Verwenden Logikfamilien unterschiedliche Transistortypen?

Hier ist eine schrecklich unvollständige Antwort:

Durch Dotieren, Oxydieren, Metallisieren einer Siliziumscheibe können Sie auf der Oberfläche verschiedene Arten von Komponenten erstellen: Drähte, Bipolartransistoren (alias BJT), Metalloxidtransistoren (alias MOS), Widerstände, Induktivitäten, Kondensatoren ... (aber es ist oft einfacher, einen Transistor zu bauen als diese passiven Komponenten).

Komponenten werden sofort erstellt, indem Muster aufgebracht und der Chip freigelegt werden. Transistoren werden nicht „ausgewählt und platziert“, auch nicht für analoge integrierte Schaltkreise.

Bipolartransistoren, die in TTL-Gattern verwendet werden, sind „stromgesteuert“ und arbeiten ganz anders als MOS-Transistoren, die „spannungsgesteuert“ sind.

TTL (Transistor-zu-Transistor-Logik) wird traditionell als Logikpegel und E/A-Eigenschaften definiert, die (in den 70er bis 80er Jahren) optimal für Bipolartransistoren waren, die mit einer 5-V-Stromversorgung arbeiten. Es ist jetzt möglich, Chips mit MOS-Transistoren zu bauen, die mit den TTL-Logikpegeln kompatibel sind.

Logikgatter können mit Bipolar- und MOS-Transistoren erstellt werden, aber heutzutage wird MOS fast ausschließlich zum Erstellen von Logikschaltungen wie Mikroprozessoren, Speichern usw. verwendet.

Bipolartransistoren (und J-Fets) werden derzeit hauptsächlich in analogen Komponenten (z. B. Operationsverstärkern) verwendet.

Es ist möglich, Bipolar und MOS auf einem einzigen Die zu mischen, aber die zusätzliche Anzahl von Schritten und Einschränkungen macht diese Technologie teurer und für Spezialkomponenten reserviert (für die Geschichte verwendete der erste Pentium BiCMOS, der BiCMOS und CMOS mischt, diese Technologie ist heutzutage verwendet für analoge oder gemischte Signalkomponenten wie ADC/DAC)

Die TTL-Logik verwendet bipolare Transistoren und die CMOS-Logik verwendet, nun ja, CMOS-Transistoren. Die Struktur der Gates ist auch ziemlich unterschiedlich zwischen den beiden, da die beiden Arten von Transistoren so unterschiedlich sind und daher unterschiedlich verwendet werden müssen.

Jede Logikfamilie hat unterschiedliche Schaltungen für dieselbe Funktion (z. B. ein UND-Gatter), da jede einen Fortschritt gegenüber früherer Technologie darstellte.

The earliest logic families used bipolar junction transistors.  Some examples are:

RTL (1963) - resistor transistor logic (used in the Apollo Guidance Computer)
DTL (1962) - diode transistor logic (used in the Minuteman II Guidance Computer)
ECL (1962) - emitter coupled logic (faster, used in the IBM 7030 Stretch Computer)
TTL - transistor-transistor logic (the most popular logic family prior to CMOS)
      74xx (1964) - original TTL line (also 54xx for military)
      74Sxx (1969) - used Schottky transistors for speed
      74Lxx (1964) - low power
      74LSxx (1976) - low power Schottky
      74ALSxx (1976) - advanced low power Schottky
      74Fxx (1979) - fast than normal Schottky

The following families used CMOS transistors:

CMOS - complementary metal–oxide–semiconductor logic
      CMOS (1970) - CD4000 series
      CMOS HC (1982) - high speed CMOS, used same pinouts as 74LS family
      CMOS HCT (1982) - CMOS logic but as TTL logic levels (made combining them possible)

CMOS hat gegenüber Bipolar den Vorteil, dass es keinen Strom verbraucht, außer wenn es von 0 auf 1 und zurück schaltet. Die Verwendung von CMOS-Transistoren hat es ermöglicht, Millionen oder sogar Milliarden von Transistoren auf einem einzigen Chip unterzubringen, ohne dass eine Kühlung erforderlich ist.

