La lógica de semiconductores de óxido de metal de tipo N utiliza MOSFET ( transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal ) de tipo n (-) para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales . [1] [2] Estos transistores nMOS funcionan creando una capa de inversión en un cuerpo de transistor tipo p . Esta capa de inversión, llamada canal n, puede conducir electrones entre los terminales "fuente" y "drenaje" de tipo n . El canal n se crea aplicando voltaje al tercer terminal, llamado puerta. Al igual que otros MOSFET, los transistores nMOS tienen cuatro modos de funcionamiento: corte (o subumbral), triodo, saturación (a veces llamado activo) y saturación de velocidad.
Durante muchos años, los circuitos NMOS fueron mucho más rápidos que los circuitos PMOS y CMOS comparables , que tenían que utilizar transistores de canal p mucho más lentos. También fue más fácil fabricar NMOS que CMOS, ya que este último tiene que implementar transistores de canal p en pocillos n especiales en el sustrato p. El principal inconveniente de NMOS (y la mayoría de las otras familias lógicas ) es que una corriente continua debe fluir a través de una puerta lógica incluso cuando la salida está en estado estable (bajo en el caso de NMOS). Esto significa disipación de energía estática , es decir, consumo de energía incluso cuando el circuito no está conmutando, lo que genera un alto consumo de energía.
Además, al igual que en la lógica de diodo-transistor , la lógica de transistor-transistor , la lógica de emisor acoplado, etc., los niveles lógicos de entrada asimétricos hacen que los circuitos NMOS y PMOS sean más susceptibles al ruido que los CMOS. Estas desventajas son la razón por la que la lógica CMOS ha suplantado a la mayoría de estos tipos en la mayoría de los circuitos digitales de alta velocidad, como los microprocesadores , a pesar de que CMOS era originalmente muy lento en comparación con las puertas lógicas construidas con transistores bipolares .
MOS significa semiconductor de óxido metálico , y refleja la forma en que se construyeron originalmente los transistores MOS, predominantemente antes de la década de 1970, con puertas de metal, generalmente de aluminio. Sin embargo, desde aproximadamente 1970, la mayoría de los circuitos MOS han utilizado puertas autoalineadas hechas de silicio policristalino , una tecnología desarrollada por primera vez por Federico Faggin en Fairchild Semiconductor . Estas puertas de silicio todavía se utilizan en la mayoría de los tipos de circuitos integrados basados en MOSFET , aunque las puertas metálicas ( Al o Cu ) comenzaron a reaparecer a principios de la década de 2000 para ciertos tipos de circuitos de alta velocidad, como los microprocesadores de alto rendimiento.
Los MOSFET son transistores de modo de mejora de tipo n , dispuestos en la denominada "red desplegable" (PDN) entre la salida de la puerta lógica y la tensión de alimentación negativa (normalmente la tierra). Se coloca un pull up (es decir, una "carga" que puede considerarse como una resistencia, ver más abajo) entre el voltaje de suministro positivo y cada salida de puerta lógica. Cualquier puerta lógica , incluido el inversor lógico , puede implementarse diseñando una red de circuitos en paralelo y/o en serie, de modo que si la salida deseada para una determinada combinación de valores de entrada booleanos es cero (o falsa ), el PDN será activo, lo que significa que al menos un transistor permite un camino de corriente entre el suministro negativo y la salida. Esto provoca una caída de voltaje sobre la carga y, por lo tanto, un voltaje bajo en la salida, que representa el cero .
Como ejemplo, aquí hay una puerta NOR implementada en NMOS esquemático. Si la entrada A o la entrada B son altas (1 lógico, = Verdadero), el transistor MOS respectivo actúa como una resistencia muy baja entre la salida y el suministro negativo, lo que obliga a la salida a ser baja (0 lógico, = Falso). Cuando tanto A como B están altos, ambos transistores son conductores, creando una ruta de resistencia a tierra aún más baja. El único caso en el que la salida es alta es cuando ambos transistores están apagados, lo que ocurre sólo cuando A y B están en niveles bajos, satisfaciendo así la tabla de verdad de una puerta NOR:
Se puede hacer que un MOSFET funcione como una resistencia, por lo que todo el circuito se puede construir solo con MOSFET de n canales. Los circuitos NMOS tardan en pasar de bajo a alto. Al pasar de alto a bajo, los transistores proporcionan baja resistencia y la carga capacitiva en la salida se drena muy rápidamente (similar a descargar un capacitor a través de una resistencia muy baja). Pero la resistencia entre la salida y el riel de suministro positivo es mucho mayor, por lo que la transición de bajo a alto lleva más tiempo (similar a cargar un condensador a través de una resistencia de alto valor). El uso de una resistencia de menor valor acelerará el proceso pero también aumentará la disipación de energía estática. Sin embargo, una forma mejor (y la más común) de hacer que las puertas sean más rápidas es usar transistores en modo de agotamiento en lugar de transistores en modo de mejora como cargas. Esto se llama lógica NMOS de carga de agotamiento .
Medios relacionados con MOS en Wikimedia Commons