Вся современная микроэлектроника основана на полупроводниках.
На кристалле создаются зоны разной проводимости, которые объединяются в некоторую логику.
Кристаллы работают, потребляя электрическую энергию и преобразуя ее в тепло.
В данной статье описаны основные процессы, потребляющие энергию при работе ИС.
Источником выделения тепла на микросхеме являются три основных процесса: динамическая мощность, токи короткого замыкания и утечки .
Обзор этих процессов будет проведен на примере технологии n-MOS (хотя все описанное будет справедливо и для p-MOS).
1. Токи утечки в микросхеме – Этот процесс сегодня привлекает самое пристальное внимание.
Для техпроцесса 250 микрон и более токи утечки не сильно влияли на общее энергопотребление ИС, однако с развитием технологии и переходом к более тонкому процессу создания МОП-структур стали проявляться квантово-механические эффекты.
значительное влияние на токи утечки.
Этот процесс наиболее выражен в ИС, когда она находится в режиме ожидания, поскольку другие каналы утечки становятся незначительными.
Для создания ИС с низким энергопотреблением необходимо более детально рассмотреть, где и как происходят процессы утечки.
1.1 Обратный ток затвора: эффект в области под затвором, возникающий при условии VGS ≈ VT и VDS > 0 (для n-мос).
В этой области, когда транзистор закрыт, нет напряжения для формирования проводящего канала, но некоторые электроны могут получить достаточно энергии для перемещения от истока к стоку.
Этот ток называется током затвора.
Примерное значение этого тока можно рассчитать по формуле: 
Где:
isub = ток затвора;
a = константа, зависящая от процесса или технологии;
Т = температура в Кельвинах;
Cox = емкость оксидного слоя;
n = другая константа, зависящая от процесса или технологии;
VGS = напряжение истока затвора;
k = постоянная Больцмана;
VT = напряжение перехода МОП-ячейки из одного состояния в другое;
W = ширина канала;
L = длина канала;
q = заряд электрона.
Как видно из формулы, ток затвора увеличивается с уменьшением длины канала, а с уменьшением напряжения VT транзистора и с увеличением температуры он увеличивается по экспоненте.
По мере уменьшения технологического процесса изготовления КМОП-структур длина канала и пороговое напряжение VT неизбежно уменьшаются для улучшения логических характеристик (высокое значение VT замедляет скорость переключения транзистора).
Таким образом, ток затвора увеличивается с уменьшением технологического процесса и становится существенным для технологий нанометрового диапазона.
При переводе транзистора в режим пониженного напряжения питания это становится благоприятной средой для появления значительного тока утечки затвора, поскольку напряжение переключения транзистора снижается.
Рис.
1. Различные токи в структуре n-МОП-транзистора.
2. Истощение потенциального барьера стоком.
Когда на стоке устанавливается напряжение, вокруг себя создается зона обеднения с некоторым потенциалом.
При большом расстоянии между электродами МОП-транзистора влияние поля стока на исток остается незначительным и, соответственно, никаких изменений напряжения между истоком и каналом не происходит. Однако по мере уменьшения технологического процесса расстояние между стоком и истоком уменьшается.
В результате на источник оказывают влияние зона обеднения и напряжение стока.
Его потенциальный барьер уменьшается, что приводит к тому, что поток электронов от истока к стоку увеличивается, а напряжение на истоке уменьшается.
1.3 Разбивка.
Этот эффект представляет собой крайнее состояние истощения потенциального барьера, когда напряжение на стоке достигает определенного значения, после чего поток электронов лавинообразно возрастает. Этот ток напрямую зависит от VDS (напряжения между стоком и истоком).
Это один из факторов, определяющих максимально возможное напряжение на транзисторе.
По мере уменьшения размера МОП расстояние между стоком и истоком уменьшается, и то же напряжение VDS на транзисторе меньшего размера будет создавать большее электрическое поле.
Это поле может вызвать пробой, поэтому по мере снижения техпроцесса возникает необходимость снижения рабочего напряжения на транзисторе.
1.4 Ток, инициируемый затвором.
Представим, что сток подключен к напряжению питания, а затвор – к земле или к минусу питания.
Такая ситуация приведет к появлению плотного электрического поля в области стока под затвором, образованию там обедненной области и появлению эффекта межзонного туннелирования.
Поскольку подложка заземлена, неосновные носители заряда, собранные в этой области обедненного стока, под действием поля начинают проникать на подложку.
Этот ток называется инициированием затвора.
Этот ток сильно зависит от напряжения стока и толщины изолятора затвора.
1.5 Туннельный ток через затвор.
По мере уменьшения техпроцесса уменьшается и толщина оксидного изолятора под затвором.
В настоящее время эта толщина составляет 1 – 2 нм.
Высоколегированный канал и ультратонкий изоляционный слой создают в области изоляции очень плотное электрическое поле, измеряемое в МВ/см.
При таком поле носители заряда уже могут проходить через оксидный изолятор, создавая ток через затвор.
Чем больше приложенное напряжение, тем больший ток будет течь через изолятор.
Этот ток не только уходит через затвор, но и может сильно ослабить рабочий ток через сток.
Это может привести к неисправности транзистора.
Для борьбы с этим током утечки в транзисторах используется затвор из поликристаллического кремния.
1.6 Обратный ток смещения.
