पीएमओएस तर्क

पीएमओएस तर्क पी-चैनल, वृद्धि मोड मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) पर आधारित डिजिटल सर्किट का एक परिवार है। 1960 के दशक के अंत में और 1970 के दशक के प्रारंभ में, एनएमओएस और सीएमओएस उपकरणों द्वारा प्रतिस्थापित किए जाने से पहले बड़े पैमाने पर एकीकृत सर्किट के लिए पीएमओएस तर्क प्रमुख अर्धचालक तकनीक थी।

इतिहास और आवेदन
1959 में मोहम्मद ओटाला और डावोन कहंग ने बेल लैब्स में पहला काम करने वाला मॉस्फेट बनाया था। उन्होंने पीएमओएस और एनएमओएस दोनों उपकरणों का निर्माण किया लेकिन केवल पीएमओएस उपकरण में ही काम करा था। निर्माण प्रक्रिया में प्रदूषकों को व्यावहारिक एनएमओएस उपकरणों के निर्माण के लिए पर्याप्त रूप से प्रबंधित करने से पहले एक दशक से अधिक समय लगता था।

द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर की तुलना में, एक एकीकृत सर्किट में उपयोग के लिए उस समय उपलब्ध एकमात्र अन्य उपकरण, मॉस्फेट कई फायदे प्रदान करता है:
 * समान परिशुद्धता की सेमीकंडक्टर उपकरण निर्माण प्रक्रियाओं को देखते हुए, एक मॉस्फेट को द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर के क्षेत्र के केवल 10% की आवश्यकता होती है। मुख्य कारण यह है कि एमओएसएफईटी स्वयं-इन्सुलेटिंग है और चिप पर निकटतम घटकों से पी-एन जंक्शन अलगाव की आवश्यकता नहीं होती है।
 * एक एमओएसएफईटी को कम प्रक्रिया चरणों की आवश्यकता होती है और इसलिए निर्माण के लिए सरल और सस्ता होता है (एक प्रसार डोपिंग कदम द्विध्रुवीय प्रक्रिया के लिए चार की तुलना में )
 * चूंकि एमओएसएफईटी के लिए कोई स्थिर गेट धारा नहीं होती है, एमओएसएफईटी पर आधारित एक एकीकृत सर्किट की विद्युत खपत कम हो सकती है।

द्विध्रुवी एकीकृत परिपथों के सापेक्ष नुकसान थे: सामान्य माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक ने 1964 में पहला वाणिज्यिक पीएमओएस सर्किट प्रस्तुत किया गया था, 120 एमओएसएफईटी के साथ 20-बिट शिफ्ट रजिस्टर - उस समय एकीकरण का एक अविश्वसनीय स्तर है। विक्टर टेक्नोलॉजी के लिए इलेक्ट्रॉनिक कैलकुलेटर के लिए 23 कस्टम एकीकृत सर्किट का एक सेट विकसित करने के लिए 1965 में जनरल माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक द्वारा प्रयास किया गया था उस समय पीएमओएस सर्किट की विश्वसनीयता को देखते हुए बहुत महत्वाकांक्षी साबित हुआ और अंततः जनरल माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के निधन का कारण बना। अन्य कंपनियों ने बड़े शिफ्ट रजिस्टर (सामान्य उपकरण) जैसे पीएमओएस सर्किट का निर्माण जारी रखा या एनालॉग बहुसंकेतक 3705 (फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर) जो उस समय की द्विध्रुवीय प्रौद्योगिकियों में संभव नहीं थे।
 * बड़े गेट के कारण स्विचिंग स्पीड अधिक कम थी।
 * प्रारंभिक मॉस्फेट्स के उच्च सीमा वोल्टेज के कारण न्यूनतम विद्युत-आपूर्ति वोल्टेज (-24 V से -28 V) हो जाता है )

1968 में पॉलीसिलिकॉन स्व-संरेखित गेट तकनीक की शुरुआत के साथ एक बड़ा सुधार आया था। फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर में टॉम क्लेन और फेडेरिको फागिन ने इसे व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए स्व-संरेखित गेट प्रक्रिया में सुधार किया था, जिसके परिणामस्वरूप एनालॉग मल्टीप्लेक्सर 3708 को पहले सिलिकॉन-गेट एकीकृत सर्किट के रूप में जारी किया गया था। स्व-संरेखित गेट प्रक्रिया ने सख्त विनिर्माण सहनशीलता की अनुमति दी थी और इस प्रकार छोटे एमओएसएफईटी और कम, लगातार गेट कैपेसिटेंस दोनों। उदाहरण के लिए, पीएमओएस मेमोरी के लिए इस तकनीक ने आधे चिप क्षेत्र में तीन से पांच गुना गति प्रदान की थी। पॉलीसिलिकॉन गेट सामग्री ने न केवल स्व-संरेखित गेट को संभव बनाया, जबकि इसके परिणामस्वरूप थ्रेशोल्ड वोल्टेज भी कम हो गया था और परिणामस्वरूप कम न्यूनतम विद्युत आपूर्ति वोल्टेज (जैसे -16 V) ), विद्युत की खपत को कम करना होता है। कम विद्युत आपूर्ति वोल्टेज के कारण, सिलिकॉन गेट पीएमओएस तर्क को अधिकांशतः उच्च वोल्टेज पीएमओएस के रूप में पुराने, धातु-गेट पीएमओएस के विपरीत कम वोल्टेज पीएमओएस के रूप में संदर्भित किया जाता है।

