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溫度反演對下部節(jié)點的影響

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:嵌入式計算設(shè)計 ? 作者:嵌入式計算設(shè)計 ? 2022-11-23 15:57 ? 次閱讀

閾值電壓電子流經(jīng)通道所需的最小電壓。它用V表示千的場效應(yīng)管。此外,當導(dǎo)電通道剛準備連接到晶體管的源極和漏極觸點時,它是柵源電壓的值。這允許大量的電流流動。遷移率是測量載流子(電子或空穴)在電場存在下通過半導(dǎo)體的速度。半導(dǎo)體遷移率取決于雜質(zhì)濃度、溫度、電子和空穴濃度。遷移率是電場與導(dǎo)電材料中載流子的漂移速度之間的比例常數(shù)。取決于半導(dǎo)體晶體的質(zhì)量、晶體中雜質(zhì)的數(shù)量和溫度。

溫度對遷移率、閾值電壓的影響及其對 HVT 和 LVT 電池延遲的影響。

隨著溫度的升高,晶格振動增加,電子被晶格散射的概率增加。因此,在高溫下,遷移率受到聲子散射的限制

其中μ代表遷移率,VTH代表閾值電壓。1 ≤α ≥ 2

我D取決于遷移率 (μ) 和閾值電壓 (V千)。漏極電流由在給定溫度和電壓下影響它的系數(shù)決定。遷移率決定了高電源電壓(VDD)。

在較低的電源電壓 (VDD) 閾值電壓 ( VT) 影響并確定漏極電流。

閾值電壓

MOSFET 閾值電壓由下式給出[2];

poYBAGN90riAXTpLAAAdqqjReu8145.png

其中 VFB是?在帶電壓,γ是Si的體效應(yīng)參數(shù),是費米能量。MOSFET中的閾值電壓通常被建模為隨溫度升高線性降低。

最終漏極電流由兩個因素決定:閾值電壓( VT)和移動性(μ)。在給定溫度和電源電壓下影響漏極電流的因素。在高 V 下DD,遷移率(μ)決定漏極電流,但在低VDD時,閾值電壓決定漏極電流。

在高電源電壓下,較高的溫度會增加延遲。

在低電源電壓下,較高的溫度會降低延遲。

因此,延遲隨著溫度的升高而增加或減少,具體取決于電源電壓的大小(VDD)。

溫度反轉(zhuǎn)對電池延遲的影響

如前所述,遷移率和閾值電壓都隨著溫度的升高而降低。然而,它們對漏極電流的影響是相反的。

較低的遷移率可降低漏極電流。

較低的閾值電壓會導(dǎo)致(ID)漏極電流增加。

因此,可以說,隨著溫度的升高,電池的延遲會根據(jù)公式1中所述的電流(ID)變化而變化。

閾值電壓 (VTH) 降低,從而減少電池延遲。

遷移率降低導(dǎo)致細胞延遲增加。

閾值電壓(V千)和遷移率(μ)以占主導(dǎo)地位者為準,將決定小區(qū)延遲是上升還是下降。

情況 1:當 (VDD -V千)柵極過驅(qū)動電壓高,則由于溫度變化,閾值電壓的變化可以忽略不計(圖1[3])。閾值電壓變化對延遲的影響非常小。由于電池的延遲隨著溫度的升高而增加,遷移率效應(yīng)占主導(dǎo)地位。

pYYBAGN90r6AD5-HAABA7jdlBhE448.png

(圖1)

案例 2:當 VDD低,其值接近V千。在較低節(jié)點的閾值電壓(V千)并沒有降低太多,但電源電壓已大大降低,以降低漏電功率問題(圖2[4])。然后,閾值電壓變化V千對延遲有主要影響。

pYYBAGN90sWAAGfKAABmtDmY0cw056.png

(圖 2g

在較低的 VDD和更高的溫度,電池延遲值隨著VDDV的方法千。

表1和表2包含180nm和45nm電池的延遲,兩種不同的溫度(0°C和125°C),兩種不同的電源電壓(1.8和.8v)。它觀察到細胞的延遲增加。當 (VDD -V千)柵極,過驅(qū)動電壓高。然后,由于溫度變化不充分,閾值電壓的變化可以忽略不計。因此,閾值電壓變化的影響非常小,導(dǎo)致電池延遲變化很小。

如表1所示,由于電池溫度升高的延遲,遷移率效應(yīng)占主導(dǎo)地位。

當 VDD是低其值接近 V千。因此,在較低的節(jié)點上,閾值電壓(V千)沒有降低,但電源電壓降低了閾值電壓變化。

V千對延遲有主導(dǎo)作用,因此電池的延遲隨著溫度的升高而降低,如表2所示。

在 180 納米 CMOS 技術(shù)中,在標稱電源電壓 (V = 1.8 V) 下工作的電路的延遲隨溫度的變化[4]

poYBAGN90s2ADEsGAACpoDgEmHI137.png

(表1)

在 45 納米 CMOS 技術(shù)中,在標稱電源電壓 (V = 0.8 V) 下工作的電路的延遲隨溫度的變化 [4]

poYBAGN90tOAO8iNAACwphCF5hQ068.png

(表2)

根據(jù)在16nm上進行的實驗結(jié)果

在較低的電源電壓下,溫度反轉(zhuǎn)效應(yīng)在較高的Vt電池上更為突出。

對高VTH電池響應(yīng)溫度反轉(zhuǎn)的效果更有效。SVT沒有太大變化,LVT變化最小,如表3所示,在16nm技術(shù)節(jié)點上完成。

延遲隨溫度變化 125,在 16 NM 技術(shù)中以標稱電源電壓 (V = 0.8 V) 工作

poYBAGN90tqAKmohAADS7V9YR84440.png

(表3)

觀察

在技術(shù)較低的節(jié)點中,電源電壓較低,并且可以看到溫度反轉(zhuǎn)的影響。從上面的實驗中可以看出,顯示細胞延遲隨著溫度的升高而降低。因此,隨著溫度的升高,VTH(閾值電壓)的影響更大,遷移率對電池延遲的貢獻很小。

因此,對于低技術(shù)中的低電平,當溫度升高時,單元延遲會降低,與較高技術(shù)節(jié)點相比,單元延遲表現(xiàn)出與較低節(jié)點技術(shù)的溫度相反的行為。

結(jié)論

溫度反轉(zhuǎn)會影響遷移率和閾值電壓,這些因素取決于電源電壓。如果電源電壓在與VTH相當?shù)姆秶鷥?nèi),則閾值電壓效應(yīng)占主導(dǎo)地位,而如果電源電壓大于VTH則遷移率占主導(dǎo)地位。

審核編輯:郭婷

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