IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

  Аннотация

Данная статья является обзором литературы, посвящённой методам снижения потребляемой мощности в КМДП микросхемах. Было сделано предположение, что, уменьшая токи утечки в транзисторах, можно добиться не только снижения потребляемой мощности, но и увеличения стойкости ИС к воздействию отдельных космических частиц. В обзоре были рассмотрены  причины возникновения токов утечки в транзисторах; эффекты, возникающие при  попадании отдельной частицы в транзистор; были перечислены методы увеличения радиационной стойкости и уменьшения потребляемой мощности.

Введение

Рост степени интеграции связан с уменьшением проектных норм при создании интегральных схем (ИС). Рост числа транзисторов в ИС приводит к увеличению потребляемой мощности, что делает этот параметр одним из критических в современных системах. Уменьшение проектных норм приводит к ряду проблем, главными из которых являются: увеличение токов утечки между истоком и затвором, между стоком и затвором и между затвором и подложкой, уменьшение подвижности носителей заряда в канале транзистора, экспоненциальный рост токов утечки между стоком и истоком и др.

Потребляемую мощность всегда необходимо учитывать, в частности при проектировании различных систем, включая применяемых в аэрокосмической технике, подвергающихся воздействию космического радиационного излучения, в том числе одиночных ядерных частиц, результатами которого являются одиночные и многократные сбои. В ИС отказы при воздействии радиации часто происходят из-за роста тока потребления. Уменьшая утечки в транзисторах, можно добиться уменьшения тока потребления, что, в свою очередь, приведёт к снижению потребляемой мощности.

Отсюда можно сделать предположение, что методы снижения потребляемой мощности при уменьшении проектных норм будут способствовать уменьшению токов потребления, возникающих при воздействии космических частиц. Поэтому исследование методов снижения потребляемой мощности и их влияния на изменение устойчивости ИС к воздействию космического излучения является актуальной задачей при разработке аэрокосмических электронных систем новых поколений.

Предлагаемая работа представляет собой обзор литературы, посвящённой методам снижения потребляемой мощности в КМДП микросхемах.

1. Потребляемая мощность и токи утечки.

Существует две составляющих потребляемой мощности: статическая и динамическая.

Статическая потребляемая мощность обусловлена:

• Током в подпороговой области, протекающим от стока к истоку.
• Туннельным током через слой диэлектрика под затвором.
• Токами обратно смещенных pn-переходов.
• GIDL-эффектом (Gate-Induced Drain Leakage) и GISL-эффектом (Gate-Induced Source Leakage).
• Проколом между стоком и истоком.

При напряжении на затворе МДП-транзистора ниже порогового напряжения, транзистор находится в области слабой инверсии или в области отсечки. Когда прикладывается напряжение затвор-исток меньше порогового напряжения, в приповерхностной области возникает ток.

При малой толщине диэлектрика под затвором электроны могут туннелировать через слой диэлектрика. Туннельные токи становятся важными для транзисторов, выполненных по проектной норме 130 нм с толщиной оксидного слоя 2 нм и тоньше.

Токи утечки обратно смещённых pn-переходов вызваны тепловой генерацией носителей заряда в обеднённой области.

В режиме, при котором напряжение на затворе n-канального транзистора соответствует уровню логического нуля (p-канального - уровню логической единицы), а на стоке - максимально, область стока под перекрытием затвор-сток обедняется электронами. Так как область стока сильно легирована, область обеднения имеет ширину, достаточную для возникновения туннелирования электронов из валентной зоны в зону проводимости стока. Это приводит к возникновению тока утечки между стоком и подложкой, который индуцирован затвором. Аналогичный эффект возникает между истоком и подложкой.

Если МДП-транзистор заперт, а напряжение на его стоке возрастает, то область пространственного заряда стока распространяется в сторону истока. Поскольку концентрация примеси в канале обычно выше, чем в подложке, в глубине структуры область пространственного заряда оказывается шире, чем в области канала, и может достичь истока. При этом исчезает потенциальный барьер между истоком и стоком и появляется прямой ток стока, не управляемый напряжением на затворе.

Динамическая потребляемая мощность  в КМДП схемах обусловлена:

• Зарядом и разрядом емкостных нагрузок.
• Сквозным током между группами транзисторов р- и n-типа в электронных схемах.

В КМДП схемах мощность расходуется на заряд различных емкостей (емкостей затвора, соединений, стока и истока) при переключении транзисторов из одного состояния в другое.

Во время переключения n-МДП и p-МДП транзисторов из одного состояния в другое, они на небольшое время оказываются оба открытыми, и ток течёт от источника питания к земле.

Уменьшение проектных норм приводит к изменению соотношения между статической и динамической мощностью: относительная величина статической мощности возрастает за счёт роста токов утечки.

2. Эффекты, возникающие под действием космического излучения.

В таблице 1 представлены основные эффекты, возникающие в ИС при космическом излучении.

Таблица 1.

