منطق PMOS

تُعدّ تقنية PMOS أو pMOS المنطقية، اختصارًا لـ "أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ذات القناة p "، عائلة من الدوائر الرقمية القائمة على ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ذات القناة p والنمط المحسّن (MOSFETs). في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات، كانت تقنية PMOS المنطقية هي التقنية السائدة لأشباه الموصلات في الدوائر المتكاملة واسعة النطاق، قبل أن تحل محلها تقنيات NMOS و CMOS .

قام محمد عطا الله وداوون كانغ بتصنيع أول ترانزستور MOSFET عامل في مختبرات بيل عام 1959. ^{[ 1 ]} وقد صنعا كلا النوعين PMOS وNMOS، ولكن لم يكن يعمل سوى ترانزستورات PMOS. ^{[ 2 ]} واستغرق الأمر أكثر من عقد من الزمان قبل أن يتمكنا من التحكم في الملوثات في عملية التصنيع (وخاصة الصوديوم) بشكل كافٍ لتصنيع ترانزستورات NMOS عملية.

بالمقارنة مع الترانزستور ثنائي القطب ، وهو الجهاز الوحيد الآخر المتاح في ذلك الوقت للاستخدام في الدوائر المتكاملة ، يوفر MOSFET عددًا من المزايا:

• بالنظر إلى عمليات تصنيع أجهزة أشباه الموصلات ذات الدقة المماثلة، فإن ترانزستور MOSFET لا يتطلب سوى 10% من مساحة ترانزستور ثنائي القطب. ^{[ 3 ] : 87} والسبب الرئيسي هو أن ترانزستور MOSFET عازل ذاتيًا ولا يتطلب عزل وصلة p-n عن المكونات المجاورة على الشريحة.
• يتطلب MOSFET خطوات معالجة أقل وبالتالي فهو أبسط وأرخص في التصنيع (خطوة واحدة من التطعيم بالانتشار ^{[ 3 ] : 87} مقارنة بأربع خطوات لعملية ثنائية القطب ^{[ 3 ] : 50} ).
• بما أنه لا يوجد تيار بوابة ثابت لترانزستور MOSFET، فإن استهلاك الطاقة للدائرة المتكاملة القائمة على ترانزستورات MOSFET يمكن أن يكون أقل.

أما عيوبها مقارنةً بالدوائر المتكاملة ثنائية القطب فكانت كالتالي:

• كانت سرعة التبديل أقل بكثير، بسبب السعات الكبيرة للبوابة .
• أدى جهد العتبة العالي لترانزستورات MOSFET المبكرة إلى جهد إمداد طاقة أدنى أعلى (-24  فولت إلى -28  فولت ^{[ 4 ]} ).

قدمت شركة جنرال مايكروإلكترونيكس أول دارة PMOS تجارية في عام 1964، وهي عبارة عن مسجل إزاحة ذي 20 بت مزود بـ 120 ترانزستور MOSFET، وهو مستوى تكامل مذهل في ذلك الوقت. ^{[ 5 ]} إلا أن محاولة جنرال مايكروإلكترونيكس في عام 1965 لتطوير مجموعة من 23 دارة متكاملة مخصصة للآلة الحاسبة الإلكترونية Victor 3900 التابعة لشركة Victor Comptometer ^{[ 5 ]} أثبتت أنها طموحة للغاية نظرًا لموثوقية دارات PMOS في ذلك الوقت، وأدت في النهاية إلى إفلاس الشركة. ^{[ 6 ]} في المقابل ، واصلت شركات أخرى تصنيع دارات PMOS، مثل مسجلات الإزاحة الكبيرة ( جنرال إنسترومنت ) ^{[ 7 ]} أو مُضاعِف الإشارات التناظرية 3705 ( فيرتشايلد سيميكوندكتور ) ^{[ 8 ]} ، والتي لم تكن قابلة للتطبيق باستخدام تقنيات ثنائية القطب في ذلك الوقت.

