4. Краткие теоретические сведения
Качественные показатели современной электронной аппаратуры определяются, в основном, уровнем интеграции цифровых интегральных схем (ЦИС), а также свойствами примененных в них транзисторных ключей, которые образуют основу логических элементов, ячеек и регистров памяти и других функциональных узлов ЦИС.
Одним из главных параметров ключей ЦИС является средняя потребляемая мощность
Р = (P0 + Р1)/2, (1)
где P0 – потребляемая мощность в состоянии 0 (низкий уровень выходного напряжения), P1 – потребляемая мощность в состоянии 1 (высокий уровень). Параметр Р определяет предельное количество ключей в ЦИС и ее степень интеграции. Из-за опасности перегрева потребляемая ЦИС мощность (она же – мощность Pрасс, рассеиваемая в виде тепла) обычно не превышает нескольких десятков Вт даже при принудительном теплоотводе.
Другим важнейшим параметром ключей ЦИС является среднее время переключения
t = (t01 + t10)/2 , (2)
где t01 – время изменения состояния 0 в состояние 1, t10 – время изменения состояния 1 в состояние 0. Эти времена измеряются в реальных условиях на входе и на выходе, когда источником сигнала и нагрузкой являются другие такие же ключи.
Среднее время переключения определяет скорость передачи сигнала в последовательных цепочках ключей, характерных для ЦИС. С этим связано другое название параметра – «среднее время задержки распространения сигнала». Очевидно, что параметр t определяет быстродействие ЦИС и цифровой электронной аппаратуры в целом. Но ни сама по себе малая потребляемая мощность ключей (при невысоком быстродействии), ни высокое быстродействие (при недостаточно малой потребляемой мощности) не позволяют построить ЦИС с высокими качественными показателями. Поэтому качество ключей лучше всего характеризует комплексный критерий качества – средняя работа переключения P х t = Pt. К началу 80-х годов был достигнут уровень Pt порядка 100 пДж, к началу 90х – 1 пДж, в настоящее время уже превзойдён уровень Pt 0,01 пДж. Благодаря этим достижениям появились такие сверхбольшие ЦИС, как многоядерные процессоры компьютеров, содержащие миллиарды транзисторов.
Если предположить, что в ЦИС происходит изменение состояния всех m КМДП-ключей на каждом периоде тактовой частоты f , то рассеиваемая в виде тепла мощность составит величину
Ppacc = mf P t . (3)
Поэтому, не уменьшая количество ключей ЦИС и тактовую частоту, при ограниченном выделении тепла, совершенствовать ЦИС можно, только уменьшая Pt.
Уменьшение Pt достигается, прежде всего, сокращением размеров транзисторов. При уменьшении площади полевого МДП-транзистора уменьшаются его междуэлектродные емкости, а также барьерная емкость перехода транзистор-подложка. При уменьшении площади р-n переходов биполярного транзистора уменьшаются его барьерные емкости, а также барьерная емкость перехода коллектор-подложка. Все эти емкости, требующие времени на заряд и разряд в процессе работы ключей, ограничивают их быстродействие. Поэтому важнейшим технологическим параметром является минимальный топологический размер w, т.е. минимальный размер частей транзисторов, при котором еще обеспечиваются необходимые их характеристики и который может быть получен на предприятии – изготовителе. У большинства типов транзисторных ключей в процессе их переключения указанные емкости заряжаются и разряжаются с перепадом напряжения, близким к напряжению источника питания U. Таким образом, каждое изменение состояния сопровождается превращением в тепло энергии CU2/2, где С – суммарная емкость ключа, т.е. общая емкость транзисторов и соединений, приходящихся на один ключ. При этом полное переключение, т.е. изменение состояния и возврат в исходное состояние приводит к удвоенной величине CU2. Этот минимум достижим только в КМДП-ключах.
Схема КМДП – ключа приведена на рис. 1. Здесь ёмкость С условно отображает суммарную ёмкость ключа. В МДП-транзисторах, в зависимости от знака и величины напряжения на затворе, полупроводник под затвором может обогащаться или обедняться подвижными носителями заряда. При напряжении по модулю больше порогового Uо тип проводимости изменяется на противоположный и образуется канал – слой полупроводника, по которому может протекать ток от истока к стоку. Комплементарной называют такую пару МДП-транзисторов, в одном из которых образуется канал n-типа при положительном, а в другом – канал р-типа при отрицательном напряжении на затворе, рис. 2.
Рис. 1
Рис. 2
Так как затворы транзисторов соединены и образуют вход, входное напряжение открывает только n-канальный или только р-канальный транзистор. При 1 на входе (высокий потенциал) канал существует только в n-канальном, а при 0 на входе только в р-канальном МДП-транзисторе. Поэтому один из транзисторов всегда закрыт, и в обоих статических состояниях ток от источника не потребляется. Расход энергии и выделение тепла возникают только при изменениях состояния, чем и объясняется исключительно низкое энергопотребление и повсеместное применение КМДП-ключей в современной электронике. Следует помнить, что в емкости энергия не расходуется – она накапливается в ней при заряде, когда открывается р-канальный транзистор и возвращается при разряде через открывшийся n-канальный транзистор. Токи заряда и разряда протекают через каналы транзисторов, обладающие активным сопротивлением, где и выделяется тепло. Следовательно, для КМДП-ключа
Pt = CU2. (4)
Соотношение (4) объясняет обе основные тенденции в разработке ЦИС – стремление к уменьшению минимального топологического размера w и, следовательно, ёмкости и к уменьшению напряжения источника питания. В настоящее время фотолитография обеспечивает w уже менее 10 нм, а напряжение источника питания ЦИС может составлять менее 1 В.