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Unterschwelleneffekt Der englisch subthreshold effect beschreibt die Beobachtung an einem MOS Feldeffekttransistor MOSFE

Unterschwelleneffekt

Der Unterschwelleneffekt (englisch subthreshold effect) beschreibt die Beobachtung an einem MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET), dass auch ohne Inversionskanal unterhalb der Schwellspannung Uth ein kleiner Drainstrom fließen kann. Dieser Strom wird auch Unterschwellenleckstrom (englisch subthreshold leakage current) genannt, was anzeigt, dass es sich hierbei um einen ungewollten Stromfluss in Kanalrichtung handelt, der zu einem Anstieg des Energieverbrauchs der integrierten Schaltungen führt (siehe auch allgemein Leckstrom).

Der MOSFET in digitalen Schaltungen Bearbeiten

Schematischer Aufbau eines lateralen n-Kanal-MOSFET in Planartechnik

Ein normaler MOS-Transistor (siehe Abbildung) besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden zur Kontaktierung des Halbleiters (drain und source) und einer zusätzlichen, elektrisch isolierten Steuerelektrode (gate). Liegen keine Spannungen an, befindet sich der Transistor im thermodynamischen Gleichgewicht und die Ladungsträger bewegen sich im Wesentlichen nur durch Diffusion; unter Diffusion versteht man einen physikalischen Ausgleichsprozess bei dem insgesamt ein Teilchenfluss von einer hohen zu einer schwachen Konzentration, einzelne Teilchen können sich aber auch entgegen bewegen. Eine weitere Ursache für den Teilchentransport bildet die thermionische Emission. Ausgehend von einem selbstsperrenden n-Kanal-MOSFET fließt so im Idealfall kein Strom zwischen Drain und Source solange die Gate-Source-Spannung geringer ist als die Schwellspannung . Bei Erhöhung der Gate-Source-Spannung (es gilt ) sammeln sich immer mehr Elektronen an der Grenzfläche von Gate-Isolator und Halbleiter (zwischen Drain und Source), bis es zur Inversion und somit zur Ausbildung eines leitfähigen Kanals kommt.

In digitalen Schaltungen gibt es nur die beiden logischen Signale '0' und '1', welche über die Spannungslevel GND (=0 V) und VDD (Betriebsspannung) repräsentiert werden. Somit existieren in idealen digitalen Schaltungen nur zwei Zustände für die MOS-Transistoren:

  1. Der MOS-Transistor ist gesperrt, d. h., es existiert kein Kanal zwischen Drain und Source und somit ist auch kein Stromfluss zwischen Drain und Source möglich
  2. Der MOS-Transistor ist leitend, d. h., es existiert ein Kanal zwischen Drain und Source und somit ist auch ein Stromfluss zwischen Drain und Source möglich.

Bereich der schwacher Inversion in analogen MOS-Schaltungen Bearbeiten

In analogen Schaltungen kann die Gate-Source-Spannung auch Werte zwischen GND und VDD einnehmen. Der Spannungsbereich, in dem sich die Gate-Source-Spannung zwischen Flachbandspannung und Schwellspannung befindet, wird als Unterschwellenbereich (auch Subthreshold-Region, engl. subthreshold region) bezeichnet. In diesem Bereich befindet sich das Gebiet zwischen Drain und Source in sogenannter schwacher Inversion (engl. weak inversion) und es liegt eine geringe Anzahl an freien Ladungsträgern vor. Im Unterschwellenbereich bewegen sich die Ladungsträger hauptsächlich durch Diffusion anstatt durch eine Source-Drain-Spannung hervorgerufene Driftbewegung. In analogen Schaltungen wird dieser Source-Drain-Strom auch als Unterschwellenstrom (engl. subthreshold current, auch weak inversion current) bezeichnet. Dies zeigt, dass er im Gegensatz zu digitalen Schaltungen meistens erwünscht ist. Ferner kann in diesem Bereich der Source-Drain-Strom näherungsweise wie der Kollektorstrom eines Bipolartransistors mit homogen dotierter Basis berechnet werden. Der vorhandene Schichtaufbau (Source, Substrat, Drain) wirkt quasi wie ein npn-Bipolartransistor. Man erhält einen exponentiellen Zusammenhang zwischen Drain-Strom und Gate-Source-Spannung (unterhalb der Schwellspannung):

Der Unterschwellenbereich von MOSFETs ist aus diesem Grund teilweise wichtig für analoge Schaltungen, die mit niedriger Spannung bzw. geringer Leistung funktionieren.

