Fuentes de liberación de energía en un chip IC

Toda la microelectrónica moderna se basa en semiconductores. Se crean zonas de diferente conductividad en el cristal, que se combinan en cierta lógica. Los cristales funcionan consumiendo energía eléctrica y convirtiéndola en calor. Este artículo describe los principales procesos que consumen energía durante el funcionamiento de los circuitos integrados.

La fuente de generación de calor en el chip IC son tres procesos principales: potencia dinámica, cortocircuito y corrientes de fuga . Se realizará una revisión de estos procesos en el ejemplo de la tecnología n-MOS (aunque todo lo descrito será cierto para p-MOS)

1. Corrientes de fuga en el CI : este proceso atrae hoy la mayor atención. Para un proceso tecnológico de 250 μm o más, las corrientes de fuga no afectaron significativamente el consumo general de energía de los circuitos integrados, sin embargo, con el desarrollo de tecnologías y la transición a un proceso de fabricación más fino para crear estructuras MOS, los efectos de la mecánica cuántica comenzaron a tener un efecto significativo en las corrientes de fuga. Este proceso se manifiesta sobre todo en el IC cuando está en modo de espera, ya que otros canales de fuga se vuelven insignificantes. Para crear circuitos integrados de baja potencia, debe considerar con más detalle dónde y cómo se producen los procesos de fuga.

1.1 Corriente inversa de la puerta: El efecto en la región debajo de la puerta, que ocurre bajo la condición VGS ≈ VT y VDS> 0 (para n-trapeadores). En esta área, cuando el transistor está cerrado, no hay voltaje para formar un canal conductor, sin embargo, algunos electrones pueden recibir suficiente energía para moverse de la fuente al drenaje. Esta corriente se llama puerta. Los valores aproximados de esta corriente se pueden calcular mediante la fórmula:

donde:
isub = corriente de puerta;
a = constante dependiente del proceso o tecnología;
T = temperatura en Kelvin;
Cox = capacidad de la capa de óxido;
n = otra constante dependiendo del proceso o tecnología;
VGS = voltaje de fuente de puerta;
k = constante de Boltzmann;
VT = células MOS de transición de voltaje de un estado a otro;
W = ancho del canal;
L = longitud del canal;
q = carga de electrones.

Como se puede ver en la fórmula, la corriente de la puerta aumenta al disminuir la longitud del canal, y al disminuir la tensión del transistor VT y al aumentar la temperatura aumenta exponencialmente. Con una disminución en el proceso de fabricación de estructuras CMOS de fabricación, la longitud del canal y la tensión umbral VT disminuyen inevitablemente para un mejor rendimiento lógico (un alto valor de VT ralentiza la velocidad de conmutación del transistor). Por lo tanto, la corriente de compuerta aumenta con la disminución de la tecnología de proceso y se vuelve esencial para las tecnologías en el rango de nanómetros. Cuando el transistor se cambia a un modo de voltaje de suministro reducido, se establece un entorno favorable para la aparición de una corriente de fuga de puerta de compuerta significativa, ya que el voltaje de conmutación del transistor disminuye.

Fig. 1. Diversas corrientes en la estructura de un transistor n-MOS.

2. Agotamiento de la barrera potencial por escorrentía. Cuando se establece un voltaje en el drenaje, genera una zona de agotamiento a su alrededor con cierto potencial. Con una gran distancia entre los electrodos del transistor MOS, el efecto del campo de drenaje en la fuente sigue siendo insignificante y, en consecuencia, no se realizan cambios en el voltaje entre la fuente y el canal. Sin embargo, con una disminución en la tecnología de proceso, se reduce la distancia entre el drenaje y la fuente. Como resultado, la fuente se ve afectada por la zona de agotamiento y el voltaje de drenaje. Su barrera potencial disminuye, lo que lleva al hecho de que el flujo de electrones desde la fuente hasta el drenaje aumenta, y el voltaje en la fuente disminuye.