شهدت تقنية البوابات ذاتية المحاذاة المصنوعة من السيليكون متعدد التبلور تحسناً كبيراً عام 1968. ^{[ 9 ]} قام توم كلاين وفيديريكو فاجين في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات بتحسين عملية تصنيع البوابات ذاتية المحاذاة لجعلها مجدية تجارياً، مما أدى إلى إصدار مُضاعِف الإشارات التناظرية 3708 كأول دائرة متكاملة ببوابة سيليكون. ^{[ 9 ]} سمحت عملية تصنيع البوابات ذاتية المحاذاة بتفاوتات تصنيع أدق، وبالتالي بتصغير حجم ترانزستورات MOSFET وتقليل سعة البوابات مع الحفاظ على ثباتها. على سبيل المثال، بالنسبة لذاكرة PMOS، وفرت هذه التقنية سرعة أكبر بثلاث إلى خمس مرات في نصف مساحة الشريحة. ^{[ 9 ]} لم تقتصر فوائد مادة بوابة السيليكون متعدد التبلور على تمكين تقنية البوابات ذاتية المحاذاة فحسب، بل أدت أيضاً إلى خفض جهد العتبة، وبالتالي خفض الحد الأدنى لجهد التغذية (مثلاً -16 فولت ^{[ 10 ] : 1-13} )، مما قلل من استهلاك الطاقة. بسبب انخفاض جهد التغذية، يُشار غالبًا إلى منطق PMOS ذي البوابة السيليكونية باسم PMOS منخفض الجهد، وذلك على عكس PMOS ذي البوابة المعدنية الأقدم الذي يُشار إليه باسم PMOS عالي الجهد . ^{[ 3 ] : 89} 

لأسبابٍ مختلفة، لم تُواصل شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات تطوير الدوائر المتكاملة بتقنية PMOS بالوتيرة التي كان يرغب بها المديرون المعنيون. ^{[ 11 ] : 1302} قرر اثنان منهم، جوردون مور وروبرت نويس ، في عام 1968 تأسيس شركتهما الناشئة الخاصة – إنتل . وانضم إليهما بعد ذلك بوقتٍ قصير مهندسون آخرون من فيرتشايلد، من بينهم فيديريكو فاجين وليس فاداسز . طرحت إنتل أول ذاكرة وصول عشوائي ثابتة بتقنية PMOS بسعة 256 بت، وهي إنتل 1101، في عام 1969. ^{[ 11 ] : 1303} تلتها ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية بسعة 1024 بت ، إنتل 1103، في عام 1970. ^{[ 12 ]} حققت 1103 نجاحًا تجاريًا كبيرًا، وسرعان ما بدأت تحل محل ذاكرة النواة المغناطيسية في أجهزة الكمبيوتر. ^{[ 12 ]} طرحت إنتل أول معالج دقيق بتقنية PMOS ، وهو إنتل 4004 ، في عام 1971. وحذت العديد من الشركات حذو إنتل. صُنعت معظم المعالجات الدقيقة المبكرة بتقنية PMOS: 4040 و 8008 من إنتل؛ وIMP-16 و PACE و SC/MP من ناشيونال سيميكوندكتور ؛ وTMS1000 من تكساس إنسترومنتس ؛ و PPS-4 ^{[ 13 ]} وPPS-8 ^{[ 14 ]} من روكويل إنترناشونال . وتضم هذه القائمة من المعالجات الدقيقة العديد من الابتكارات التجارية الرائدة: أول معالج دقيق 4 بت (4004)، وأول معالج دقيق 8 بت (8008)، وأول معالج دقيق 16 بت أحادي الشريحة (PACE)، وأول وحدة تحكم دقيقة 4 بت أحادية الشريحة (TMS1000؛ حيث تم دمج ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة القراءة فقط على نفس شريحة وحدة المعالجة المركزية ).

بحلول عام 1972، تطورت تقنية NMOS إلى الحد الذي يسمح باستخدامها في المنتجات التجارية. وقد طرحت كل من إنتل (مع معالج 2102) ^{[ 15 ]} وآي بي إم ^{[ 12 ]} رقائق ذاكرة بسعة 1 كيلوبت. ونظرًا لأن حركة الإلكترونات في القناة من النوع n لترانزستورات NMOS MOSFET تبلغ حوالي ثلاثة أضعاف حركة الثقوب في القناة من النوع p لترانزستورات PMOS MOSFET، فإن منطق NMOS يسمح بزيادة سرعة التبديل. ولهذا السبب، بدأ منطق NMOS يحل محل منطق PMOS بسرعة. وبحلول أواخر السبعينيات، تفوقت معالجات NMOS الدقيقة على معالجات PMOS. ^{[ 16 ]} وظل منطق PMOS مستخدمًا لفترة من الوقت نظرًا لانخفاض تكلفته ومستوى تكامله العالي نسبيًا في تطبيقات مثل الآلات الحاسبة والساعات البسيطة. ووعدت تقنية CMOS باستهلاك طاقة أقل بكثير من كل من PMOS وNMOS. على الرغم من أن فرانك وانلاس قد اقترح دارة CMOS في عام 1963 ^{[ 17 ]} ، ودخلت دوائر CMOS المتكاملة التجارية من سلسلة 4000 من شركة RCA حيز الإنتاج في عام 1968، إلا أن تصنيع CMOS ظل معقدًا، ولم يسمح بمستوى تكامل PMOS أو NMOS، ولا بسرعة NMOS. ولم يحل CMOS محل NMOS كتقنية رئيسية للمعالجات الدقيقة إلا في ثمانينيات القرن العشرين.

