「電界効果トランジスタ」の特許が少なくとも20年前にバイポーラトランジスタの作成に先行したことを知っているのは驚くべきことかもしれません。しかし、バイポーラトランジスタは商業的に普及するのが早く、1960年代にバイポーラトランジスタで作られた最初のチップが登場し、1980年代にMOSFET製造技術が完成し、すぐにバイポーラのいとこを追い越しました。
1947年に点接触トランジスタが発明された後、物事は急速に動き始めました。翌年、最初のバイポーラトランジスタが最初に発明されました。その後、1958年に、ジャックキルビーは、同じダイに複数のトランジスタを配置する最初の集積回路を考案しました。11年後、世界初の組み込みコンピュータである革新的なアポロ誘導コンピュータのおかげで、アポロ11号は月面着陸しました。これは、ゲートごとに3つのトランジスタのみで構成されたプリミティブデュアル3入力NORゲートICを使用して作成されました。
これにより、バイポーラトランジスタを使用して構築された人気のあるTTL（Transistor-Transistor Logic）シリーズのロジックチップが生まれました。これらのチップは5Vで動作し、最大25MHzの速度で動作する可能性があります。
これらはすぐにショットキークランプトランジスタロジックに取って代わられ、飽和を防ぐためにベースとコレクタの間にショットキーダイオードが追加されました。これにより、蓄積電荷が大幅に減少し、スイッチング時間が短縮され、蓄積電荷による伝搬遅延が減少しました。
バイポーラトランジスタベースのロジックの別のシリーズは、負の電圧で動作するECL（エミッタ結合論理）シリーズであり、標準のTTL対応物であるECLが最大500MHzで動作するのと比較して、本質的に「逆方向」に動作します。
この頃、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）ロジックが導入されました。NチャネルデバイスとPチャネルデバイスの両方を使用したため、名前は補完的です。
TTL VS CMOS：長所と短所
最初に最も話題になっているのは消費電力です。TTLはCMOSよりも多くの電力を消費します。
これは、TTL入力がバイポーラトランジスタのベースにすぎず、オンにするためにいくらかの電流が必要であるという意味で当てはまります。入力電流の大きさは内部の回路に依存し、最大1.6mAまでシンクします。これは、多くのTTL入力が1つのTTL出力に接続されている場合に問題になります。これは通常、単なるプルアップ抵抗または駆動が不十分なハイサイドトランジスタです。
一方、CMOSトランジスタは電界効果です。言い換えると、ゲートに電界が存在することで、半導体チャネルに影響を与えて導通させることができます。理論的には、ゲートの小さなリーク電流を除いて、電流は流れません。これは、多くの場合、ピコアンペアまたはナノアンペアのオーダーです。ただし、これは、高速でも同じ低消費電流が当てはまるということではありません。 CMOSチップの入力にはある程度の容量があるため、立ち上がり時間は有限です。高周波で立ち上がり時間が速いことを確認するには、大電流が必要です。これは、MHzまたはGHz周波数で数アンペアのオーダーになる可能性があります。この電流は、バイアス電流が信号に存在する必要があるTTLとは異なり、入力の状態を変更する必要がある場合にのみ消費されます。
出力に関しては、CMOSとTTLにはそれぞれ長所と短所があります。TTL出力はトーテムポールまたはプルアップのいずれかです。トーテムポールを使用すると、出力はレールの0.5V以内でのみスイングできます。ただし、出力電流は対応するCMOSよりもはるかに高くなります。一方、電圧制御抵抗と比較できるCMOS出力は、負荷に応じて電源レールからミリボルト以内で出力できます。ただし、出力電流は制限されており、多くの場合、2つのLEDを駆動するのにかろうじて十分です。
電流要件が小さいため、CMOSロジックは小型化に非常に役立ち、電流要件を非現実的に高くすることなく、数百万のトランジスタを小さな領域に詰め込むことができます。
TTLがCMOSよりも優れているもう1つの重要な利点は、その堅牢性です。電界効果トランジスタは、ゲートとチャネルの間の絶縁を提供するために、ゲートとチャネルの間の薄い酸化シリコン層に依存しています。この酸化物層はナノメートルの厚さで、ブレークダウン電圧が非常に小さく、高出力FETでも20Vを超えることはめったにありません。これにより、CMOSは静電放電と過電圧の影響を非常に受けやすくなります。入力をフローティングのままにすると、電荷がゆっくりと蓄積され、誤った出力状態の変化が発生します。そのため、CMOS入力は通常、プルアップ、ダウン、または接地されます。入力はトランジスタベースであるため、TTLはほとんどの場合この問題を抱えていません。トランジスタベースはダイオードのように機能し、インピーダンスが低いためノイズの影響を受けにくくなっています。
TTLまたはCMOS？どちらが良いですか？
CMOSロジックは、ほぼすべての点でTTLに取って代わりました。TTLチップはまだ利用可能ですが、それらを使用することに実際の利点はありません。
ただし、TTL入力レベルはある程度標準化されており、多くのロジック入力は依然として「TTL互換」と言っているため、互換性のためにTTL出力ステージを駆動するCMOSを使用することは珍しくありません。実用性に関しては、全体的なCMOSが明らかに勝者です。
TTLロジックファミリはバイポーラトランジスタを使用してロジック機能を実行し、CMOSは電界効果トランジスタを使用します。CMOSは、TTLよりも感度が高いにもかかわらず、一般的に消費電力がはるかに少なくなります。CMOSとTTLは実際には互換性がなく、低電力のCMOSチップが利用できるため、最新の設計でTTLを使用することはめったにありません。