Sumber pelepasan energi pada chip IC

Semua mikroelektronika modern didasarkan pada semikonduktor. Zona konduktivitas yang berbeda dibuat pada kristal, yang digabungkan menjadi beberapa logika. Kristal bekerja dengan mengonsumsi energi listrik dan mengubahnya menjadi panas. Artikel ini menjelaskan proses utama yang mengkonsumsi energi selama operasi IC.

Sumber pembangkit panas pada chip IC adalah tiga proses utama: daya dinamis, korsleting, dan arus bocor . Tinjauan proses ini akan dilakukan pada contoh teknologi n-MOS (meskipun semua yang dijelaskan akan berlaku untuk p-MOS)

1. Arus bocor di IC - proses ini menarik perhatian terbesar saat ini. Untuk proses teknologi 250 μm atau lebih, arus bocor tidak secara signifikan mempengaruhi konsumsi energi IC secara keseluruhan, namun, dengan perkembangan teknologi dan transisi ke proses pembuatan yang lebih halus untuk membuat struktur MOS, efek mekanika-kuantum mulai memiliki efek signifikan pada arus bocor. Proses ini memanifestasikan dirinya paling penting di IC ketika berada dalam mode siaga, karena saluran kebocoran lainnya menjadi tidak signifikan. Untuk membuat IC berdaya rendah, Anda perlu mempertimbangkan secara lebih rinci di mana dan bagaimana proses kebocoran terjadi.

1.1 Arus balik gerbang: Efek di wilayah di bawah gerbang, yang terjadi pada kondisi VGS ≈ VT dan VDS> 0 (untuk pel-pel). Di daerah ini, ketika transistor ditutup, tidak ada tegangan untuk membentuk saluran penghantar, namun, beberapa elektron dapat menerima energi yang cukup untuk berpindah dari sumber ke saluran. Arus ini disebut gerbang. Nilai perkiraan arus ini dapat dihitung dengan rumus:

dimana:
isub = gerbang saat ini;
a = konstan tergantung pada proses atau teknologi;
T = suhu di Kelvin;
Cox = kapasitas lapisan oksida;
n = konstanta lain tergantung pada proses atau teknologi;
VGS = Tegangan sumber gerbang;
k = konstanta Boltzmann;
VT = sel MOS transisi tegangan dari satu keadaan ke keadaan lain;
W = lebar saluran;
L = panjang saluran;
q = muatan elektron.

Seperti yang dapat dilihat dari rumus, arus gerbang meningkat dengan menurunnya panjang saluran, dan dengan menurunnya tegangan transistor VT dan peningkatan suhu meningkat secara eksponensial. Dengan penurunan dalam proses pembuatan struktur CMOS, panjang saluran dan tegangan ambang VT pasti berkurang untuk kinerja logika yang lebih baik (nilai VT yang tinggi memperlambat kecepatan perpindahan transistor). Dengan demikian, arus gerbang meningkat dengan menurunnya teknologi proses dan menjadi penting untuk teknologi dalam rentang nanometer. Ketika transistor dialihkan ke mode tegangan suplai berkurang, lingkungan yang menguntungkan menetapkan untuk munculnya arus kebocoran gerbang yang signifikan, karena tegangan switching dari transistor berkurang.

Fig. 1. Berbagai arus dalam struktur transistor n-MOS.

2. Menipisnya penghalang potensial oleh limpasan. Ketika tegangan terbentuk di saluran, itu menghasilkan zona penipisan di sekitarnya dengan beberapa potensi. Dengan jarak yang besar antara elektroda dari transistor MOS, efek dari medan drain pada sumber tetap dapat diabaikan dan, oleh karena itu, tidak ada perubahan pada tegangan antara sumber dan saluran. Namun, dengan penurunan teknologi proses, jarak antara saluran dan sumber berkurang. Akibatnya, sumber dipengaruhi oleh zona penipisan dan tegangan drain. Penghalang potensial berkurang, yang mengarah pada fakta bahwa fluks elektron dari sumber ke tiriskan meningkat, dan tegangan pada sumber berkurang.

