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对于德州仪器的误解,TTL(晶体管-晶体管逻辑)只是其中之一

2019-07-16 10:07
来源: 与非网

半导体行业里的大部分人员都清楚地知道,TTL产品在这个行业已经统治了三十年之久了。其中有一部分人可能还知道,德州仪器是TTL之王。但是如果你再接着问下去知道不知道TTL具体是什么东西,大多人都要三摇其头表示不解了。如果你恰巧是摇头族一员,现在请搬个板凳做好,让洒家来给你科个普。

在半导体行业刚刚成型的早期阶段,有三家重量级的大咖,分别是仙童半导体、摩托罗拉和德州仪器。除此之外,还有一些追随者模仿者,比如国家半导体、Signetic、Amelco和Siliconix等等。

那个时候,英特尔还是个上不了大场面的小不点。那个年代,第一款标准逻辑器件是仙童半导体的RTL-通过电阻R输入、通过晶体管T输出的逻辑器件L。就像当时几乎所有东西一样,它是采用双极晶体管构建的,仙童半导体给这种器件家族冠以微逻辑(Micrologic)的名字。不过可悲的是,RTL最终化为了历史的尘埃。

必须承认的是,仙童半导体确实开了个好头,RTL基于的诺依斯的专利技术确实很对口,但是它另外一个技术支撑-Kilby的专利却起了反作用。结果就是,仙童半导体的RTL电路存在很大的问题,无论是在扇入扇出能力上,还是在噪声容限和速度上都有难以克服的缺陷。这种缺陷几乎决定了当时器件性能的一切。所以,仙童半导体放弃了RTL,改到DTL-二极管D-晶体管T-逻辑L-上,从二极管输入,从晶体管输出的逻辑器件。DTL最初的发明权不在仙童半导体,IBM在它的360系列大型计算机中就使用了这种逻辑器件。这是一个比RTL表现得好得多的设计,解决了除了速度之外RTL所有的问题。仙童半导体推出它们的DTL系列时,历史的脚步已经来到了1964年。

对于德州仪器的误解,TTL(晶体管-晶体管逻辑)只是其中之一

DTL门包括一些背靠背的二极管。其中,一个输入二极管的阴极连接到输入焊盘上,另外一个被称为电平设置二极管的阴极连接到一个被称为分相器的晶体管基极上,这两个二极管的阳极连接到一起。有了DTL之后,聪明的电路设计天才们就想,为什么不把这两个二极管放到同一个隔离区域呢?可以用单个双极NPN晶体管来代替两个晶体管!在这种结构中,输入二极管将是晶体管的发射极,电平设置二极管则是晶体管的集电极。对于一个双输入的门,其中使用的晶体管将有两个发射极。对于四输入的门,其晶体管将有四个发射极。上面这个示意图可能看起来有点奇怪,但它清晰地描述了这种原理。

为什么这种结构比DTL要好呢?让我们来看看。当输入焊盘上的电平为低时,晶体管导通并从分相器的基极上吸取电荷,从而缩短了关闭分相器所需的时间,这个关断时间正是当时那些迫切想要提高电路工作速度的工程师们面临的头号问题。和历史上出现的大多数发明一样,我们并不是很清楚哪个天才可以当得起TTL发明者的殊荣。需要指出的是,可以真正工作的TTL电路版本要比上面这个图里的简化描述复杂得多。现在人们公认,在Sylvania工作的Tom Longo是把TTL门整合到成功商用IC中的第一人。

对于德州仪器的误解,TTL(晶体管-晶体管逻辑)只是其中之一

这是一个重大突破。这种技术的命名也经历了一些有趣的历史,Longo把它成为SUHL,TRW的James Buie把它称为TCTL,最终,它的名称定格为TTL(晶体管-晶体管逻辑)。和DTL相比,TTL在相似的成本上实现了更快的速度。Longo和其它一些人发明了TTL,但是最终大肆收割获益的却是德州仪器。1964年,德州仪器推出了他们的5400 TTL系列,同年,守旧的仙童半导体发布了他们的DTL系列。正如前文所述的那样,TTL更好!德州仪器很快地将其TTL产品放到他们开发的廉价塑料封装中,成本比其它任何人都要低。最终,德州仪器以1美元的价格对外出售TTL门器件,每个封装中有四个门,所以相当于每个门25美分。在那个年代,这个价格低得令人难以置信。别人发明了TTL,桃子却被德州仪器摘走了。从那个时候起,德州仪器称霸了全世界,成为那个年代当之无愧的王者。

为什么早期发明TTL的Longo那些人好像被人们遗忘了,没有获得他们应得的荣誉呢?那是因为,德州仪器在TTL发展的早期获得了巨大的领先优势,以至于每个人都想当然地认为TTL是德州仪器的发明。但是事实并非如此,德州仪器只是早早地发现了TTL的巨大潜力,并倾尽全力地跳入了TTL发展的洪流,最终靠它席卷了整个半导体市场。关于这个事情,哈佛曾经将它作为一个案例研究过。

那Tom Longo最后怎么样了呢?后来他先到了Transitron,后来又跳槽到了仙童半导体。这个家伙确实非常聪明,在半导体行业是一个表现非凡的推动者(踢别人屁股的人)。但是我无法确定这是好事还是坏事。我在仙童半导体比他低好几个级别,所以平时没有机会和他交流。观察人踢人屁股很有趣,当然,如果你是被踢的那个人就另当别论了。不过说到踢屁股,当时的Tom肯定非常不喜欢德州仪器使用他所发明的产品一直踢仙童屁股的这一事实。

仙童半导体看到TTL那么成功,后来也试图进入这个市场。它首先推出了9000系列TTL产品,但是出了一个问题:我们并没有真正理解集电极-发射极漏电流(ICEO)问题。ICEO是我们当时面临的主要问题,使用黄金催化剂更加剧了这个问题。当时,影响门电路速度的最大障碍在于双极晶体管的关断时间。导通很容易,但是关断它却需要等待所有少数载流子离开基极,这个过程花了很长时间。我们之前已经发现,在基极区域加入一些金原子有助于少数载流子的撤离,我们把它称为黄金兴奋剂。为了满足速度要求,你必须使用黄金,但是,黄金的使用使得集电极-发射极漏电问题变得更糟了。用了黄金,漏电流增加,输出能力下降,同时成本也增加了。

所以,大约在1969年那一年,我们产品的良率很低,成本很高。怎么办?后来,Hogan从摩托罗拉招来一些家伙,导入了他们认为可以解决漏电流问题的摩托罗拉版工艺,并把它部署在山景工厂。刚开始良率确实很好,于是我们匆匆地投入大批量生产。但是要命的是,我们没有做HTRB(产品生命测试的简化版-高温反向温差测试),那时也没有正式的质量要求。但是,我们刚刚投产,就遇到了大麻烦。我们搞砸了!!!如果我们哪怕做一个HTRB测试,就会遇到产品老化问题。这就是说,头几个月早期生产的所谓良率很好的那些晶圆是不可靠的。当我们发现遇到了大麻烦后,就把这些制造出来的“垃圾”烧毁了。逆袭失败,德州仪器依然高昂着头颅,一副不可挑战的王者气势。

后来,Tom Longo离开了仙童半导体,成为了Performance Semiconductor的创始人兼首席执行官。

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