1.3 Desglose. Este efecto es un estado extremo de agotamiento de la barrera potencial, cuando el voltaje en el drenaje alcanza un cierto valor, después de lo cual el flujo de electrones aumenta como una avalancha. Esta corriente depende directamente de VDS (voltaje entre el drenaje y la fuente). Este es uno de los factores que determina el voltaje máximo posible en un transistor. Con una disminución en el tamaño del MOSFET, la distancia entre el drenaje y la fuente disminuye, y el mismo voltaje VDS en el transistor más pequeño creará un campo eléctrico más grande. Este campo puede causar una falla, por lo tanto, con una disminución en la tecnología del proceso, se hace necesario reducir el voltaje de operación en el transistor.

1.4 Corriente iniciada por puerta. Imagine que el drenaje está conectado a la tensión de alimentación y la puerta a tierra o a la alimentación negativa. Tal situación conducirá a la aparición de un campo eléctrico denso en la región de drenaje debajo de la puerta, la formación de una región de agotamiento allí y la aparición de túneles entre bandas. Dado que el sustrato está conectado al suelo, los transportistas minoritarios recogidos en esta región de drenaje agotada bajo la influencia del campo comienzan a penetrar en el sustrato. Esta corriente se llama puerta iniciada. Esta corriente depende en gran medida del voltaje de drenaje y el grosor del aislante de la puerta.

1.5 Túnel de corriente a través de la puerta. Con la tecnología de proceso decreciente, el grosor del aislante de óxido debajo de la puerta también disminuye. Actualmente, este espesor es de 1 a 2 nm. Un canal altamente dopado y una capa de aislamiento ultradelgada hacen que aparezca un campo eléctrico muy denso, medido en MV / cm, en la región de aislamiento. Con este campo, los portadores de carga ya pueden pasar a través del aislante de óxido, creando una corriente a través de la puerta. Cuanto mayor sea el voltaje aplicado, más corriente fluirá a través del aislador. Esta corriente no solo sale a través de la puerta, sino que también puede debilitar en gran medida la corriente de funcionamiento a través del drenaje. Esto puede causar el mal funcionamiento del transistor. Una puerta de silicio policristalino se utiliza para combatir esta corriente de fuga en los transistores.

1.6 Corriente de polarización inversa. Entre la zona de difusión n + y el sustrato, aparece el efecto de un diodo parásito. Este efecto lleva al hecho de que los portadores de carga minoritarios comienzan a penetrar desde el drenaje hacia el sustrato. Los pares de agujeros de electrones que aparecen en la región de agotamiento también contribuyen a la fuga sobre el sustrato. Esta corriente está directamente relacionada con la densidad del dopante y aumenta a medida que aumenta la densidad.

2. Cortocircuito- otro proceso que toma energía en el CI. Cuando aparece un cambio en el estado lógico en la entrada del circuito, el circuito cambia su estado de salida. Como resultado de este proceso, MOS puede pasar del estado "apagado" al estado "encendido", y en la dirección opuesta. Dado que los transitorios no ocurren instantáneamente, puede surgir una situación en la que el par de n-MOS y p-MOS cambien su estado y en algún momento ninguno de ellos esté en el estado "apagado". Durante este período de tiempo, se produce un cortocircuito. Esta corriente no es causada por la carga de ninguna capacitancia eléctrica dentro del cristal, por lo tanto, este cortocircuito conduce a una pérdida neta de energía.

Fig. 2. Cortocircuito en el inversor MOS.

