल्ड इंजीनियरों से जुड़ गए, जिनमें फेडेरिको फागिन और वाडाज़ सम्मलित थे। इंटेल ने 1969 में 256 बिट की क्षमता वाली अपनी पहली पीएमओएस स्थिर रैंडम-एक्सेस मेमोरी, इंटेल 1101 प्रस्तुत की।[11]: 1303  1970 में 1024-बिट गतिशील रैंडम-एक्सेस मेमोरी इंटेल 1103 का अनुसरण किया गया।[12] 1103 एक व्यावसायिक सफलता थी जिसने कंप्यूटरों में चुंबकीय कोर मेमोरी को जल्दी से बदलना प्रारंभ कर दिया।[12]इंटेल ने अपना पहला पीएमओएस माइक्रोप्रोसेसर, इंटेल 4004, 1971 में प्रस्तुत किया। कई कंपनियों ने इंटेल के नेतृत्व का अनुसरण किया। अधिकांश माइक्रोप्रोसेसर कालक्रम पीएमओएस तकनीक में निर्मित किए गए थे: इंटेल 4040 और इंटेल 8008 इंटेल से; IMP-16, राष्ट्रीय सेमीकंडक्टर पीएसीई और नेशनल सेमीकंडक्टर SC/MP|SC/MP नेशनल सेमीकंडक्टर पेस, टेक्सस उपकरण से टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स TMS1000; रॉकवेल पीपीएस-4|पीपीएस-4[13] और पीपीएस-8[14] रॉकवेल इंटरनेशनल से। माइक्रोप्रोसेसरों की इस सूची में कई व्यावसायिक प्रथम हैं: पहला 4-बिट माइक्रोप्रोसेसर (4004), पहला 8-बिट माइक्रोप्रोसेसर (8008), पहला सिंगल-चिप 16-बिट माइक्रोप्रोसेसर (पीएसीई), और पहला सिंगल-चिप 4-बिट माइक्रोकंट्रोलर (TMS1000; सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट के समान चिप पर रैम और रोम )।

1972 तक, एनएमओएस तकनीक अंततः उस बिंदु तक विकसित हो गई थी जहाँ इसे वाणिज्यिक उत्पादों में उपयोग किया जा सकता था। दोनों इंटेल (2102 के साथ)[15] और आईबीएम[12]1 kbit मेमोरी चिप प्रस्तुत की। चूंकि एनएमओएस एमओएसएफईटी के एन-टाइप चैनल में इलेक्ट्रॉन गतिशीलता पीएमओएस एमओएसएफईटीएस के पी-टाइप चैनल में इलेक्ट्रॉन छेद गतिशीलता के लगभग तीन गुना है, एनएमओएस तर्क एक बढ़ी हुई स्विचिंग गति की अनुमति देता है। इस कारण एनएमओएस तर्क ने तेजी से पीएमओएस तर्क को बदलना प्रारंभ कर दिया था। 1970 के दशक के अंत तक, एनएमओएस माइक्रोप्रोसेसरों ने पीएमओएस प्रोसेसरों को पीछे छोड़ दिया था।[16] सरल कैलकुलेटर और घड़ियों जैसे अनुप्रयोगों के लिए इसकी कम लागत और अपेक्षाकृत उच्च स्तर के एकीकरण के कारण पीएमओएस तर्क कुछ समय के लिए उपयोग में रहा। सीएमओएस तकनीक ने पीएमओएस या एनएमओएस की तुलना में बहुत कम बिजली की खपत का वादा किया। यदि फ्रैंक वानलास द्वारा 1963 में एक सीएमओएस सर्किट प्रस्तावित किया गया था[17] और वाणिज्यिक 4000 श्रृंखला सीएमओएस एकीकृत परिपथों ने 1968 में उत्पादन प्रारंभ किया था, सीएमओएस निर्माण के लिए जटिल बना रहा और न तो पीएमओएस या एनएमओएस के एकीकरण स्तर और न ही एनएमओएस की गति की अनुमति दी। माइक्रोप्रोसेसरों के लिए मुख्य प्रौद्योगिकी के रूप में एनएमओएस को बदलने के लिए सीएमओएस को 1980 के दशक तक का समय लगेगा।

विवरण

एनएमओएस और सीएमओएस विकल्पों की तुलना में पीएमओएस सर्किट में कई नुकसान हैं, जिसमें कई अलग-अलग आपूर्ति वोल्टेज (सकारात्मक और नकारात्मक दोनों), संचालन की स्थिति में उच्च-ऊर्जा अपव्यय और अपेक्षाकृत बड़ी विशेषताएं सम्मलित हैं। साथ ही, समग्र स्विचिंग गति कम है।

