مصادر إطلاق الطاقة على شريحة IC

تعتمد جميع الإلكترونيات الدقيقة الحديثة على أشباه الموصلات. يتم إنشاء مناطق ذات موصلية مختلفة على البلورة ، والتي يتم دمجها في بعض المنطق. تعمل البلورات عن طريق استهلاك الطاقة الكهربائية وتحويلها إلى حرارة. توضح هذه المقالة العمليات الرئيسية التي تستهلك الطاقة أثناء تشغيل الدوائر المتكاملة.

مصدر توليد الحرارة على شريحة IC هو ثلاث عمليات رئيسية: الطاقة الديناميكية ودائرة القصر وتيارات التسرب . سيتم إجراء مراجعة لهذه العمليات على سبيل المثال تقنية n-MOS (على الرغم من أن كل ما تم وصفه سيكون صحيحًا لـ p-MOS)

1. تيارات التسرب في IC - تجذب هذه العملية أكبر قدر من الاهتمام اليوم. بالنسبة للعملية التقنية التي تبلغ 250 ميكرومتر أو أكثر ، لم تؤثر تيارات التسرب بشكل كبير على إجمالي استهلاك الطاقة من الدوائر المتكاملة ، ومع ذلك ، مع تطور التقنيات والانتقال إلى عملية تصنيع أدق لإنشاء هياكل MOS ، بدأت التأثيرات الكمومية الميكانيكية لها تأثير كبير على تيارات التسرب. تتجلى هذه العملية أكثر من أي شيء آخر في IC عندما تكون في وضع الاستعداد ، حيث تصبح قنوات التسرب الأخرى غير مهمة. لإنشاء ICs منخفضة الطاقة ، تحتاج إلى التفكير بمزيد من التفاصيل في مكان وكيفية حدوث عمليات التسرب.

1.1 تيار البوابة العكسي: التأثير في المنطقة تحت البوابة ، والذي يحدث تحت الشرط VGS ≈ VT و VDS> 0 (للممسحات n). في هذه المنطقة ، عندما يتم إغلاق الترانزستور ، لا يوجد جهد لتكوين قناة موصلة ، ومع ذلك ، يمكن لبعض الإلكترونات تلقي طاقة كافية للانتقال من المصدر إلى الصرف. يسمى هذا التيار بوابة. يمكن حساب القيم التقريبية لهذا التيار بالصيغة:

حيث:
isub = بوابة الحالية ؛
أ = ثابت يعتمد على العملية أو التكنولوجيا ؛
T = درجة الحرارة في كلفن ؛
Cox = سعة طبقة الأكسيد ؛
n = ثابت آخر حسب العملية أو التقنية ؛
VGS = جهد مصدر البوابة ؛
ك = ثابت بولتزمان ؛
VT = خلايا MOS لانتقال الجهد من حالة إلى أخرى ؛
W = عرض القناة ؛
L = طول القناة ؛
س = شحنة الإلكترون.

كما يتبين من الصيغة ، يزداد تيار البوابة مع تناقص طول القناة ، ومع انخفاض جهد الترانزستور VT وزيادة درجة الحرارة المتزايدة بشكل كبير. مع انخفاض في عملية تصنيع هياكل CMOS ، يقل طول القناة والجهد العظمي VT حتمًا لتحسين الأداء المنطقي (القيمة العالية لـ VT تبطئ سرعة تبديل الترانزستور). وبالتالي ، يزداد تيار البوابة مع تناقص تقنية العملية ويصبح ضروريًا للتقنيات في نطاق النانومتر. عندما يتم تبديل الترانزستور إلى وضع انخفاض جهد الإمداد ، يتم تهيئة بيئة مواتية لظهور تيار تسرب بوابة بوابة هام ، حيث ينخفض ​​جهد تبديل الترانزستور.

التين. 1. تيارات مختلفة في هيكل الترانزستور n-MOS.

2. استنفاد الحاجز المحتمل عن طريق الجريان السطحي. عندما يتم إنشاء جهد عند التصريف ، فإنه يولد منطقة استنفاد حول نفسه مع بعض الإمكانات. مع وجود مسافة كبيرة بين أقطاب الترانزستور MOS ، يظل تأثير مجال الصرف على المصدر ضئيلًا ، وبالتالي لا يتم إجراء تغييرات على الجهد بين المصدر والقناة. ومع ذلك ، مع انخفاض في تقنية العملية ، يتم تقليل المسافة بين المصرف والمصدر. نتيجة لذلك ، يتأثر المصدر بمنطقة النضوب وفولطية التصريف. ينخفض ​​حاجزها المحتمل ، مما يؤدي إلى حقيقة أن تدفق الإلكترون من المصدر إلى الصرف يزداد ، وينخفض ​​الجهد عند المصدر.

