Вся современная микроэлектроника базируется на полупроводниках. На кристалле создаются зоны различной проводимости, которые объединяются в некоторую логику. Кристаллы работают, потребляя электрическую энергию и преобразуя её в тепло. Эта статья описывает основные процессы, на которые расходуется энергия при работе ИМС.

Источником выделения тепла на кристалле ИМС являются три основных процесса: динамическая мощность, короткое замыкание и токи утечки. Обзор этих процессов будет проводиться на примере n-МОП технологии (хотя все описанное будет справедливо и для р -МОП).

1. Токи утечки в ИМС – этот процесс привлекает сегодня к себе самое пристальное внимание. Для техпроцесса в 250 мкм и больше токи утечки не сильно сказывались на общем энергопотреблении ИМС, однако с развитием технологий и переходом на более тонкий техпроцесс создания МОП структур, квантово-механические эффекты стали оказывать значимое влияние на токи утечки. Этот процесс более всего проявляет себя в ИМС, когда та находится в режиме ожидания, поскольку другие каналы утечки становятся незначительными. Для создания ИМС с низким энергопотреблением нужно рассмотреть более детально где и как происходят процессы утечки.

1.1 Обратный подзатворный ток: Эффект в области, находящейся под затвором, который возникает при условии VGS ? VT и VDS > 0 (для n-моп). В этой области при закрытом транзисторе нет напряжения для формирования проводящего канала, однако некоторые электроны могут получать достаточную энергию для движения от истока к стоку. Такой ток называется подзатворным. Приблизительное значения этого тока можно вычислить по формуле:



где:
isub = подзатворный ток;
a = константа, зависящая от процесса или технологии;
T = температура в Кельвинах;
Cox = емкость оксидного слоя;
n = другая константа, зависящая от процесса или технологии;
VGS = напряжение затвор исток;
k = постоянная Больцмана;
VT = напряжение перехода МОП ячейки из одного состояния в другое;
W = ширина канала;
L = длина канала;
q = заряд электрона.

Как видно из формулы, подзатворный ток возрастает с уменьшением длины канала, а с уменьшением напряжения VT транзистора и с ростом температуры возрастает экспоненциально. С уменьшением техпроцесса изготовления КМОП структур неизбежно уменьшается длина канала и пороговое напряжение VT для лучшей работы логики (высокое значение VT замедляет скорость переключения транзистора). Таким образом подзатворный ток возрастает с уменьшением техпроцесса и становится существенным для технологий в нанометровом диапазоне. Когда транзистор переводится в режим пониженного питающего напряжения, в нем наступает благоприятная среда для появления значительного подзатворного тока утечки, так как напряжение переключения транзистора уменьшается.


Рис. 1. Различные токи в структуре n-МОП транзистора.

2. Истощение потенциального барьера стоком. Когда на стоке устанавливается напряжение, оно порождает обедненную зону вокруг себя с некоторым потенциалом. При большом расстоянии между электродами МОП транзистора влияние поля стока на исток остается незначительным и, соответственно, в напряжение между истоком и каналом изменения не вносятся. Однако с уменьшением техпроцесса, расстояние между стоком и истоком сокращается. Как результат, исток попадает под влияние обедненной зоны и напряжения стока. Его потенциальный барьер уменьшаются, что приводит к тому, что поток электронов от истока к стоку возрастает, а напряжение на истоке падает.

1.3 Пробой. Данный эффект является крайним состоянием истощения потенциального барьера, когда напряжение на стоке достигает определенного значения, после которого поток электронов нарастает лавинообразно. Данный ток находится в прямой зависимости от VDS (напряжение между стоком и истоком). Это один из факторов, определяющий максимальное возможное напряжение на транзисторе. С уменьшением размеров МОП расстояние между стоком и истоком сокращается, и одно и тоже напряжение VDS на меньшем транзисторе будет создавать большее электрическое поле. Это поле может вызвать пробой, поэтому с уменьшением техпроцесса становится необходимым снижать рабочее напряжение на транзисторе.

1.4 Инициируемый затвором ток. Представим, что сток подключен к напряжению питания, а затвор к земле или к отрицательному питанию. Такая ситуация приведет к появлению плотного электрического поля в области стока под затвором, формированию там обедненной области и появлению эффекта межзонного туннелирования. Так как подложка подключена к земле, то неосновные носители заряда, собиравшиеся в этой обедненной области стока под действием поля начинают проникать на подложку. Такой ток называется инициируемый затвором. Данный ток сильно зависит от напряжения на стоке и от толщины изолятора затвора.

1.5 Туннельный ток через затвор. При уменьшении техпроцесса толщина оксидного изолятора под затвором также уменьшается. В настоящее время эта толщина составляет 1 – 2 нм. Высоколегированный канал и ультратонкий слой изоляции становятся причиной появления в области изоляции очень плотного электрического поля, измеряемого в МВ/см. При таком поле носители зарядов уже могут проходить через оксидный изолятор, создавая ток через затвора. Чем больше приложенное напряжение, тем больший ток будет проходить через изолятор. Данный ток не просто уходит через затвор, но и может сильно ослабить рабочий ток через сток. Это может привести к неправильной работе транзистора. Для борьбы с этим током утечки в транзисторах используется поликристаллический кремниевый затвор.

