Fontes de liberação de energia em um chip IC

Toda microeletrônica moderna é baseada em semicondutores. Zonas de condutividade diferente são criadas no cristal, que são combinadas em alguma lógica. Os cristais funcionam consumindo energia elétrica e convertendo-a em calor. Este artigo descreve os principais processos que consomem energia durante a operação dos CIs.

A fonte de geração de calor no chip IC é de três processos principais: energia dinâmica, curto-circuito e correntes de fuga . Uma revisão desses processos será realizada no exemplo da tecnologia n-MOS (embora tudo descrito seja verdadeiro para o p-MOS)

1. Correntes de vazamento no CI - esse processo atrai mais atenção hoje. Para um processo técnico de 250 μm ou mais, as correntes de vazamento não afetaram significativamente o consumo geral de energia dos CIs, no entanto, com o desenvolvimento de tecnologias e a transição para um processo de fabricação mais fino para a criação de estruturas MOS, os efeitos mecânicos quânticos começaram a ter um efeito significativo nas correntes de vazamento. Esse processo se manifesta principalmente no IC quando está no modo de espera, à medida que outros canais de vazamento se tornam insignificantes. Para criar CIs de baixa potência, é necessário considerar mais detalhadamente onde e como ocorrem os processos de vazamento.

1.1 Corrente reversa do gate: O efeito na região sob o gate, que ocorre nas condições VGS ≈ VT e VDS> 0 (para n-mops). Nesta área, quando o transistor é fechado, não há tensão para formar um canal condutor, no entanto, alguns elétrons podem receber energia suficiente para passar da fonte para o dreno. Essa corrente é chamada de portão. Os valores aproximados dessa corrente podem ser calculados pela fórmula:

onde:
isub = corrente do portão;
a = constante dependente do processo ou tecnologia;
T = temperatura em Kelvin;
Cox = capacidade da camada de óxido;
n = outra constante, dependendo do processo ou da tecnologia;
VGS = tensão da fonte de porta;
k = constante de Boltzmann;
VT = células MOS de transição de tensão de um estado para outro;
W = largura do canal;
L = comprimento do canal;
q = carga de elétrons.

Como pode ser visto na fórmula, a corrente do gate aumenta com a diminuição do comprimento do canal e com a diminuição da tensão V do transistor e o aumento da temperatura aumenta exponencialmente. Com uma diminuição no processo de fabricação das estruturas CMOS, o comprimento do canal e a tensão de limite VT inevitavelmente diminuem para um melhor desempenho lógico (um alto valor de VT diminui a velocidade de comutação do transistor). Assim, a corrente do portão aumenta com a diminuição da tecnologia do processo e se torna essencial para as tecnologias na faixa dos nanômetros. Quando o transistor é comutado para um modo de tensão de alimentação reduzida, um ambiente favorável configura o aparecimento de uma corrente de fuga significativa no gate gate, uma vez que a tensão de comutação do transistor diminui.

Fig. 1. Várias correntes na estrutura de um transistor n-MOS.

2. Depleção da barreira potencial por escoamento. Quando uma tensão é estabelecida no dreno, ela gera uma zona de exaustão em torno de si com algum potencial. Com uma grande distância entre os eletrodos do transistor MOS, a influência do campo de drenagem na fonte permanece insignificante e, portanto, nenhuma alteração é feita na tensão entre a fonte e o canal. No entanto, com uma diminuição na tecnologia do processo, a distância entre o dreno e a fonte é reduzida. Como resultado, a fonte é afetada pela zona de esgotamento e pela tensão de drenagem. Sua barreira potencial diminui, o que leva ao fato de que o fluxo de elétrons da fonte para o dreno aumenta e a tensão na fonte diminui.

1.3 Repartição. Esse efeito é um estado extremo de depleção da barreira potencial, quando a tensão no dreno atinge um determinado valor, após o qual o fluxo de elétrons aumenta como uma avalanche. Essa corrente depende diretamente do VDS (tensão entre o dreno e a fonte). Este é um dos fatores que determina a tensão máxima possível em um transistor. Com uma diminuição no tamanho do MOSFET, a distância entre o dreno e a fonte diminui e a mesma tensão VDS no transistor menor cria um campo elétrico maior. Este campo pode causar falhas, portanto, com uma diminuição na tecnologia do processo, torna-se necessário reduzir a tensão operacional no transistor.

1.4 Corrente iniciada no portão. Imagine que o dreno esteja conectado à tensão de alimentação e ao portão para aterrar ou à energia negativa. Tal situação levará ao aparecimento de um denso campo elétrico na região de drenagem sob o portão, à formação de uma região de depleção ali e ao aparecimento de túneis entre bandas. Como o substrato está conectado ao solo, os transportadores minoritários coletados nessa região de drenagem esgotada sob a influência do campo começam a penetrar no substrato. Essa corrente é chamada de portão iniciado. Essa corrente é altamente dependente da tensão do dreno e da espessura do isolador do portão.

1.5 Corrente do túnel através do portão. Com a tecnologia de processo decrescente, a espessura do isolador de óxido sob o portão também diminui. Atualmente, essa espessura é de 1 a 2 nm. Um canal altamente dopado e uma camada de isolamento ultrafino fazem com que um campo elétrico muito denso, medido em MV / cm, apareça na região de isolamento. Nesse campo, os portadores de carga já podem passar pelo isolador de óxido, criando uma corrente através do portão. Quanto maior a tensão aplicada, mais corrente fluirá através do isolador. Essa corrente não apenas sai pelo portão, mas também pode enfraquecer bastante a corrente de operação através do dreno. Isso pode causar mau funcionamento do transistor. Uma porta de silício policristalino é usada para combater essa corrente de fuga nos transistores.