विभिन्न कारणों से फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर पीएमओएस एकीकृत परिपथों के विकास के साथ उतनी गहनता से आगे नहीं बढ़ा जितना इसमें सम्मलित प्रबंधक चाहते थे। उनमें से दो, गॉर्डन मूर और रॉबर्ट नोयस ने 1968 में इसके अतिरिक्त अपना खुद का स्टार्टअप खोजने का फैसला किया था। वे शीघ्र ही बाद में अन्य फेयरचाइल्ड इंजीनियरों से जुड़ गए, जिनमें फेडेरिको फागिन और वाडाज़ सम्मलित थे। इंटेल ने 1969 में 256 बिट की क्षमता वाली अपनी पहली पीएमओएस स्थिर रैंडम-एक्सेस मेमोरी, इंटेल 1101 प्रस्तुत की थी।  1970 में 1024-बिट गतिशील रैंडम-एक्सेस मेमोरी इंटेल 1103 का अनुसरण किया गया। 1103 एक व्यावसायिक सफलता थी जिसने कंप्यूटरों में चुंबकीय कोर मेमोरी को जल्दी से बदलना प्रारंभ कर दिया। इंटेल ने अपना पहला पीएमओएस माइक्रोप्रोसेसर, इंटेल 4004, 1971 में प्रस्तुत किया। कई कंपनियों ने इंटेल के नेतृत्व का अनुसरण किया था। अधिकांश माइक्रोप्रोसेसर कालक्रम पीएमओएस तकनीक में निर्मित किए गए थे: इंटेल 4040 और इंटेल 8008, आईएमपी-16, राष्ट्रीय सेमीकंडक्टर पीएसीई और नेशनल सेमीकंडक्टर एससी/एमपी, नेशनल सेमीकंडक्टर पेस, टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स टीएमएस1000, रॉकवेल पीपीएस-4 और पीपीएस-8 । माइक्रोप्रोसेसरों की इस सूची में कई व्यावसायिक प्रथम है: पहला 4-बिट माइक्रोप्रोसेसर (4004), पहला 8-बिट माइक्रोप्रोसेसर (8008), पहला सिंगल-चिप 16-बिट माइक्रोप्रोसेसर (पीएसीई), और पहला सिंगल-चिप 4-बिट माइक्रोकंट्रोलर (टीएमएस1000, सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट के समान चिप पर रैम और रोम)।

1972 तक, एनएमओएस तकनीक अंततः उस बिंदु तक विकसित हो गई थी जहाँ इसे वाणिज्यिक उत्पादों में उपयोग किया जा सकता था। दोनों इंटेल (2102 के साथ) और आईबीएम 1 kbit मेमोरी चिप प्रस्तुत की थी। चूंकि एनएमओएस एमओएसएफईटी के एन-टाइप चैनल में इलेक्ट्रॉन गतिशीलता पीएमओएस एमओएसएफईटीएस के पी-टाइप चैनल में इलेक्ट्रॉन गतिशीलता के लगभग तीन गुना होता है, एनएमओएस तर्क एक बढ़ी हुई स्विचिंग गति की अनुमति देता है। इस कारण एनएमओएस तर्क ने तेजी से पीएमओएस तर्क को बदलना प्रारंभ कर दिया था। 1970 के दशक के अंत तक, एनएमओएस माइक्रोप्रोसेसरों ने पीएमओएस प्रोसेसरों को पीछे छोड़ दिया था। सरल कैलकुलेटर और घड़ियों जैसे अनुप्रयोगों के लिए इसकी कम लागत और अपेक्षाकृत उच्च स्तर के एकीकरण के कारण पीएमओएस तर्क कुछ समय के लिए उपयोग में रहा था। सीएमओएस तकनीक ने पीएमओएस या एनएमओएस की तुलना में बहुत कम विद्युत की खपत का वादा किया था। यदि फ्रैंक वानलास द्वारा 1963 में एक सीएमओएस सर्किट प्रस्तावित किया गया था और वाणिज्यिक 4000 श्रृंखला सीएमओएस एकीकृत परिपथों ने 1968 में उत्पादन प्रारंभ किया था, सीएमओएस निर्माण के लिए जटिल बना रहा और न तो पीएमओएस या एनएमओएस के एकीकरण स्तर और न ही एनएमओएस की गति की अनुमति दी थी। माइक्रोप्रोसेसरों के लिए मुख्य प्रौद्योगिकी के रूप में एनएमओएस को बदलने के लिए सीएमओएस को 1980 के दशक तक का समय लगा था।

