Může být překvapivé vědět, že patent na „tranzistor s efektem pole“ předcházel vytvoření bipolárního tranzistoru nejméně o dvacet let. Bipolární tranzistory se však komerčně rychleji uchytily, první čip z bipolárních tranzistorů se objevil v 60. letech, technologie výroby MOSFET byla zdokonalena v 80. letech a brzy předběhla jejich bipolární bratrance.
Poté, co byl v roce 1947 vynalezen tranzistor s bodovým kontaktem, se věci začaly rychle hýbat. Poprvé přišel vynález prvního bipolárního tranzistoru v následujícím roce. V roce 1958 přišel Jack Kilby s prvním integrovaným obvodem, který dal více než jeden tranzistor na stejnou kostku. O jedenáct let později přistálo Apollo 11 na Měsíci díky revolučnímu počítači Apollo Guidance Computer, který byl prvním zabudovaným počítačem na světě. Byl vyroben pomocí primitivních duálních třívstupových integrovaných obvodů brány NOR se třemi vstupy, které se skládaly pouze z 3 tranzistorů na bránu.
To dalo vzniknout populární řadě logických čipů TTL (Transistor-Transistor Logic), které byly konstruovány pomocí bipolárních tranzistorů. Tyto čipy vybily 5V a mohly běžet rychlostí až 25MHz.
Ty brzy ustoupily Schottkyho upnuté tranzistorové logice, která přidala Schottkyho diodu přes základnu a kolektor, aby se zabránilo saturaci, což výrazně snížilo skladovací náboj a snížilo spínací časy, což zase snížilo zpoždění šíření způsobené skladovacím nábojem.
Další sérií bipolární tranzistorové logiky byla řada ECL (Emitter Coupled Logic), která běžela na záporné napětí a v podstatě fungovala „zpětně“ ve srovnání se svými standardními protějšky TTL, které ECL dokázala běžet až 500 MHz.
Kolem tentokrát byla zavedena logika CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Používal zařízení N-kanálu i P-kanálu, proto se název doplňoval.
TTL VS CMOS: Výhody a nevýhody
První a nejvíce mluvená je spotřeba energie - TTL spotřebovává více energie než CMOS.
To platí v tom smyslu, že vstup TTL je pouze základnou bipolárního tranzistoru, který k zapnutí potřebuje nějaký proud. Velikost vstupního proudu závisí na obvodech uvnitř a klesá až k 1,6 mA. To se stává problémem, když je mnoho vstupů TTL připojeno k jednomu výstupu TTL, kterým je obvykle jen pullup rezistor nebo spíše špatně poháněný tranzistor na vysoké straně.
Na druhou stranu jsou tranzistory CMOS efektem pole, jinými slovy, přítomnost elektrického pole v bráně stačí k ovlivnění vedení polovodičového kanálu. Teoreticky není odebírán žádný proud, s výjimkou malého svodového proudu brány, který je často v řádu piko- nebo nanoampér. To však neznamená, že stejná nízká spotřeba proudu platí i pro vyšší rychlosti. Vstup čipu CMOS má určitou kapacitu, a tedy konečnou dobu náběhu. Aby byla zajištěna rychlá doba náběhu při vysoké frekvenci, je zapotřebí velký proud, který může být řádově několik zesilovačů na frekvencích MHz nebo GHz. Tento proud se spotřebovává pouze tehdy, když musí vstup změnit stav, na rozdíl od TTL, kde musí být přítomný zkreslený proud se signálem.
Pokud jde o výstupy, CMOS a TTL mají své vlastní výhody a nevýhody. Výstupy TTL jsou buď totemový pól, nebo vytažení. S totemovým pólem se výstup může kývat pouze do 0,5 V od kolejnic. Avšak výstupní proudy jsou mnohem vyšší než jejich protějšky CMOS. Mezitím výstupy CMOS, které lze srovnávat s rezistory řízenými napětím, mohou výstupovat v milivoltech napájecích kolejnic v závislosti na zátěži. Výstupní proudy jsou však omezené, často jsou sotva dostatečné k tomu, aby poháněly několik LED diod.
Díky jejich menším proudovým požadavkům se logika CMOS velmi dobře hodí k miniaturizaci, přičemž miliony tranzistorů je možné zabalit do malé oblasti, aniž by byl současný požadavek neprakticky vysoký.
Další důležitou výhodou, kterou má TTL oproti CMOS, je jeho robustnost. Tranzistory s efektem pole závisí na tenké vrstvě oxidu křemičitého mezi hradlem a kanálem, aby zajistily izolaci mezi nimi. Tato oxidová vrstva je tlustá nanometry a má velmi malé průrazné napětí, zřídka překračující 20 V i při vysokovýkonných FET. Díky tomu je CMOS velmi citlivý na elektrostatický výboj a přepětí. Pokud vstupy zůstanou plovoucí, pomalu akumulují náboj a způsobují falešné změny stavu výstupu, což je důvod, proč jsou vstupy CMOS obvykle vytahovány nahoru, dolů nebo uzemněny. TTL většinou tento problém netrpí, protože vstupem je tranzistorová základna, která se chová spíše jako dioda a je méně citlivá na hluk kvůli své nižší impedanci.
TTL NEBO CMOS? Který je lepší?
Logika CMOS nahradila TTL téměř ve všech směrech. Ačkoli jsou TTL čipy stále k dispozici, jejich použití nemá žádnou skutečnou výhodu.
Úrovně vstupu TTL jsou však poněkud standardizované a mnoho logických vstupů stále říká „kompatibilní s TTL“, takže mít CMOS pohánějící výstupní stupeň TTL kvůli kompatibilitě není neobvyklé. Celkově je CMOS jasným vítězem, pokud jde o užitečnost.
Logická rodina TTL používá k provádění logických funkcí bipolární tranzistory a CMOS využívá tranzistory s efektem pole. CMOS obecně spotřebovává mnohem méně energie, přestože je citlivější než TTL. CMOS a TTL nejsou ve skutečnosti zaměnitelné a vzhledem k dostupnosti čipů CMOS s nízkou spotřebou je použití TTL v moderních designech vzácné.