Imagine una situación en la que en la entrada del inversor A el estado cambia de bajo a alto. El transistor n-MOS (inferior) comienza a abrirse cuando se alcanza un cierto voltaje Vn-MOS en la entrada A, y en este momento el transistor p-MOS superior todavía está abierto. Comenzará a cerrarse cuando el voltaje de entrada alcance un cierto valor alto de trapeador Vp. Existe una situación en la que ambos transistores están abiertos y se produce un cortocircuito. Cuando cualquier transistor se cierra, el circuito se cierra. El mismo proceso ocurre cuando la señal de entrada cambia de alta a baja. La corriente de falla se vuelve significativa si el frente / caída de la señal en la entrada dura mucho tiempo y si la salida Z está conectada a una resistencia baja. Para combatir tal efecto, el frente y la descomposición de la ola se hacen más rápido y aumentan la resistencia,a la que está conectada la salida Z, respectivamente.

3. La potencia dinámica es el proceso de disipación de potencia al cambiar los estados de las celdas lógicas y, en consecuencia, el estado de sus entradas y salidas. Por esta razón, el proceso también se llama energía de conmutación. Cuando una celda cambia su estado lógico de mayor a menor o viceversa, muchas capacidades internas (en intersecciones, conexiones de conductores, etc.) se cargan y descargan, respectivamente.

Este proceso fue el más significativo de todos los procesos de consumo de energía hasta tecnologías en 250 micras. Con una disminución en la tecnología de proceso, las capacidades parásitas disminuyeron y la energía para cambiar el estado también. Sin embargo, hay formas de reducir la potencia dinámica para reducir el consumo general de energía del CI.

Fig. 3. Corriente de conmutación con circuito MOS.

Considere un diagrama elemental de elementos MOS. Si todas las capacitancias parásitas en la celda MOS se representan como un solo condensador C, en el momento en que la salida se cambia de VDD a GRD, se producirá un consumo de energía igual a CVDD2. La mitad de la energía se acumulará en el tanque, la otra mitad se perderá. De manera similar, cuando la salida cambia a VDD, ocurre el mismo proceso. La energía de conmutación depende directamente del voltaje VDD y la frecuencia de conmutación. Como resultado, una forma de reducir la potencia dinámica es reducir el voltaje de suministro. Sin embargo, esta disminución conduce al hecho de que las células se vuelven más lentas y la frecuencia disminuye detrás de ellas. En consecuencia, se dedicará más tiempo a las operaciones.

Fórmula general de potencia dinámica:

P = f * C * V * V

donde f es la frecuencia, C es la capacitancia, V es el voltaje. Tenga en cuenta que la potencia dinámica no depende del tiempo del frente o de la caída de la onda en las entradas y salidas.

Otro componente de la potencia dinámica es la pérdida de energía debido a la conmutación "innecesaria" múltiple, que puede ocurrir en el circuito debido a la sincronización de retardo en partes del circuito con múltiples entradas. Considere el ejemplo de un circuito.

Fig. 4. Un circuito con 2 posibles conmutaciones innecesarias

Imaginemos un circuito en el que se suministra un "1" lógico (potencia VDD) a dos entradas, y las señales A y B llegan con un retraso no sincronizado. Cuando la lógica está funcionando, debido a la diferencia en la llegada de señales, la salida Z cambiará brevemente a "1". Tal evento se llama falla momentánea.
Para combatirlo, el circuito crea condiciones para la llegada más sincrónica de señales. Si es imposible deshacerse de fallas en el circuito, entonces se coloca lógica adicional en la salida del circuito para absorber tales fallas y bloquear su propagación, por ejemplo, amortiguadores para absorber fallas y equilibrar tiempos.

Conclusión

Analizando las diversas causas de pérdida de energía en el chip, podemos concluir que obtener un bajo consumo de energía en los circuitos integrados con una disminución en la tecnología del proceso se está volviendo cada vez más difícil. Los gigantes mundiales de la microelectrónica ya se enfrentan a efectos cuánticos, que conducen a un fuerte aumento en el consumo de energía de los circuitos integrados. Con la reducción de la tecnología de procesos, los procesos que dan nuevas rondas de desarrollo de tecnologías de fabricación de cristales entran en el campo de batalla.

Source: https://habr.com/ru/post/es387927/