lógica PMOS

La lógica PMOS o pMOS , del latín metal-óxido-semiconductor de canal p , es una familia de circuitos digitales basados ​​en transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) de canal p y modo de enriquecimiento . A finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, la lógica PMOS fue la tecnología de semiconductores dominante para circuitos integrados a gran escala antes de ser reemplazada por los dispositivos NMOS y CMOS .

Mohamed Atalla y Dawon Kahng fabricaron el primer MOSFET funcional en Bell Labs en 1959. ^{[ 1 ]} Fabricaron dispositivos PMOS y NMOS, pero solo los PMOS funcionaban. ^{[ 2 ]} Pasaría más de una década antes de que los contaminantes en el proceso de fabricación (en particular el sodio) pudieran controlarse lo suficiente como para fabricar dispositivos NMOS prácticos.

En comparación con el transistor de unión bipolar , el único otro dispositivo disponible en ese momento para su uso en un circuito integrado , el MOSFET ofrece una serie de ventajas:

• Dado que los procesos de fabricación de dispositivos semiconductores tienen una precisión similar, un MOSFET requiere solo el 10 % del área de un transistor de unión bipolar. ^{[ 3 ] : 87} La razón principal es que el MOSFET es autoaislante y no requiere aislamiento de unión p-n de los componentes vecinos en el chip.
• Un MOSFET requiere menos pasos de proceso y, por lo tanto, es más simple y barato de fabricar (un paso de dopaje por difusión ^{[ 3 ] : 87} en comparación con cuatro para un proceso bipolar ^{[ 3 ] : 50} ).
• Dado que un MOSFET no tiene corriente de puerta estática, el consumo de energía de un circuito integrado basado en MOSFETs puede ser menor.

Las desventajas relativas a los circuitos integrados bipolares fueron:

• La velocidad de conmutación fue considerablemente menor, debido a las grandes capacitancias de puerta .
• El alto voltaje umbral de los primeros MOSFET dio lugar a un voltaje mínimo de alimentación más alto (-24  V a -28  V ^{[ 4 ]} ).

General Microelectronics presentó el primer circuito PMOS comercial en 1964, un registro de desplazamiento de 20 bits con 120 MOSFETs, un nivel de integración increíble para la época. ^{[ 5 ]} El intento de General Microelectronics en 1965 de desarrollar un conjunto de 23 circuitos integrados personalizados para la calculadora electrónica Victor 3900 de Victor Comptometer ^{[ 5 ]} resultó ser demasiado ambicioso dada la fiabilidad de los circuitos PMOS en ese momento y finalmente llevó a la desaparición de General Microelectronics. ^{[ 6 ]} Otras compañías continuaron fabricando circuitos PMOS como grandes registros de desplazamiento ( General Instrument ) ^{[ 7 ]} o el multiplexor analógico 3705 ( Fairchild Semiconductor ) ^{[ 8 ]} que no eran factibles en las tecnologías bipolares de la época.

Una mejora importante se produjo con la introducción de la tecnología de compuerta autoalineada de polisilicio en 1968. ^{[ 9 ]} Tom Klein y Federico Faggin en Fairchild Semiconductor mejoraron el proceso de compuerta autoalineada para hacerlo comercialmente viable, lo que resultó en el lanzamiento del multiplexor analógico 3708 como el primer circuito integrado de compuerta de silicio. ^{[ 9 ]} El proceso de compuerta autoalineada permitió tolerancias de fabricación más estrictas y, por lo tanto, MOSFET más pequeños y capacitancias de compuerta reducidas y consistentes. Por ejemplo, para las memorias PMOS, esta tecnología proporcionó de tres a cinco veces la velocidad en la mitad del área del chip. ^{[ 9 ]} El material de compuerta de polisilicio no solo hizo posible la compuerta autoalineada, sino que también resultó en un voltaje umbral reducido y, en consecuencia, en un voltaje mínimo de alimentación más bajo (por ejemplo, -16 V ^{[ 10 ] : 1–13} ), reduciendo el consumo de energía. Debido a la menor tensión de alimentación, la lógica PMOS de puerta de silicio se suele denominar PMOS de baja tensión, en contraste con la PMOS de puerta metálica más antigua, denominada PMOS de alta tensión . ^{[ 3 ] : 89} 

Por varias razones, Fairchild Semiconductor no prosiguió con el desarrollo de circuitos integrados PMOS tan intensamente como querían los gerentes involucrados. ^{[ 11 ] : 1302} Dos de ellos, Gordon Moore y Robert Noyce , decidieron en 1968 fundar su propia empresa emergente: Intel . Poco después se les unieron otros ingenieros de Fairchild, incluidos Federico Faggin y Les Vadasz . Intel presentó su primera memoria de acceso aleatorio estática PMOS con una capacidad de 256 bits, la Intel 1101, en 1969. ^{[ 11 ] : 1303} La memoria de acceso aleatorio dinámica de 1024 bits Intel 1103 le siguió en 1970. ^{[ 12 ]} La 1103 fue un éxito comercial y rápidamente comenzó a reemplazar la memoria de núcleo magnético en las computadoras. ^{[ 12 ]} Intel presentó su primer microprocesador PMOS , el Intel 4004 , en 1971. Varias empresas siguieron el ejemplo de Intel. La mayoría de los primeros microprocesadores se fabricaron con tecnología PMOS: 4040 y 8008 de Intel; IMP-16 , PACE y SC/MP de National Semiconductor ; TMS1000 de Texas Instruments ; PPS-4 ^{[ 13 ]} y PPS-8 ^{[ 14 ]} de Rockwell International . Hay varios hitos comerciales en esta lista de microprocesadores: el primer microprocesador de 4 bits (4004), el primer microprocesador de 8 bits (8008), el primer microprocesador de 16 bits de un solo chip (PACE) y el primer microcontrolador de 4 bits de un solo chip (TMS1000; RAM y ROM en el mismo chip que la CPU ).