1.6 Обратный ток смещения. Между зоной диффузии n+ и подложкой появляется эффект паразитного диода. Такой эффект приводит к тому, что неосновные носители заряда начинают проникать со стока на подложку. Пары электрон-дырка, появляющиеся в обедненной области, также способствуют утечке на подложку. Данный ток напрямую связан с плотностью легирующей примеси и с увеличением плотности растет.

2. Короткое замыкание — другой процесс, на который затрачивается энергия в ИМС. Когда на входе схемы появляется изменение логического состояния, схема изменяет свое выходное состояние. В результате этого процесса МОП могут переходить из состояния “выкл” с состояние “вкл”, и в обратную сторону. Так как переходные процессы не происходят мгновенно, может появляется ситуация, при которой пара n-МОП и p-МОП меняют свое состояние и в какой-то момент ни один из них не находится в состоянии “выкл”. В этот период времени и происходит короткое замыкание. Данный ток не вызван зарядом какой-либо электрической емкости внутри кристалла, поэтому данное замыкание приводит к чистой потере энергии.


Рис. 2. Состояние короткого замыкания в МОП инверторе.

Представим себе ситуацию, когда на входе инвертора А изменяется состояние с низкого на высокий уровень. n-МОП транзистор (нижний) начнет открываться при достижении определенного напряжения Vn-моп на входе А, а в это время верхний p – МОП транзистор еще открыт. Он начнет закрываться когда напряжение на входе достигнет определенного высокого значения Vp-моп. Наступает ситуация, когда оба транзистора открыты и происходит короткое замыкание. Когда какой-либо транзистор закрывается замыкание прекращается. Такой же процесс происходит и при изменении входного сигнала с высокого на низкий уровень. Ток замыкания становится значительным если фронт/спад сигнала на входе продолжаются длительное время и если выход Z подключен к малому сопротивлению. Для борьбы с такими эффектом фронт и спад волны делают более быстрыми и увеличивают сопротивление, к которому подключен выход Z соответственно.

3. Динамическая мощность – это процесс рассеивания мощности на переключение состояний ячеек логики и соответственно состояния их входов и выходов. По этой причине процесс также называют энергией переключения. Когда ячейка изменяет свое логическое состояние с высокого на низкое или наоборот, множество внутренних емкостей (на пересечениях, соединениях проводников и пр.) заряжаются и разряжаются соответственно.

Данный процесс являлся самым значимым из всех процессов энергопотребления вплоть до технологий в 250 мкм. С уменьшением техпроцесса паразитные емкости уменьшились и энергия на переключение состояния тоже. Однако есть способы уменьшения динамической мощности с целью уменьшения общего энергопотребления ИМС.


Рис. 3. Переключающий ток с МОП схеме.

Рассмотрим элементарную схему из МОП элементов. Если все паразитные емкости в МОП ячейке представить в виде одного конденсатора С, то в момент переключения выхода с VDD на GRD произойдет потребление энергии равное CVDD2. Половина энергии накопится в емкости, другая половина теряется. Аналогично, когда выход переключается на VDD, происходит такой же процесс. Энергия на переключение напрямую зависит от напряжения VDD и частоты переключения. Как результат, способ уменьшения динамической мощности — снижение питающего напряжения. Однако это уменьшение приводит к тому, что ячейки становятся более медленными и за ними уменьшается и частота. Следовательно, на операции будет затрачиваться больше времени.

Общая формула динамической мощности:

P = f*C*V*V

где f – частота, С – емкость, V — напряжение. Заметим, что динамическая мощность не зависит от времени фронта или спада волны на входах и выходах.

Другой компонент динамической мощности это потери энергии на множественные «лишние» переключения, которые могут происходить в схеме из-за рассинхронизации задержки на участках схемы со множеством входов. Рассмотрим на примере схемы.


Рис. 4. Схема с 2-мя возможными лишними переключениями

Представим схему, в которой на два входа подается логическая “1” (питание VDD), а на входы A и B сигналы поступают с некоторой несинхронизированной задержкой. При работе логики из-за разницы в приходе сигналов выход Z на короткое время переключится в “1”. Такое событие называется кратковременный сбой.
Для борьбы с ним в схеме создаются условия максимально синхронного прихода сигналов. Если в схеме невозможно избавится от сбоев, то на выходе схемы ставят дополнительную логику для поглощения таких сбоев и блокирования его распространения, например, буферы для поглощения сбоев и балансировки таймингов.

Заключение

Анализируя различные причины потерь энергии на кристалле, можно сделать вывод, что получение низкого энергопотребления у ИМС с уменьшением техпроцесса становится все труднее и труднее. Мировые гиганты микроэлектроники уже сталкиваются с квантовыми эффектами, которые приводят к резкому росту потребления энергии ИМС. С уменьшением техпроцесса на сцену битвы выходят процессы, которые дают новые витки развития технологий изготовления кристаллов.