Sources de libération d'énergie sur une puce IC

Toute la microélectronique moderne est basée sur des semi-conducteurs. Des zones de conductivité différente sont créées sur le cristal, qui sont combinées dans une certaine logique. Les cristaux fonctionnent en consommant de l'énergie électrique et en la convertissant en chaleur. Cet article décrit les principaux processus qui consomment de l'énergie pendant le fonctionnement des circuits intégrés.

La source de génération de chaleur sur la puce IC est constituée de trois processus principaux: la puissance dynamique, les courts-circuits et les courants de fuite . Un examen de ces processus sera effectué sur l'exemple de la technologie n-MOS (bien que tout ce qui est décrit sera vrai pour le p-MOS)

1. Courants de fuite dans le CI - ce processus attire le plus d'attention aujourd'hui. Pour un processus technique de 250 μm ou plus, les courants de fuite n'ont pas affecté de manière significative la consommation énergétique globale des CI, cependant, avec le développement des technologies et la transition vers un processus de fabrication plus fin pour créer des structures MOS, les effets de la mécanique quantique ont commencé à avoir un effet significatif sur les courants de fuite. Ce processus se manifeste surtout dans le circuit intégré lorsqu'il est en mode veille, car les autres canaux de fuite deviennent insignifiants. Pour créer des circuits intégrés de faible puissance, vous devez examiner plus en détail où et comment les processus de fuite se produisent.

1.1 Courant de porte inverse: effet dans la région sous la porte, qui se produit dans les conditions VGS ≈ VT et VDS> 0 (pour n-vadrouilles). Dans ce domaine, lorsque le transistor est fermé, il n'y a pas de tension pour former un canal conducteur, cependant, certains électrons peuvent recevoir suffisamment d'énergie pour passer de la source au drain. Ce courant est appelé porte. Les valeurs approximatives de ce courant peuvent être calculées par la formule:

où:
isub = courant de grille;
a = constante dépendante du procédé ou de la technologie;
T = température en Kelvin;
Cox = capacité de la couche d'oxyde;
n = une autre constante selon le procédé ou la technologie;
VGS = tension de source de grille;
k = constante de Boltzmann;
VT = cellules MOS de transition de tension d'un état à un autre;
W = largeur du canal;
L = longueur du canal;
q = charge d'électrons.

Comme on peut le voir à partir de la formule, le courant de grille augmente avec une longueur de canal décroissante, et avec une tension de transistor VT décroissante et une augmentation de température exponentielle. Avec une diminution du processus de fabrication des structures CMOS, la longueur de canal et la tension de seuil VT diminuent inévitablement pour de meilleures performances logiques (une valeur élevée de VT ralentit la vitesse de commutation du transistor). Ainsi, le courant de grille augmente avec la diminution de la technologie des processus et devient essentiel pour les technologies de l'ordre du nanomètre. Lorsque le transistor est commuté sur un mode de tension d'alimentation réduite, un environnement favorable s'installe pour l'apparition d'un courant de fuite de grille de grille significatif, puisque la tension de commutation du transistor diminue.

Fig. 1. Divers courants dans la structure d'un transistor n-MOS.

2. Épuisement de la barrière potentielle par ruissellement. Lorsqu'une tension est établie au drain, elle génère une zone d'appauvrissement autour d'elle avec un certain potentiel. Avec une grande distance entre les électrodes du transistor MOS, l'effet du champ de drain sur la source reste négligeable et, en conséquence, aucune modification n'est apportée à la tension entre la source et le canal. Cependant, avec une diminution de la technologie du procédé, la distance entre le drain et la source est réduite. En conséquence, la source est affectée par la zone d'appauvrissement et la tension de drain. Sa barrière potentielle diminue, ce qui conduit au fait que le flux d'électrons de la source au drain augmente et que la tension à la source diminue.

