NMOS
Um circuito lógico MOS do tipo N usa MOSFETs ( estrutura de semicondutor de óxido metálico de efeito de campo dos transistores ou MOS) do tipo n para fabricar portas lógicas e outros circuitos digitais . Esses transistores nMOS funcionam criando uma camada de inversão em um transistor de substrato tipo p . Essa camada de inversão, chamada de canal n, pode conduzir elétrons entre os eletrodos de "fonte" e "dreno" do tipo n . O canal n é criado pela aplicação de uma voltagem ao terceiro eletrodo, chamado de portão. Como outros MOSFETs, nMOS tem quatro modos de operação: bloqueado (abaixo do limite), linear (ou triodo), saturação (às vezes chamado de ativo) e saturação de velocidade.
Descrição
MOS significa metal-óxido-semicondutor , refletindo a maneira como os transistores MOS eram feitos no passado, principalmente antes da década de 1970, com portas de metal, geralmente de alumínio. No entanto, desde o início dos anos 1970, a maioria dos circuitos MOS usou portas autoalinhadas feitas de polissilício , uma tecnologia desenvolvida por Federico Faggin na Fairchild Semiconductor . Essas portas de silício ainda são usadas na maioria dos tipos de circuitos integrados baseados em MOSFET, embora portas de metal ( Al ou Cu ) tenham começado a reaparecer no início dos anos 2000 em certos tipos de circuitos de alta velocidade, como microprocessadores de alto desempenho.
Os MOSFETs são transistores de enriquecimento do tipo n , dispostos em uma rede chamada “rede pull-down” (PDN) entre a saída da porta lógica e a tensão de alimentação negativa (normalmente terra). Um resistor pull-up (ou seja, uma "carga" que pode ser vista como um resistor, veja abaixo) é colocado entre a tensão de alimentação positiva e cada saída da porta lógica. Qualquer tipo de porta lógica , incluindo inversor lógico , pode, portanto, ser implementado projetando uma rede de circuito paralelo e / ou série, como se a saída desejada para uma certa combinação de valores de entrada booleana for zero (ou falso ), a rede PDN irá estar ativo, o que significa que pelo menos um transistor permite que a corrente flua entre a alimentação negativa e a saída. Isso causa uma queda de tensão na carga e, portanto, uma baixa tensão na saída, representando zero .
A título de exemplo, apresentamos aqui uma porta NOR implementada em NMOS esquematicamente. Se a entrada A ou a entrada B for alta (lógica 1 = Verdadeiro), o respectivo transistor MOS atua como uma resistência muito baixa entre a saída e a fonte de alimentação negativa, forçando a saída a ser baixa (lógica 0 = Falso). Quando ambas as entradas A e B estão altas, os dois transistores conduzem, criando uma resistência ao aterramento ainda mais baixa. O único caso em que a saída é alta ocorre quando ambos os transistores estão bloqueados, o que só ocorre quando A e B estão baixos e, portanto, respeitam a tabela verdade de uma porta NOR:
| NO | B | A NOR B |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
Um MOSFET pode funcionar como um resistor e, portanto, todo o circuito pode ser feito apenas com MOSFETs do tipo n. Os circuitos NMOS são lentos para ir de nível baixo para nível alto. Ao fazer a transição entre alto e baixo, os transistores oferecem baixa resistência e a carga capacitiva na saída é removida muito rapidamente (semelhante a descarregar um capacitor por meio de uma resistência muito baixa). Mas a resistência entre a saída e a alimentação positiva é muito mais forte e, portanto, a transição do nível baixo para o nível alto é muito mais lenta (semelhante a carregar um capacitor por meio de um resistor de valor alto). Usar uma resistência mais baixa acelera o processo, mas também aumenta a dissipação de energia estática. No entanto, uma maneira melhor (e mais comum) de tornar as portas mais rápidas é usar transistores esgotados em vez de transistores enriquecidos como cargas . Isso é chamado de lógica NMOS de carga de esgotamento .
Por muitos anos, os circuitos NMOS eram muito mais rápidos do que os circuitos PMOS e CMOS comparáveis, que usavam transistores de canal p muito mais lentos. Também era mais fácil fabricar NMOS do que CMOS, o último tendo que ter transistores de canal p embutidos em poços especiais do tipo n no substrato do tipo p. A maior falha do NMOS (e da maioria das outras famílias lógicas ) é que uma corrente CC deve fluir através de uma porta lógica, embora a saída esteja em um estado constante (baixo no caso do NMOS). Isso resulta em dissipação de calor estático, ou seja, consumo de corrente mesmo se o circuito não mudar. Uma situação semelhante ocorre em circuitos CMOS modernos de alta velocidade e alta densidade (microprocessadores, etc.) que também têm corrente estática significativa, embora isso seja devido a vazamento e não polarização . No entanto, circuitos CMOS mais antigos e / ou mais lentos usados em ASICs , SRAMs , etc., normalmente têm um consumo de energia estática muito baixo.
Além disso, como acontece com DTL , TTL , ECL , etc., os níveis lógicos de entrada desequilibrados tornam os circuitos NMOS e PMOS mais sujeitos a ruídos do que os CMOS. Essas desvantagens explicam por que o CMOS agora suplantou a maioria desses tipos de lógica em circuitos digitais de alta velocidade, como microprocessadores (apesar do fato de que o CMOS era inicialmente muito lento em comparação com portas lógicas construídas com transistores bipolares ).