In den letzten Jahren wird diese Technik zunehmend auch für Digitalschaltungen eingesetzt. Ziele sind hier entweder sehr geringe Leistungsaufnahme (z. B. Funkknoten für Sensornetzwerke) oder hohe Performance durch die zum Teil sehr kleinen erreichbaren Verzögerungszeiten. Herausforderungen beim Entwurf sind hier vor allem die starken Einflüsse von Fertigungsschwankungen und die stark nichtlinearen Abhängigkeiten von Zell-Verzögerungszeit und -Leistungsaufnahme von Eingangs-Signalanstieg und Lastkapazität.

Bedeutung bei fortschreitender Miniaturisierung Bearbeiten

Eine charakteristische Größe eines MOS-Feldeffekttransistor ist die Länge des Gates. Es gilt, dass in digitalen Schaltungen, die in MOS-Technologien mit Gate-Längen größer als 0,25 µm realisiert wurden, so gut wie kein Unterschwellenleckstrom auftritt. Ist die Gate-Länge geringer, steigt der Unterschwellenleckstrom jedoch exponentiell an. Dieser ungewollte Stromfluss führt zu einem Anstieg des Energieverbrauchs der integrierten Schaltungen. Studien sagen voraus, dass in aktuellen und zukünftigen Prozessoren die Leckströme bis zur Hälfte des Gesamtenergieverbrauchs verursachen.

Mit abnehmender Strukturgröße der MOS-Transistoren wird auch die Betriebsspannung reduziert. Dies basiert auf dem großen Einfluss der Betriebsspannung auf den Energieverbrauch der integrierten Schaltungen. Dies verringert jedoch die Schaltgeschwindigkeit der MOS-Transistoren und damit die Performance der integrierten Schaltungen. Um diesem Trend entgegenzuwirken, wird gleichzeitig auch die Schwellspannung reduziert. Das führt jedoch dazu, dass die MOS-Transistoren mit Hilfe der digitalen Signale GND (NMOS-Transistor) bzw. VDD (PMOS-Transistor) nicht mehr vollständig gesperrt werden können. Das Gebiet zwischen Drain und Source befindet sich in diesem Fall in schwacher Inversion und durch das Anlegen eines elektrischen Feldes (d. h., die Drain-Source-Spannung ist größer als 0 V) kommt es zwischen Drain und Source zu einem Diffusionsstrom. Zusätzlich steigt auch der Einfluss der thermionischen Emission. Der aus diesen Effekten resultierenden Stromfluss wird bei digitalen Schaltungen als Unterschwellenleckstrom (engl. subthreshold leakage current) bezeichnet.

Einen wesentlichen Einfluss auf den Unterschwellenleckstrom hat die Schwellspannung . Je geringer diese ist, umso größer ist die Anzahl freier Ladungsträger innerhalb der schwachen Inversionsschicht. Dies führt zu einem exponentiell Anstieg des Diffusionsstrom, vergleichbar mit dem Stromfluss einer in Durchlassrichtung vorgespannten Diode. Daher ist die Berechnung des Drainstroms mit den üblichen Gleichungen im Abschnürbereich nicht mehr korrekt.

kann bestimmt werden mit:

mit

und der Temperaturspannung

Bedeutung der Formelzeichen:

Die effektive Gate-Länge sowie die effektive Gate-Breite sind geringer als die physikalischen Abmessungen des Transistors. Die Verringerung beruht auf den so genannten Kurzkanaleffekten, welche in MOS-Technologien mit Gate-Längen unterhalb 0,25 µm auftreten.

Die Drainstrom-Gatespannung-Kennlinie bei festen Drain-, Source- und Bulk-Spannungen entspricht näherungsweise einem logarithmisch linearen Verhalten. Die Steilheit, das heißt der Anstieg der Geraden bei logarithmischer Drainstromskalierung, ist die Unterschwellensteilheit (engl. subthreshold slope).