विवरण
एनएमओएस और सीएमओएस विकल्पों की तुलना में पीएमओएस सर्किट में कई नुकसान होते है, जिसमें कई अलग-अलग आपूर्ति वोल्टेज (सकारात्मक और नकारात्मक दोनों), संचालन की स्थिति में उच्च-ऊर्जा अपव्यय और अपेक्षाकृत बड़ी विशेषताएं सम्मलित होती है। साथ ही, समग्र स्विचिंग गति कम होती है।

पीएमओएस तर्क गेट्स और अन्य डिजिटल सर्किट को लागू करने के लिए पी-चैनल (+) मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) का उपयोग करता है। पीएमओएस ट्रांजिस्टर एक एन-टाइप ट्रांजिस्टर बॉडी में उलटा परत बनाकर काम करते है। यह उलटा परत, जिसे पी-चैनल कहा जाता है, पी-टाइप "स्रोत" और "ड्रेन" टर्मिनलों के बीच छिद्रों का संचालन कर सकता है।

पी-चैनल एक नकारात्मक वोल्टेज (-25V सामान्य था ) को तीसरे टर्मिनल पर लागू करके बनाया गया है, जिसे गेट कहा जाता है। अन्य मॉस्फेट्स की तरह, पीएमओएस ट्रांजिस्टर के संचालन के चार विधियाँ है: कट-ऑफ (या सबथ्रेशोल्ड), ट्रायोड, संतृप्ति और वेग संतृप्ति है।

जबकि पीएमओएस तर्क डिजाइन और निर्माण के लिए आसान होता है (एक एमओएसएफईटी को प्रतिरोधक के रूप में संचालित करने के लिए बनाया जा सकता है, इसलिए पूरे सर्किट को पीएमओएस एफईटी के साथ बनाया जा सकता है), इसमें कई कमियां भी होती है। सबसे खराब समस्या यह है कि जब तथाकथित पुल-अप नेटवर्क (पीयूएन) सक्रिय होता है, अर्थात जब भी आउटपुट उच्च होता है, तो पीएमओएस तर्क गेट के माध्यम से एक डायरेक्ट धारा (डीसी) होता है, जो स्थैतिक ऊर्जा अपव्यय की ओर जाता है। तब भी जब सर्किट निष्क्रिय रहता है।

इसके अतिरिक्त, पीएमओएस सर्किट उच्च से निम्न संक्रमण के लिए धीमे होते है। निम्न से उच्च में संक्रमण करते समय, ट्रांजिस्टर कम प्रतिरोध प्रदान करते है, और आउटपुट पर संधारित्र चार्ज बहुत तेज़ी से जमा होता है। लेकिन आउटपुट और नकारात्मक आपूर्ति रेल के बीच प्रतिरोध बहुत अधिक होता है, इसलिए उच्च-से-निम्न संक्रमण में अधिक समय लगता है। कम मूल्य के प्रतिरोधक का उपयोग करने से प्रक्रिया में तेजी आती है, लेकिन यह स्थैतिक ऊर्जा अपव्यय को भी बढ़ाता है।

इसके अतिरिक्त, असममित इनपुट तर्क स्तर पीएमओएस सर्किट के लिए अतिसंवेदनशील बनाते है।

अधिकांश पीएमओएस एकीकृत परिपथों को 17-24 वोल्ट डीसी की विद्युत आपूर्ति की आवश्यकता होती है। इंटेल 4004 पीएमओएस माइक्रोप्रोसेसर, चूंकि, छोटे वोल्टेज अंतर की अनुमति देने वाले मेटल गेट्स के अतिरिक्त पॉलीसिलिकॉन के साथ पीएमओएस तर्क का उपयोग करता है। टीटीएल संकेतों के साथ संगतता के लिए, 4004 सकारात्मक आपूर्ति वोल्टेज VSS=+5V और नकारात्मक आपूर्ति वोल्टेज VDD = -10V का उपयोग करता है।

गेट्स
पी-टाइप मॉस्फेट्स को तर्क गेट आउटपुट और पॉजिटिव सप्लाई वोल्टेज के बीच एक तथाकथित पुल-अप नेटवर्क (पीयूएन) में व्यवस्थित किया जाता है, जबकि तर्क गेट आउटपुट और नेगेटिव सप्लाई वोल्टेज के बीच एक रेसिस्टर रखा जाता है। सर्किट को इस तरह डिज़ाइन किया गया है कि यदि वांछित आउटपुट अधिक होता है, तो पीयूएन सक्रिय हो जाता है, सकारात्मक आपूर्ति और आउटपुट के बीच एक वर्तमान पथ बना देता है।

पीएमओएस गेट्स की वही व्यवस्था होती है जो एनएमओएस गेट्स की होती है। इस प्रकार, सक्रिय-उच्च तर्क के लिए, डी मॉर्गन के नियम बताते है कि पीएमओएस एनओआर गेट में एनएमओएस एनएएनडी गेट के समान संरचना होती है।