CMOS متعدد العتبات

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

تقنية CMOS متعددة العتبات ( MTCMOS ) هي نوع من تقنية رقائق CMOS، حيث تحتوي على ترانزستورات ذات جهود عتبة متعددة (Vth ) لتحسين زمن التأخير أو استهلاك الطاقة. جهد العتبة (Vth ) لترانزستور MOSFET هو جهد البوابة الذي تتشكل عنده طبقة الانعكاس عند السطح الفاصل بين الطبقة العازلة (الأكسيد) والركيزة (جسم) الترانزستور. تتميز الأجهزة ذات جهد العتبة المنخفض بسرعة تبديل أعلى، ولذلك فهي مفيدة في مسارات التأخير الحرجة لتقليل فترات الساعة . لكن يعيبها ارتفاع استهلاك الطاقة الساكنة بشكل ملحوظ. أما الأجهزة ذات جهد العتبة العالي ، فتُستخدم في المسارات غير الحرجة لتقليل استهلاك الطاقة الساكنة دون التأثير على زمن التأخير. عادةً ما تُقلل الأجهزة ذات جهد العتبة العالي استهلاك الطاقة الساكنة بمقدار عشرة أضعاف مقارنةً بالأجهزة ذات جهد العتبة المنخفض . [ 1 ]

تتمثل إحدى طرق تصنيع الأجهزة ذات جهد العتبة المتعدد في تطبيق جهود انحياز مختلفة (Vb) على قاعدة الترانزستور أو طرفه الرئيسي. وتشمل الطرق الأخرى تعديل سمك طبقة أكسيد البوابة ، أو ثابت العزل الكهربائي لأكسيد البوابة (نوع المادة)، أو تركيز الشوائب في منطقة القناة أسفل طبقة أكسيد البوابة.

تتضمن إحدى الطرق الشائعة لتصنيع CMOS متعدد العتبات إضافة خطوات إضافية للطباعة الضوئية وزرع الأيونات . [ 2 ] في عملية تصنيع محددة، يتم ضبط جهد العتبة (Vth) عن طريق تغيير تركيز ذرات التطعيم في منطقة القناة أسفل أكسيد البوابة. عادةً، يتم ضبط التركيز باستخدام طريقة زرع الأيونات . على سبيل المثال، تُستخدم طرق الطباعة الضوئية لتغطية جميع الأجهزة باستثناء ترانزستورات MOSFET من النوع p بمادة مقاومة للضوء. ثم يُستكمل زرع الأيونات، حيث تخترق أيونات نوع التطعيم المُختار أكسيد البوابة في المناطق الخالية من مادة مقاومة الضوء. بعد ذلك، تُزال مادة مقاومة الضوء. تُطبق طرق الطباعة الضوئية مرة أخرى لتغطية جميع الأجهزة باستثناء ترانزستورات MOSFET من النوع n. ثم يُستكمل زرع آخر باستخدام نوع مختلف من التطعيم، حيث تخترق الأيونات أكسيد البوابة. تُزال مادة مقاومة الضوء. في مرحلة ما خلال عملية التصنيع اللاحقة، يتم تنشيط الأيونات المزروعة عن طريق التلدين عند درجة حرارة مرتفعة.

من حيث المبدأ، يمكن إنتاج أي عدد من ترانزستورات جهد العتبة. بالنسبة لتقنية CMOS ذات جهدَي عتبة، يلزم إجراء عملية إضافية للتغطية الضوئية وزرع الإلكترونات لكل من ترانزستور p-MOSFET وترانزستور n-MOSFET. أما لتصنيع ترانزستورات CMOS ذات جهد عتبة عادي، ومنخفض، وعالي ، فيلزم إجراء أربع خطوات إضافية مقارنةً بتقنية CMOS التقليدية ذات جهد العتبة الواحد .

تطبيق

تعتمد أكثر تطبيقات تقنية MTCMOS شيوعًا لتقليل استهلاك الطاقة على استخدام ترانزستورات وضع السكون. يتم تزويد الدوائر المنطقية بالطاقة عبر مسار طاقة افتراضي . تُستخدم الأجهزة ذات جهد العتبة المنخفض (Vth) في الدوائر المنطقية التي تتطلب سرعة تبديل عالية. أما الأجهزة ذات جهد العتبة العالي (Vth ) التي تربط مسارات الطاقة ومسارات الطاقة الافتراضية، فتُشغَّل في الوضع النشط وتُطفأ في وضع السكون . تُستخدم هذه الأجهزة كترانزستورات وضع السكون لتقليل تسرب الطاقة الساكنة.

