NMOSロジック

NMOSまたはnMOSロジック（N型金属酸化物半導体から）は、n型（-）MOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）を使用してロジックゲートやその他のデジタル回路を実装します。[ 1 ] [ 2 ]

NMOSトランジスタは、P型トランジスタのボディに反転層を形成することで動作します。この反転層はNチャネルと呼ばれ、N型のソース端子とドレイン端子間で電子を伝導します。Nチャネルは、ゲートと呼ばれる3番目の端子に電圧を印加することで形成されます。他のMOSFETと同様に、NMOSトランジスタには、カットオフ（またはサブスレッショルド）、トライオード、飽和（アクティブと呼ばれることもあります）、および速度飽和の4つの動作モードがあります。

NMOSのAND論理は、NMOSコンポーネントにおいて、 CMOS 6502には存在しない6502の「不正オペコード」のような異常なグリッチやバグのような動作を引き起こす可能性があります。コモドールのVIC-IIチップのように、チップのロジックに存在するバグがグラフィック効果のためにプログラマーによって広く悪用されたケースもありました。

長年にわたり、NMOS回路は、はるかに低速なpチャネルトランジスタを使用する必要があった同等のPMOS回路やCMOS回路よりもはるかに高速でした。また、CMOSはpチャネルトランジスタをp基板上の特殊なnウェルに実装する必要があるため、バス競合による損傷や静電放電による損傷を受けにくく、NMOSの方が製造が容易でした。NMOS（および他のほとんどのロジックファミリー）の主な欠点は、出力が定常状態（NMOSの場合は低）であっても、ロジックゲートに直流電流が流れなければならないことです。これは静的電力消費、つまり回路がスイッチングしていないときでも電力が消費されることを意味し、消費電力の増加につながります。

NMOS回路のもう一つの欠点は、発熱です。トランジスタの状態を保持するために回路に一定の電流を流し続ける必要があるため、NMOS回路は動作中にかなりの熱を発生し、デバイスの信頼性を低下させる可能性があります。これは、1970年代初期の大規模ゲートプロセスノードにおいて特に問題となりました。対照的に、CMOS回路はトランジスタ数が100万個に近づかない限り、ほとんど熱を発生しません。

1970年代から1980年代初頭にかけて、CMOS部品は比較的一般的ではなく、部品番号に「C」が付くのが一般的でした。1980年代を通して、NMOS部品とCMOS部品の両方が広く使用され、10年経つにつれてCMOSはより普及しました。CPUやグラフィックプロセッサなどの能動的な処理を行う部品では、メモリチップなどの受動部品に比べてNMOSの方が高速で製造コストが低いため、NMOSが好まれました。また、Motorola 68030などの一部のチップは、 NMOSとCMOSの両方のセクションを備えたハイブリッドでした。CMOSは1990年代以降、集積回路においてほぼ普遍的になりました。

さらに、ダイオード-トランジスタ論理、トランジスタ-トランジスタ論理、エミッタ結合論理などと同様に、非対称の入力論理レベルにより、NMOS回路とPMOS回路はCMOS回路よりもノイズの影響を受けやすくなります。これらの欠点こそが、 CMOSが元々バイポーラトランジスタで構成された論理ゲートに比べて非常に低速であったにもかかわらず、マイクロプロセッサなどのほとんどの高速デジタル回路において、これらのタイプのほとんどがCMOS論理に置き換えられた理由です。

概要

MOSは金属酸化物半導体（metal-oxide-semiconductor）の略で、MOSトランジスタの元々の構造、主に1970年代以前の構造を反映しており、ゲートには金属（典型的にはアルミニウム）が使用されていました。しかし、1970年頃から、ほとんどのMOS回路は多結晶シリコン製の自己整合ゲートを使用しています。この技術は、フェアチャイルドセミコンダクターのフェデリコ・ファギン氏によって初めて開発されました。これらのシリコンゲートは、MOSFETベースの集積回路のほとんどで現在でも使用されていますが、2000年代初頭には、高性能マイクロプロセッサなどの特定の高速回路において、金属ゲート（アルミニウムまたは銅）が再び使用されるようになりました。

