ЭБНЭ_full

К статическому энергопотреблению относятся: подпороговые токи утечки из истока в сток за счет надбарьерного активационного переноса носителей между стоком и истоком; туннельные токи утечки через ультратонкий (~ 1нм) подзатворный окисел;

межзонные туннельные токи утечки через рn-переход стока в подложку (GIDL).

1. Ток обратносмещенного pn-перехода стока

I1;

2.Подпороговый ток I2;

3.Туннельный ток из затвора I3;

4.Ток затвора из-за инжекции горячих носителей I4;

5.GIDL I5 (Ток утечки стока, индуцируемый напряжением на затворе);

6.Прокол или смыкание ОПЗ истоков и стоков

I6.

I2, I5, I6 − утечки, существенные только в закрытом состоянии (off)

I1, I3 − играют важную роль и в закрытом, и в открытом состоянии (on/off).

I4 может присутствовать в закрытом состоянии, но наиболее характерен для открытого состояния.

Прямое туннелированиечерез подзатворныйокисел

Прямое туннелирование через подзатворный диэлектрик n-МОПТ

соответствует переходу электронов из зоны проводимости (а может быть и из валентной зоны) кремния непосредственно в затвор (зону проводимости сильнолегированного поликремния или полузаполненную зону металла).

Ток прямого туннелирования из затвора в

кремний существенен только для малых толщин подзатворных окислов (< 3…4 нм). При такой толщине барьера туннельный ток заметен даже при малых электрических полях в окисле и малых смещениях на затворе.

Вероятность туннелирования через прямоугольный барьер

P ~ exp 2 2mox U dox exp dox

Туннельный механизм, который слабо зависит от температуры, особенно важен при относительно низкой температуре, когда остальные механизмы утечек подавлены.

Вероятность туннелирования многократно увеличивается, если в окисле есть разрешенное состояние любой природы (атом примеси, дефект любой природы, нарушениеструктурырешетки с болтающимися связями).

Считается, что допустим такой уровень туннельных токов утечки, при которых они существенно меньше рабочих токов стока, что соответствует плотности туннельных токов 1-10А/см2 или даже 100А/см2, хотя при этом туннельные токи будут составлять заметную долю от общего энергопотребления.

Подпороговый ток I2

Подпороговые токи утечки обусловлены термоактивационным перебросом носителей из истока в сток. Иными словами, их причина состоит в том, что плотность носителей в канале даже в глубоком обеднении отлична от нуля. Максимальные подпороговые токи утечки определяются током насыщения МОП транзистора в закрытом подпороговом режиме. Зависимость подпорогового тока от затворного напряжения имеет вид

На величину подпорогового тока оказывают влияние следующие факторы:

1)DIBL– эффект

2)эффект подложки

3)узкоканальныйэффект

4)короткоканальныйэффект.

Подпороговый ток I2

Подпороговые токи утечки определяются как подпороговый ток транзистора при нулевом затворном напряжении. Как видно из формулы, подпороговые токи утечки определяются, главным образом, значением величин в показателе экспоненты. Это касается величины порогового напряжения и фактора неидеальности, связанного с подпороговым размахом затворного напряжения на декаду.

Выбор порогового напряжения определяется компромиссом между потреблением и быстродействием. Для быстродействующих схем, где необходимо использование максимальных рабочих токов, порог выбирается на уровне 15-20% от VDD . Для маломощных схем, где важно минимизировать ток в закрытом состоянии IOFF , пороговое

напряжение выбирается на уровне 40-50% от VDD .

В приборах с длиной канала менее 10 нм перенос электронов от истока к носит баллистический характер. При этом наряду с надбарьерным термоактивационным током приобретает большое значение туннельный ток непосредственно сквозь барьер между стоком и истоком. С уменьшением длины канала туннельный ток резко возрастает и становится основным компонентом тока в выключенном состоянии. Этот механизм устанавливает фундаментальный предел масштабирования электрической длины канала МОПТ, когда этот ток становится доминирующим (при Leff <~8нм).

Ограничения по поверхностная плотность рассеиваемой мощности (pS)

Мощность, потребляемая таким ЛЭ, пропорциональна частотепереключения f и емкости нагрузки Cн

P= Cн f VD2,

гдеVD ‒ напряжение источника питания логического элемента.

Емкость нагрузки ЛЭ составляет ~10−15 Ф и при частоте переключения ~109 Гц мощность, приходящаяна один ЛЭ при напряжении ~ 5 В, составит 25 мкВт.В чипе современных микропроцессоров размещается 107…108 ЛЭ, поэтому мощность, рассеиваемая при работе процессора, составляет 80…100 Вт.

Достижимый сегодня теплоотвод с единицы площадичипа составляет ~ 400 Вт/см2.

Максимально отводимая мощность от кристалла

В 2016г. ITRS прогнозирует, что поверхностная плотность рассеиваемой мощности составит ~ 93 Вт/см2. Оценки показывают, что максимально возможный отвод тепла соответствует нескольким сотням ватт на сантиметр квадратный (при водяном охлаждении)

Характерные мощности тепловыхпотоков