1.6 Corrente de polarização reversa. Entre a zona de difusão n + e o substrato, o efeito de um diodo disperso aparece. Esse efeito leva ao fato de que os transportadores minoritários de carga começam a penetrar do dreno no substrato. Os pares de orifícios de elétrons que aparecem na região de depleção também contribuem para o vazamento no substrato. Essa corrente está diretamente relacionada à densidade do dopante e aumenta com o aumento da densidade.

2. Curto-circuito- outro processo que consome energia no CI. Quando uma mudança no estado lógico aparece na entrada do circuito, o circuito muda seu estado de saída. Como resultado desse processo, os MOSFETs podem fazer a transição do estado “desligado” para o estado “ligado” e na direção oposta. Como os transitórios não ocorrem instantaneamente, pode surgir uma situação na qual o par de n-MOS e p-MOS altera seu estado e, em algum momento, nenhum deles está no estado "desligado". Durante esse período, ocorre um curto-circuito. Essa corrente não é causada pela carga de nenhuma capacitância elétrica dentro do cristal; portanto, esse curto-circuito leva a uma perda líquida de energia.

Fig. 2. Condição de curto-circuito no inversor MOS.

Imagine uma situação em que, na entrada do inversor A, o estado mude de baixo para alto. O transistor n-MOS (inferior) começa a abrir quando uma certa tensão Vn-MOS na entrada A é atingida e, nesse momento, o transistor p-MOS superior ainda está aberto. Ele começará a fechar quando a tensão de entrada atingir um certo valor alto de Vp-mop. Existe uma situação em que os dois transistores estão abertos e ocorre um curto-circuito. Quando qualquer transistor fecha, o circuito fecha. O mesmo processo ocorre quando o sinal de entrada muda de alto para baixo. A corrente de falha se torna significativa se a frente / queda do sinal na entrada durar muito tempo e se a saída Z estiver conectada a uma baixa resistência. Para combater esse efeito, a frente e o decaimento da onda são feitos mais rapidamente e aumentam a resistência,à qual a saída Z está conectada, respectivamente.

3. Energia dinâmica é o processo de dissipação de energia alternando os estados das células lógicas e, consequentemente, o estado de suas entradas e saídas. Por esse motivo, o processo também é chamado de comutação de energia. Quando uma célula muda seu estado lógico de alto para baixo ou vice-versa, muitas capacidades internas (nas interseções, conexões de condutores etc.) são carregadas e descarregadas, respectivamente.

Esse processo foi o mais significativo de todos os processos de consumo de energia até as tecnologias em 250 mícrons. Com a diminuição da tecnologia do processo, as capacitações parasitárias diminuíram e a energia para mudar o estado também. No entanto, existem maneiras de reduzir a energia dinâmica, a fim de reduzir o consumo geral de energia do IC.

Fig. 3. Corrente de comutação com circuito MOS.

Considere um diagrama elementar dos elementos MOS. Se todas as capacitâncias perdidas na célula MOS forem representadas como um único capacitor C, no momento em que a saída for alterada de VDD para GRD, ocorrerá um consumo de energia igual a CVDD2. Metade da energia se acumula no tanque, a outra metade é perdida. Da mesma forma, quando a saída muda para VDD, o mesmo processo ocorre. A energia de comutação depende diretamente da tensão e frequência de comutação do VDD. Como resultado, uma maneira de reduzir a energia dinâmica é reduzir a tensão de alimentação. No entanto, essa diminuição leva ao fato de que as células se tornam mais lentas e a frequência diminui atrás delas. Consequentemente, mais tempo será gasto em operações.

Fórmula geral de potência dinâmica:

P = f * C * V * V

onde f é a frequência, C é a capacitância, V é a tensão. Observe que a potência dinâmica não depende do tempo da frente ou do decaimento da onda nas entradas e saídas.

Outro componente da energia dinâmica é a perda de energia devido à comutação "desnecessária" múltipla, que pode ocorrer no circuito devido ao atraso na sincronização em partes do circuito com várias entradas. Considere o exemplo de um circuito.

Fig. 4. Um circuito com 2 possíveis comutações desnecessárias

Vamos imaginar um circuito no qual uma lógica “1” (potência VDD) seja fornecida a duas entradas e os sinais A e B entrem com algum atraso não sincronizado. Quando a lógica está funcionando, devido à diferença na chegada dos sinais, a saída Z muda brevemente para “1”. Tal evento é chamado de falha momentânea.
Para combatê-lo, o circuito cria condições para a chegada mais síncrona de sinais. Se for impossível se livrar de falhas no circuito, uma lógica adicional será colocada na saída do circuito para absorver essas falhas e bloquear sua propagação, por exemplo, buffers para absorver falhas e equilibrar os tempos.

Conclusão

Analisando as várias causas de perda de energia no chip, podemos concluir que a obtenção de baixo consumo de energia nos CIs com uma diminuição na tecnologia do processo está se tornando cada vez mais difícil. Os gigantes globais da microeletrônica já estão enfrentando efeitos quânticos, que levam a um aumento acentuado no consumo de energia dos CIs. Com a redução da tecnologia de processo, processos que dão novas rodadas de desenvolvimento de tecnologias de fabricação de cristal entram no campo de batalha.

Source: https://habr.com/ru/post/pt387927/