Para 1972, la tecnología NMOS finalmente se había desarrollado hasta el punto en que podía usarse en productos comerciales. Tanto Intel (con el 2102) ^{[ 15 ]} como IBM ^{[ 12 ]} introdujeron chips de memoria de 1 kbit. Como la movilidad de los electrones en el canal de tipo n de los MOSFET NMOS es aproximadamente tres veces mayor que la movilidad de los huecos en el canal de tipo p de los MOSFET PMOS, la lógica NMOS permite una mayor velocidad de conmutación. Por esta razón, la lógica NMOS rápidamente comenzó a reemplazar a la lógica PMOS. A finales de la década de 1970, los microprocesadores NMOS habían superado a los procesadores PMOS. ^{[ 16 ]} La lógica PMOS se mantuvo en uso durante un tiempo debido a su bajo costo y nivel de integración relativamente alto para aplicaciones como calculadoras simples y relojes. La tecnología CMOS prometía un consumo de energía drásticamente menor que PMOS o NMOS. Aunque Frank Wanlass ya había propuesto un circuito CMOS en 1963 ^{[ 17 ]} y los circuitos integrados CMOS comerciales de la serie 4000 de RCA habían entrado en producción en 1968, la fabricación de CMOS seguía siendo compleja y no permitía ni el nivel de integración de PMOS ni de NMOS, ni la velocidad de NMOS. No sería hasta la década de 1980 cuando CMOS reemplazaría a NMOS como la tecnología principal para microprocesadores.

Los circuitos PMOS presentan varias desventajas en comparación con las alternativas NMOS y CMOS , como la necesidad de diferentes voltajes de alimentación (tanto positivos como negativos), una alta disipación de potencia en estado de conducción y características relativamente grandes. Además, la velocidad de conmutación general es menor.

La tecnología PMOS utiliza transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) de canal p (+) para implementar compuertas lógicas y otros circuitos digitales . Los transistores PMOS funcionan creando una capa de inversión en el cuerpo de un transistor de tipo n . Esta capa de inversión, denominada canal p, permite la conducción de electrones entre los terminales de "fuente" y "drenaje" de tipo p .

El canal p se crea aplicando un voltaje negativo (normalmente -25 V ^{[ 18 ]} ) al tercer terminal, denominado compuerta. Al igual que otros MOSFET, los transistores PMOS tienen cuatro modos de operación: corte (o subumbral), triodo, saturación (a veces llamado activo) y saturación de velocidad.

Aunque la lógica PMOS es fácil de diseñar y fabricar (un MOSFET puede funcionar como una resistencia, por lo que todo el circuito puede construirse con transistores PMOS), también presenta varias desventajas. El principal problema es que circula una corriente continua (CC) por la puerta lógica PMOS cuando la denominada "red de polarización" (PUN) está activa, es decir, cuando la salida es alta, lo que provoca una disipación de potencia estática incluso cuando el circuito está inactivo.

Además, los circuitos PMOS tardan en pasar de un estado alto a uno bajo. Al pasar de un estado bajo a uno alto, los transistores ofrecen una baja resistencia, y la carga capacitiva en la salida se acumula muy rápidamente (similar a la carga de un condensador a través de una resistencia muy baja). Sin embargo, la resistencia entre la salida y la línea de alimentación negativa es mucho mayor, por lo que la transición de un estado alto a uno bajo tarda más (similar a la descarga de un condensador a través de una alta resistencia). Usar una resistencia de menor valor acelera el proceso, pero también aumenta la disipación de potencia estática.

Además, los niveles lógicos de entrada asimétricos hacen que los circuitos PMOS sean susceptibles al ruido. ^{[ 19 ]}

La mayoría de los circuitos integrados PMOS requieren una fuente de alimentación de 17-24 voltios CC. ^{[ 20 ]} Sin embargo, el microprocesador Intel 4004 PMOS utiliza lógica PMOS con compuertas de polisilicio en lugar de metal , lo que permite una diferencia de voltaje menor. Para la compatibilidad con señales TTL , el 4004 utiliza un voltaje de alimentación positivo V _SS = +5 V y un voltaje de alimentación negativo V _DD = -10 V. ^{[ 21 ]}

Los MOSFET de tipo p están dispuestos en una red de polarización ascendente (PUN, por sus siglas en inglés) entre la salida de la puerta lógica y la tensión de alimentación positiva, mientras que una resistencia se coloca entre la salida de la puerta lógica y la tensión de alimentación negativa. El circuito está diseñado de tal manera que, si la salida deseada es alta, la PUN se activará, creando un camino de corriente entre la alimentación positiva y la salida.

Las compuertas PMOS tienen la misma disposición que las compuertas NMOS si se invierten todos los voltajes. ^{[ 22 ]} Por lo tanto, para la lógica activa en alto, las leyes de De Morgan muestran que una compuerta NOR PMOS tiene la misma estructura que una compuerta NAND NMOS y viceversa.

• Savard, John JG (2018) [2005]. "De qué están hechas las computadoras" . quadibloc . Archivado del original el 2 de julio de 2018. Recuperado el 16 de julio de 2018 .