Между диффузионной зоной n+ и подложкой возникает паразитный диодный эффект. Этот эффект приводит к тому, что неосновные носители заряда начинают проникать из стока в подложку.
Электронно-дырочные пары, возникающие в области обеднения, также способствуют утечке на подложку.
Этот ток напрямую связан с плотностью легирующей примеси и увеличивается с увеличением плотности.
2. Короткое замыкание - еще один процесс, потребляющий энергию в ИС.
Когда на входе схемы происходит изменение логического состояния, схема меняет свое выходное состояние.
В результате этого процесса МОП может перейти из состояния «выключено» в состояние «включено» и наоборот. Поскольку переходные процессы не происходят мгновенно, может возникнуть ситуация, при которой пара n-MOS и p-MOS меняет свое состояние и в какой-то момент ни один из них не оказывается в состоянии «выключено».
В этот период времени происходит короткое замыкание.
Этот ток не вызван зарядкой какой-либо электрической емкости внутри кристалла, поэтому короткое замыкание приводит к чистой потере энергии.
Рис.
2. Короткое замыкание в МОП-инверторе.
Давайте представим себе ситуацию, когда вход инвертора А меняется с низкого на высокий.
n-МОП-транзистор (нижний) начнет открываться при достижении определенного напряжения Vn-МОП на входе А, а верхний p-МОП-транзистор в это время еще открыт. Он начнет закрываться, когда входное напряжение достигнет определенного высокого значения Vp-mop. Возникает ситуация, когда оба транзистора открыты и происходит короткое замыкание.
Когда любой транзистор выключается, цепь останавливается.
Тот же процесс происходит, когда уровень входного сигнала меняется с высокого на низкий.
Ток повреждения становится значительным, если рост/падение входного сигнала продолжается в течение длительного времени и если выход Z подключен к низкому сопротивлению.
Для борьбы с таким эффектом нарастание и спад волн делают более быстрыми и соответственно увеличивают сопротивление, к которому подключен выход Z. 3. Динамическая мощность – это процесс рассеивания мощности для переключения состояний логических ячеек и соответственно состояний их входов и выходов.
По этой причине этот процесс еще называют переключением энергии.
Когда ячейка меняет свое логическое состояние с высокого на низкое или наоборот, многие внутренние емкости (в местах пересечений, соединений проводников и т. д.) соответственно заряжаются и разряжаются.
Этот процесс был самым значимым из всех процессов энергопотребления вплоть до 250-микронных технологий.
С уменьшением техпроцесса уменьшились паразитные емкости и уменьшилась энергия переключения состояний.
Однако существуют способы снижения динамической мощности для снижения общего энергопотребления микросхемы.
Рис.
3. Переключение тока с помощью МОП-схемы.
Рассмотрим элементарную схему из МОП-элементов.
Если все паразитные емкости в МОП-ячейке представить в виде одного конденсатора С, то в момент переключения выхода с VDD на GRD произойдет потребление энергии, равное CVDD2. Половина энергии накапливается в контейнере, другая половина теряется.
Аналогично, когда выход переключается на VDD, происходит тот же процесс.
Энергия переключения напрямую зависит от напряжения VDD и частоты переключения.
В результате способом снижения динамической мощности является снижение напряжения питания.
Однако это снижение приводит к тому, что клетки становятся медленнее, а частота позади них снижается.
Следовательно, больше времени будет потрачено на операции.
Общая формула динамической мощности: Р = f*C*V*V где f — частота, C — емкость, V — напряжение.
Обратите внимание, что динамическая мощность не зависит от времени нарастания или спада волны на входах и выходах.
Другая составляющая динамической мощности — это энергия, теряемая из-за многократных «лишних» переключений, которые могут возникнуть в схеме из-за десинхронизации задержки на участках схемы с несколькими входами.
Давайте посмотрим на примерную диаграмму.
Рис.
4. Схема с двумя возможными дополнительными переключениями.
Представим себе схему, в которой на два входа подается логическая «1» (питание VDD), а на входы А и Б сигналы поступают с некоторой несинхронизированной задержкой.
При работе логики из-за разницы в поступлении сигналов выход Z на короткое время переключится в «1».
Это событие называется мгновенным сбоем.
Чтобы бороться с этим, схема создает условия для того, чтобы сигналы поступали максимально синхронно.
Если избавиться от сбоев в схеме невозможно, то на выходе схемы устанавливается дополнительная логика для поглощения таких сбоев и блокировки их распространения, например, буферы поглощения сбоев и балансировки таймингов.
Заключение
Анализируя различные причины потерь энергии на кристалле, можно сделать вывод, что достижение низкого энергопотребления в микросхемах становится все сложнее по мере ухудшения техпроцесса.Мировые гиганты микроэлектроники уже столкнулись с квантовыми эффектами, которые приводят к резкому увеличению энергопотребления микросхем.
По мере снижения техпроцесса на сцену битвы выходят процессы, дающие новые витки развития технологиям изготовления кристаллов.
Теги: #Компьютерное оборудование #транзисторы #теплоотдача #потери энергии
-
«Газета.ру» Провела Редизайн Сайта
19 Oct, 24 -
Регистрация Разработчиков
19 Oct, 24 -
Возможно Ли Путешествие Во Времени?
19 Oct, 24 -
Турнир Angrybirds: Как Это Сделать
19 Oct, 24
