научная статья по теме ПОЛНОСТЬЮ ОБЕДНЕННЫЕ КМОП КНИ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ПОЛНОСТЬЮ ОБЕДНЕННЫЕ КМОП КНИ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 6, с. 470-478

СХЕМОТЕХНИКА

УДК 621.382

ПОЛНОСТЬЮ ОБЕДНЕННЫЕ КМОП КНИ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ

© 2008 г. Н. В. Масальский

Научно-исследовательский институт системных исследований Российской АН

volkov@hiisi.ras.ru Поступила в редакцию 27.03.2008 г.

В работе рассматриваются подходы создания низковольтных СБИС с малой потребляемой мощностью на основе нанотранзисторов со структурой КНИ (кремний на изоляторе). Численно анализируются переключательные характеристики физических моделей вентилей инвертор, 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ, выполненных на полностью обедненных КМОП КНИ нанотранзисторах с разными топологическими параметрами. Исследованы зависимости задержки и мощности переключения выбранных элементов от величины напряжения питания в диапазоне менее 1 В при разных значениях напряжения на обратном затворе транзисторов. Проанализирована возможность функционирования логических элементов, когда транзисторы, входящие в их состав работают в подпороговом режиме. При определенных условиях можно достичь существенного уменьшения мощности переключения.

PACS: 85.30.De

ВВЕДЕНИЕ

Развитие технологии КМОП ИС в настоящее время характеризуется постоянным уменьшением характерных размеров транзисторов - таких, как длина и ширина затвора, толщина подзатворного окисла и др. Производительность таких схем в значительной степени определяется плотностью интеграции, скоростью переключения и диссипативны-ми потерями отдельных элементов. Для достижения требуемого быстродействия необходимо уменьшать величину напряжения питания, что в свою очередь, требует понижения порогового напряжения транзисторов. Комбинация этих параметров и масштабирование питания снижает произведение мощность-задержка, даже когда количество транзисторов на кристалле продолжает увеличиваться от поколения к поколению. Кроме того, понижение напряжения питания - это самый эффективный способ снижения потребляемой мощности, так как для КМОП-технологии мощность пропорциональна квадрату напряжения питания.

Одним из наиболее перспективных направлений развития КМОП-схем для маломощных приложений является технология производства тонкопленочных полностью обедненных нанотранзисторов со структурой "кремний на изоляторе" (КНИ) [1]. Как известно, данный тип транзисторов характеризуется эффективным подавлением короткоканаль-ных эффектов, низким значением емкости и возможностью регулировки порогового напряжения

при помощи изменения потенциала на обратном затворе транзистора [2].

В данной работе численно анализируются временные задержки и связанные с ними рассеяния мощности при условии пониженного напряжения питания для логических вентилей, выполненных на полностью обедненных КНИ-нанотранзисторах. Все особенности рассматриваются на примере инвертора как наиболее простого логического элемента, а затем обобщаются на другие однокаскадные вентили.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ ИНВЕРТОРА

1.1. Временны1 е задержки при переключениях

В инверторе комплиментарный характер п- и р-транзисторов позволяет только одному транзистору находиться в проводящем состоянии (в одном из двух возможных состояний). Тогда общий ток переключения равен I = 1Р - /№ где /№ 1Р - токи, протекающие через транзисторы п- и р-типа соответственно. При этом 1Р - положительная величина, поскольку этот ток течет от шины питания к выходу и стремится изменить выходное напряжение в сторону повышения. Ток 1Ы - отрицательная величина и представляет собой ток, протекающий от выходного узла к земельной шине, и поэтому стремится изменить выходное напряжение в сторону уменьшения. Следовательно, напряжение на выходе либо возраста-

ет, либо уменьшается в зависимости от знака величины I.

Проанализируем ситуацию, когда на обратном затворе полностью обедненных КНИ нанотранзи-сторов, входящих в состав инвертора, напряжение Ugb отлично от нуля. Как известно, если значение напряжения Ugb задается в диапазоне регулировки порогового напряжения, то для транзистора я-типа увеличение параметра Ugb снижает величину порогового напряжения [1, 2]. Для транзистора р-типа, наоборот, рост параметра Ugb приводит к увеличению порогового напряжения. В общем случае это приводит к изменению режима работы инвертора.

471

Допустим, что напряжение Ugb > 0. Тогда при изменении входного напряжения от низкого уровня до высокого, транзистор я-типа переходит в проводящее состояние при более низком значении напряжения "фронтальный затвор - исток". Следовательно, и инвертор переходит в режим переключения. С точностью наоборот происходит переключение инвертора при отрицательном смещении на обратном затворе. Это обуславливает возможность эффективной регулировки характеристик инвертора.

Лучшей количественной характеристикой для задержки является величина [1]:

т = (тя + т р) =

CU

1 1 - + -

(1)

заг

заг

где С - полная эквивалентная емкость, заряжаемая и разряжаемая в тактовом цикле, Udd - напряжение питания, и 1Р - ток насыщения транзистора я-типа и р-типа.

