¿Las familias lógicas usan diferentes tipos de transistores?

Aquí hay una respuesta muy incompleta:

Al dopar, oxidar, metalizar una rebanada de sillicón, puede crear en la superficie varios tipos de componentes: cables, transistores bipolares (también conocido como BJT), transistores de óxido de metal (también conocido como MOS), resistencias, inductores, condensadores .. (pero a menudo es más fácil crear un transistor que estos componentes pasivos).

Los componentes se crean a la vez aplicando patrones y exponiendo el dado. Los transistores no son "seleccionados y colocados", incluso para circuitos integrados analógicos.

Los transistores bipolares utilizados en las puertas TTL están 'controlados por corriente' y funcionan de manera muy diferente a los transistores MOS que están 'controlados por voltaje'.

TTL (lógica de transistor a transistor) se define tradicionalmente como niveles lógicos y características de E / S, que fueron (en los años 70-80) óptimas para transistores bipolares que funcionan con una fuente de alimentación de 5V. Ahora es posible construir chips de transistores MOS compatibles con los niveles lógicos TTL.

Las puertas lógicas se pueden crear con transistores bipolares y MOS, pero hoy en día, MOS se utiliza casi exclusivamente para crear circuitos lógicos como microprocesadores, memorias ...

Los transistores bipolares (y j-fets) se usan principalmente en componentes analógicos (por ejemplo, amplificadores operacionales).

Es posible mezclar bipolar y MOS en un solo dado, pero el número adicional de pasos y restricciones hace que la tecnología sea más costosa y reservada para componentes especiales (para la historia, el primer Pentium utilizó BiCMOS que mezcla bipolar y CMOS, esto Hoy en día, la tecnología se utiliza para componentes de señales analógicas o mixtas como ADC / DAC)

La lógica TTL usa transistores bipolares y la lógica CMOS usa, bueno, transistores CMOS. La estructura de las puertas también es bastante diferente entre las dos, ya que los dos tipos de transistores son muy diferentes y, por lo tanto, deben usarse de manera diferente.

Cada familia lógica tiene diferentes circuitos para la misma función (por ejemplo, una puerta AND), ya que cada una fue un avance en la tecnología anterior.

The earliest logic families used bipolar junction transistors.  Some examples are:

RTL (1963) - resistor transistor logic (used in the Apollo Guidance Computer)
DTL (1962) - diode transistor logic (used in the Minuteman II Guidance Computer)
ECL (1962) - emitter coupled logic (faster, used in the IBM 7030 Stretch Computer)
TTL - transistor-transistor logic (the most popular logic family prior to CMOS)
      74xx (1964) - original TTL line (also 54xx for military)
      74Sxx (1969) - used Schottky transistors for speed
      74Lxx (1964) - low power
      74LSxx (1976) - low power Schottky
      74ALSxx (1976) - advanced low power Schottky
      74Fxx (1979) - fast than normal Schottky

The following families used CMOS transistors:

CMOS - complementary metal–oxide–semiconductor logic
      CMOS (1970) - CD4000 series
      CMOS HC (1982) - high speed CMOS, used same pinouts as 74LS family
      CMOS HCT (1982) - CMOS logic but as TTL logic levels (made combining them possible)

El CMOS tiene la ventaja sobre el bipolar en que no usa energía, excepto cuando cambia de 0 a 1 y regresa. El uso de transistores CMOS ha permitido acumular millones o incluso miles de millones de transistores en un solo chip sin necesidad de refrigeración,

Los circuitos integrados más populares están hechos por al menos dos fabricantes (y en muchos casos, varios); esto se denomina segundo proveedor y es requerido por las grandes compañías y el ejército para asegurar que las partes estén disponibles. Sin embargo, a veces los chips son fabricados por un solo fabricante, y es un poco riesgoso incorporarlos en un diseño.

Los IC analógicos pueden usar transistores bipolares o CMOS, lo que sea más adecuado para la tarea. De ninguna manera están limitados a los suministros de voltaje utilizados por varias familias lógicas, ya sea TTL o de otro tipo. Además, no es raro que tengan un suministro negativo, p. Ej. ± 15v.

La principal diferencia entre lo analógico y lo digital es que este último opera solo en dos niveles, 1 y 0. Por esta razón, los transistores están apagados o encendidos por completo, el último se llama saturado. Mientras que los transistores en circuitos analógicos generalmente operan en lo que se llama la región "activa" entre encendido y apagado.

Hay más en los transistores que solo el tipo básico (MOSFET vs. JFET vs. BJT). CMOS, por definición, implica dos tipos de MOSFET (canal P y canal N). Y no todos los transistores del mismo tipo serán idénticos. Por ejemplo, los microcontroladores en los que trabajo utilizan dos voltajes: 3,3 V para las IO y 1,2 V para la lógica central. Los transistores centrales son más pequeños y tienen óxidos de compuerta más delgados porque no necesitan manejar tanta tensión. En los circuitos analógicos, también es común cambiar la relación de ancho a largo.

Los MOSFET no son ideales para circuitos analógicos porque tienen una alta capacitancia de compuerta y una baja transconductancia. Pero son mejores en circuitos digitales porque la lógica de CMOS no consume energía de CC [1]. Además, resulta muy fácil reducir los MOSFET y, en lógica, siempre ganan los transistores. En circuitos integrados de señales mixtas como microcontroladores, los circuitos analógicos pueden usar transistores CMOS solo porque eso es lo que está disponible. (Agregar BJT significaría un montón de pasos de procesamiento adicionales, que cuestan dinero). Aparte de la lógica, los MOSFET también se usan para cambiar corrientes grandes debido a su baja resistencia de activación.

Los BJT tienen una mayor transconductancia, pero requieren una corriente de base para funcionar. En los circuitos integrados, puedes hacer cosas raras como tener un BJT con varios emisores o colectores, pero no creo que puedas obtener dispositivos discretos como ese.

Los JFET son una especie de término medio, con una transconductancia media pero una corriente de base mínima. Se usan comúnmente para hacer las etapas de entrada de los amplificadores operacionales.

En todos los casos, los transistores se pueden hacer de manera diferente para lograr el voltaje requerido y el manejo de la corriente, la velocidad de conmutación, etc.

[1] Esta es una ventaja histórica. Los transistores CMOS modernos con longitudes de compuerta inferiores a 100 nm tienen importantes corrientes de fuga de CC. En los procesos más nuevos, esto puede ser algo así como la mitad del consumo total de energía del chip.