Вводый курс цифровой электроники (К.Фрике, 2003)

Дополнение

Этот процесс диссипации энергии, поставляемой источником пи­ тания неизбежно происходит во всех типах вентилей, представлен­ ных в классификационной диаграмме на рис. Д.2.1. Количество диссипированной и термализованной энергии тем не менее существенно различно р^ля разных типов вентилей. Почему термолизация энер­ гии неизбежна в цифровых системах, построенных на электронных схемах из традиционных управляемых переключателях, традицион­ ных электронных компонентах (резисторах, конденсаторах, диодах и т.п.). Ответ прост. Электронные компоненты являются «неиде­ альными». Их шунтируют паразитные сопротивления утечки. Пара­ зитные сопротивления включаются и последовательно с «идеальны­ ми» элементами. Сопротивления утечки включены последовательно и/или параллельно конденсаторам, диодам и, конечно, переключа­ телям (транзисторам). Сопротивления утечки имеют большую ве­ личину (порядка 10^ — 10^^ Ом), но, тем не менее, они в значитель­ ной мере определяют энергетику цифровых устройств обработки информации, выполненных в виде ультра БИС.

Действительно, даже при Е'^ = 1 В ток утечки одного венти­ ля составляет величину Ц (10~^ — 10~^^) А, а в устройствах, вы­ полненных в виде ультра БИС, ток утечки будет равен Nli и при N = 10^ составляет (10~^ — 10^) А. Параллельные паразитные сопротивления утечки шунтируют электронно-дырочные переходы и диэлектрические области переключателей. Физические механиз­ мы, обуславливающие эти утечки тока определяются туннельным эффектом, термоэлектрической эмиссией, генерацией носителей в об­ ласти пространственного заряда и другими физическими эффектами.

Для различных переключателей-транзисторов эти эффекты бу­ дут рассмотрены в последующих разделах дополнения. Не вдаваясь пока в детали физических механизмов токов утечки, отметим, что их роль в энергетике производства информации постоянно возра­ стает при уменьшении геометрических размеров переключателей как топологических, так и структурных.

Параллельные паразитные сопротивления утечек электронно-ды­ рочных переходов определяются в значительной мере поверхност­ ными эффектами и плохо контролируемыми технологическими про­ цессами очистки поверхности. Величины сопротивлений утечки опре­ деляются достигнутым технологическим уровнем. Их можно умень­ шить, но полностью устранить невозможно.

Последовательные паразитные сопротивления представляют со­ бой сопротивления рабочих полупроводниковых областей компонен-

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

тов, контактов к ним и внутрисхемных соединений. При субмикрон­ ных размерах элементов и контактных окон к ним сопротивления становятся недопустимо большими.

Уменьшать же сопротивление этих областей путем увеличения уровня их легирования нельзя, поскольку практически предельные уровни концентрации примесей уже достигнуты (при больших кон­ центрациях наступает вырождение полупроводника, приводяш;ее к снижению подвижности носителей и ухудшению характеристик тран­ зистора).

Количество потребляемой энергии и скорость ее потребления (мош;ность) от источников питания являются главными энергети­ ческими характеристиками логических схем.

Обш;епринятым основным параметром, характеризуюш;им энер­ гетику логического вентиля является энергия единичного переключе­ ния VFo? приближенно определяемая как средняя энергия производ­ ства единицы информации приближенно задаваемая выражением:

И^о - Ртср,

где: Р — мош;ность вентиля; Гср — среднее время задержки пере­ ключения вентиля.

Энергия единичного переключения является величиной постоян­ ной р^ля вентиля определенного схемотехнического типа, конструк­ ции, физической структуры и технологии. Величина WQ определя­ ется только параметрами вентиля (величиной удельных значений паразитных емкостей и резисторов, геометрическими размерами и т.п.) и не зависит от режимов его работы.

Скорость потребления энергии от источника питания (мопщость Р) логического вентиля может варьироваться в широких пределах, но увеличение мош;ности неизбежно приводит к уменьшению величины Гср и наоборот, таким образом, эта величина энергии единичного переключения остается постоянной, то есть:

WQ — const.

Характеристика является объективной характеристикой совер­ шенства логического вентиля. И поэтому широко используется для сравнения технологий.

В обш;ем случае в традиционных интегральных цифровых устрой­ ствах с полной диссипацией энергии вся энергия, потребляемая от источников питания рассеивается на резистивных элементах элек­ тронной схемы, преврап];аясь в тепло.

Дополнение

Ц^ля них справедливо равенство выражения

N

г = 1

где Q — количество тепла, выделяемого кристаллом интегрального цифрового устройства за время t\

W^ — средняя энергия переключения г-того вентиля; fi — частота переключения г-того вентиля.

В подавляющем большинстве известных в настоящее время ло­ гических схем энергия расходуется полностью, что порождает од­ ну из важнейших проблем — обеспечение теплоотвода. Стабили­ зация температуры электронных устройств требует использования эффективных конструктивных средств. Это усложняет аппаратуру. Увеличивается ее вес и габариты, уменьшается эксплуатационная надежность. Для современной электроники, таким образом, пробле­ ма уменьшения энергии переключения вентиля становится пробле­ мой номер один. Острая необходимость решения этой проблемы сти­ мулирует поиск новых более энергетически эффективных решений и на уровне элементарных логических вентилей. Одним из возмож­ ных путей повышения энергетической эффективности является раз­ работка схемотехнических решений вентилей, в которых энергия, поставляемая источником питания, расходуется в процессе функ­ ционирования лишь частично превращаясь в тепло.

Идея создания логических вентилей и, соответственно, цифро­ вых устройств на их основе базируется на возвращении части энер­ гии, уже использованной для производства информации, обратно в источник энергопитания. Для подобных энергетически реверсив­ ных вентилей термализуется лишь часть энергии, а возвращаемая энергия определяется выражением:

N

г = 1

Для полностью диссипирующих вентилей v = 1^ для адиабатиче­ ских вентилей v — 0. На полностью адиабатические вентили практи­ чески не реализуемы, поэтому можно говорить об асимптотически адиабатических вентилях, для которых v -^ 0.

Основные идеи и подходы создания реверсивной логики будут изложены в последующих разделах.

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

Д.2.3. Скорость производства информации

Скорость производства информации на уровне логических венти­ лей определяется их схемотехнической организацией, топологией и, главным образом, быстродействием элементарных переключателейтранзисторов.

Быстродействие транзисторов, характеризующиеся временами переключения из открытого состояния в закрытое и наоборот, опре­ деляется принципом действия, физической структурой и топологи­ ческими размерами. В данном разделе будут рассмотрены принци­ пы функционирования основных типов переключателей и их прин­ ципиальные особенности.

На протяжении сорока пяти лет переключатели совершенствова­ лись. Этот процесс носит эволюционный характер — прежде всего уменьшаются размеры классических транзисторов и совершенству­ ются их физическая структура. Одновременно с этим процессом ведутся интенсивные поиски новых принципов функционирования, которые обеспечили бы более высокое быстродействие. В настоя- ш;ее время известно большое число транзисторов различных типов, разобраться с которыми удобно с помош;ью классификационной диа­ граммы, приведенной на рис. Д.2.4.

Первым классификационным признаком транзисторов как пере­ ключателей для цифровых схем являются принцип действия.

В транзисторах скоростные и усилительные свойства обеспечи­ ваются специфическими физическими процессами, явлениями и эф­ фектами, протекаюш;ими в монокристаллических и поликристалли­ ческих полупроводниковых материалах. В результате взаимодей­ ствия этих процессов и их определенной последовательности ока­ зывается возможным управлять величиной тока между токопроводяп];ими (управляемыми) электродами, посредством напряжения и/или тока на входном электроде. Причем малые величины входных воздействий позволяют управлять токами между токопроводяш;ими электродами в широком диапазоне.

Для обеспечения высокого быстродействия элементарных пере­ ключателей необходимо чтобы транзисторы были способны комму­ тировать возможно большие токи при возможно меньших управля­ ющих напряжениях.

Количественно это свойство транзистора как переключателяусилителя определяется параметром, называемым крутизной и пре-

д.2, Энергетика и скорость производства цифровой информации

сторов определяются характерными рабочими частотами. По прин­ ципу действия транзисторы подразделяются на два класса биполяр­ ные и униполярные.

В биполярных транзисторах под воздействием входных сигна­ лов протекают процессы инжекции неосновных носителей заряда, их рекомбинация с основными носителями в процессе дрейфа и диф­ фузии, коллектирование носителей заряда.

Эти процессы обуславливает перемещение и накопление электро­ нов и дырок в структуре биполярного транзистора, токи и потен­ циалы на внешних токопроводящих электродах транзисторов в за­ висимости от внешнего воздействия на управляюп1;ем электроде.

Особенностями биполярного транзистора как переключателя, вытекаюш;ими из его принципа действия, являются высокая величи­ на крутизны преобразования, малые величины сопротивления в от­ крытом состоянии и высокие значения сопротивления в закрытом состоянии.

Крутизна преобразования определяется следуюп];им выражением:

дивэ

где /к — ток коллектора, С/БЭ — напряжение между базой и эмит­ тером.

Высокая величина крутизны преобразования обусловлена про­ цессом инжекции неосновных зарядов, их дрейфом и диффузией, обуславливаюп];их близкие к единице значения коэффициента пере­ дачи тока и экспоненциальной зависимостью тока от входного на­ пряжения. Малые величины сопротивления между токопроводяш;и- ми электродами эмиттера и коллектора в открытом состоянии обу­ словлены, так называемым, режимом насыш;ения. В этом режиме сопротивление идеального биполярного транзистора равно нулю. В реальном же транзисторе это сопротивление определяется па­ разитным сопротивлением области коллектора. Поэтому открытый биполярный транзистор способен пропускать между электродами эмиттера и коллектора токи больших величин без суш;ественного па­ дения напряжения между ними. Такова позитивная сторона режима насыш;ения, специфического режима работы биполярного транзи­ стора. Негативная сторона режима насыш;ения заключается в том, что в этом режиме происходит накопление избыточного заряда нео­ сновных носителей. Этот избыточный заряд увеличивает время за­ крывания транзистора на величину времени его рассасывания.

Дополнение

Другими факторами, определяющими быстродействие биполяр­ ных транзисторов являются паразитные емкости.

В униполярных транзисторах, в отличие от биполярных, прин­ цип действия базируется на управлении входным воздействием (полем) потоком носителей одного знака или электронов, или дырок. Уни­ полярные транзисторы называются полевыми, причем последнее на­ звание используется чаще.

Ток в полевых транзисторах, поскольку они являются униполяр­ ными, переносится только основными носителями и паразитный эф­ фект накопления неосновных носителей в них отсутствует. За ис­ ключением полевых транзисторов с управляющим р-п переходом. Это первая особенность полевых транзисторов как переключате­ лей, вытекающая из физического принципа действия. Быстродей­ ствие полевых транзисторов определяется сопротивлением канала, прямо пропорциональным его длине и паразитными емкостями. От длины канала зависит также и величина крутизны преобразования, которая в данном случае определяется выражением:

Кпт — ди,.

/с — ток стока, ток между токопроводящими электродами стока и истока, С/зн — напряжение на управляющем электроде (затворе).

Вторым классификационным признаком можно принять струк­ туру транзистора. По данному принципу биполярные транзисторы подразделяются на гомо и гетеро структурные. Особенностью бипо­ лярных транзисторов, вытекающей из физической структуры, явля­ ется необходимость их изоляции друг от друга при использовании в составе интегральной схемы. Средства изоляции (обратносмещенный р~п переход, диэлектрические области и комбинации р-п пе­ реходов и диэлектриков) являются вспомогательными элементами конструкции, которые не определяют выполнение функций ключа, но требуют дополнительных затрат площади и вносят паразитные емкости, от которых зависит их быстродействие. Известны и широ­ ко используются в интегральных схемах цифровых устройств три типа изоляции: изоляция обратносмещенным р-п переходом, полная диэлектрическая и комбинированная (часть структуры изолируется диэлектриком, другая — р-п переходом).

Полевые транзисторы реализуются в трех структурных типах. Наи­ более пшроко распространенным типом является транзистор со струк­ турой «металл-окисел полупроводник» (МОП-транзистор). МОП-тран-

Д,2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

зистор имеет две структурные разновидности: со встроенным ка­ налом и индуцированным каналом.

Особенностью полевых транзисторов данного типа и обоих струк­ турных разновидностей является их самоизоляции от подложки и, следовательно, друг от друга при использовании в составе инте­ гральных схем цифровых устройств. Это свойство позволяет тра­ тить j ^ ^ размещения переключателей меньшую площадь поверхно­ сти кристалла по сравнению с биполярным транзистором.

Второй тип полевого транзистора — полевой транзистор с упра­ вляющим р-п переходом в структурном отношении занимает про­ межуточное положение между биполярным транзистором и полевым МОП-транзистором. Данный тип полевого транзистора имеет две структурные разновидности. Он может быть выполнен с горизон­ тальным или вертикальным встроенными каналами.

Третьим классификационным признаком транзисторов — пере­ ключателей является вид вольт-амперных характеристик (ВАХ). ВАХ бывает двух принципиально различных типов: нормально за­ крытого и нормально открытого. Транзисторы различных принци­ пов действия и различных структурных видов, которые закрыты при напряжении на управляющем электроде, равном нулю, является нормально закрытыми (ИЗ). Типичные ВАХ транзисторов НЗ типа приведены на рис. Д.2.5 и Д.2.6.