MOSFETはn型エンハンスメントモードトランジスタであり、ロジックゲート出力と負電源電圧（通常はグランド）の間に、いわゆる「プルダウンネットワーク」（PDN）として配置されています。プルアップ（つまり、抵抗器と考えることができる「負荷」（下記参照））は、正電源電圧と各ロジックゲート出力の間に配置されます。論理インバータを含むあらゆるロジックゲートは、並列回路および／または直列回路のネットワークを設計することで実装できます。これにより、ブール入力値の特定の組み合わせに対する目的の出力がゼロ（または偽）の場合、PDNがアクティブになり、少なくとも1つのトランジスタが負電源と出力の間に電流経路を許可します。これにより負荷で電圧降下が発生し、出力に低電圧が発生し、ゼロを表します。

R プル回路は、GND にシンクする NOR ゲートのように動作します。

例として、回路図NMOSで実装されたNORゲートを示します。入力Aまたは入力Bのいずれかがハイ（論理1、=真）の場合、対応するMOSトランジスタは出力と負電源の間で非常に低い抵抗として機能し、出力をロー（論理0、=偽）にします。AとBの両方がハイの場合、両方のトランジスタが導通し、グラウンドへのさらに低い抵抗経路が形成されます。出力がハイになるのは両方のトランジスタがオフのときのみで、これはAとBの両方がローのときのみ発生し、NORゲートの真理値表を満たします。

あBA または B
001
010
100
110

MOSFET は抵抗器として動作させることができるため、回路全体を n チャネル MOSFET だけで構成できます。NMOS 回路は、低から高への遷移が低速です。高から低に遷移する際、トランジスタは低い抵抗値を提供するため、出力の容量性電荷は非常に速く放電されます (非常に低い抵抗値を介してコンデンサを放電する場合と同様)。ただし、出力と正の電源レール間の抵抗は非常に大きいため、低から高への遷移には長い時間がかかります (高い値の抵抗値を介してコンデンサを充電する場合と同様)。値の低い抵抗器を使用するとプロセスが高速化されますが、静的消費電力も増加します。ただし、ゲートを高速化するより良い (そして最も一般的な) 方法は、負荷としてエンハンスメント モードトランジスタではなくデプレッション モードトランジスタを使用することです。これは、デプレッション負荷 NMOS ロジックと呼ばれます。

歴史

MOSFETは、1959年にベル研究所でエジプトの技術者モハメド・M・アタラと韓国の技術者ダウォン・カンによって発明され、1960年に実証されました。[ 3 ]彼らは20μmプロセスでPMOSとNMOSの両方のデバイスを製造しました。しかし、NMOSデバイスは実用的ではなく、PMOSタイプのみが実用的でした。[ 4 ] 

1965年、フェアチャイルドセミコンダクターのチタン・サー、オットー・レイスティコ、アンドリュー・グローブは、チャネル長が8μmから65μmのNMOSデバイスをいくつか製造した。[ 5 ] IBMのデール・L・クリッチローとロバート・H・デナードも1960年代にNMOSデバイスを製造した。IBMの最初のNMOS製品は、1kbのデータと50～100nsのアクセスタイムを持つメモリチップで、1970年代初頭に大規模生産に入った。これにより、1970年代にはMOS半導体メモリが、以前のバイポーラメモリやフェライトコアメモリ技術に取って代わった。[ 6 ]   

1970年代初頭の最も初期のマイクロプロセッサはPMOSプロセッサであり、初期のマイクロプロセッサ業界を席巻していました。[ 7 ] 1973年、 NECのμCOM -4は、鈴木宗一率いる5人の研究者からなるNEC LSIチームによって製造された初期のNMOSマイクロプロセッサでした。 [ 8 ] [ 9 ] 1970年代後半までには、NMOSマイクロプロセッサがPMOSプロセッサを追い越しました。[ 7 ] CMOSマイクロプロセッサは1975年に導入されました。[ 7 ] [ 10 ] [ 11 ]しかし、CMOSプロセッサが主流になったのは1980年代になってからでした。[ 7 ]