Die Unterschwellensteilheit ist daher das Reziproke des Unterschwellenhubs (engl. subthreshold swing, Ss-th), der sich berechnet als:

mit der Kapazität der Verarmungszone , der Gate-Oxid-Kapazität und der Thermospannung .

Der kleine Unterschwellenhub eines konventionellen Transistors kann unter den Bedingungen und/oder gefunden werden. Es ergibt sich (auch bezeichnet als thermionische Grenze) und entspricht bei Raumtemperatur ungefähr 60 Millivolt pro Dekade (eine Gate-Spannungsänderung um den Faktor 10). Ein typischer Wert für die Unterschwellsteilheit eines verkleinerten MOSFETs bei Raumtemperatur ist ca. 70 Millivolt pro Dekade, also etwas geringer aufgrund von Kurzkanaleffekten.

Ein Bauelement mit einer großen Unterschwellensteilheit weist einen schnelleren Übergang zwischen dem Aus-Zustand (niedriger Strom) und Ein-Zustand (hoher Strom) auf.

Weblinks Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • S.M. Sze: Semiconductor devices. 2. Auflage. Wiley & Sons, 2002, ISBN 0-471-33372-7.
  • T. A. Fjeldly, M. Shur: Threshold voltage modeling and the subthreshold regime of operationof short-channel MOSFETs. In: IEEE Transactions on Electron Devices. Nr. 40, 1993, S. 137–145.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik. 11., völlig neu bearb. und erw. Auflage. Springer, Berlin / Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64192-0, S. 223.
  2. B. Van Zeghbroeck: 3.4.2 Thermionic emission. In: Principles of Semiconductor Devices. 2004, abgerufen am 4. Juli 2020 (englisch).
  3. B. Van Zeghbroeck: 3.2.2 Flatband diagram and built-in potential. In: Principles of Semiconductor Devices. 2004, abgerufen am 4. Juli 2020 (englisch).
  4. ↑ N. Weste, D. Harris: CMOS VLSI Design – A Circuits and Systems Perspective. 3. Auflage. Addison-Wesley, 2005, ISBN 0-321-14901-7.
  5. Y. S. Borkar: VLSI Design Challenges for Gigascale Integration. In: 18th Conference on VLSI Design, Kolkata, India, 2005
  6. ITRS – International technology roadmap for semiconductors 2006 Update. Technischer Report, 2006.
  7. Dimitrios Soudris, Christian Piguet, Costas Goutis (Hrsg.): Designing CMOS Circuits for Low Power. Springer, Berlin 2002, ISBN 1-4020-7234-1.
  8. Simon M. Sze, Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor Devices. 3. Auflage. John Wiley & Sons, Hoboken NJ 2006, ISBN 0-471-14323-5, S. 315..
  9. C. Auth u. a.: A 22nm high performance and low-power CMOS technology featuring fully-depleted tri-gate transistors, self-aligned contacts and high density MIM capacitors. In: 2012 Symposium on VLSI Technology (VLSIT). 2012, ISBN 978-1-4673-0847-2, S. 131–132, doi:10.1109/VLSIT.2012.6242496.
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Der Unterschwelleneffekt englisch subthreshold effect beschreibt die Beobachtung an einem MOS Feldeffekttransistor MOSFET dass auch ohne Inversionskanal unterhalb der Schwellspannung Uth ein kleiner Drainstrom fliessen kann 1 Dieser Strom wird auch Unterschwellenleckstrom englisch subthreshold leakage current genannt was anzeigt dass es sich hierbei um einen ungewollten Stromfluss in Kanalrichtung handelt der zu einem Anstieg des Energieverbrauchs der integrierten Schaltungen fuhrt siehe auch allgemein Leckstrom Inhaltsverzeichnis 1 Der MOSFET in digitalen Schaltungen 2 Bereich der schwacher Inversion in analogen MOS Schaltungen 3 Bedeutung bei fortschreitender Miniaturisierung 4 Weblinks 5 Literatur 6 EinzelnachweiseDer MOSFET in digitalen Schaltungen Bearbeiten nbsp Schematischer Aufbau eines lateralen n Kanal MOSFET in PlanartechnikEin normaler MOS