पीएमओएस तर्क गेट्स और अन्य डिजिटल सर्किट को लागू करने के लिए पी-चैनल (+) मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) का उपयोग करता है। पीएमओएस ट्रांजिस्टर एक एन-टाइप ट्रांजिस्टर बॉडी में उलटा परत बनाकर काम करते हैं। यह उलटा परत, जिसे पी-चैनल कहा जाता है, पी-टाइप "स्रोत" और "ड्रेन" टर्मिनलों के बीच छिद्रों का संचालन कर सकता है।

पी-चैनल एक नकारात्मक वोल्टेज (-25V सामान्य था[18]) को तीसरे टर्मिनल पर लागू करके बनाया गया है, जिसे गेट कहा जाता है। अन्य मॉस्फेट्स की तरह, पीएमओएस ट्रांजिस्टर के संचालन के चार विधियाँ हैं: कट-ऑफ (या सबथ्रेशोल्ड), ट्रायोड, संतृप्ति (कभी-कभी सक्रिय कहा जाता है), और वेग संतृप्ति है।

जबकि पीएमओएस तर्क डिजाइन और निर्माण के लिए आसान है (एक एमओएसएफईटी को प्रतिरोधक के रूप में संचालित करने के लिए बनाया जा सकता है, इसलिए पूरे सर्किट को पीएमओएस एफईटी के साथ बनाया जा सकता है), इसमें कई कमियां भी हैं। सबसे खराब समस्या यह है कि जब तथाकथित "पुल-अप नेटवर्क" (पीयूएन) सक्रिय होता है, अर्थात जब भी आउटपुट उच्च होता है, तो पीएमओएस तर्क गेट के माध्यम से एक डायरेक्ट धारा (डीसी) होता है, जो स्थैतिक ऊर्जा अपव्यय की ओर जाता है। तब भी जब सर्किट निष्क्रिय रहता है।

इसके अतिरिक्त, पीएमओएस सर्किट उच्च से निम्न संक्रमण के लिए धीमे हैं। निम्न से उच्च में संक्रमण करते समय, ट्रांजिस्टर कम प्रतिरोध प्रदान करते हैं, और आउटपुट पर कैपेसिटिव चार्ज बहुत तेज़ी से जमा होता है (बहुत कम प्रतिरोध के माध्यम से कैपेसिटर को चार्ज करने के समान)। लेकिन आउटपुट और नकारात्मक आपूर्ति रेल के बीच प्रतिरोध बहुत अधिक है, इसलिए उच्च-से-निम्न संक्रमण में अधिक समय लगता है (उच्च प्रतिरोध के माध्यम से संधारित्र के निर्वहन के समान)। कम मूल्य के प्रतिरोधक का उपयोग करने से प्रक्रिया में तेजी आएगी, लेकिन यह स्थैतिक ऊर्जा अपव्यय को भी बढ़ाता है।

इसके अतिरिक्त, असममित इनपुट तर्क स्तर पीएमओएस सर्किट को शोर के लिए अतिसंवेदनशील बनाते हैं।[19]

अधिकांश पीएमओएस एकीकृत परिपथों को 17-24 वोल्ट डीसी की बिजली आपूर्ति की आवश्यकता होती है।[20] इंटेल 4004 पीएमओएस माइक्रोप्रोसेसर, चूंकि, छोटे वोल्टेज अंतर की अनुमति देने वाले मेटल गेट्स के अतिरिक्त पॉलीसिलिकॉन के साथ पीएमओएस तर्क का उपयोग करता है। टीटीएल संकेतों के साथ संगतता के लिए, 4004 सकारात्मक आपूर्ति वोल्टेज VSS=+5V और नकारात्मक आपूर्ति वोल्टेज VDD = -10V का उपयोग करता है।[21]

गेट्स

पी-टाइप मॉस्फेट्स को तर्क गेट आउटपुट और पॉजिटिव सप्लाई वोल्टेज के बीच एक तथाकथित पुल-अप नेटवर्क (पीयूएन) में व्यवस्थित किया जाता है, जबकि तर्क गेट आउटपुट और नेगेटिव सप्लाई वोल्टेज के बीच एक रेसिस्टर रखा जाता है। सर्किट को इस तरह डिज़ाइन किया गया है कि यदि वांछित आउटपुट अधिक होता है, तो पीयूएन सक्रिय हो जाता है, सकारात्मक आपूर्ति और आउटपुट के बीच एक वर्तमान पथ बना देता है।

पीएमओएस गेट्स की वही व्यवस्था है जो एनएमओएस गेट्स की होती है यदि सभी वोल्टेज उलट दिए जाते हैं।[22] इस प्रकार, सक्रिय-उच्च तर्क के लिए, डी मॉर्गन के नियम बताते हैं कि पीएमओएस एनओआर गेट में एनएमओएस एनएएनडी गेट के समान संरचना होती है।