В общем случае времена тя и тр могут отличаться друг от друга и в задержке может доминировать либо время тя, либо тр. Благодаря более высокому значению электронной подвижности я-транзистор имеет существенно более высокое значение рабочего тока по сравнению с р-транзистором с той же шириной канала. Поэтому, эти ширины Wn, ^р должны быть обратно пропорциональны токам, приходящимся на единицу ширины 1п, 1р или W I

р _ я

W = Г'

"я 1 р

В длинноканальном пределе 1я/1р ~ \/\1р в предположении, что длины каналов и пороговые напряжения я- и р- транзисторов согласованы. В короткока-

нальном приближении однако отношение 1я/1р меньше, поскольку транзистор я-типа имеет большее значение скорости насыщения, нежели транзистор р-типа.

Если инвертор проектируется с обратно пропорциональным соотношением ширин и с симметричной передаточной характеристикой, то задержки при включении и выключении будут равны. Отношение ширин для минимального значения задержки переключения обычно отличается от того, что дает данное соотношение. Однако этот минимум довольно мелкий, поэтому отличие между задержками симметричного КМОП инвертора и минимальным значением обычно не превышает нескольких процентов.

В первом приближении выражение для тока насыщения полностью обедненного КНИ транзистора можно записать, например, в виде [3]:

1заг = 2^ + ^ ( Ugf - ^ + lsOIUgь)2, (2)

где L,W - длина и ширина канала транзистора, \ -

подвижность носителей в канале, Сf - емкость

фронтального затвора. Величина коэффициента у^, характеризующего эффективность регулировки Uth, примерно равная отношению толщин

окислов фронтального и обратного затворов транзистора [2].

Подставив (2) в (1), перепишем выражение для задержки и выделим вклад в нее, который зависит от параметра Ugb, например, виде:

т = -^ 0 - 2{1 - 2УS0I |, (3)

2 WCf \о (Ugf - Ugf - Uth

Как следует из данного соотношения, задержка инвертора будет линейно зависеть от величины смещения на обратном затворе транзисторов, т. е. можно реализовать регулировку задержки инвертора. Тогда, с повышением напряжения на обратном затворе величина задержки уменьшается. И наоборот, при отрицательных смещениях на обратном затворе величина задержки увеличивается. Диапазон регулировки задержки будет определяться диапазоном регулировки порогового напряжения транзисторов. А чувствительность к регулировке зависит от величины параметра у301. И чем она больше, тем эффективнее регулировка задержки. Другими словами эффективность регулировки задержки определяется отношением толщин окислов фронтального и обратного затворов транзисторов.

Рассмотренный выше анализ предполагал резкое включение входного напряжения Uin. В общем случае входное напряжение Uin имеет ограниченное время нарастания или спада. Переход при переключении становится тогда более сложным. В общем случае, из-за сложного вида математических выражений, описывающих ток в данных нанотранзисто-рах и зависимости их емкостей от напряжения Ugb, модельные уравнения для данной цепи приходится решать численно, например, с привлечением программного пакета ЖИСЕ.

Опираясь на соотношение (3) можно утверждать, что и при снижении напряжения питания рассмотренные свойства инвертора сохранятся. Однако, в силу проявления эффекта насыщения ВАХ зависимости Ids = f(Uds, Ц^) являются нелинейными. Следовательно, можно ожидать уменьшение диапазона регулировки задержки при снижении напряжения питания.

Следует отметить, что рассмотренные свойства инвертора будут характерны для других логических вентилей.

Поскольку, возможна регулировка задержки вентилей, то можно реализовать возможность управления величиной данного произведения с такими же свойствами. Приведенные выше рассуждения могут быть представлены в виде компромисса между выделяемой мощностью и временной задержкой. В зависимости от предъявляемых требований прикладного характера соответствующая КМОП технология может быть реализована с помощью выбора напряжения питания и порогового напряжения.

1.2. Энергия переключения и рассеиваемая мощность

Переключение КМОП инвертора или другого логического элемента в общем случае сопровождается потреблением определенного количества энергии от источника питания. В то время как пиковая мощность рассеяния в КМОП инверторе может достигать значений или ^^ средняя мощ-

ность рассеяния зависит от того, как часто происходят переключения [1]. В КМОП процессорах переключения логических устройств контролируется тактовым генератором с частотой / (тактовая частота). Если в среднем полная эквивалентная емкость С заряжается и разряжается в течение тактового времени с периодом Т = 1/£ тогда средняя мощность рассеяния в пренебрежении перекрестными

токами представляется выражением: Pac = CU2ddf. Максимальное значение тактовой частоты обратно пропорционально временной задержке т. Ясно, что наиболее эффективным способом уменьшения мощности диссипации является уменьшение напряжения питания. Этот путь оправдан для маломощной электроники, где мощность диссипации представляет собой основную цель. Для высокопроизводительных цифровых схем необходимо т

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком