Вся современная микроэлектроника базируется на полупроводниках. На кристалле создаются территории разной проводимости, каковые объединяются в некую логику. Кристаллы трудятся, потребляя электрическую энергию и преобразуя её в тепло.

Эта статья обрисовывает главные процессы, на каковые расходуется энергия при работе ИМС.
Смотрите кроме этого: Литий-воздушные аккумуляторная батареи смогут сделать прорыв в области мобильной электроники

Пористый углеродный электрод, созданный экспертами из Кембриджского университета, может стать главным компонентом для литий-воздушных аккумуляторная батарей обозримой перспективе. Такие источники питания в теории смогут содержать в себе на порядок больше энергии, чем литий-ионные аккумуляторная батареи. К сожалению, на сегодня существует неприятность с созданием кроме того опытных образцов аккумуляторная батарей нового типа: зарядка проходит в медленном режиме, равно как и отдача энергии.

Ещё одно событие — такие аккумуляторная батареи до тех пор пока смогут трудиться в чистой кислородной среде.

Источником выделения тепла на кристалле ИМС являются три главных процесса: динамическая мощность, токи утечки и короткое замыкание. Обзор этих процессов будет проводиться на примере n-МОП технологии (не смотря на то, что все обрисованное будет справедливо и для р -МОП).1. Токи утечки в ИМС – данный процесс завлекает сейчас к себе самое внимание.

Для техпроцесса в 250 нм и больше токи утечки не очень сильно сказывались на неспециализированном энергопотреблении ИМС, но с переходом и развитием технологий на более узкий техпроцесс создания МОП структур, квантово-механические эффекты стали оказывать значимое влияние на токи утечки. Данный процесс более всего проявляет себя в ИМС, в то время, когда та находится в режиме ожидания, потому, что другие каналы утечки становятся малыми.

Для ИМС с низким энергопотреблением необходимо разглядеть более подробно где и как происходят процессы утечки.1.1 Обратный подзатворный ток: Эффект в области, находящейся под затвором, что появляется при условии VGS ? VT и VDS 0 (для n-моп). В данной области при закрытом транзисторе нет напряжения для создания проводящего канала, но кое-какие электроны смогут приобретать достаточную энергию для перемещения от истока к стоку. Таковой ток именуется подзатворным.

Приблизительное значения этого тока возможно вычислить по формуле:где:isub = подзатворный ток;a = константа, зависящая от процесса либо технологии;T = температура в Кельвинах;Cox = емкость оксидного слоя;n = вторая константа, зависящая от процесса либо технологии;VGS = напряжение затвор исток;k = постоянная Больцмана;VT = напряжение перехода МОП ячейки из одного состояния в второе;W = ширина канала;L = протяженность 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 значительно уменьшается пороговое напряжение и длина канала VT для лучшей работы логики (высокое значение VT замедляет скорость переключения транзистора). Так подзатворный ток возрастает с уменьшением техпроцесса и делается значительным для разработок в нанометровом диапазоне.

В то время, когда транзистор переводится в режим пониженного питающего напряжения, в нем наступает благоприятная среда для появления большого подзатворного тока утечки, поскольку напряжение переключения транзистора значительно уменьшается. Рис. 1. Разные токи в структуре n-МОП транзистора.2. Истощение потенциального барьера стоком.

В то время, когда на стоке устанавливается напряжение, оно порождает обедненную территорию около себя с некоторым потенциалом. При громадном расстоянии между электродами МОП транзистора влияние поля стока на исток остается малым и в напряжение между каналом изменения и истоком не вносятся. Но с уменьшением техпроцесса, расстояние между истоком и стоком уменьшается. Как следствие, исток попадает под влияние обедненной напряжения и зоны стока.

Его потенциальный барьер уменьшаются, что ведет к тому, что поток электронов от истока к стоку возрастает, а напряжение на истоке падает.1.3 Пробой. Этот эффект есть крайним состоянием истощения потенциального барьера, в то время, когда напряжение на стоке достигает определенного значения, по окончании которого поток электронов увеличивается лавинообразно. Этот ток находится в прямой зависимости от VDS (напряжение между истоком и стоком).

Это один из факторов, определяющий большое вероятное напряжение на транзисторе. С уменьшением размеров МОП расстояние между истоком и стоком уменьшается, и одно и также напряжение VDS на меньшем транзисторе будет создавать большее электрическое поле. Это поле может привести к пробою, исходя из этого с уменьшением техпроцесса делается нужным снижать рабочее напряжение на транзисторе.1.4 Инициируемый затвором ток.

Представим, что сток подключен к напряжению питания, а затвор к почва либо к отрицательному питанию. Такая обстановка приведет к появлению плотного электрического поля в области стока под затвором, формированию в том месте обедненной области и появлению результата межзонного туннелирования. Так как подложка подключена к почва, то неосновные носители заряда, планировавшие в данной обедненной области стока под действием поля начинают попадать на подложку.

Таковой ток именуется инициируемый затвором. Этот ток во многом зависит от напряжения на стоке и от толщины изолятора затвора.1.5 Туннельный ток через затвор. При уменьшении техпроцесса толщина оксидного изолятора под затвором кроме этого значительно уменьшается. На данный момент эта толщина образовывает 1 – 2 нм. Высоколегированный канал и ультратонкий слой изоляции становятся обстоятельством появления в области изоляции весьма плотного электрического поля, измеряемого в МВ/см.

При таком поле носители зарядов уже смогут проходить через оксидный изолятор, создавая ток через затвора. Чем больше приложенное напряжение, тем больший ток будет проходить через изолятор. Этот ток не просто уходит через затвор, но и может очень сильно ослабить рабочий ток через сток. Это может привести к неправильной работе транзистора. Для борьбы с этим током утечки в транзисторах употребляется поликристаллический кремниевый затвор.1.6 Обратный ток смещения.