يُعد تصميم مفتاح الطاقة الذي يُشغّل ويُطفئ مصدر الطاقة للبوابات المنطقية أمرًا أساسيًا لتقنيات الدوائر منخفضة الجهد وعالية السرعة مثل MTCMOS. وتتأثر سرعة الدائرة المنطقية ومساحتها واستهلاكها للطاقة بخصائص مفتاح الطاقة.

في نهج "التقريب العام"، تقوم ترانزستورات السكون ذات جهد العتبة العالي (Vth ) بفصل الطاقة عن وحدات المنطق بأكملها. [ 3 ] يتم إلغاء تفعيل إشارة السكون أثناء وضع التشغيل، مما يؤدي إلى تشغيل الترانزستور وتوفير طاقة افتراضية (أرضي) لوحدات المنطق ذات جهد العتبة المنخفض . يتم تفعيل إشارة السكون أثناء وضع السكون ، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل الترانزستور وفصل الطاقة (الأرضي) عن وحدات المنطق ذات جهد العتبة المنخفض . من عيوب هذا النهج ما يلي:

  • يجب تقسيم الكتل المنطقية لتحديد متى يمكن إيقاف تشغيل (تشغيل) الكتلة بأمان.
  • تتميز ترانزستورات وضع السكون بحجمها الكبير، ويجب اختيار حجمها بعناية لتوفير التيار المطلوب لدائرة التحكم.
  • يجب إضافة دائرة إدارة طاقة تعمل باستمرار (ولا تدخل في وضع السكون أبدًا).

في نهج "دقيق"، تُدمج ترانزستورات السكون ذات جهد العتبة العالي (Vth) داخل كل بوابة منطقية. وتُستخدم ترانزستورات ذات جهد العتبة المنخفض (Vth) لشبكات السحب لأعلى والسحب لأسفل، بينما يُستخدم ترانزستور ذو جهد العتبة العالي (Vth ) للتحكم في تيار التسريب بين الشبكتين. يُزيل هذا النهج مشاكل تقسيم وحدات المنطق وتحديد حجم ترانزستورات السكون. مع ذلك، يُضاف قدر كبير من المساحة الإضافية نتيجةً لإضافة ترانزستورات إضافية في كل بوابة منطقية ، ولإنشاء شجرة توزيع إشارة السكون.

يتمثل أحد الأساليب الوسيطة في دمج ترانزستورات السكون ذات جهد العتبة العالي (Vth ) في بوابات العتبة ذات الوظائف الأكثر تعقيدًا. ونظرًا لأن تنفيذ أي وظيفة يتطلب عددًا أقل من بوابات العتبة مقارنةً بالبوابات المنطقية، فإن دمج تقنية MTCMOS في كل بوابة يقلل من المساحة الإضافية المطلوبة. ومن أمثلة بوابات العتبة ذات الوظائف الأكثر تعقيدًا منطق الاتفاقية الصفرية (NCL) [ 4 ] ومنطق اتفاقية السكون (SCL) [ 3 ] [ 5 ] . ويتطلب تنفيذ تقنية MTCMOS دون التسبب في أعطال أو مشاكل أخرى بعض الخبرة.

مراجع

  1. ↑ أنيس، مهاب؛ عريبي، شوقي؛ محمود، محمد؛ المصري، محمد (10 يونيو 2002). كُتب في أونتاريو، كندا. "خفض استهلاك الطاقة الديناميكي والتسريب في دوائر MTCMOS باستخدام تقنية تجميع البوابات الآلية الفعالة" . مؤتمر أتمتة التصميم . وقائع المؤتمر. 39. نيو أورليانز، لويزيانا، الولايات المتحدة الأمريكية: 480-485 . CiteSeerX 10.1.1.11.9193 . ISBN  1-58113-461-4أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 18-05-2023 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18-05-2023 .
  2. ^ أوكلوبدزيا، فوجين ج. (1997). التصميم والتصنيع الرقمي . الصحافة اتفاقية حقوق الطفل . ص 12 – 18. ISBN  978-0-8493-8602-2.
  3. 1 2 سميث، سكوت؛ دي، جيا (2009). تصميم الدوائر غير المتزامنة باستخدام المنطق التقليدي الصفري (NCL) . دار مورغان وكلايبول للنشر . الصفحات 61-73 . ISBN  978-1-59829-981-6.
  4. ↑ فانت، كارل م. (2005). التصميم المحدد منطقيًا: تصميم نظام بدون ساعة باستخدام منطق اتفاقية NULL (NCL) . تشيتشستر، المملكة المتحدة: جون وايلي وأولاده . ISBN 978-0-471-68478-7.
  5. ↑ سميث، سكوت؛ دي، جيا. "تصميم دائرة غير متزامنة متعددة العتبات منخفضة الطاقة للغاية (US 7,977,972)" . تم الاسترجاع في 12 ديسمبر 2011 .