1.3 Kerusakan. Efek ini adalah keadaan ekstrem dari penghalang potensial, ketika tegangan pada drain mencapai nilai tertentu, setelah itu fluks elektron meningkat seperti longsoran salju. Arus ini secara langsung tergantung pada VDS (tegangan antara saluran dan sumber). Ini adalah salah satu faktor yang menentukan kemungkinan tegangan maksimum pada transistor. Dengan penurunan ukuran MOSFET, jarak antara tiriskan dan sumber berkurang, dan tegangan VDS yang sama pada transistor yang lebih kecil akan menciptakan medan listrik yang lebih besar. Bidang ini dapat menyebabkan kerusakan, oleh karena itu, dengan penurunan teknologi proses, menjadi perlu untuk mengurangi tegangan operasi pada transistor.

1.4 Gerbang dimulai saat ini. Bayangkan saluran pembuangan terhubung ke tegangan suplai, dan gerbang ke ground atau ke daya negatif. Situasi seperti itu akan mengarah pada munculnya medan listrik yang padat di daerah pembuangan di bawah gerbang, pembentukan daerah penipisan di sana dan munculnya terowongan antarband. Karena substrat terhubung ke tanah, pembawa minoritas yang dikumpulkan di wilayah saluran yang habis di bawah pengaruh lapangan mulai menembus substrat. Arus ini disebut sebagai gerbang yang dimulai. Arus ini sangat tergantung pada tegangan drain dan ketebalan isolator gerbang.

1,5 Terowongan arus melalui gerbang. Dengan menurunnya teknologi proses, ketebalan isolator oksida di bawah gerbang juga berkurang. Saat ini, ketebalan ini adalah 1 - 2 nm. Saluran yang sangat diolah dan lapisan isolasi ultrathin menyebabkan medan listrik yang sangat padat, diukur dalam MV / cm, muncul di daerah isolasi. Dengan bidang ini, pembawa muatan sudah dapat melewati isolator oksida, menciptakan arus melalui gerbang. Semakin besar tegangan yang diberikan, semakin banyak arus akan mengalir melalui isolator. Arus ini tidak hanya mengalir melalui gerbang, tetapi juga dapat sangat melemahkan arus operasi melalui saluran pembuangan. Ini dapat menyebabkan kerusakan transistor. Gerbang silikon polikristalin digunakan untuk mengatasi kebocoran arus pada transistor.

1.6 Membalikkan arus bias. Antara zona difusi n + dan substrat, efek dari diode nyasar muncul. Efek ini mengarah pada fakta bahwa pembawa muatan minoritas mulai menembus dari saluran ke substrat. Pasangan lubang elektron yang muncul di daerah penipisan juga berkontribusi terhadap kebocoran pada media. Arus ini secara langsung berkaitan dengan kepadatan dopan dan meningkat dengan meningkatnya kepadatan.

2. Hubungan pendek- proses lain yang membutuhkan energi dalam IC. Ketika perubahan dalam keadaan logika muncul di input sirkuit, sirkuit mengubah status outputnya. Sebagai hasil dari proses ini, MOSFET dapat bertransisi dari keadaan "mati" ke keadaan "hidup", dan dalam arah yang berlawanan. Karena transien tidak terjadi secara instan, sebuah situasi dapat muncul di mana pasangan n-MOS dan p-MOS mengubah keadaan mereka dan pada titik tertentu tidak ada dari mereka yang berada dalam keadaan "mati". Selama periode waktu ini, terjadi korsleting. Arus ini tidak disebabkan oleh muatan kapasitansi listrik apa pun di dalam kristal, oleh karena itu korsleting ini menyebabkan hilangnya energi.

Fig. 2. Kondisi hubung singkat pada inverter MOS.

Bayangkan sebuah situasi di mana pada input inverter A keadaan berubah dari rendah ke tinggi. Transistor n-MOS (lebih rendah) mulai terbuka ketika tegangan Vn-MOS tertentu pada input A tercapai, dan pada saat ini transistor p-MOS atas masih terbuka. Ini akan mulai menutup ketika tegangan input mencapai nilai Vp-mop tinggi tertentu. Ada situasi ketika kedua transistor terbuka dan terjadi korsleting. Ketika ada transistor yang ditutup, sirkuitnya akan menutup. Proses yang sama terjadi ketika sinyal input berubah dari tinggi ke rendah. Arus gangguan menjadi signifikan jika bagian depan / kejatuhan sinyal pada input bertahan lama dan jika output Z terhubung ke resistansi rendah. Untuk mengatasi efek seperti itu, bagian depan dan peluruhan gelombang dibuat lebih cepat dan meningkatkan resistensi,di mana output Z terhubung, masing-masing.

