NMOS logic とは

N型金属酸化物半導体ロジックは、ロジックゲートおよび他のデジタル回路を実装するためにn型電界効果トランジスタ(MOSFET)を使用する。これらのnMOSトランジスタは、p型トランジスタ本体に反転層を形成することによって動作する。この反転層は、nチャネルと呼ばれ、n型「ソース」端子と「ドレイン」端子との間で電子を伝導することができる。 nチャネルは、ゲートと呼ばれる第3の端子に電圧を印加することによって生成される。他のMOSFETと同様に、nMOSトランジスタには、カットオフ(またはサブスレッショルド)、トライオード、飽和(時にはアクティブと呼ばれる)、および速度飽和という4つの動作モードがあります。
MOSは金属酸化物半導体の略であり、1970年代以前にMOSトランジスタが最初に構築された方法を反映して金属のゲート、典型的にはアルミニウムが用いられている。しかし、1970年頃以来、ほとんどのMOS回路は多結晶シリコンからなる自己整合ゲートを使用してきた。これらのシリコン・ゲートは、高性能マイクロプロセッサーなどの特定のタイプの高速回路では、メタル・ゲート(AlまたはCu)が2000年代初頭に再び現れ始めたけれども、ほとんどのタイプのMOSFETベースの集積回路で引き続き使用されています。
MOSFETは、ロジックゲート出力と負の電源電圧(通常はグランド)との間のいわゆる「プルダウンネットワーク」(PDN)に配置されたn型エンハンスメントモードトランジスタである。プルアップ(すなわち、抵抗と考えることができる「負荷」、以下を参照)は、正の電源電圧と各論理ゲート出力との間に配置される。論理インバータを含む任意の論理ゲートは、論理および/または直列回路のネットワークを設計することによって実現することができ、ブール入力値の特定の組み合わせに対する所望の出力がゼロ(または偽)である場合、PDNは少なくとも1つのトランジスタが負電源と出力との間の電流経路を許容していることを意味する。これにより、負荷に対する電圧降下が生じ、したがって、出力における低電圧がゼロを表す。
一例として、ここには概略的なNMOSに実装されたNORゲートがある。入力Aまたは入力Bのいずれかがハイ(ロジック1、= True)の場合、それぞれのMOSトランジスタは出力と負電源の間の非常に低い抵抗として働き、出力をローに強制します(ロジック0、= False)。 AとBの両方がハイのとき、両方のトランジスタが導通し、グランドへのより低い抵抗のパスを生成します。出力が高い唯一のケースは、両方のトランジスタがオフである場合であり、AとBの両方がローである場合にのみ発生し、NORゲートの真理値表を満足する。
MOSFETを抵抗として動作させることができるため、回路全体をNチャネルMOSFETのみで構成することができます。 NMOS回路は低速から高速への移行が遅い。高レベルから低レベルに遷移するとき、トランジスタは低抵抗を提供し、出力の容量性電荷は非常に迅速に放電する(非常に低い抵抗を介してコンデンサを放電するのと同様)。しかし、出力と正電源レール間の抵抗ははるかに大きいので、低から高への移行には(抵抗を介してコンデンサを充電するのと同様に)時間がかかります。より低い値の抵抗を使用すると処理が高速化されますが、静的電力消費も増加します。しかし、ゲートをより高速にするためのより良い(そして最も一般的な)方法は、エンハンスメントモードのトランジスタの代わりにデプレッション型のトランジスタを負荷として使うことです。これは、ディプリーション・ロードNMOSロジックと呼ばれます。
長年の間、NMOS回路は、はるかに低速のpチャネルトランジスタを使用しなければならなかった同等のPMOSおよびCMOS回路よりもはるかに高速であった。後者はp基板上の特別なnウェルにpチャネルトランジスタを実装しなければならないので、CMOSよりもNMOSを製造する方が容易であった。 NMOS(およびほとんどの他の論理ファミリ)の主な欠点は、出力が定常状態(NMOSの場合は低)であってもDC電流が論理ゲートを流れなければならないことです。これは、回路がスイッチングしていないときでも、静的な電力消費、すなわち電力の消耗を意味する。同様の状況は、静電気電流が著しく現れる現代の高速、高密度CMOS回路(マイクロプロセッサなど)においても発生するが、これはバイアスではなく漏れによるものである。しかし、ASIC、SRAMなどに使用されるより古い静的CMOS回路は、典型的に非常に低い静的電力消費を有する。
さらに、DTL、TTL、ECLなどと同様に、非対称な入力ロジックレベルにより、NMOSおよびPMOS回路はCMOSよりもノイズの影響を受けやすくなります。これらの欠点は、CMOSロジックが、マイクロプロセッサなどの高速デジタル回路のほとんどで(CMOSはもともとバイポーラトランジスタで構築されたロジックゲートに比べて非常に遅いという事実にもかかわらず)これらのタイプのほとんどを置き換えた理由です。