ऊर्जा का स्रोत एक आईसी चिप पर जारी करता है

सभी आधुनिक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक अर्धचालकों पर आधारित हैं। विभिन्न चालकता के क्षेत्र क्रिस्टल पर बनाए जाते हैं, जो कुछ तर्क में संयुक्त होते हैं। क्रिस्टल विद्युत ऊर्जा का उपभोग करके और इसे गर्मी में परिवर्तित करके काम करते हैं। यह लेख आईसीएस के संचालन के दौरान ऊर्जा का उपभोग करने वाली मुख्य प्रक्रियाओं का वर्णन करता है।

आईसी चिप पर गर्मी उत्पन्न करने का स्रोत तीन मुख्य प्रक्रियाएं हैं: गतिशील शक्ति, शॉर्ट सर्किट, और रिसाव धाराएं । इन प्रक्रियाओं की समीक्षा n-MOS तकनीक के उदाहरण पर की जाएगी (हालाँकि p-MOS के लिए वर्णित सब कुछ सही होगा)

1. आईसी में रिसाव धाराएं - यह प्रक्रिया आज सबसे अधिक ध्यान आकर्षित करती है। 250 माइक्रोन या उससे अधिक की तकनीकी प्रक्रिया के लिए, रिसाव धाराओं ने आईसीएस की समग्र ऊर्जा खपत को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं किया है, हालांकि, प्रौद्योगिकियों के विकास और एमओएस संरचनाओं को बनाने के लिए एक महीन निर्माण प्रक्रिया में संक्रमण के साथ, क्वांटम-मैकेनिकल प्रभाव रिसाव रिसाव को काफी प्रभावित करने लगे। जब यह स्टैंडबाय मोड में होता है, तो यह प्रक्रिया आईसी में ही सबसे अधिक प्रकट होती है, क्योंकि अन्य लीकेज चैनल नगण्य हो जाते हैं। कम-शक्ति आईसी बनाने के लिए, आपको अधिक विस्तार से विचार करने की आवश्यकता है कि रिसाव प्रक्रियाएं कहां और कैसे होती हैं।

1.1 रिवर्स गेट वर्तमान: गेट के तहत क्षेत्र में प्रभाव, जो स्थिति VGS and VT और VDS> 0 (n-mops के लिए) के तहत होता है। इस क्षेत्र में, जब ट्रांजिस्टर बंद हो जाता है, तो एक प्रवाहकत्त्व चैनल बनाने के लिए कोई वोल्टेज नहीं होता है, हालांकि, कुछ इलेक्ट्रॉनों को स्रोत से नाली तक स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त हो सकती है। इस करंट को गेट कहा जाता है। इस धारा के अनुमानित मानों की गणना सूत्र द्वारा की जा सकती है:

जहाँ:
isub = गेट करंट;
एक = प्रक्रिया या प्रौद्योगिकी पर निरंतर निर्भर;
केल्विन में टी = तापमान;
कॉक्स = ऑक्साइड परत की क्षमता;
n = प्रक्रिया या तकनीक के आधार पर एक और स्थिरांक;
वीजीएस = गेट स्रोत वोल्टेज;
k = बोल्ट्ज़मन स्थिरांक;
VT = वोल्टेज संक्रमण MOS कोशिकाओं को एक राज्य से दूसरे में;
डब्ल्यू = चैनल की चौड़ाई;
एल = चैनल की लंबाई;
क्ष = इलेक्ट्रॉन आवेश।

जैसा कि सूत्र से देखा जा सकता है, चैनल की घटती लंबाई के साथ गेट करंट बढ़ता है, और ट्रांजिस्टर वोल्टेज वीटी कम होने और बढ़ते तापमान के साथ तेजी से बढ़ता है। CMOS संरचनाओं के निर्माण की निर्माण प्रक्रिया में कमी के साथ, चैनल की लंबाई और दहलीज वोल्टेज VT बेहतर तर्क प्रदर्शन के लिए अनिवार्य रूप से घट जाती है (VT का एक उच्च मूल्य ट्रांजिस्टर की स्विचिंग गति को धीमा कर देता है)। इस प्रकार, घटती प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के साथ गेट करंट बढ़ता है और नैनोमीटर रेंज में प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक हो जाता है। जब ट्रांजिस्टर को कम आपूर्ति वोल्टेज के एक मोड में स्विच किया जाता है, तो एक अनुकूल वातावरण एक महत्वपूर्ण गेट गेट रिसाव वर्तमान की उपस्थिति के लिए सेट करता है, क्योंकि ट्रांजिस्टर के स्विचिंग वोल्टेज कम हो जाते हैं।

अंजीर। 1. n-MOS ट्रांजिस्टर की संरचना में विभिन्न धाराएँ।

2. अपवाह द्वारा संभावित अवरोध का अवक्षेपण। जब एक वोल्टेज नाली में स्थापित होता है, तो यह कुछ क्षमता के साथ अपने चारों ओर एक कमी क्षेत्र उत्पन्न करता है। एमओएस ट्रांजिस्टर के इलेक्ट्रोड के बीच एक बड़ी दूरी के साथ, स्रोत पर नाली क्षेत्र का प्रभाव नगण्य रहता है और, तदनुसार, स्रोत और चैनल के बीच वोल्टेज में कोई परिवर्तन नहीं किया जाता है। हालांकि, प्रक्रिया प्रौद्योगिकी में कमी के साथ, नाली और स्रोत के बीच की दूरी कम हो जाती है। नतीजतन, स्रोत घट क्षेत्र और नाली वोल्टेज से प्रभावित होता है। इसकी संभावित बाधा कम हो जाती है, जो इस तथ्य की ओर जाता है कि स्रोत से नाली तक इलेक्ट्रॉन प्रवाह बढ़ता है, और स्रोत पर वोल्टेज कम हो जाता है।

१.३ टूटना। यह प्रभाव संभावित अवरोध की कमी की एक चरम स्थिति है, जब नाली में वोल्टेज एक निश्चित मूल्य तक पहुंच जाता है, जिसके बाद इलेक्ट्रॉन प्रवाह एक हिमस्खलन की तरह बढ़ जाता है। यह वर्तमान सीधे वीडीएस (नाली और स्रोत के बीच वोल्टेज) पर निर्भर है। यह उन कारकों में से एक है जो एक ट्रांजिस्टर पर अधिकतम संभव वोल्टेज निर्धारित करता है। MOSFET के आकार में कमी के साथ, नाली और स्रोत के बीच की दूरी कम हो जाती है, और छोटे ट्रांजिस्टर पर समान VDS वोल्टेज एक बड़ा विद्युत क्षेत्र बनाएगा। यह क्षेत्र टूटने का कारण बन सकता है, इसलिए, प्रक्रिया प्रौद्योगिकी में कमी के साथ, ट्रांजिस्टर में ऑपरेटिंग वोल्टेज को कम करना आवश्यक हो जाता है।

1.4 गेट चालू किया गया। कल्पना करें कि नाली आपूर्ति वोल्टेज, और गेट से जमीन या नकारात्मक शक्ति से जुड़ा है। ऐसी स्थिति से फाटक के नीचे नाली क्षेत्र में एक घने विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति, वहां एक कमी क्षेत्र का गठन और इंटरबैंड टनलिंग की उपस्थिति होगी। चूंकि सब्सट्रेट जमीन से जुड़ा हुआ है, क्षेत्र के प्रभाव में इस खाली नाली क्षेत्र में एकत्र अल्पसंख्यक वाहक सब्सट्रेट में प्रवेश करना शुरू करते हैं। इस करंट को शुरू किया गया गेट कहा जाता है। यह धारा नाली वोल्टेज और गेट इन्सुलेटर की मोटाई पर अत्यधिक निर्भर है।

गेट के माध्यम से 1.5 सुरंग वर्तमान। घटती प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के साथ, गेट के नीचे ऑक्साइड इन्सुलेटर की मोटाई भी कम हो जाती है। वर्तमान में, यह मोटाई 1 - 2 एनएम है। एक अत्यधिक डोप किया गया चैनल और एक अल्ट्रैथिन इन्सुलेशन परत एमवी / सेमी में मापा गया एक बहुत घने विद्युत क्षेत्र का कारण बनता है, जो इन्सुलेशन क्षेत्र में दिखाई देता है। इस क्षेत्र के साथ, चार्ज वाहक पहले से ही ऑक्साइड इन्सुलेटर से गुजर सकते हैं, गेट के माध्यम से एक वर्तमान बना सकते हैं। अधिक से अधिक लागू वोल्टेज, अधिक वर्तमान इन्सुलेटर के माध्यम से प्रवाह होगा। यह वर्तमान न केवल गेट के माध्यम से निकलता है, बल्कि नाली के माध्यम से ऑपरेटिंग वर्तमान को बहुत कमजोर कर सकता है। यह ट्रांजिस्टर में खराबी का कारण हो सकता है। एक पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन गेट का उपयोग ट्रांजिस्टर में इस रिसाव वर्तमान का मुकाबला करने के लिए किया जाता है।

