पीएमओएस तर्क

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पीएमओएस घड़ी आईसी, 1974

पीएमओएस तर्क (पी-चैनल मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर से) 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, NMOS और CMOS उपकरणों द्वारा प्रतिस्थापित किए जाने से पहले बड़े पैमाने पर एकीकृत सर्किट के लिए PMOS 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 MOSFET बनाया।[1] उन्होंने PMOS और NMOS दोनों उपकरणों का निर्माण किया लेकिन केवल PMOS उपकरण ही काम कर रहे थे।[2] निर्माण प्रक्रिया (विशेष रूप से सोडियम) में प्रदूषकों को व्यावहारिक NMOS उपकरणों के निर्माण के लिए पर्याप्त रूप से प्रबंधित करने से पहले एक दशक से अधिक का समय लगेगा।

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

  • समान परिशुद्धता की सेमीकंडक्टर डिवाइस निर्माण प्रक्रियाओं को देखते हुए, एक MOSFET 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 पड़ोसी 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 करंट 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 काफी कम थी।
  • शुरुआती MOSFETs 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 पेश किया, 120 एमओएसएफईटी के साथ 20-बिट शिफ्ट रजिस्टर - उस समय एकीकरण का एक अविश्वसनीय स्तर।[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।[9]पॉलीसिलिकॉन गेट सामग्री ने न केवल स्व-संरेखित गेट को संभव बनाया, बल्कि 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। कम बिजली आपूर्ति वोल्टेज के कारण, सिलिकॉन गेट पीएमओएस लॉजिक को अक्सर 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 शामिल प्रबंधक चाहते थे।[11]: 1302  उनमें से दो, गॉर्डन मूर और रॉबर्ट नोयस ने 1968 में इसके बजाय अपना खुद का स्टार्टअप खोजने का फैसला किया - इंटेल। वे शीघ्र ही बाद में अन्य फेयरचाइल्ड इंजीनियरों से जुड़ गए, जिनमें फेडेरिको फागिन और वाडाज़ शामिल थे। इंटेल ने 1969 में 256 बिट की क्षमता वाली अपनी पहली पीएमओएस स्थिर रैंडम-एक्सेस मेमोरी, इंटेल 1101 पेश 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 शुरू कर दिया।[12]Intel ने अपना पहला PMOS माइक्रोप्रोसेसर, Intel 4004, 1971 में पेश किया। कई कंपनियों ने Intel के नेतृत्व का अनुसरण किया। अधिकांश माइक्रोप्रोसेसर कालक्रम PMOS तकनीक में निर्मित किए गए थे: Intel 4040 और Intel 8008 Intel से; IMP-16, राष्ट्रीय सेमीकंडक्टर PACE और नेशनल सेमीकंडक्टर SC/MP|SC/MP नेशनल सेमीकंडक्टर पेस; टेक्सस उपकरण ्स 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 (PACE), और पहला सिंगल-चिप 4-बिट माइक्रोकंट्रोलर (TMS1000; सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट के समान चिप पर रैम और केवल पढ़ने के लिये मेमोरी )।

1972 तक, NMOS तकनीक अंततः उस बिंदु तक विकसित हो गई थी जहाँ इसे वाणिज्यिक उत्पादों में इस्तेमाल किया जा सकता था। दोनों इंटेल (2102 के साथ)[15] और आईबीएम[12]1 kbit मेमोरी चिप पेश 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 NMOS लॉजिक ने तेजी से PMOS लॉजिक को बदलना शुरू कर दिया। 1970 के दशक के अंत तक, NMOS माइक्रोप्रोसेसरों ने PMOS 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। CMOS तकनीक ने PMOS या NMOS की तुलना में बहुत कम बिजली की खपत का वादा किया। भले ही फ्रैंक वानलास द्वारा 1963 में एक CMOS सर्किट प्रस्तावित किया गया था[17] और वाणिज्यिक 4000 श्रृंखला CMOS एकीकृत परिपथों ने 1968 में उत्पादन शुरू किया था, CMOS निर्माण के लिए जटिल बना रहा और न तो PMOS या NMOS के एकीकरण स्तर और न ही NMOS की गति की अनुमति दी। माइक्रोप्रोसेसरों के लिए मुख्य प्रौद्योगिकी के रूप में NMOS को बदलने के लिए CMOS को 1980 के दशक तक का समय लगेगा।

विवरण

एनएमओएस लॉजिक और सीएमओएस तर्क 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-शक्ति अपव्यय और अपेक्षाकृत बड़ी विशेषताएं शामिल हैं। साथ ही, समग्र स्विचिंग गति कम है।

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

पी-चैनल एक नकारात्मक वोल्टेज लगाने से बनाया गया है (-25V सामान्य था[18]) तीसरे टर्मिनल के लिए, जिसे गेट कहा जाता है। अन्य MOSFETs की तरह, PMOS ट्रांजिस्टर के संचालन के चार तरीके हैं: कट-ऑफ (या सबथ्रेशोल्ड), ट्रायोड, संतृप्ति (कभी-कभी सक्रिय कहा जाता है), और वेग संतृप्ति।

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 (PUN) सक्रिय होता है, यानी जब भी आउटपुट अधिक होता है, तो PMOS लॉजिक गेट के माध्यम से एक एकदिश धारा (DC) होता है, जो तब भी स्थिर शक्ति अपव्यय की ओर जाता है सर्किट बेकार बैठता है।

इसके अलावा, 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 शक्ति अपव्यय को भी बढ़ाता है।

इसके अतिरिक्त, असममित इनपुट लॉजिक स्तर पीएमओएस सर्किट को शोर के लिए अतिसंवेदनशील बनाते हैं।[19] अधिकांश पीएमओएस एकीकृत सर्किटों को 17-24 वोल्ट डीसी की बिजली आपूर्ति की आवश्यकता होती है।[20] इंटेल 4004 पीएमओएस माइक्रोप्रोसेसर, हालांकि, छोटे वोल्टेज अंतर की अनुमति देने वाले धातु का द्वार के बजाय पॉलीसिलिकॉन के साथ पीएमओएस तर्क का उपयोग करता है। ट्रांजिस्टर-ट्रांजिस्टर तर्क सिग्नल के साथ संगतता के लिए, 4004 सकारात्मक आपूर्ति वोल्टेज V का उपयोग करता हैSS=+5V और ऋणात्मक आपूर्ति वोल्टेज VDD = -10 वी।[21]

गेट्स

पी-टाइप MOSFETs को लॉजिक गेट आउटपुट और पॉजिटिव सप्लाई वोल्टेज के बीच एक तथाकथित पुल-अप नेटवर्क (PUN) में व्यवस्थित किया जाता है, जबकि लॉजिक 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 है, तो PUN सक्रिय हो जाएगा, सकारात्मक आपूर्ति और आउटपुट के बीच एक वर्तमान पथ बना देगा।

PMOS गेट्स की वही व्यवस्था है जो NMOS गेट्स की होती है यदि सभी वोल्टेज उलट दिए जाते हैं।[22] इस प्रकार, सक्रिय-उच्च तर्क के लिए, De_Morgan%27s_laws|डी मॉर्गन के नियम बताते हैं कि एक PMOS NOR गेट की संरचना NMOS NAND गेट के समान है और इसके विपरीत।

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.


अग्रिम पठन


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