3. Daya dinamis adalah proses disipasi daya dengan mengubah keadaan sel-sel logika dan, dengan demikian, keadaan input dan output mereka. Karena alasan ini, proses ini juga disebut switching energy. Ketika sel mengubah keadaan logisnya dari tinggi ke rendah atau sebaliknya, banyak kapasitas internal (di persimpangan, koneksi konduktor, dll.) Masing-masing diisi dan dikosongkan.

Proses ini adalah yang paling signifikan dari semua proses konsumsi energi hingga teknologi dalam 250 mikron. Dengan penurunan teknologi proses, kapasitansi parasit menurun dan energi untuk beralih negara juga. Namun, ada cara untuk mengurangi daya dinamis untuk mengurangi konsumsi daya IC secara keseluruhan.

Fig. 3. Beralih arus dengan sirkuit MOS.

Pertimbangkan diagram elementer elemen MOS. Jika semua kapasitansi liar dalam sel MOS direpresentasikan sebagai kapasitor C tunggal, maka pada saat ini output beralih dari VDD ke GRD, akan terjadi konsumsi energi sebesar CVDD2. Setengah dari energi akan menumpuk di tangki, setengah lainnya hilang. Demikian pula, ketika output beralih ke VDD, proses yang sama terjadi. Energi switching secara langsung tergantung pada tegangan VDD dan frekuensi switching. Akibatnya, cara untuk mengurangi daya dinamis adalah dengan mengurangi tegangan suplai. Namun, penurunan ini mengarah pada fakta bahwa sel-sel menjadi lebih lambat dan frekuensi menurun di belakangnya. Akibatnya, lebih banyak waktu akan dihabiskan untuk operasi.

Formula daya dinamis umum:

P = f * C * V * V

di mana f adalah frekuensi, C adalah kapasitansi, V adalah tegangan. Perhatikan bahwa daya dinamis tidak tergantung pada waktu bagian depan atau pembusukan gelombang pada input dan output.

Komponen lain dari daya dinamis adalah hilangnya energi karena beberapa pergantian "tidak perlu", yang dapat terjadi pada rangkaian karena keterlambatan sinkronisasi di bagian-bagian rangkaian dengan beberapa input. Perhatikan contoh sirkuit.

Fig. 4. Sebuah sirkuit dengan 2 kemungkinan switching yang tidak perlu.

Mari kita bayangkan sebuah sirkuit di mana logika "1" (daya VDD) dipasok ke dua input, dan sinyal A dan B datang dengan beberapa penundaan yang tidak disinkronkan. Ketika logika bekerja, karena perbedaan dalam kedatangan sinyal, output Z sebentar akan beralih ke "1". Peristiwa semacam itu disebut kegagalan sesaat.
Untuk melawannya, sirkuit menciptakan kondisi untuk kedatangan sinyal yang paling sinkron. Jika tidak mungkin untuk menghilangkan kegagalan di sirkuit, maka logika tambahan diletakkan pada output sirkuit untuk menyerap kegagalan tersebut dan memblokir propagasinya, misalnya, buffer untuk menyerap kegagalan dan menyeimbangkan timing.

Kesimpulan

Menganalisis berbagai penyebab hilangnya energi pada chip, kita dapat menyimpulkan bahwa memperoleh konsumsi daya yang rendah pada IC dengan penurunan teknologi proses menjadi semakin sulit. Raksasa global mikroelektronika sudah menghadapi efek kuantum, yang mengarah pada peningkatan tajam dalam konsumsi energi IC. Dengan pengurangan teknologi proses, proses yang memberikan putaran baru pengembangan teknologi manufaktur kristal memasuki medan perang.

Source: https://habr.com/ru/post/id387927/