NMOSロジック

NMOSロジックの解説

NMOSロジック（N-type Metal-Oxide-Semiconductor Logic）は、n型MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を使用して、論理回路やその他のデジタル回路を実現する方式です。これらのn型MOSFETは、ソース端子とドレイン端子の間にp型半導体のボディ内に形成された反転層によって動作します。この反転層はn型チャネルと呼ばれ、電子を通過させる役割を果たします。n型チャネルは、ゲート端子へ電圧を加えることで生成されます。

また、n型MOSFETは全体で3つの動作領域を備えています。これには遮断領域（Cut-off / Subthreshold）、線形領域（Linear / Triode）、飽和領域（Saturation / Active）が含まれます。NMOS回路は、通常速度が遅いp型MOSFETを使用するPMOS回路やCMOS回路と比較して、高速であるため、長年にわたり人気を集めてきました。さらに、ディプリーション負荷NMOSロジックの開発により、NMOSの速度と電力消費がさらに向上しました。

製造の容易さもNMOSの魅力の一つです。CMOSはp型基板上に特別なn型ウエルを作成する必要があるため、NMOSはその点で製造が簡単です。しかし、NMOSには出力が常にLowの状態でも論理回路の中を直流電流が流れるという欠点があります。これにより、静的電力散逸が発生し、回路がスイッチングしていない時でも電力消費が生じます。加えて、Diode-Transistor LogicやTransistor-Transistor Logic、エミッタ結合ロジックと同様に、NMOSおよびPMOS回路は非対称な入力ロジックレベルによってCMOSよりもノイズに対して脆弱です。

MOSFETとその履歴

MOSFETの名称は「金属-酸化物-半導体」を意味し、これはその製造方法を反映しています。1970年代以前は、アルミニウムの金属ゲートが一般的に使用されていましたが、1970年代からはポリシリコンで製造される自己整合ゲートが主流になりました。これはフェアチャイルドセミコンダクターのフェデリコ・ファジンが開発した技術です。ポリシリコンゲートは現在でも多くのMOSFETを基にした集積回路で使用されていますが、2000年代初頭からは特定の高性能マイクロプロセッサ向けに高融点金属ゲートが再び注目されています。

NMOSロジックにおけるMOSFETは主にn型エンハンスメントモードトランジスタが使用され、このトランジスタはプルダウンネットワーク（PDN）内で動作します。このネットワークの中で、負電源電圧と論理ゲート出力の間に配置され、正電源電圧との間にプルアップが存在します。たとえば、NORゲートの実装を考えると、入力AまたはBのいずれかがHigh（1）であるとき、トランジスタがLow（0）を強制的に出力します。出力がHighになるのは、両方のトランジスタがオフの時、つまりAとBが両方Lowである場合に限ります。

MOSFETの利点と課題

NMOSロジックでは、MOSFETを抵抗器の代わりに使用することで製造工数を削減できます。このトランジスタは「負荷トランジスタ」とも呼ばれ、nチャネルMOSFETだけで回路全体を構成可能ですが、その電気特性は従来の抵抗器と異なります。透明なエンハンスメントモードMOSFETとして機能し、異なるゲート接続により様々な負荷が形成されます。負荷MOSFETの接続先によって、飽和エンハンスメント負荷や線形エンハンスメント負荷など、異なる動作条件が設定されます。

出力電圧が低下すると、さまざまな電圧の変化に及ぶ指標たちが互いに影響し合い、結果として消費電力や動作速度に悪影響を及ぼします。この課題を克服するために、ディプリーション負荷トランジスタを採用した回路設計へと進化が見られます。

NMOSの歴史

NMOSの発展は1959年に遡ります。ベル研究所の技術者たちによって最初の構造が開発され、以降、数々の改良が施され、1970年代にはNMOSプロセッサがPMOSプロセッサを凌駕しました。特に、NECのμCOM-4が登場し、それ以降も速度と消費電力が改良され、多くの分野で広く利用されるようになりました。CMOS技術は1975年に導入されましたが、NMOSが主流であった1970年代との比較で、初期のCMOSはまだ遅く、その魅力は低いものでした。しかし、1980年代に入ると、CMOSマイクロプロセッサはNMOSを追い越し、コンピュータ業界での主流技術となるのです。

このように、NMOSロジックは高速処理を実現し、様々なデジタル回路で不可欠な技術として広く認知されています。

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