1.6 उल्टा पूर्वाग्रह वर्तमान। प्रसार क्षेत्र n + और सब्सट्रेट के बीच, एक आवारा डायोड का प्रभाव दिखाई देता है। यह प्रभाव इस तथ्य की ओर जाता है कि सब्सट्रेट पर अल्पसंख्यक चार्ज वाहक नाली से घुसना शुरू करते हैं। कमी क्षेत्र में दिखाई देने वाले इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े भी सब्सट्रेट पर रिसाव में योगदान करते हैं। यह वर्तमान सीधे डोपेंट के घनत्व से संबंधित है और बढ़ते घनत्व के साथ बढ़ता है।

2. शॉर्ट सर्किट- एक और प्रक्रिया जो आईसी में ऊर्जा लेती है। जब सर्किट के इनपुट पर तर्क स्थिति में बदलाव दिखाई देता है, तो सर्किट अपनी आउटपुट स्थिति को बदल देता है। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप, MOSFETs "बंद" स्थिति से "चालू" स्थिति में और विपरीत दिशा में संक्रमण कर सकते हैं। चूंकि ग्राहक तुरंत नहीं होते हैं, ऐसी स्थिति उत्पन्न हो सकती है जिसमें n-MOS और p-MOS की जोड़ी उनके राज्य को बदल देती है और कुछ बिंदु पर उनमें से कोई भी "ऑफ" स्थिति में नहीं होता है। इस अवधि के दौरान, शॉर्ट सर्किट होता है। यह करंट क्रिस्टल के अंदर किसी भी विद्युत धारिता के आवेश के कारण नहीं होता है, इसलिए इस शॉर्ट सर्किट से ऊर्जा का शुद्ध नुकसान होता है।

अंजीर। 2. MOS इन्वर्टर में शॉर्ट सर्किट की स्थिति।

ऐसी स्थिति की कल्पना करें जहां इन्वर्टर ए के इनपुट पर राज्य निम्न से उच्च में बदलता है। N-MOS ट्रांजिस्टर (निचला) तब खुलने लगता है जब इनपुट A पर एक निश्चित वोल्टेज Vn-MOS पहुँच जाता है, और इस समय ऊपरी p-MOS ट्रांजिस्टर अभी भी खुला रहता है। इनपुट वोल्टेज एक निश्चित उच्च वीपी-मोप मूल्य तक पहुंचने पर बंद होना शुरू हो जाएगा। ऐसी स्थिति होती है जब दोनों ट्रांजिस्टर खुले होते हैं और शॉर्ट सर्किट होता है। जब कोई ट्रांजिस्टर बंद हो जाता है, तो सर्किट बंद हो जाता है। एक ही प्रक्रिया तब होती है जब इनपुट सिग्नल उच्च से निम्न में बदल जाता है। गलती वर्तमान महत्वपूर्ण हो जाती है अगर इनपुट पर सिग्नल का सामने / गिरना लंबे समय तक रहता है और अगर आउटपुट Z एक कम प्रतिरोध से जुड़ा हुआ है। इस तरह के प्रभाव का सामना करने के लिए, लहर के सामने और क्षय को तेज किया जाता है और प्रतिरोध बढ़ाता है,जिसमें आउटपुट Z क्रमशः जुड़ा हुआ है।

3. गतिशील शक्ति तर्क कोशिकाओं के राज्यों को स्विच करके और उनके इनपुट और आउटपुट की स्थिति के अनुसार बिजली अपव्यय की प्रक्रिया है। इस कारण से, इस प्रक्रिया को स्विचिंग एनर्जी भी कहा जाता है। जब एक सेल अपनी तार्किक स्थिति को उच्च से निम्न या इसके विपरीत बदलता है, तो कई आंतरिक क्षमता (चौराहों, कंडक्टर कनेक्शन, आदि पर) को क्रमशः चार्ज और डिस्चार्ज किया जाता है।