लोड रोकनेवाला के साथ पीएमओएस इन्वर्टर।.
लोड रोकनेवाला के साथ पीएमओएस एनएएनडी गेट।
लोड रोकनेवाला के साथ पीएमओएस एनओआर गेट।

संदर्भ

  1. ↑ "1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated". Computer History Museum.
  2. ↑ Lojek, Bo (2007). सेमीकंडक्टर इंजीनियरिंग का इतिहास. Springer Science & Business Media. pp. 321–323. ISBN 9783540342588.
  3. ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 Manfred Seifart (1982). डिजिटल सर्किट और सर्किट [Digital Circuits and Integrated Circuits] (in Deutsch). Berlin: VEB Verlag Technik. OCLC 923116729.
  4. ↑ Mogisters: The New Generation of MOS Monolithic Shift Registers. General Instrument Corp. 1965.
  5. ↑ 5.0 5.1 "1964: First Commercial MOS IC Introduced". Computer History Museum. Retrieved 2020-12-07.
  6. ↑ "13 Sextillion & Counting: The Long and Winding Road to the Most Frequently Manufactured Human Artifact in History". Computer History Museum. 2018-04-02. Retrieved 2020-12-08.
  7. ↑ सामान्य उपकरण एमओएस इंटीग्रेटेड सर्किट. General Instrument Microelectronics Division. September 1966.
  8. ↑ M. J. Robles (1968-04-09). नया एमओएस मल्टीप्लेक्स स्विच बाइपोलर कम्पैटिबल है. Fairchild Semiconductor.
  9. ↑ 9.0 9.1 9.2 "1968: Silicon Gate Technology Developed for ICs". Computer History Museum. Retrieved 2020-12-11.
  10. ↑ इंटेल मेमोरी डिज़ाइन हैंडबुक (PDF). Intel. Aug 1973. Retrieved 2020-12-18.
  11. ↑ 11.0 11.1 Sah, Chih-Tang (October 1988). "एमओएस ट्रांजिस्टर का विकास-गर्भाधान से वीएलएसआई तक" (PDF). Proceedings of the IEEE. 76 (10): 1280–1326. doi:10.1109/5.16328. ISSN 0018-9219.
  12. ↑ 12.0 12.1 12.2 "1970: MOS dynamic RAM Competes with Magnetic Core Memory on Price". Computer History Museum. Retrieved 2020-12-17.
  13. ↑ "Rockwell PPS-4". The Antique Chip Collector's Page. Retrieved 2020-12-21.
  14. ↑ समानांतर प्रसंस्करण प्रणाली (पीपीएस) माइक्रो कंप्यूटर. Rockwell International. Oct 1974. Retrieved 2020-12-21.
  15. ↑ "इंटेल उत्पादों की कालानुक्रमिक सूची। उत्पादों को तिथि के अनुसार क्रमबद्ध किया जाता है।" (PDF). Intel museum. Intel Corporation. July 2005. Archived from the original (PDF) on August 9, 2007. Retrieved July 31, 2007.
  16. ↑ Kuhn, Kelin (2018). "CMOS and Beyond CMOS: Scaling Challenges". सीएमओएस अनुप्रयोगों के लिए उच्च गतिशीलता सामग्री. Woodhead Publishing. p. 1. ISBN 9780081020623.
  17. ↑ "1963: Complementary MOS Circuit Configuration is invented". Computer History Museum. Retrieved 2021-01-02.
  18. ↑ Ken Shirriff (December 2020). "रिवर्स-इंजीनियरिंग चार-चरण तर्क के साथ एक प्रारंभिक कैलकुलेटर चिप". Retrieved 2020-12-31.
  19. ↑ Khan, Ahmad Shahid (2014). Microwave Engineering: Concepts and Fundamentals. p. 629. ISBN 9781466591424. Retrieved 2016-04-10. इसके अलावा, असममित इनपुट लॉजिक स्तर पीएमओएस सर्किट को शोर के लिए अतिसंवेदनशील बनाते हैं।
  20. ↑ Fairchild (January 1983). "CMOS, the Ideal Logic Family" (PDF). p. 6. Archived from the original (PDF) on 2015-01-09. Retrieved 2015-07-03. Most of the more popular P-MOS parts are specified with 17V to 24V power supplies while the maximum power supply voltage for CMOS is 15V.
  21. ↑ "Intel 4004 datasheet" (PDF) (published 2010-07-06). 1987. p. 7. Archived from the original (PDF) on 16 October 2016. Retrieved 2011-07-06.
  22. ↑ माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक डिवाइस डेटा हैंडबुक (PDF) (NPC 275-1 ed.). NASA / ARINC Research Corporation. August 1966. p. 2-51.


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