Podria ser sorprenent saber que la patent d'un "transistor d'efecte de camp" va ser anterior a la creació del transistor bipolar almenys durant vint anys. Tanmateix, els transistors bipolars van ser més ràpids de captar-se comercialment; el primer xip fabricat amb transistors bipolars va aparèixer als anys seixanta, la tecnologia de fabricació MOSFET es va perfeccionar als anys vuitanta i aviat va superar els seus cosins bipolars.
Després d’inventar el transistor de contacte puntual el 1947, les coses van començar a moure’s ràpidament. Primer va arribar la invenció del primer transistor bipolar l'any següent. Després, el 1958, Jack Kilby va crear el primer circuit integrat que posava més d’un transistor al mateix dau. Onze anys després, l'Apollo 11 va aterrar a la Lluna, gràcies al revolucionari Apollo Guidance Computer, que va ser el primer ordinador incrustat del món. Es va fer mitjançant ICs de porta NOR primitives de tres entrades primitives, que consistien en només 3 transistors per porta.
Això va donar lloc a la popular sèrie de xips lògics TTL (Transistor-Transistor Logic), que es van construir mitjançant transistors bipolars. Aquests xips funcionaven de 5 V i podien funcionar a velocitats de fins a 25 MHz.
Aquests aviat van donar pas a la lògica de transistors fixats de Schottky, que va afegir un díode Schottky a través de la base i el col·lector per evitar la saturació, cosa que va reduir considerablement la càrrega d’emmagatzematge i va reduir els temps de commutació, que al seu torn van disminuir el retard de propagació causat per la càrrega d’emmagatzematge.
Una altra sèrie de lògica basada en transistors bipolars va ser la sèrie ECL (Emitter Coupled Logic) que funcionava amb tensions negatives, funcionant bàsicament "cap enrere" en comparació amb els seus homòlegs TTL estàndard, l'ECL podia funcionar fins a 500 MHz.
En aquesta època es va introduir la lògica CMOS (semiconductor complementari d’òxid de metall). Va utilitzar tant dispositius de canal N com de canal P, d’aquí el nom de complementari.
TTL VS CMOS: avantatges i desavantatges
El primer i més comentat és el consum d’energia: TTL consumeix més energia que el CMOS.
Això és cert en el sentit que una entrada TTL és només la base d’un transistor bipolar, que necessita una mica de corrent per activar-lo. La magnitud del corrent d’entrada depèn del circuit interior, fins a 1,6 mA. Això es converteix en un problema quan moltes entrades TTL estan connectades a una sortida TTL, que sol ser només una resistència de tracció o un transistor de banda alta força poc impulsat.
D’altra banda, els transistors CMOS són efectes de camp, és a dir, la presència d’un camp elèctric a la porta és suficient per influir en el canal dels semiconductors cap a la conducció. En teoria, no s’extreu cap corrent, excepte el petit corrent de fuita de la porta, que sovint es troba en l’ordre dels pico o nanoamps. Tot i això, això no vol dir que el mateix baix consum de corrent sigui cert fins i tot per a velocitats més altes. L’entrada d’un xip CMOS té certa capacitat i, per tant, un temps de pujada finit. Per assegurar-se que el temps de pujada sigui ràpid a alta freqüència, es necessita un gran corrent, que pot ser de l’ordre de diversos amperes a freqüències de MHz o GHz. Aquest corrent només es consumeix quan l’entrada ha de canviar d’estat, a diferència de TTL on el corrent de polarització ha d’estar present amb el senyal.
Pel que fa a les sortides, CMOS i TTL tenen els seus propis avantatges i desavantatges. Les sortides TTL són totem o pullups. Amb un tòtem, la sortida només pot oscil·lar a 0,5V dels rails. No obstant això, els corrents de sortida són molt superiors als seus homòlegs CMOS. Mentrestant, les sortides CMOS, que es poden comparar amb resistències controlades per voltatge, poden sortir a milivolts dels rails d’alimentació en funció de la càrrega. Tot i això, els corrents de sortida són limitats, sovint amb prou feines per accionar un parell de LEDs.
Gràcies als seus requisits actuals més petits, la lògica CMOS es presta molt bé a la miniaturització, ja que milions de transistors poden empaquetar-se en una àrea petita sense que el requisit actual sigui massa alt.
Un altre avantatge important que TTL té sobre CMOS és la seva robustesa. Els transistors d’efecte de camp depenen d’una fina capa d’òxid de silici entre la porta i el canal per proporcionar aïllament entre ells. Aquesta capa d'òxid té un gruix de nanòmetres i té una tensió de ruptura molt petita, que rarament supera els 20V, fins i tot en FET d'alta potència. Això fa que el CMOS sigui molt susceptible a les descàrregues i sobretensions electrostàtiques. Si les entrades es deixen flotant, s’acumulen lentament i provoquen canvis d’estat de sortida falses, motiu pel qual les entrades CMOS solen tirar-se cap amunt, cap avall o a terra. TTL no pateix aquest problema en la seva major part, ja que l'entrada és una base de transistor, que actua més com un díode i és menys sensible al soroll a causa de la seva impedància més baixa.
TTL O CMOS? Quin és millor?
La lògica CMOS ha substituït TTL en gairebé tots els sentits. Tot i que els xips TTL encara estan disponibles, no hi ha cap avantatge real en utilitzar-los.
No obstant això, els nivells d'entrada TTL estan una mica estandarditzats i moltes entrades lògiques encara diuen que són compatibles amb TTL, de manera que no és estrany tenir un CMOS que condueixi una etapa de sortida TTL per a la seva compatibilitat. En general, CMOS és el clar guanyador pel que fa a la utilitat.
La família lògica TTL utilitza transistors bipolars per realitzar funcions lògiques i CMOS utilitza transistors d’efecte de camp. El CMOS en general consumeix molta menys energia, tot i ser més sensible que el TTL. CMOS i TTL no són realment intercanviables i, amb la disponibilitat de xips CMOS de baixa potència, l’ús de TTL en dissenys moderns és rar.