Puede resultar sorprendente saber que la patente de un "transistor de efecto de campo" es anterior a la creación del transistor bipolar en al menos veinte años. Sin embargo, los transistores bipolares se popularizaron más rápidamente comercialmente, con el primer chip hecho de transistores bipolares que apareció en la década de 1960, y la tecnología de fabricación MOSFET se perfeccionó en la década de 1980 y pronto superó a sus primos bipolares.
Después de que se inventara el transistor de contacto puntual en 1947, las cosas comenzaron a moverse rápidamente. Primero vino la invención del primer transistor bipolar al año siguiente. Luego, en 1958, Jack Kilby ideó el primer circuito integrado que ponía más de un transistor en el mismo dado. Once años más tarde, el Apolo 11 aterrizó en la Luna, gracias al revolucionario Apollo Guidance Computer, que fue el primer ordenador integrado del mundo. Se fabricó utilizando circuitos integrados primitivos de puerta NOR de tres entradas duales, que consistían en solo 3 transistores por puerta.
Esto dio lugar a la popular serie TTL (Transistor-Transistor Logic) de chips lógicos, que se construyeron utilizando transistores bipolares. Estos chips funcionaban con 5 V y podían funcionar a velocidades de hasta 25 MHz.
Estos pronto dieron paso a la lógica de transistor sujetada Schottky, que agregó un diodo Schottky a través de la base y el colector para evitar la saturación, lo que redujo en gran medida la carga de almacenamiento y disminuyó los tiempos de conmutación, lo que a su vez disminuyó el retraso de propagación causado por la carga de almacenamiento.
Otra serie de lógica bipolar basada en transistores fue la serie ECL (Emitter Coupled Logic) que funcionaba con voltajes negativos, esencialmente operando 'al revés' en comparación con sus contrapartes TTL estándar. ECL podía funcionar hasta 500MHz.
Alrededor de este tiempo se introdujo la lógica CMOS (Semiconductor de óxido metálico complementario). Utilizaba dispositivos de canal N y canal P, de ahí el nombre complementario.
TTL VS CMOS: ventajas y desventajas
El primero y del que más se habla es el consumo de energía: TTL consume más energía que CMOS.
Esto es cierto en el sentido de que una entrada TTL es solo la base de un transistor bipolar, que necesita algo de corriente para encenderlo. La magnitud de la corriente de entrada depende de los circuitos internos, y se hunde hasta 1,6 mA. Esto se convierte en un problema cuando muchas entradas TTL están conectadas a una salida TTL, que generalmente es solo una resistencia pullup o un transistor de lado alto bastante mal controlado.
Por otro lado, los transistores CMOS son de efecto de campo, en otras palabras, la presencia de un campo eléctrico en la puerta es suficiente para influir en la conducción del canal semiconductor. En teoría, no se extrae corriente, a excepción de la pequeña corriente de fuga de la puerta, que a menudo es del orden de pico o nanoamperios. Sin embargo, esto no quiere decir que el mismo bajo consumo de corriente sea cierto incluso para velocidades más altas. La entrada de un chip CMOS tiene alguna capacitancia y, por lo tanto, un tiempo de subida finito. Para asegurarse de que el tiempo de subida sea rápido en alta frecuencia, se necesita una gran corriente, que puede ser del orden de varios amperios en frecuencias de MHz o GHz. Esta corriente se consume solo cuando la entrada tiene que cambiar de estado, a diferencia de TTL, donde la corriente de polarización tiene que estar presente con la señal.
Cuando se trata de salidas, CMOS y TTL tienen sus propias ventajas y desventajas. Las salidas TTL son tótem o dominadas. Con tótem, la salida puede oscilar solo dentro de 0,5 V de los rieles. Sin embargo, las corrientes de salida son mucho más altas que sus contrapartes CMOS. Mientras tanto, las salidas CMOS, que se pueden comparar con las resistencias controladas por voltaje, pueden emitir en milivoltios de los rieles de suministro dependiendo de la carga. Sin embargo, las corrientes de salida son limitadas, y a menudo son apenas suficientes para activar un par de LED.
Gracias a sus requisitos de corriente más pequeños, la lógica CMOS se presta muy bien a la miniaturización, con millones de transistores que se pueden empaquetar en un área pequeña sin que el requisito de corriente sea imprácticamente alto.
Otra ventaja importante que tiene TTL sobre CMOS es su robustez. Los transistores de efecto de campo dependen de una fina capa de óxido de silicio entre la puerta y el canal para proporcionar aislamiento entre ellos. Esta capa de óxido tiene un grosor de nanómetros y tiene un voltaje de ruptura muy pequeño, que rara vez supera los 20 V incluso en FET de alta potencia. Esto hace que CMOS sea muy susceptible a descargas electrostáticas y sobretensiones. Si las entradas se dejan flotando, acumulan carga lentamente y provocan cambios de estado de salida espurios, por lo que las entradas CMOS generalmente se elevan, bajan o conectan a tierra. TTL no sufre este problema en su mayor parte ya que la entrada es una base de transistor, que actúa más como un diodo y es menos sensible al ruido debido a su menor impedancia.
TTL O CMOS? ¿Cual es mejor?
La lógica CMOS ha reemplazado a TTL en casi todos los sentidos. Aunque los chips TTL todavía están disponibles, no hay una ventaja real en su uso.
Sin embargo, los niveles de entrada TTL están algo estandarizados y muchas entradas lógicas todavía dicen 'TTL compatible', por lo que no es raro tener un CMOS que controle una etapa de salida TTL para compatibilidad. En general, CMOS es el claro ganador cuando se trata de utilidad.
La familia lógica TTL usa transistores bipolares para realizar funciones lógicas y CMOS usa transistores de efecto de campo. CMOS generalmente consume mucha menos energía, a pesar de ser más sensible que TTL. CMOS y TTL no son realmente intercambiables, y con la disponibilidad de chips CMOS de baja potencia, el uso de TTL en diseños modernos es poco común.