Meglepő lehet tudni, hogy a „terepi tranzisztor” szabadalma legalább húsz évvel megelőzte a bipoláris tranzisztor létrehozását. A bipoláris tranzisztorokat azonban gyorsabban sikerült megragadni a kereskedelemben, az első bipoláris tranzisztorokból készült chip az 1960-as években jelent meg, a MOSFET gyártási technológiát az 1980-as években tökéletesítették, és hamarosan megelőzték bipoláris unokatestvéreiket.
Miután 1947-ben feltalálták a pontvezetékes tranzisztort, a dolgok gyorsan kezdtek mozogni. Először a következő évben találták ki az első bipoláris tranzisztort. Aztán 1958-ban Jack Kilby előállt az első integrált áramkörrel, amely több tranzisztort is elhelyezett ugyanabban a szerszámban. Tizenegy évvel később az Apollo 11 landolt a Holdon, köszönhetően a forradalmi Apollo Guidance Computer-nek, amely a világ első beágyazott számítógépe volt. Primitív kettős három bemenetű NOR kapu IC-k felhasználásával készült, amelyek kapunként csupán 3 tranzisztorból álltak.
Ennek eredményeként jött létre a népszerű TTL (Transistor-Transistor Logic) logikai chip sorozat, amelyet bipoláris tranzisztorok felhasználásával készítettek. Ezek a chipek 5 V-ról futottak, és akár 25 MHz-es sebességgel is képesek működni.
Ezek hamar átadták a helyüket a Schottky befogott tranzisztor logikájának, amely egy Schottky-diódát adott hozzá az alapon és a kollektoron a telítettség megelőzése érdekében, ami jelentősen csökkentette a tárolási díjat és a kapcsolási időt, ami viszont csökkentette a tárolási díj okozta terjedési késleltetést.
A bipoláris tranzisztor-alapú logika másik sorozata az ECL (Emitter Coupled Logic) sorozat volt, amely negatív feszültségeken működött, lényegében „visszafelé” működött, összehasonlítva a szokásos TTL-társaikkal, az ECL akár 500 MHz-ig is működhet.
Körülbelül ekkor vezették be a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) logikát. N- és P-csatornás eszközöket egyaránt használt, ezért a név kiegészítette.
TTL VS CMOS: Előnyök és hátrányok
Az első és a legtöbbet beszélt az energiafogyasztás - a TTL több energiát fogyaszt, mint a CMOS.
Ez abban az értelemben igaz, hogy a TTL bemenet csak egy bipoláris tranzisztor bázisa, amelynek bekapcsolásához némi áramra van szükség. A bemeneti áram nagysága a belső áramkörtől függ, akár 1,6 mA-ig süllyedhet. Ez akkor válik problémává, ha sok TTL bemenet csatlakozik egy TTL kimenethez, amely általában csak egy húzóellenállás vagy egy meglehetősen rosszul hajtott magas oldali tranzisztor.
Másrészt a CMOS tranzisztorok térhatásúak, más szavakkal, egy elektromos mező jelenléte a kapunál elegendő ahhoz, hogy befolyásolja a félvezető csatornát vezetéssé. Elméletileg áram nem merül fel, kivéve a kapu kis szivárgási áramát, amely gyakran pico- vagy nanoamps nagyságrendű. Ez azonban nem jelenti azt, hogy ugyanez az alacsony áramfogyasztás igaz még nagyobb sebességek esetén is. A CMOS chip bemenetének van némi kapacitása, ezért véges emelkedési ideje van. Annak érdekében, hogy a felemelkedési idő nagy frekvencián gyors legyen, nagy áramra van szükség, amely MHz vagy GHz frekvencián több amper nagyságrendű lehet. Ez az áram csak akkor kerül felhasználásra, ha a bemenetnek állapotot kell váltania, ellentétben a TTL-rel, ahol az előfeszítő áramnak jelen kell lennie a jelnél.
Ami a kimeneteket illeti, a CMOS-nak és a TTL-nek megvannak a maga előnyei és hátrányai. A TTL kimenetek vagy totem pólusok, vagy pullupok. A totem pólusnál a kimenet csak a sínek 0,5 V-on belül ingadozhat. A kimeneti áramok azonban jóval magasabbak, mint CMOS megfelelőik. Eközben a CMOS kimenetek, amelyek összehasonlíthatók a feszültségvezérelt ellenállásokkal, a terheléstől függően a tápvezeték síneinek millivoltjain belül kimenhetnek. A kimeneti áramok azonban korlátozottak, gyakran alig elégek ahhoz, hogy meghajtsanak pár LED-et.
Kisebb jelenlegi követelményeiknek köszönhetően a CMOS logika nagyon jól alkalmazkodik a miniatürizáláshoz, a tranzisztorok milliói képesek kis területre csomagolni anélkül, hogy a jelenlegi követelmény gyakorlatilag magas lenne.
A TTL másik fontos előnye a CMOS-szal szemben a masszivitása. A terepi tranzisztorok a kapu és a csatorna közötti vékony szilícium-oxid rétegtől függenek, hogy szigetelést biztosítsanak közöttük. Ez az oxidréteg nanométer vastag és nagyon kicsi a megszakítási feszültsége, nagy teljesítményű FET-eknél is ritkán haladja meg a 20 V-ot. Ez a CMOS-t nagyon érzékeny az elektrosztatikus kisülésre és a túlfeszültségre. Ha a bemenetek lebegnek, lassan felhalmozzák a töltést, és hamis kimeneti állapotváltozásokat okoznak, ezért a CMOS bemeneteket általában felfelé, lefelé vagy földre húzzák. A TTL ezt a problémát többnyire nem éri el, mivel a bemenet egy tranzisztor bázis, amely inkább diódaként működik, és kisebb impedanciája miatt kevésbé érzékeny a zajra.
TTL VAGY CMOS? Melyik a jobb?
A CMOS logika szinte minden szempontból felváltotta a TTL-t. Bár a TTL chipek még mindig elérhetők, nincs valódi előnyük azok használatában.
A TTL bemeneti szintek azonban némileg szabványosítottak, és sok logikai bemenet továbbra is „TTL kompatibilis” szöveget mond, tehát nem ritka, hogy a CMOS TTL kimeneti fokozatot vezet a kompatibilitás érdekében. Összességében a CMOS a nyerő a hasznosság terén.
A TTL logikai család bipoláris tranzisztorokat használ a logikai funkciók elvégzéséhez, a CMOS pedig terepi tranzisztorokat. A CMOS általában sokkal kevesebb energiát fogyaszt, annak ellenére, hogy érzékenyebb, mint a TTL. A CMOS és a TTL nem igazán cserélhető fel egymással, és az alacsony fogyasztású CMOS chipek elérhetőségével ritka a TTL használata a modern kivitelekben.