Die beliebtesten integrierten Schaltkreise werden von mindestens zwei Herstellern (und in vielen Fällen mehreren) hergestellt; Dies wird als Second-Sourcing bezeichnet und wird von großen Unternehmen und dem Militär verlangt, um sicherzustellen, dass Teile verfügbar sind. Manchmal werden Chips jedoch nur von einem Hersteller hergestellt, und es ist etwas riskant, sie in ein Design zu integrieren.

Analoge ICs können entweder Bipolar- oder CMOS-Transistoren verwenden, je nachdem, was für die Aufgabe besser geeignet ist. Sie sind keineswegs auf die von verschiedenen Logikfamilien verwendeten Spannungsversorgungen beschränkt, sei es TTL oder auf andere Weise. Außerdem ist es nicht ungewöhnlich, dass sie eine negative Versorgung haben, z. B. ±15 V.

Der Hauptunterschied zwischen analog und digital besteht darin, dass letzteres nur auf zwei Ebenen arbeitet, 1 und 0. Aus diesem Grund werden die Transistoren vollständig aus- oder eingeschaltet, letzteres wird als gesättigt bezeichnet. Während die Transistoren in analogen Schaltungen im Allgemeinen im sogenannten "aktiven" Bereich zwischen Ein und Aus arbeiten.

Transistoren haben mehr zu bieten als nur den Grundtyp (MOSFET vs. JFET vs. BJT). CMOS umfasst per Definition zwei Arten von MOSFETs (P-Kanal und N-Kanal). Und nicht jeder Transistor des gleichen Typs wird identisch sein. Beispielsweise verwenden die Mikrocontroller, an denen ich arbeite, zwei Spannungen – 3,3 V für die IOs und 1,2 V für die Kernlogik. Die Kerntransistoren sind kleiner und haben dünnere Gate-Oxide, weil sie nicht so viel Spannung handhaben müssen. In analogen Schaltungen ist es auch üblich, das Verhältnis von Breite zu Länge zu ändern.

MOSFETs sind nicht ideal für analoge Schaltungen, da sie eine hohe Gate-Kapazität und eine niedrige Transkonduktanz aufweisen. Aber sie eignen sich besser für digitale Schaltungen, da die CMOS-Logik keinen Gleichstrom verbraucht[1]. Außerdem hat sich herausgestellt, dass es sehr einfach ist, MOSFETs zu verkleinern, und in der Logik gewinnen immer mehr Transistoren. In Mixed-Signal-ICs wie Mikrocontrollern verwenden die analogen Schaltungen möglicherweise CMOS-Transistoren, nur weil diese verfügbar sind. (Das Hinzufügen von BJT würde eine Reihe zusätzlicher Verarbeitungsschritte bedeuten, die Geld kosten.) Abgesehen von der Logik werden MOSFETs aufgrund ihres niedrigen Einschaltwiderstands auch zum Schalten großer Ströme verwendet.

BJTs haben eine höhere Transkonduktanz, benötigen jedoch zum Betrieb einen Basisstrom. In integrierten Schaltkreisen können Sie seltsame Dinge tun, z. B. einen BJT mit mehreren Emittern oder Kollektoren, aber ich glaube nicht, dass Sie solche diskreten Geräte erhalten können.

JFETs sind eine Art Mittelweg mit mittlerer Transkonduktanz, aber minimalem Basisstrom. Sie werden häufig verwendet, um die Eingangsstufen von Operationsverstärkern herzustellen.

In allen Fällen können die Transistoren unterschiedlich hergestellt werden, um die erforderliche Spannungs- und Stromhandhabung, Schaltgeschwindigkeit usw. zu erreichen.

[1] Dies ist ein historischer Vorteil. Moderne CMOS-Transistoren mit Gate-Längen von weniger als 100 nm haben erhebliche DC-Leckströme. Bei den neuesten Prozessen kann dies ungefähr die Hälfte des gesamten Stromverbrauchs des Chips sein.