Между территорией диффузии n+ и подложкой появляется эффект паразитного диода. Таковой эффект ведет к тому, что неосновные носители заряда начинают попадать со стока на подложку. Пары электрон-дырка, появляющиеся в обедненной области, кроме этого содействуют утечке на подложку.

Этот ток напрямую связан с плотностью легирующей примеси и с повышением плотности растет.2. Замыкание — второй процесс, на что затрачивается энергия в ИМС. В то время, когда на входе схемы появляется изменение логического состояния, схема изменяет собственный выходное состояние.

В следствии этого процесса МОП смогут переходить из состояния “выкл” с состояние “вкл”, и в обратную сторону. Так как переходные процессы не происходят мгновенно, может появляется обстановка, при которой пара n-МОП и p-МОП меняют собственный состояние и в какой-то момент ни один из них не будет в состоянии “выкл”. В это время времени и происходит замыкание.

Этот ток не позван зарядом какой-либо электрической емкости в кристалла, исходя из этого данное замыкание ведет к чистой утрата энергии. Рис. 2. Состояние замыкания в МОП инверторе.Представим себе обстановку, в то время, когда на входе инвертора А изменяется состояние с низкого на большой уровень. n-МОП транзистор (нижний) начнет раскрываться при достижении определенного напряжения Vn-моп на входе А, а сейчас верхний p – МОП транзистор еще открыт.

Он начнет закрываться в то время, когда напряжение на входе достигнет определенного большого значения Vp-моп. Наступает обстановка, в то время, когда оба транзистора открыты и происходит замыкание. В то время, когда какой-либо транзистор закрывается замыкание заканчивается. Такой же процесс происходит и при трансформации входного сигнала с большого на низкий уровень.

Ток замыкания делается большим в случае если фронт/спад сигнала на входе длятся долгое время и в случае если выход Z подключен к малому сопротивлению. Для борьбы с этими эффектом спад и фронт волны делают более стремительными 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 выходов и входов.

По данной причине процесс кроме этого именуют энергией переключения. В то время, когда ячейка изменяет собственный логическое состояние с большого на низкое либо напротив, множество внутренних емкостей (на пересечениях, соединениях проводников и пр.) заряжаются и разряжаются соответственно.Этот процесс являлся самым значимым из всех процессов энергопотребления впредь до разработок в 250 мкм. С уменьшением техпроцесса паразитные емкости уменьшились и энергия на переключение состояния также.

Но имеется методы уменьшения динамической мощности с целью уменьшения неспециализированного энергопотребления ИМС.Рис. 3. Переключающий ток с МОП схеме.Разглядим элементарную схему из МОП элементов. В случае если все паразитные емкости в МОП ячейке представить в виде одного конденсатора С, то в момент переключения выхода с VDD на GRD случится потребление энергии равное CVDD2. Добрая половина энергии накопится в емкости, вторая добрая половина теряется.

Подобно, в то время, когда выход переключается на VDD, происходит такой же процесс. Энергия на переключение зависит от напряжения VDD и частоты переключения. Как следствие, метод уменьшения динамической мощности — понижение питающего напряжения.

Но это уменьшение ведет к тому, что ячейки становятся более медленными и за ними значительно уменьшается и частота. Следовательно, на операции будет затрачиваться больше времени. Неспециализированная формула динамической мощности:P = f*C*V*Vгде f – частота, С – емкость, V — напряжение. Увидим, что динамическая мощность не зависит от времени фронта либо спада волны на выходах и входах.

Второй компонент динамической мощности это утраты энергии на множественные «лишние» переключения, каковые смогут происходить в схеме из-за рассинхронизации задержки на участках схемы со множеством входов. Разглядим на примере схемы.Рис. 4. Схема с лишним переключением.Представим схему, в которой на два входа подается логическая “1” (питание VDD), а на входы A и B сигналы поступают с некоей рассинхронизированной задержкой.

Из-за отличия во времени выход Z ненадолго переключится в “1”. Такое событие именуется короткий сбой. Для борьбы с этим тайминги в схеме устанавливаются так, что такие сбои либо отсутствуют, либо минимизируются.В случае если в схеме нереально всецело избавится от сбоев, то на выходе схемы ставят дополнительную логику для поглощения таких блокирования и сбоёв его распространения, к примеру, буферы для балансировки и поглощения сбоёв таймингов.

ЗаключениеАнализируя разные обстоятельства утрат энергии на кристалле, возможно сделать вывод, что получение низкого энергопотребления у ИМС с уменьшением техпроцесса делается все тяжелее и тяжелее. Мировые гиганты микроэлектроники уже сталкиваются с квантовыми эффектами, каковые приводят к резкому росту потребления энергии ИМС. С уменьшением техпроцесса на сцену битвы выходят процессы, каковые дают новые витки развития разработок изготовления кристаллов.

Случайная статья:

• Борьба с холодом. согреваемся с помощью гаджетов
• Статистика отказов в серверной памяти

Диодный мост. Энергия кристаллов.

Похожие статьи:

• Предложен новый источник энергии для опреснения морской воды

  на данный момент данный процесс только энергозатратен и жив по большей части благодаря сжиганию источников энергии органического происхождения. Маркус…

• Полмегаватта чистой энергии в частные руки — отечественная новинка автономной энергетики

  В прошедшем сезоне я обрисовывал собственный путь в преобразовании дарового солнечного света в электрическую энергию. Перепробовав много оборудования для…

• От солнечной энергии к водородному топливу

  Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) создали новый способ выделения водорода из воды посредством солнечной энергии. Он…