تتميز دوائر PMOS بعدة عيوب مقارنةً ببدائل NMOS و CMOS ، منها الحاجة إلى عدة جهود تغذية مختلفة (موجبة وسالبة)، وتبديد طاقة عالٍ في حالة التوصيل، وحجمها الكبير نسبيًا. كما أن سرعة التبديل الإجمالية فيها أقل.

تستخدم تقنية PMOS ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة من النوع p (MOSFETs) لتنفيذ البوابات المنطقية والدوائر الرقمية الأخرى . تعمل ترانزستورات PMOS عن طريق إنشاء طبقة انعكاس في جسم الترانزستور من النوع n . تُسمى طبقة الانعكاس هذه، والتي تُسمى القناة p، بأنها قادرة على توصيل الثقوب بين طرفي "المصدر" و"المصب" من النوع p .

يتم إنشاء قناة p بتطبيق جهد سالب (كان -25 فولت شائعًا ^{[ 18 ]} ) على الطرف الثالث، المسمى البوابة. ومثل ترانزستورات MOSFET الأخرى، فإن ترانزستورات PMOS لها أربعة أوضاع تشغيل: القطع (أو ما دون العتبة)، والثلاثي، والتشبع (يسمى أحيانًا نشطًا)، وتشبع السرعة.

على الرغم من سهولة تصميم وتصنيع منطق PMOS (إذ يمكن جعل MOSFET يعمل كمقاوم، وبالتالي يمكن تصنيع الدائرة بأكملها باستخدام ترانزستورات PMOS FET)، إلا أنه يعاني من عدة عيوب. تكمن المشكلة الأكبر في وجود تيار مستمر يمر عبر بوابة منطق PMOS عندما تكون ما يُسمى بشبكة السحب لأعلى (PUN) نشطة، أي عندما يكون الخرج عاليًا، مما يؤدي إلى تبديد الطاقة الساكنة حتى عندما تكون الدائرة في وضع الخمول.

كذلك، تتميز دوائر PMOS ببطء انتقالها من الحالة العالية إلى الحالة المنخفضة. عند الانتقال من الحالة المنخفضة إلى الحالة العالية، توفر الترانزستورات مقاومة منخفضة، وتتراكم الشحنة السعوية عند الخرج بسرعة كبيرة (كما هو الحال عند شحن مكثف عبر مقاومة منخفضة جدًا). ​​لكن المقاومة بين الخرج ومصدر الطاقة السالب تكون أكبر بكثير، لذا يستغرق الانتقال من الحالة العالية إلى الحالة المنخفضة وقتًا أطول (كما هو الحال عند تفريغ مكثف عبر مقاومة عالية). استخدام مقاومة ذات قيمة أقل يُسرّع العملية ولكنه يزيد أيضًا من تبديد الطاقة الساكنة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن مستويات منطق الإدخال غير المتماثلة تجعل دوائر PMOS عرضة للضوضاء. ^{[ 19 ]}

تتطلب معظم الدوائر المتكاملة PMOS مصدر طاقة بجهد مستمر يتراوح بين 17 و24 فولت. ^{[ 20 ]} مع ذلك، يستخدم معالج Intel 4004 PMOS منطق PMOS مع بوابات من السيليكون متعدد التبلور بدلاً من البوابات المعدنية، مما يسمح بفرق جهد أقل. ولضمان التوافق مع إشارات TTL ، يستخدم المعالج 4004 جهد تغذية موجب VSS ₌ +5 فولت وجهد تغذية سالب VDD ₌ -10 فولت. ^{[ 21 ]}

تُرتب ترانزستورات MOSFET من النوع p في ما يُسمى "شبكة السحب لأعلى" (PUN) بين خرج البوابة المنطقية وجهد التغذية الموجب، بينما توضع مقاومة بين خرج البوابة المنطقية وجهد التغذية السالب. صُممت الدائرة بحيث إذا كان الخرج المطلوب عاليًا، فإن شبكة السحب لأعلى ستكون نشطة، مما يُنشئ مسارًا للتيار بين جهد التغذية الموجب والخرج.

تتشابه بوابات PMOS في ترتيبها مع بوابات NMOS إذا عُكست جميع الفولتيات. ^{[ 22 ]} وبالتالي، بالنسبة لمنطق الفاعلية العالية، تُظهر قوانين دي مورغان أن بوابة NOR من نوع PMOS لها نفس بنية بوابة NAND من نوع NMOS والعكس صحيح.

• سافارد، جون جي جي (2018) [2005]. "مما تُصنع أجهزة الكمبيوتر" . كوادريبلوك . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2018-07-02 . تم الاسترجاع بتاريخ 2018-07-16 .