यह प्रक्रिया 250 माइक्रोन में प्रौद्योगिकी तक सभी ऊर्जा खपत प्रक्रियाओं में सबसे महत्वपूर्ण थी। प्रक्रिया प्रौद्योगिकी में कमी के साथ, परजीवी समाई कम हो गई और राज्य को स्विच करने के लिए ऊर्जा भी। हालांकि, आईसी के समग्र बिजली की खपत को कम करने के लिए गतिशील शक्ति को कम करने के तरीके हैं।

अंजीर। 3. एमओएस सर्किट के साथ वर्तमान स्विचिंग।

एमओएस तत्वों के एक प्रारंभिक आरेख पर विचार करें। यदि MOS सेल में सभी आवारा समाई को एक एकल संधारित्र C के रूप में दर्शाया जाता है, तो फिलहाल आउटपुट VDD से GRD में बदल जाता है, CVDD2 के बराबर ऊर्जा की खपत होगी। आधी ऊर्जा टैंक में जमा हो जाएगी, दूसरी आधी खो जाती है। इसी तरह, जब आउटपुट VDD पर जाता है, तो वही प्रक्रिया होती है। स्विचिंग ऊर्जा सीधे वीडीडी वोल्टेज और स्विचिंग आवृत्ति पर निर्भर है। नतीजतन, गतिशील बिजली को कम करने का एक तरीका आपूर्ति वोल्टेज को कम करना है। हालांकि, यह कमी इस तथ्य की ओर ले जाती है कि कोशिकाएं धीमी हो जाती हैं और उनके पीछे आवृत्ति कम हो जाती है। नतीजतन, अधिक समय संचालन पर खर्च किया जाएगा।

सामान्य गतिशील शक्ति सूत्र:

P = f * C * V * V

जहां f आवृति है, C समाई है, V वोल्टेज है। ध्यान दें कि गतिशील शक्ति सामने के समय या तरंगों के क्षय और आउटपुट पर निर्भर नहीं करती है।

गतिशील शक्ति का एक अन्य घटक कई "अनावश्यक" स्विचिंग के कारण ऊर्जा की हानि है, जो सर्किट में कई इनपुट के साथ देरी से सिंक्रनाइज़ेशन के कारण सर्किट में हो सकता है। एक सर्किट के उदाहरण पर विचार करें।

अंजीर। 4. 2 संभावित अनावश्यक स्विचिंग वाला

एक सर्किट हमें एक ऐसे सर्किट की कल्पना करता है जिसमें एक तर्क "1" (VDD पावर) को दो इनपुटों की आपूर्ति की जाती है, और ए और बी सिग्नल कुछ असंबद्ध विलंब के साथ आते हैं। जब तर्क काम कर रहा होता है, तो संकेतों के आगमन में अंतर के कारण, आउटपुट Z संक्षेप में "1" में बदल जाएगा। इस तरह की घटना को क्षणिक विफलता कहा जाता है।
इसका मुकाबला करने के लिए, सर्किट संकेतों के सबसे अधिक समकालिक आगमन के लिए स्थितियां बनाता है। यदि सर्किट में विफलताओं से छुटकारा पाना असंभव है, तो ऐसी विफलताओं को अवशोषित करने और इसके प्रसार को अवरुद्ध करने के लिए सर्किट आउटपुट पर अतिरिक्त तर्क दिया जाता है, उदाहरण के लिए, विफलताओं को अवशोषित करने और समय को संतुलित करने के लिए बफ़र्स।

निष्कर्ष

चिप पर ऊर्जा के नुकसान के विभिन्न कारणों का विश्लेषण करते हुए, हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि आईसीएस में कम बिजली की खपत को प्राप्त करना प्रक्रिया प्रौद्योगिकी में कमी के साथ अधिक से अधिक कठिन होता जा रहा है। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के वैश्विक दिग्गज पहले से ही क्वांटम प्रभाव का सामना कर रहे हैं, जिससे आईसीएस की ऊर्जा खपत में तेज वृद्धि हुई है। प्रक्रिया प्रौद्योगिकी की कमी के साथ, क्रिस्टल निर्माण प्रौद्योगिकियों के विकास के नए दौर देने वाली प्रक्रियाएं युद्ध के मैदान में प्रवेश करती हैं।

Source: https://habr.com/ru/post/hi387927/