1.3 انهيار. هذا التأثير هو حالة استنفاد شديدة للحاجز المحتمل ، عندما يصل الجهد عند المصرف إلى قيمة معينة ، وبعد ذلك يزداد تدفق الإلكترون مثل الانهيار الجليدي. هذا التيار يعتمد بشكل مباشر على VDS (الجهد بين المصرف والمصدر). هذا هو أحد العوامل التي تحدد أقصى جهد ممكن على الترانزستور. مع انخفاض حجم MOSFET ، تنخفض المسافة بين المصرف والمصدر ، ونفس الجهد VDS عند الترانزستور الأصغر سيخلق مجالًا كهربائيًا أكبر. يمكن أن يتسبب هذا المجال في الانهيار ، وبالتالي ، مع انخفاض في تقنية العملية ، يصبح من الضروري تقليل جهد التشغيل في الترانزستور.

بدأ 1.4 بوابة الحالية. تخيل أن التصريف متصل بجهد الإمداد والبوابة إلى الأرض أو الطاقة السلبية. سيؤدي مثل هذا الموقف إلى ظهور مجال كهربائي كثيف في منطقة الصرف تحت البوابة ، وتشكيل منطقة استنفاد هناك وظهور نفق بين النطاقات. نظرًا لأن الركيزة متصلة بالأرض ، فإن ناقلات الأقلية التي تم جمعها في هذه المنطقة المستنزفة من المصرف تحت تأثير الحقل تبدأ في اختراق الركيزة. يسمى هذا التيار البوابة التي بدأت. يعتمد هذا التيار بشكل كبير على جهد التصريف وسمك عازل البوابة.

1.5 تيار النفق عبر البوابة. مع تقنية المعالجة المتناقصة ، ينخفض ​​أيضًا سمك عازل الأكسيد تحت البوابة. حاليا ، هذا السمك هو 1-2 نانومتر. تتسبب قناة مخدرة للغاية وطبقة عزل فائقة الرقة في ظهور حقل كهربائي شديد الكثافة ، مقاسًا بوحدة MV / سم ، في منطقة العزل. مع هذا المجال ، يمكن أن تمر ناقلات الشحنات بالفعل عبر عازل أكسيد ، مما يخلق تيارًا عبر البوابة. كلما زاد الجهد المطبق ، كلما تدفق التيار عبر العازل. لا يخرج هذا التيار من خلال البوابة فحسب ، بل يمكنه أيضًا إضعاف تيار التشغيل بشكل كبير من خلال المصرف. قد يتسبب هذا في حدوث عطل في الترانزستور. يتم استخدام بوابة سيليكون متعددة البلورات لمكافحة تيار التسرب هذا في الترانزستورات.

1.6 التيار المنحرف العكسي. بين منطقة الانتشار n + والركيزة ، يظهر تأثير الصمام الثنائي الشارد. يؤدي هذا التأثير إلى حقيقة أن ناقلات شحنات الأقلية تبدأ في الاختراق من البالوعة إلى الركيزة. تساهم أزواج الحفرة الإلكترونية التي تظهر في منطقة النضوب أيضًا في التسرب إلى الركيزة. يرتبط هذا التيار مباشرة بكثافة الشبة ويزداد بزيادة الكثافة.

2. ماس كهربائى- عملية أخرى تأخذ الطاقة في IC. عندما يظهر تغيير في الحالة المنطقية عند دخل الدائرة ، تغير الدائرة حالة الخرج. نتيجة لهذه العملية ، يمكن أن تنتقل وحدات MOSFET من حالة "إيقاف التشغيل" إلى حالة "تشغيل" ، وفي الاتجاه المعاكس. نظرًا لأن الأحداث العابرة لا تحدث على الفور ، فقد ينشأ موقف يغير فيه زوج n-MOS و p-MOS حالتهما وفي مرحلة ما لا يكون أي منهما في حالة "إيقاف". خلال هذه الفترة الزمنية ، تحدث دائرة كهربائية قصيرة. لا ينتج هذا التيار عن شحن أي سعة كهربائية داخل البلورة ، وبالتالي فإن هذه الدائرة القصيرة تؤدي إلى خسارة صافية للطاقة.

التين. 2. حالة ماس كهربائي في العاكس MOS.

تخيل موقفًا تتغير فيه الحالة عند إدخال العاكس A من الأدنى إلى الأعلى. يبدأ الترانزستور n-MOS (السفلي) في الفتح عند الوصول إلى جهد معين Vn-MOS عند الإدخال A ، وفي هذا الوقت لا يزال الترانزستور العلوي p-MOS مفتوحًا. سيبدأ في الإغلاق عندما يصل جهد الدخل إلى قيمة Vp-mop عالية معينة. هناك حالة عندما يكون كلا الترانزستور مفتوحًا وتحدث دائرة كهربائية قصيرة. عندما يغلق أي ترانزستور ، تغلق الدائرة. تحدث نفس العملية عندما تتغير إشارة الإدخال من عالية إلى منخفضة. يصبح تيار العطل مهمًا إذا استمر الأمامي / السقوط للإشارة عند الإدخال لفترة طويلة وإذا كان الإخراج Z متصلًا بمقاومة منخفضة. لمحاربة مثل هذا التأثير ، يتم جعل مقدمة وانحلال الموجة أسرع وزيادة المقاومة ،التي يتم توصيل الإخراج Z ، على التوالي.

