Статическая рассеиваемая мощность.

Статическая мощность в КМОП БИС рассеивается тогда, когда логический элемент находится в некотором фиксированном состоянии («0» или «1»), и ее величина определяется значением токов утечек канала МОП транзистора, обратных токов p – n-переходов и нагрузочными токами.

К статическому энергопотребелению относятся: подпороговые токи утечки из истока в сток за счет надбарьерного активационного переноса носителей между стоком и истоком; туннельные токи утечки через ультратонкий (~ 1 нм) подзатворный окисел; межзонные туннельные токи утечки через p – n-переход стока в подложку.

Наиболее важными механизмами токов утечек в современных транзисторах являются:

–ток обратносмещенного p –n-перехода стока I₁,

–подпороговый ток I₂,

–туннельный ток из затвора I₃,

–ток затвора из-за инжекции горячих носителей I₄,

–ток утечки стока, индуцированный затвором I₅.

Рисунок 5.10– Механизмы токов утечки в современных МОП транзисторах объемной технологии

Токи I₂, I₅ – утечки, существенные только в закрытом состоянии, I₁, I₃– играют важную роль и в закрытом, и в открытом состояниях. Ток I₄может присутствовать в закрытом состоянии, но наиболее характерен для открытого состояния.

Роль различных механизмов утечки менялась по мере развития технологии. В технологиях с длиной канала 1 мкм преобладали токи обратносмещенного p – n-перехода, для длин канала ~0,5 мкм – подпороговые токи между стоком и истоком. Для технологий с технологической нормой менее 100 нм преобладает туннельный ток через тонкий подзатворный окисел.

Прямое туннелирование через прямоугольный барьер подзатворного окисла n-МОП транзистора соответствует переходу электронов из зоны проводимости (или из валентной зоны) кремния непосредственно в затвор. Этот ток существенен только для малых толщин подзатворных окислов (< 3 – 4 нм), типичных для современных приборов. При такой толщине барьера туннельный ток заметен даже при малых электрических полях в окисле и малых смещениях на затворе.

При прямом туннелировании ток пропорционален вероятности туннелирования , которая определяется как

где - эффективная длина, характеризующая вероятность туннелирования; ~3,1 эВ – эффективная высота потенциального барьера, разделяющая кремниевую подложку и затвор.

При сильных электрических полях в окисле трапециевидный потенциальный барьер вырождается в треугольный, что приводит к увеличению вероятности туннелирования из зоны проводимости кремния непосредственно в зону проводимости SiO₂.

Такое происходит при электрических полях, больших некоторого критического поля E_ок.кр, при которых падение потенциала в окисле U_ок превосходит высоту барьера между зоной проводимости Si и SiO₂.

Измеряемый ток Фаулера – Нордгейма невелик даже при очень больших полях (~ 5-10^-7А/см²при поле 8 МВ/см). Поэтому в нормальном режиме работы транзисторов им можно всегда пренебрегать.

Если обе стороны p – n-перехода сток-подложка достаточно сильнолегированы, то при обратном смещении перехода создаются условия для прямого туннелирования между валентной зоной стока и зоной проводимости p – подложки(ток I₁, рис. 5.10). Выражение для плотности туннельного тока зона-зона имеет тот же вид, что и для тока туннельного пробоя p – n-перехода. Туннельный ток утечки через обратносмещенный p – n-переход стока ставит верхний предел легирования подложки ~10¹⁸ см^-3.

Подпороговый ток утечки обусловлен термоактивационным перебросом носителей из истока в сток (ток I₂, рис. 5.10).

Подпороговый ток утечки определяется как подпороговый ток транзистора при нулевом затворном напряжении. Выбор порогового напряжения обусловлен компромиссом между потреблением мощности и быстродействием. Для быстродействующих схем, где необходимо использование максимальных рабочих токов, порог выбирается на уровне 15-20% U_c. Для маломощных схем, где важно минимизировать ток в закрытом состоянии, пороговое напряжение выбирается на уровне 40-50% U_c.

Эффективная туннельная проницаемость подзатворного окисла сильно зависит от величины электрического поля в окисле. Наибольшее электрическое поле в окисле сосредоточено в области между затвором и стоком, для случая, когда на сток подано большое напряжение U_ск>>U_пор, близкое к напряжению питания U_c, а на затвор близкое к нулю, поскольку в этой области максимальна разность потенциалов между двумя электродами.

Между затвором и стоком появляется большая (порядка напряжения питания U_c) разность потенциалов и возникает сильное электрическое поле в окисле. Это приводит к тому, что в области перекрытия стока затвором реализуется режим глубокого обеднения. Если изгиб зон на поверхности q _s превысит величину ~ 1,12 эВ, равную ширине запрещенной зоны кремния, возникает режим инверсии и появляется возможность прямого туннелирования электронов из валентной зоны в зону проводимости (ток I₅, рис. 5.10).

Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости означает генерацию электронно-дырочных пар. При этом электроны движутся к электроду стока, а дырки уходят в подложку.

Для приблизительной оценки величины мощности, рассеиваемой вследствие токов утечки, можно использовать следующее упрощенное выражение:

,

(5.4)

где - напряжение питания, - число транзисторов, - эмпирический коэффициент, учитывающий особенности применяемой технологии, - суммарный ток утечки одного транзистора.