Тип эф­фекта	Эффект	Обозначение	Расшифровка обозначения	Описание
Катастро­фический	Вторичный пробой	SEB	Single Event Burnout	Вторичный пробой pn-пере­хода, приводящий к его разрушению
	«Прокол диэлектрика»	SEGR	Single Event Gate Rupture	Пробой подзатворного ди­электрика вдоль трека ядер­ной частицы
	Одиночное повреж­дение бита	SED	Single Event Disturb	Изменение информации, хранящейся в бите
Функцио­нальный	Тиристорный эффект	SEL	Single Event Latch-up	Включение паразитной четырёх­слойной pnpn-структуры, приводящее к резкому увеличению тока в цепи питания
	Одиночное функциональ­ное прерыва­ние	SEFI	Single Event Functional Interrupt	Изменение логического состоя­ния ячейки памяти илирегистра управления, приводящее к нарушению хода выполнения программы
Остаточ­ный	Одиночный сбой	SEU	Single Event Upset	Изменение логического состояния ячейки памяти или триггера
	Многократ­ные сбои	MBU	Multiple Bit Upset	Изменение логического состояния нескольких соседних ячеек памяти или регистров
Кратко­времен­ный	«Иголка»	DSET	Digital Single Event Transient	Кратковременный импульс на выходе элемента в цифровой ИС
		ASET	Analog Single Event Transient	Кратковременный импульс на выходе элемента в аналоговой ИС

Наиболее критичными из них являются:

• Одиночные сбои.
• Тиристорный эффект.
• Кратковременные импульсы на выходе элементов в ИС («иголки»).

При воздействии отдельных космических частиц возникают следующие явления:

• SEE - Single Event Effect -одиночные события.
• SHE - Single Hard Error - отказ переключения состояния в ячейках памяти, в том числе деструктивный.
• SEU - Single Event Upset - изменение логического состояния запоминающего элемента.
• SEL - Single Event Latch-Up - включение паразитной четырёхслойной pnpn-структуры (тиристора), приводящее к резкому увеличению тока в цепи питания.
• SEB - Single Event Burnout - SEL, приводящая к разрушению структуры.
• SEGR - Single Event Gate Rupture - пробой подзатворного диэлектрика.

Одиночный сбой SEU является наиболее распространенным и наименее опасным последствием ионизирующего воздействия. С уменьшением проектных норм повышается чувствительность элементов к воздействию отдельной частицы. Одиночные сбои переключения характерны для элементов СБИС: триггеров, регистров, ОЗУ, ПЛИС и другие. Элемент СБИС может воспринимать импульс, вызванный попаданием частицы, как сигнал данных, причём ложный сигнал может достигнуть памяти и изменить данные, хранящиеся в ней, что является недопустимым.

Тиристорный эффект SEL более опасен, чем одиночный сбой SEU, т.к. при его возникновении возможно выгорание ИС. По мере уменьшения проектных  норм, чувствительность ИС увеличивается. В случае большого входного напряжения паразитная структура переходит во включенное состояние, из-за чего по паразитному тиристору начинает протекать ток. Из-за этого между стоком и истоком транзистора возникает область с низким сопротивлением. Протекающий по этой области высокий ток нагревает устройство и может вывести его из строя.

3. Методы снижения потребляемой мощности и повышения радиационной стойкости.

На сегодняшний день применяются следующие методы повышения радиационной стойкости ИС к воздействию ядерных частиц:

• Конструктивно-технологические;
• Схемотехнические;
• Алгоритмические и программные.

К конструктивно-технологическим методам относятся использование защитных свойств материалов, использование новых материалов и изменение технологических процессов изготовления ИС. Примерами этих методов являются:

• Технология SOI (Silicon On Insulator - Кремний На Изоляторе);
• Технология DNW (Deep N-Well - Глубокий N-карман) - используется для борьбы с SEL;
• Охранные кольца.

Схемотехническими методами является использование новых схемотехнических решений, позволяющих ослабить или полностью подавить эффекты от воздействия ядерных частиц. Одним из примеров данного метода является использование многофазной логики в ИС.

Алгоритмические и программные методы позволяют осуществить детектирование, локализацию и восстановление данных при однократном функциональном сбое. Главным примером этого метода является помехоустойчивое кодирование, включающее в себя блочные коды (коды Хемминга), циклические коды (код Боуза-Чоудхури-Хоквингема) и свёрточные коды, использующие алгоритм Витерби.

Методы понижения динамической потребляемой мощности:

• Уменьшение действующего напряжения, тактовой частоты и нагрузочной ёмкости.
• Использование нескольких источников напряжения.
• Использование принципа распараллеливания.
• Устранение аппаратных сбоев, исправление ложных сигналов.
• Использование средств управления синхросигналами.
• Кодирование шин (уменьшение ёмкости переключения шин).
• Использование принципа разделения магистралей.

Способы уменьшения статической мощности:

• Снижение и/или выключение напряжения питания.
• Динамическое изменение длины затвора (увеличение длины затвора в определённые моменты времени).
• Формирование многоуровневой структуры транзистора.
• Использование транзисторов с несколькими пороговыми напряжениями.
• Смещение напряжения подложки: (для n-МДП транзистора) и (для p-МДП транзистора) в режиме ожидания.
  

Вывод

Анализ причин увеличения потребляемой мощности и причин возникновения SEE эффектов, перечисленных в частях 1 и 2, позволяет предположить, что уменьшение токов утечки транзисторов уменьшит токи потребления транзисторов, и, следовательно, уменьшит потребляемую мощность и вероятность возникновения одного из SEE эффектов.

В последующих работах будет проведено исследование, подтверждающее или опровергающее выдвинутое в данном обзоре предположение.

Список литературы

• 1. Piguet C. Low-Power Electronics Design. - CRC Press, 2004. - 912 p.
• 2. Macii E. Ultra Low-Power Electronics and Design. - New York: Springer, 2004. - 280p.
• 3. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 2004. - 320 с.

Код для цитирования: Скопировать