1.3 Répartition. Cet effet est un état extrême d'épuisement de la barrière de potentiel, lorsque la tension au drain atteint une certaine valeur, après quoi le flux d'électrons croît comme une avalanche. Ce courant dépend directement du VDS (tension entre drain et source). C'est l'un des facteurs qui détermine la tension maximale possible sur un transistor. Avec une diminution de la taille du MOSFET, la distance entre le drain et la source diminue, et la même tension VDS au plus petit transistor créera un champ électrique plus grand. Ce champ peut provoquer une panne, par conséquent, avec une diminution de la technologie du processus, il devient nécessaire de réduire la tension de fonctionnement au transistor.

1.4 Courant déclenché par la porte. Imaginez que le drain soit connecté à la tension d'alimentation, et la grille à la terre ou à une alimentation négative. Une telle situation conduira à l'apparition d'un champ électrique dense dans la zone de drain sous la grille, à la formation d'une zone d'appauvrissement à cet endroit et à l'apparition de tunnels interbande. Puisque le substrat est relié à la terre, des porteurs minoritaires collectés dans cette région de drain épuisée sous l'influence du champ commencent à pénétrer le substrat. Ce courant est appelé la porte déclenchée. Ce courant dépend fortement de la tension de drain et de l'épaisseur de l'isolateur de grille.

1.5 Courant du tunnel à travers la porte. Avec une technologie de processus décroissante, l'épaisseur de l'isolant d'oxyde sous la grille diminue également. Actuellement, cette épaisseur est de 1 à 2 nm. Un canal fortement dopé et une couche d'isolation ultra-fine font apparaître un champ électrique très dense, mesuré en MV / cm, dans la zone d'isolation. Avec ce champ, les porteurs de charge peuvent déjà traverser l'isolateur d'oxyde, créant un courant à travers la grille. Plus la tension appliquée est élevée, plus le courant circule dans l'isolateur. Ce courant non seulement sort par la grille, mais peut également affaiblir considérablement le courant de fonctionnement à travers le drain. Cela peut entraîner un dysfonctionnement du transistor. Une grille en silicium polycristallin est utilisée pour lutter contre ce courant de fuite dans les transistors.

1.6 Courant de polarisation inverse. Entre la zone de diffusion n + et le substrat, l'effet d'une diode parasite apparaît. Cet effet conduit au fait que des porteurs de charges minoritaires commencent à pénétrer du drain sur le substrat. Des paires de trous d'électrons apparaissant dans la région d'appauvrissement contribuent également aux fuites sur le substrat. Ce courant est directement lié à la densité du dopant et augmente avec l'augmentation de la densité.

2. Court-circuit- un autre processus qui prend de l'énergie dans le CI. Lorsqu'un changement de l'état logique apparaît à l'entrée du circuit, le circuit change son état de sortie. À la suite de ce processus, les MOSFET peuvent passer de l'état "off" à l'état "on", et dans la direction opposée. Étant donné que les transitoires ne se produisent pas instantanément, une situation peut se produire dans laquelle la paire de n-MOS et p-MOS change leur état et à aucun moment aucun d'entre eux n'est dans l'état "off". Pendant cette période, un court-circuit se produit. Ce courant n'est pas provoqué par la charge d'une capacité électrique à l'intérieur du cristal, donc ce court-circuit entraîne une perte nette d'énergie.

Fig. 2. Condition de court-circuit dans l'onduleur MOS.

Imaginez une situation où, à l'entrée de l'onduleur A, l'état passe de faible à élevé. Le transistor n-MOS (inférieur) commence à s'ouvrir lorsqu'une certaine tension Vn-MOS à l'entrée A est atteinte, et à ce moment le transistor p-MOS supérieur est toujours ouvert. Il commencera à se fermer lorsque la tension d'entrée atteindra une certaine valeur Vp-mop élevée. Il y a une situation où les deux transistors sont ouverts et un court-circuit se produit. Lorsqu'un transistor se ferme, le circuit se ferme. Le même processus se produit lorsque le signal d'entrée passe de haut à bas. Le courant de défaut devient significatif si l'avant / la chute du signal à l'entrée dure longtemps et si la sortie Z est connectée à une faible résistance. Pour lutter contre un tel effet, le front et la décroissance de la vague sont accélérés et augmentent la résistance,auquel la sortie Z est connectée, respectivement.