Р и с . д . 2 . 5 . ВАХ биполярных транзисторов.

К НЗ транзисторам относятся биполярные транзисторы, поле­ вые транзисторы с управляющим р-п переходом, МОП транзисто­ ры с индуцированным каналом и полевые транзисторы Шоттки. К транзисторам нормально открытого типа (НО) относятся поле­ вые транзисторы со встроенным каналом. Типичные ВАХ транзи­ сторов НО типа приведены на рис. Д.2.6.

Дополнение

Следствием принципиальных различий в НЗ и НО ВАХ являет­ ся то, что транзисторы как переключатели могут быть разделены на приборы, управляемые током и приборы, управляемые напряже­ нием. Это обстоятельство является очень важным с точки зрения энергетики производства информации. Дело в том, что отпирание переключателя НЗ типа неизбежно сопровождается потреблением тока и, следовательно, энергии по входной цепи (см. рис Д.2.5 и Д.2.6). В подавляющем большинстве переключателей эта энергия термализуется по мере потребления. Другое дело в переключателях НО типа. В этих приборах запирание производится путем подачи на управляюп1;ий электрод (затвор полевого транзистора) напряжения. В любом из известных типов НО элементарных переключателей — МОН транзисторов, НТШ и полевом транзисторе с управляюп];им р~- п-переходом ток по входной цепи не потребляется. Следовательно, не потребляется и энергия от источника питания.

Р и с . Д . 2 . 6 . ВАХ полевых транзисторов с управляющим переходом (ПТУП).

Энергия накапливается на входной емкости (емкости затвористок) транзистора. Важно подчеркнуть, не рассеивается по мере отпирания, как это имеет место в биполярных транзисторах, а на­ капливается. Это обстоятельство создает предпосылки для ее повтор­ ного использования при производстве информации (см. раздел Д.6).

Повышение скорости обработки цифровой информации, прежде всего, обязано совершенствованию структур.

Прогресс в области микроэлектроники в целом и в области ци­ фровой техники в частности на протяжении более пятидесяти лет обусловлен в основном за счет совершенствования транзисторов на базе развития технологии.

Совершенствование транзисторов ведется по следуюш;им стра­ тегическим направлениям. Первое — уменьшение геометрических

д.2, Энергетика и скорость производства цифровой информации

размеров классических типов транзисторов традиционных конструк­ ций. Уже более тридцати лет уменьшение топологических и струк­ турных размеров ведется путем простого масштабирования.

То есть одновременно с уменьшением длины канала полевого транзистора, размеров контактных окон и электродов к рабочим областям затвора, истока и стока уменьшается и толщина подзатворного диэлектрика и глубины залегания р-п переходов (или тол­ щины областей).

В биполярном транзисторе одновременно с уменьшением разме­ ров эмиттера, базы, коллектора и электродов к ним уменьшаются и глубины залегания р-п переходов эмиттер-база и коллектор-база.

Второе стратегическое направление — создание полной диэлек­ трической изоляции с целью уменьшения паразитных емкостей струк­ тур переключателей и разработка новых конструктивно-топологи­ ческих и структурных решений в рамках классических принципов действия.

Третье стратегическое направление — разработка новых пере­ ключателей на квантово-механических принципах функционирова­ ния на основе гетероструктур с нанометровыми размерами в рам­ ках полупроводниковой технологии.

И, наконец, четвертое направление — исследование возможно­ стей использования в качестве переключателей молекул, полимер­ ных и других материалов и структур, создаваемых на базе нанотехнологий.

Наиболее распространенной типовой конструкцией МОП-тран­ зистора является LjDi)-CTpyKTypa {Lightly Doped Drain)^ приведен­ ная на рис. Д.2.7. Параметры транзисторной структуры при раз­ личных проектных нормах приведены в табл. Д.2.1. Под проектной нормой обычно подразумевают минимальный топологический раз­ мер (контактного окна, длины канала или другого характерного элемента). Особенностью конструкции является наличие мелких сла­ болегированных областей п—типа, которые удлиняют области исто­ ка и стока в сторону канала. Концентрацию легирующей примеси в этих областях (фосфор и бор) и режимы ее разгонки выбирают та­ ким образом, чтобы получить плавный р-п переход. Обычно концен­ трация примеси составляет от 4 • 10^^ до 8 • 10^^ см~^. В п"^-областях она достигает (5 • 10^^ — 1 • 10^^ см~^). Наличие слаболегированных областей снижает напряженность электрического поля в канале на границе со стоком и уменьшает энергию горячих электронов, ко­ торые вызывают деградацию параметров транзистора. Слаболеги-