Det kan vara förvånande att veta att patentet för en "fälteffekt-transistor" föregick skapandet av den bipolära transistorn med minst tjugo år. Bipolära transistorer var dock snabbare att fånga kommersiellt, med det första chipet tillverkat av bipolära transistorer som uppträdde på 1960-talet, där MOSFET-tillverkningstekniken blev perfekt på 1980-talet och snart överträffade sina bipolära kusiner.
Efter att punktkontaktransistorn uppfanns 1947 började saker och ting röra sig snabbt. Först kom uppfinningen av den första bipolära transistorn året därpå. Sedan 1958 kom Jack Kilby med den första integrerade kretsen som satte mer än en transistor på samma matris. Elva år senare landade Apollo 11 på månen tack vare den revolutionerande Apollo Guidance Computer, som var världens första inbäddade dator. Den gjordes med primitiva dubbla treingångs-NOR-grind-IC: er, som bara bestod av 3 transistorer per grind.
Detta gav upphov till den populära TTL-serien (Transistor-Transistor Logic) av logikchips, som konstruerades med hjälp av bipolära transistorer. Dessa marker sprang av 5V och kunde köras med hastigheter upp till 25MHz.
Dessa gav snart plats för Schottky-fastspänd transistorlogik, som lade till en Schottky-diod över basen och samlaren för att förhindra mättnad, vilket kraftigt minskade lagringskostnaden och minskade omkopplingstiderna, vilket i sin tur minskade utbredningsfördröjningen orsakad av lagringsladdningen.
En annan serie av bipolär transistorbaserad logik var ECL- serien (Emitter Coupled Logic) som körde på negativa spänningar och i huvudsak fungerade "bakåt" jämfört med deras standard TTL-motsvarigheter ECL kunde springa upp till 500 MHz.
Vid denna tidpunkt introducerades CMOS- logiken (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Den använde både N-kanal och P-kanal enheter, därav namnet kompletterande.
TTL VS CMOS: Fördelar och nackdelar
Det första och mest omtalade är strömförbrukning - TTL förbrukar mer ström än CMOS.
Detta är sant i den meningen att en TTL-ingång bara är basen för en bipolär transistor, som behöver lite ström för att slå på den. Storleken på ingångsströmmen beror på kretsen inuti och sjunker upp till 1,6 mA. Detta blir ett problem när många TTL-ingångar är anslutna till en TTL-utgång, som vanligtvis bara är ett pullup-motstånd eller en ganska dåligt driven högsides-transistor.
Å andra sidan är CMOS-transistorer fälteffekt, med andra ord är närvaron av ett elektriskt fält vid grinden tillräckligt för att påverka halvledarkanalen till ledning. I teorin dras ingen ström förutom grindens lilla läckström, som ofta är i storleksordningen för pico- eller nanoampor. Detta är dock inte att säga att samma låga strömförbrukning gäller även för högre hastigheter. Ingången till ett CMOS-chip har viss kapacitans och därför en begränsad stigtid. För att säkerställa att stigtiden är snabb vid hög frekvens behövs en stor ström som kan vara i storleksordningen flera ampere vid MHz- eller GHz-frekvenser. Denna ström förbrukas endast när ingången måste ändra tillstånd, till skillnad från TTL där förspänningsströmmen måste vara närvarande med signalen.
När det gäller utdata har CMOS och TTL sina egna fördelar och nackdelar. TTL-utgångar är antingen totempol eller pullups. Med totempolen kan utgången bara svänga inom 0,5 V från skenorna. Utströmmarna är dock mycket högre än deras motsvarigheter till CMOS. Under tiden kan CMOS-utgångar, som kan jämföras med spänningsstyrda motstånd, matas ut inom millivolt från matningsskenorna beroende på belastningen. Utgångsströmmarna är dock begränsade, och det räcker ofta knappt för att driva ett par lysdioder.
Tack vare deras mindre nuvarande krav lämpar sig CMOS-logiken mycket bra för miniatyrisering, med miljontals transistorer som kan packas in i ett litet område utan att det nuvarande kravet är opraktiskt högt.
En annan viktig fördel som TTL har framför CMOS är dess robusthet. Fälteffekttransistorer är beroende av ett tunt kiseloxidskikt mellan grinden och kanalen för att ge isolering mellan dem. Detta oxidskikt är nanometer tjockt och har en mycket liten nedbrytningsspänning, som sällan överstiger 20V även i högeffekts-FET. Detta gör CMOS mycket känslig för elektrostatisk urladdning och överspänning. Om ingångarna lämnas flytande, ackumuleras de långsamt laddningen och orsakar falska utgångstillståndsändringar, varför CMOS-ingångar vanligtvis dras upp, ner eller jordas. TTL lider inte det här problemet för det mesta eftersom ingången är en transistorbas, som fungerar mer som en diod och är mindre känslig för brus på grund av dess lägre impedans.
TTL ELLER CMOS? Vilket är bättre?
CMOS-logik har ersatt TTL på nästan alla sätt. Även om TTL-marker fortfarande finns tillgängliga, finns det ingen verklig fördel med att använda dem.
TTL-ingångsnivåerna är dock något standardiserade och många logiska ingångar säger fortfarande 'TTL-kompatibelt', så det är inte ovanligt att ha en CMOS som kör ett TTL-utgångssteg för kompatibilitet. Sammantaget är CMOS den tydliga vinnaren när det gäller verktyg.
TTL-logikfamiljen använder bipolära transistorer för att utföra logiska funktioner och CMOS använder fälteffekttransistorer. CMOS förbrukar i allmänhet mycket mindre ström trots att den är känsligare än TTL. CMOS och TTL är inte riktigt utbytbara, och med tillgängligheten av CMOS-chips med låg effekt är TTL-användning i modern design sällsynt.