Transistor siehe Abbildung besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden zur Kontaktierung des Halbleiters drain und source und einer zusatzlichen elektrisch isolierten Steuerelektrode gate Liegen keine Spannungen an befindet sich der Transistor im thermodynamischen Gleichgewicht und die Ladungstrager bewegen sich im Wesentlichen nur durch Diffusion unter Diffusion versteht man einen physikalischen Ausgleichsprozess bei dem insgesamt ein Teilchenfluss von einer hohen zu einer schwachen Konzentration einzelne Teilchen konnen sich aber auch entgegen bewegen Eine weitere Ursache fur den Teilchentransport bildet die thermionische Emission 2 Ausgehend von einem selbstsperrenden n Kanal MOSFET fliesst so im Idealfall kein Strom zwischen Drain und Source solange die Gate Source Spannung U g s displaystyle U mathrm gs nbsp geringer ist als die Schwellspannung U t h displaystyle U mathrm th nbsp Bei Erhohung der Gate Source Spannung es gilt U g s lt U t h displaystyle U mathrm gs lt U mathrm th nbsp sammeln sich immer mehr Elektronen an der Grenzflache von Gate Isolator und Halbleiter zwischen Drain und Source bis es zur Inversion und somit zur Ausbildung eines leitfahigen Kanals kommt In digitalen Schaltungen gibt es nur die beiden logischen Signale 0 und 1 welche uber die Spannungslevel GND 0 V und VDD Betriebsspannung reprasentiert werden Somit existieren in idealen digitalen Schaltungen nur zwei Zustande fur die MOS Transistoren Der MOS Transistor ist gesperrt d h es existiert kein Kanal zwischen Drain und Source und somit ist auch kein Stromfluss zwischen Drain und Source moglich Der MOS Transistor ist leitend d h es existiert ein Kanal zwischen Drain und Source und somit ist auch ein Stromfluss zwischen Drain und Source moglich Bereich der schwacher Inversion in analogen MOS Schaltungen BearbeitenIn analogen Schaltungen kann die Gate Source Spannung U g s displaystyle U mathrm gs nbsp auch Werte zwischen GND und VDD einnehmen Der Spannungsbereich in dem sich die Gate Source Spannung zwischen Flachbandspannung 3 und Schwellspannung befindet wird als Unterschwellenbereich auch Subthreshold Region 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Schwellspannung I D e q V g s V t h k B T displaystyle I D sim mathrm e frac q V gs V th k B T nbsp Der Unterschwellenbereich von MOSFETs ist aus diesem Grund teilweise wichtig fur analoge Schaltungen die mit niedriger Spannung bzw geringer Leistung funktionieren In den letzten Jahren wird diese Technik zunehmend auch fur Digitalschaltungen eingesetzt Ziele sind hier entweder sehr geringe Leistungsaufnahme z B Funkknoten fur Sensornetzwerke oder hohe Performance durch die zum Teil sehr kleinen erreichbaren Verzogerungszeiten Herausforderungen beim Entwurf sind hier vor allem die starken Einflusse von Fertigungsschwankungen und die stark nichtlinearen Abhangigkeiten von Zell Verzogerungszeit und Leistungsaufnahme von Eingangs Signalanstieg und Lastkapazitat Bedeutung bei fortschreitender Miniaturisierung BearbeitenEine charakteristische Grosse eines MOS Feldeffekttransistor ist die Lange des Gates Es gilt dass in digitalen Schaltungen die in MOS Technologien mit Gate Langen grosser als 0 25 µm realisiert wurden so gut wie kein Unterschwellenleckstrom auftritt 4 Ist die Gate Lange geringer steigt der Unterschwellenleckstrom jedoch exponentiell an Dieser ungewollte Stromfluss fuhrt zu einem Anstieg des Energieverbrauchs der integrierten Schaltungen Studien sagen voraus dass in aktuellen und zukunftigen Prozessoren die Leckstrome bis zur Halfte des