Moglo bi biti iznenađujuće znati da je patent za 'tranzistor s efektom polja' pre stvaranja bipolarnog tranzistora bio pre najmanje dvadeset godina. Međutim, bipolarni tranzistori brže su se uhvatili komercijalno, s tim da se prvi čip izrađen od bipolarnih tranzistora pojavio 1960-ih, a tehnologija proizvodnje MOSFET-a usavršena je 1980-ih i ubrzo je pretekla svoje bipolarne rođake.
Nakon što je 1947. izumljen točkasti kontaktni tranzistor, stvari su se počele brzo pomicati. Prvo je došlo do izuma prvog bipolarnog tranzistora sljedeće godine. Tada je 1958. Jack Kilby smislio prvi integrirani sklop koji je stavio više tranzistora na istu matricu. Jedanaest godina kasnije, Apollo 11 sletio je na Mjesec, zahvaljujući revolucionarnom Apollo Guidance Computeru, koji je bio prvo ugrađeno računalo na svijetu. Izrađen je pomoću primitivnih dvostrukih IC-ova s tri ulaza NOR vrata, koji su se sastojali od samo 3 tranzistora po vratima.
To je dovelo do popularne TTL (Transistor-Transistor Logic) serije logičkih čipova, koji su izrađeni pomoću bipolarnih tranzistora. Ti su čipovi istrošili 5V i mogli raditi na brzinama do 25MHz.
Oni su ubrzo ustupili mjesto Schottky stegnutoj tranzistorskoj logici, koja je dodala Schottky diodu preko baze i kolektora kako bi se spriječilo zasićenje, što je uvelike smanjilo punjenje i smanjilo vrijeme uključivanja, što je zauzvrat smanjilo kašnjenje širenja uzrokovano punjenjem.
Sljedeća serija bipolarne logike zasnovane na tranzistorima bila je ECL (Emitter Coupled Logic) serija koja je radila na negativnim naponima, u osnovi radeći "unatrag" u usporedbi sa svojim standardnim TTL kolegama, ECL je mogao raditi i do 500 MHz.
Otprilike u to vrijeme uvedena je logika CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Koristio je i N-kanalne i P-kanalne uređaje, pa otuda i naziv komplementaran.
TTL VS CMOS: Prednosti i nedostaci
Prva i o kojoj se najviše govori je potrošnja energije - TTL troši više energije od CMOS-a.
To je točno u smislu da je TTL ulaz samo baza bipolarnog tranzistora kojem treba neka struja da ga uključi. Veličina ulazne struje ovisi o krugu unutar koji tone do 1,6 mA. To postaje problem kada je mnogo TTL ulaza spojeno na jedan TTL izlaz, koji je obično samo izvlačni otpornik ili prilično loše vođen tranzistor s visoke strane.
S druge strane, CMOS tranzistori imaju efekt polja, drugim riječima, prisutnost električnog polja na vratima dovoljna je da utječe na provodnički kanal poluvodiča. U teoriji se ne vuče struja, osim male struje propuštanja vrata, koja je često u redoslijedu piko- ili nanopojačala. Međutim, to ne znači da ista niska potrošnja struje vrijedi čak i za veće brzine. Ulaz CMOS čipa ima određeni kapacitet, a time i konačno vrijeme porasta. Da bi se osiguralo brzo vrijeme porasta na visokoj frekvenciji, potrebna je velika struja koja može biti reda nekoliko pojačala na frekvencijama MHz ili GHz. Ova se struja troši samo kada se na ulazu mora promijeniti stanje, za razliku od TTL-a gdje struja pristranosti mora biti prisutna sa signalom.
Što se tiče izlaza, CMOS i TTL imaju svoje prednosti i nedostatke. TTL izlazi su ili totemski stup ili izvlačenja. S totem stupom, izlaz se može okretati samo unutar 0,5 V od šina. Međutim, izlazne su struje mnogo veće od njihovih CMOS-ovih kolega. U međuvremenu, CMOS izlazi, koji se mogu usporediti s otporima pod nadzorom napona, mogu izlaziti unutar milivolta opskrbnih tračnica, ovisno o opterećenju. Međutim, izlazne struje su ograničene, često jedva dovoljne za pogon nekoliko LED dioda.
Zahvaljujući njihovim manjim trenutnim zahtjevima, CMOS logika vrlo je dobra za minijaturizaciju, s milijunima tranzistora koji se mogu spakirati na malo područje, a da trenutni zahtjev nije nepraktično visok.
Sljedeća važna prednost koju TTL ima u odnosu na CMOS je njegova robusnost. Tranzistori s efektom polja ovise o tankom sloju silicijevog oksida između vrata i kanala kako bi se osigurala izolacija između njih. Ovaj je oksidni sloj debeo nanometri i ima vrlo mali napon proboja, rijetko prelazi 20 V čak i kod FET-ova velike snage. To CMOS čini vrlo osjetljivim na elektrostatičko pražnjenje i prenapon. Ako ulazi ostanu plutajući, polako akumuliraju naboj i uzrokuju lažne promjene stanja izlaza, zbog čega se CMOS ulazi obično povlače prema gore, prema dolje ili uzemljuju. TTL uglavnom ne trpi ovaj problem jer je ulaz baza tranzistora koja djeluje više poput diode i manje je osjetljiva na buku zbog svoje niže impedancije.
TTL ILI CMOS? Koje je bolje?
CMOS logika je u gotovo svakom pogledu zamijenila TTL. Iako su TTL čipovi još uvijek dostupni, nema stvarne prednosti u njihovoj upotrebi.
Međutim, razine ulaza TTL donekle su standardizirane, a mnogi logički ulazi i dalje kažu "TTL kompatibilan", pa posjedovanje CMOS-a koji pokreće TTL izlaznu fazu radi kompatibilnosti nije rijetkost. Sveukupno CMOS je jasni pobjednik što se tiče korisnosti.
TTL logička obitelj koristi bipolarne tranzistore za obavljanje logičkih funkcija, a CMOS tranzistore s efektom polja. CMOS obično troši mnogo manje energije, unatoč tome što je osjetljiviji od TTL-a. CMOS i TTL zapravo nisu zamjenjivi, a s dostupnošću CMOS čipova male snage, upotreba TTL-a u modernom dizajnu je rijetka.