Рассеивание мощности в динамических КМОП БИС

В отличие от статических КМОП БИС, в динамических схемах во время переключения элементов БИС происходит перераспределение сетевого заряда, запасенного на всех емкостях узла. Переходные токи протекают от одного «плавающего» узла схемы в другой через открытые МОП транзисторы и конечно, при этом рассеивается мощность. Рассмотрим пример схемы на рис.5.13. На стадии включения узел U₀ разряжается от значения U_c до уровня U_c - ∆U. Во время стадии переключения заряд снова заряжается от U_c - ∆U до U_c. Разряд узла V₀ происходит как результат заряда, разделенного с узлом V_int через открытый МОП транзистор (через вход А). Оба узла U₀ и U_м являются«плавающими» из-за отсутствия прямого проводящего тракта на вывод земли или U_c.

Допуская, что U_м ≤ U_c-U_п (так, что для МОП транзистора со входом А инвертора обеспечивается проводящее состояние) будем иметь:

U_см - ∆U- U_м.

Так как в начале стадии включения конденсатор С_м равен заряду, отдаваемому С_н.

Поэтому будет справедливо следующее выражение:

(5.13)

Рисунок 5.13– Разделение накопительного заряда в динамических МОП БИС

Энергия, передаваемая во время полного цикла, переключения инвертора из «1» в «0» и обратно Е₁₀₁, определяется выражением:

(5.14)

Отдельно рассмотрим важные для практического применения особенности учета влияния емкости нагрузки на величину динамической мощности рассеивания. Как можно видеть из (5.14), величина рассеяния мощности КМОП-инвертором прямо пропорциональна емкости нагрузки. Кроме мощных инверторов, которые обычно являются встроенными на кристалле выходными буферами, предназначенными для управления функциями входа и выхода кристалла, а также для передачи сигнала через межсоединения БИС на оборудование нагрузочных печатных плат, все вентили БИС внутри кристалла только управляют другими такими же вентилями посредством внутрикристальных соединений. Емкость нагрузки такого базового вентиля включает ряд паразитных компонент.

Обычно в схемотехнических расчетах общая емкость нагрузки моделируется как параллельная комбинация четырех емкостей – емкости затвора С_з, емкости перекрытия С_п диффузионной емкости С_диф и емкости межсоединения С_м. Емкость затвора является самой большой из четырех компонент. В свою очередь она эквивалентна трем конденсаторам, включенным параллельно: «затвор – сток/исток» и «затвор – подложка».

Поскольку значение емкостей существенно влияет на величину рассеиваемой инвертором мощности, рассмотрим кратко особенности этих емкостей – емкости перекрытия, диффузионной емкости и емкости межсоединений. Емкость перекрытия образуется из-за нежелательного бокового ухода примеси стока и истока в область канала непосредственно под затвором (рис.5.14). Емкость перекрытия «затвор-сток» предыдущего инвертора управления должна учитываться в дополнение к последующему нагрузочному инвертору. Из-за известного эффекта Миллера емкости перекрытия затвор-сток управляющего инвертора имеют большие значения, чем у инвертора нагрузки аналогичной площади. Емкости перекрытия «затвор-сток» МОП-транзисторов для инвертора управления имеют вид:

,

(5.15)

где С₀ – удельная емкость затвора,

d – ширина подзатворного диэлектрика,

W – сумма ширины каналом n-МОП и p-МОП транзисторов.

Емкости «затвор – исток/сток» в МОП-транзистора в нагрузочном инверторе обычно задаются как

Рисунок 5.14– Емкости перекрытия полевого МОП транзистора. 1 – исток; 2 – сток; 3 – поликремниевый затвор; 4 – перекрытие объема затвора

Суммарная емкость перекрытия является суммой всех вышеуказанных.«Общая» диффузионная емкость КМОП инвертора представляет собой сумму диффузионных емкостей МОП транзистора, в свою очередь, состоит из двух компонентов: емкости области «донной» части и емкости «боковой» части.

Выражением для оценки величины емкости «боковой» части учитывает вклад каждой из четырех боковых стенок и может быть записано в следующем виде:

.

(5.17)

где и - это емкости сторон затвора и изоляции на единицу ширины затвора, причем зависит от типа изоляции и имеет высокое значение для LOCOS и очень низкое для изоляции неглубокой канавкой (STI).

Что касается емкости металлизации межсоединений современных БИС, то привести какое-то одно выражение или формулу для его оценки конечно нельзя, ввиду чрезвычайной сложности задачи и многообразия конкретных изделий. Так как проектные нормы продолжают непрерывно уменьшаться, соответственно уменьшается ширина металлизации и промежуток между соединениями. Малая толщина окисла, уменьшение толщины пластин, усиление емкостных связей между металлом и подложкой, эффекты краевого поля и связи между соседними проводниками – далеко не полный перечень проблем в этой области.

Взаимная емкостная связь между проводниками межсоединений и между каждым проводником и подложкой кристалла носит сложный характер. В то время, как емкость взаимной связи проводников снижается при уменьшении проектных норм, вторая компонента емкости линейно увеличивается. В результате, суммарная величина емкости межсоединений вначале снижается при ужесточении проектных норм, а затем падает. Тем не менее, современные пакеты программного обеспечения САПР БИС позволяют достаточно точно учитывать все эти эффекты при конструировании конкретных БИС.