3. La puissance dynamique est le processus de dissipation de puissance en commutant les états des cellules logiques et, par conséquent, l'état de leurs entrées et sorties. Pour cette raison, le processus est également appelé énergie de commutation. Lorsqu'une cellule change son état logique de haut en bas ou vice versa, de nombreuses capacités internes (aux intersections, aux connexions de conducteurs, etc.) sont respectivement chargées et déchargées.

Ce processus était le plus important de tous les processus de consommation d'énergie jusqu'aux technologies à 250 microns. Avec une diminution de la technologie du processus, les capacités parasites ont diminué et l'énergie pour commuter l'état également. Cependant, il existe des moyens de réduire la puissance dynamique afin de réduire la consommation électrique globale du CI.

Fig. 3. Courant de commutation avec circuit MOS.

Considérons un diagramme élémentaire d'éléments MOS. Si toutes les capacités parasites dans la cellule MOS sont représentées comme un seul condensateur C, alors au moment où la sortie est commutée de VDD à GRD, une consommation d'énergie égale à CVDD2 se produira. La moitié de l'énergie s'accumulera dans le réservoir, l'autre moitié sera perdue. De même, lorsque la sortie bascule sur VDD, le même processus se produit. L'énergie de commutation dépend directement de la tension VDD et de la fréquence de commutation. Par conséquent, un moyen de réduire la puissance dynamique consiste à réduire la tension d'alimentation. Cependant, cette diminution conduit au fait que les cellules ralentissent et que la fréquence diminue derrière elles. Par conséquent, plus de temps sera consacré aux opérations.

Formule de puissance dynamique générale:

P = f * C * V * V

où f est la fréquence, C est la capacité, V est la tension. Notez que la puissance dynamique ne dépend pas du temps du front ou de la décroissance de l'onde aux entrées et sorties.

Un autre composant de la puissance dynamique est la perte d'énergie due à plusieurs commutations «inutiles», qui peuvent se produire dans le circuit en raison d'un retard de synchronisation dans certaines parties du circuit avec plusieurs entrées. Prenons l'exemple d'un circuit.

Fig. 4. Un circuit avec 2 commutations inutiles possibles

Imaginons un circuit dans lequel un "1" logique (alimentation VDD) est fourni à deux entrées, et les signaux A et B entrent avec un certain retard non synchronisé. Lorsque la logique fonctionne, en raison de la différence dans l'arrivée des signaux, la sortie Z passe brièvement à «1». Un tel événement est appelé un échec momentané.
Pour le combattre, le circuit crée les conditions d'une arrivée des signaux la plus synchrone. S'il est impossible de se débarrasser des pannes dans le circuit, une logique supplémentaire est mise à la sortie du circuit pour absorber ces pannes et bloquer sa propagation, par exemple, des tampons pour absorber les pannes et équilibrer les temporisations.

Conclusion

En analysant les différentes causes de perte d'énergie sur la puce, nous pouvons conclure que l'obtention d'une faible consommation d'énergie dans les circuits intégrés avec une diminution de la technologie de processus devient de plus en plus difficile. Les géants mondiaux de la microélectronique sont déjà confrontés à des effets quantiques, ce qui entraîne une forte augmentation de la consommation d'énergie des circuits intégrés. Avec la réduction de la technologie des processus, les processus qui donnent de nouvelles rondes de développement des technologies de fabrication du cristal arrivent sur le champ de bataille.

Source: https://habr.com/ru/post/fr387927/