Gesamtenergieverbrauchs verursachen 5 6 Mit abnehmender Strukturgrosse der MOS Transistoren wird auch die Betriebsspannung reduziert Dies basiert auf dem grossen Einfluss der Betriebsspannung auf den Energieverbrauch der integrierten Schaltungen 7 Dies verringert jedoch die Schaltgeschwindigkeit der MOS Transistoren und damit die Performance der integrierten Schaltungen 4 Um diesem Trend entgegenzuwirken wird gleichzeitig auch die Schwellspannung U t h displaystyle U mathrm th nbsp reduziert Das fuhrt jedoch dazu dass die MOS Transistoren mit Hilfe der digitalen Signale GND NMOS Transistor bzw VDD PMOS Transistor nicht mehr 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Oberflachenpotential des Substrats k B displaystyle k rm B nbsp Boltzmannkonstante 1 381 10 23 J K T displaystyle T nbsp Temperatur s t h displaystyle s rm th nbsp Unterschwellenhub engl subthreshold swing Die effektive Gate Lange L e f f displaystyle L mathrm eff nbsp sowie die effektive Gate Breite W e f f displaystyle W mathrm eff nbsp sind geringer als die physikalischen Abmessungen des Transistors Die Verringerung beruht auf den so genannten Kurzkanaleffekten welche in MOS Technologien mit Gate Langen L displaystyle L nbsp unterhalb 0 25 µm auftreten Die Drainstrom Gatespannung Kennlinie bei festen Drain Source und Bulk Spannungen entspricht naherungsweise einem logarithmisch linearen Verhalten Die Steilheit das heisst der Anstieg der Geraden bei logarithmischer Drainstromskalierung ist die Unterschwellensteilheit engl subthreshold slope Die Unterschwellensteilheit ist daher das Reziproke des Unterschwellenhubs engl subthreshold swing Ss th der sich berechnet als 8 S s t h ln 10 k 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Aus Zustand niedriger Strom und Ein Zustand hoher Strom auf Weblinks BearbeitenOptimization of Ultra Low Power CMOS Transistors Michael Stockinger 2000 Literatur BearbeitenS M Sze Semiconductor devices 2 Auflage Wiley amp Sons 2002 ISBN 0 471 33372 7 T A Fjeldly M Shur Threshold voltage modeling and the subthreshold regime of operationof short channel MOSFETs In IEEE Transactions on Electron Devices Nr 40 1993 S 137 145 Einzelnachweise Bearbeiten Ulrich Tietze Christoph Schenk Eberhard Gamm Halbleiter Schaltungstechnik 11 vollig neu bearb und erw Auflage Springer Berlin Heidelberg 1999 ISBN 3 540 64192 0 S 223 B Van Zeghbroeck 3 4 2 Thermionic emission In Principles of Semiconductor Devices 2004 abgerufen am 4 Juli 2020 englisch B Van Zeghbroeck 3 2 2 Flatband diagram and built in potential In Principles of Semiconductor Devices 2004 abgerufen am 4 Juli 2020 englisch a b N Weste D Harris CMOS VLSI Design A Circuits and Systems Perspective 3 Auflage Addison Wesley 2005 ISBN 0 321 14901 7 Y S Borkar VLSI Design Challenges for Gigascale Integration In 18th Conference on VLSI Design Kolkata India 2005 ITRS International technology roadmap for semiconductors 2006 Update Technischer Report 2006 Dimitrios Soudris Christian Piguet Costas Goutis Hrsg Designing CMOS Circuits for Low Power Springer Berlin 2002 ISBN 1 4020 7234 1 Simon M Sze Kwok K Ng Physics of Semiconductor Devices 3 Auflage John Wiley amp Sons Hoboken NJ 2006 ISBN 0 471 14323 5 S 315 C Auth u a A 22nm high performance and low power CMOS technology featuring fully depleted tri gate transistors self aligned contacts and high density MIM capacitors In 2012 Symposium on VLSI Technology VLSIT 2012 ISBN 978 1 4673 0847 2 S 131 132 doi 10 1109 VLSIT 2012 6242496 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Unterschwelleneffekt amp oldid 231897002