当初、 CMOS は NMOS ロジックよりも低速であったため、1970 年代には NMOS がコンピュータに広く使用されました。[ 12 ] Intel 5101 (1 kb SRAM ) CMOS メモリ チップ (1974)のアクセス時間は800 nsでした。[ 13 ] [ 14 ]一方、当時最速の NMOS チップであった Intel 2147 (4 kb SRAM) HMOSメモリ チップ (1976) のアクセス時間は 55/70 ns でした。[ 12 ] [ 14 ] 1978 年、増原俊明氏が率いる日立の研究チームが、 3 μm プロセスで製造された HM6147 (4 kb SRAM) メモリ チップで、ツインウェル Hi-CMOS プロセスを導入しました。[ 12 ] [ 15 ]日立HM6147チップは、インテル2147 HMOSチップの性能（55/70 nsアクセス）に匹敵する性能を発揮し、消費電力も2147（110 mA）よりも大幅に低かった（15 mA ）。同等の性能と大幅に低い消費電力を実現したツインウェルCMOSプロセスは、1980年代にNMOSを凌駕し、コンピュータ向け半導体製造プロセスとして最も一般的なものとなった。[ 12 ]        

1980年代にはCMOSマイクロプロセッサがNMOSマイクロプロセッサを追い抜いた。[ 7 ]

参考文献

  1. ^ Ferdjallah, Mohammed (2011). 「5.4 NMOSとPMOSロジックゲート」 .デジタルシステム入門：VHDLを用いたモデリング、合成、シミュレーション. Wiley. ISBN 9780470900550– O'Reilly Media, Inc.経由
  2. ^ Kong, Lingan; Chen, Yang; Liu, Yuan (2021年6月). 「2次元半導体に基づくNMOSおよびCMOSロジック機能の最近の進歩」. Nano Research . 14 (6): 1768– 1783. doi : 10.1007/s12274-020-2958-7 .
  3. ^ 「1960年 - 金属酸化膜半導体（MOS）トランジスタの実証」シリコンエンジン。コンピュータ歴史博物館。
  4. ^ロジェック、ボー (2007).半導体工学の歴史.シュプリンガー・サイエンス＆ビジネス・メディア. pp.  321–3 . ISBN 9783540342588。
  5. ^ Sah, Chih-Tang ; Leistiko, Otto; Grove, AS (1965年5月). 「熱酸化シリコン表面上の反転層における電子および正孔移動度」 . IEEE Transactions on Electron Devices . 12 (5): 248– 254. Bibcode : 1965ITED...12..248L . doi : 10.1109/T-ED.1965.15489 . 2019年9月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  6. ^ Critchlow, DL (2007). 「MOSFETのスケーリングに関する回想」 . IEEE Solid-State Circuits Society Newsletter . 12 (1): 19– 22. doi : 10.1109/N-SSC.2007.4785536 .
  7. ^ a b c d e Kuhn, Kelin (2018). 「CMOSとCMOSを超えて：スケーリングの課題」 . CMOSアプリケーション向け高移動度材料. Woodhead Publishing . p. 1. ISBN 9780081020623。
  8. ^ 「1970年代：マイクロプロセッサの開発と進化」（PDF） .半導体歴史博物館. 2019年6月27日閲覧。
  9. ^ 「NEC 751 (uCOM-4)」。アンティークチップコレクターのページ。2011年5月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年6月11日閲覧。
  10. ^ Cushman, Robert H. (1975年9月20日). 「第2世代半のμP - ローエンドのミニPC並みの性能を持つ10ドルの部品」(PDF) . EDN. 2016年4月24日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2019年9月15日閲覧。
  11. ^ 「CDP 1800 μP 市販開始」(PDF) .マイクロコンピュータダイジェスト. 2 (4): 1– 3. 1975年10月.
  12. ^ a b c d「1978年：ダブルウェル高速CMOS SRAM（日立）」（PDF）半導体歴史博物館. 2019年7月5日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2019年7月5日閲覧。
  13. ^ 「シリコンゲートMOS 2102A」 . Intel . 2019年6月27日閲覧。
  14. ^ a b「Intel製品の時系列リスト。製品は日付順に並べられています」（PDF）。インテルミュージアム。Intel Corporation。2005年7月。 2007年8月9日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2007年7月31日閲覧。
  15. ^増原 俊明; 湊 修; 佐々木 剛; 坂井 勇; 久保 正治; 安井 孝 (1978).高速・低消費電力Hi-CMOS 4KスタティックRAM . 1978 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. Vol. XXI. pp.  110– 111. doi : 10.1109/ISSCC.1978.1155749 .
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