3. الطاقة الديناميكية هي عملية تبديد الطاقة عن طريق تبديل حالات الخلايا المنطقية ، وبالتالي حالة مدخلاتها ومخرجاتها. لهذا السبب ، تسمى العملية أيضًا تبديل الطاقة. عندما تغير الخلية حالتها المنطقية من الأعلى إلى المنخفض أو العكس ، يتم شحن وتفريغ العديد من السعات الداخلية (عند التقاطعات ، ووصلات الموصل ، وما إلى ذلك) على التوالي.

كانت هذه العملية الأكثر أهمية لجميع عمليات استهلاك الطاقة حتى التقنيات في 250 ميكرون. مع انخفاض في تقنية العملية ، انخفضت السعات الطفيلية وطاقة تبديل الحالة أيضًا. ومع ذلك ، هناك طرق لتقليل الطاقة الديناميكية من أجل تقليل الاستهلاك الكلي للطاقة من IC.

التين. 3. تبديل التيار بدائرة MOS.

ضع في اعتبارك مخططًا أوليًا لعناصر MOS. إذا تم تمثيل جميع السعات الشاردة في خلية MOS كمكثف واحد C ، فعندما يتم تحويل الإخراج من VDD إلى GRD ، سيحدث استهلاك طاقة يساوي CVDD2. سوف يتراكم نصف الطاقة في الخزان ، والنصف الآخر يضيع. وبالمثل ، عندما يتحول الإخراج إلى VDD ، تحدث نفس العملية. تعتمد طاقة التحويل بشكل مباشر على جهد VDD وتردد التحويل. ونتيجة لذلك ، تتمثل إحدى طرق تقليل الطاقة الديناميكية في تقليل جهد الإمداد. ومع ذلك ، يؤدي هذا الانخفاض إلى حقيقة أن الخلايا تصبح أبطأ وينخفض ​​التردد خلفها. وبالتالي ، سيتم إنفاق المزيد من الوقت على العمليات.

صيغة الطاقة الديناميكية العامة:

P = f * C * V * V

حيث f هو التردد ، C هي السعة ، V هي الجهد. لاحظ أن الطاقة الديناميكية لا تعتمد على وقت المقدمة أو انحلال الموجة عند المدخلات والمخرجات.

مكون آخر من عناصر الطاقة الديناميكية هو فقدان الطاقة بسبب التبديل "غير الضروري" المتعدد ، والذي يمكن أن يحدث في الدائرة بسبب تأخر التزامن في أجزاء من الدائرة ذات مدخلات متعددة. تأمل في مثال الدائرة.

التين. 4. دائرة ذات مفتاحين محتملين غير ضروريين

فلنتخيل دائرة يتم فيها توفير منطق "1" (طاقة VDD) لمدخلين ، وتأتي الإشارات A و B مع بعض التأخير غير المتزامن. عندما يعمل المنطق ، بسبب الاختلاف في وصول الإشارات ، سيتحول الناتج Z لفترة وجيزة إلى "1". يسمى هذا الحدث بالفشل اللحظي.
لمكافحته ، تخلق الدائرة ظروفًا للوصول الأكثر تزامنًا للإشارات. إذا كان من المستحيل التخلص من الأعطال في الدائرة ، فسيتم وضع منطق إضافي عند خرج الدائرة لامتصاص مثل هذه الأعطال ومنع انتشارها ، على سبيل المثال ، المخازن المؤقتة لاستيعاب الفشل وموازنة التوقيت.

الخلاصة

من خلال تحليل الأسباب المختلفة لفقدان الطاقة على الشريحة ، يمكننا أن نستنتج أن الحصول على استهلاك منخفض للطاقة في الدوائر المتكاملة مع انخفاض في تكنولوجيا العملية أصبح أكثر صعوبة. تواجه الشركات العالمية العملاقة للإلكترونيات الدقيقة بالفعل تأثيرات كمومية ، مما يؤدي إلى زيادة حادة في استهلاك الطاقة من الدوائر المتكاملة. مع تقليل تكنولوجيا العملية ، تدخل العمليات التي تعطي جولات جديدة من تطوير تقنيات تصنيع الكريستال ساحة المعركة.

Source: https://habr.com/ru/post/ar387927/