A. Was ist VLSI?
Um über VLSI Bescheid zu wissen, müssen wir über IC oder integrierte Schaltkreise Bescheid wissen. Ein IC ist ein Chip oder ein Prozesspaket, das Transistoren oder digitale Schaltungen in Lakhs Anzahl enthält.
VLSI oder Very Large Scale Integration bezieht sich auf den Prozess zur Integration von Transistoren (insbesondere MOS-Transistoren) um IC zu formulieren.
VLSI-Geräte bestehen aus Tausenden von Logikgattern. Sie helfen dabei, große Speicherarrays zu erstellen. Die Arrays werden in verwendet Mikrocontroller und Mikroprozessoren. Es ist möglich, 104 bis 109 Komponenten in einem einzigen Chip in einer Standard-VLSI-Entwurfstechnik zu integrieren.
B. Geschichte und Hintergrund von VLSI
Der allererste Transistor wurde im Jahr 1947 von J. Barden, W. Shockley und W. Brattain in den Bell Laboratories erfunden. Alle drei Wissenschaftler wurden im Jahr 1956 für die Erfindung ausgezeichnet. Die Transistorgröße wurde mit dem Fortschritt in Zeit und Technologie verringert.
Jack Kilby und Robert Noyce kamen auf die Idee von IC wo Komponenten innerhalb eines einzigen Chips verbunden sind. Das hat geholfen Ingenieure, um die Geschwindigkeit zu erhöhen der Funktionsweise verschiedener Schaltungen.
Moores Gesetz: Im Jahr 1998 prognostizierte der Mitbegründer der Intel Corporation, Gordon Moor, einen Trend zur Anzahl der Komponenten in einer integrierten Schaltung.
Er sagte voraus, dass -
"Die Transistornummer in einem Mikrochip wird alle zwei Jahre verdoppelt."
Der Trend wird mit einigen Ausnahmen verfolgt.
Der Fortschritt integrierter Schaltkreise führt zur Entdeckung einer sehr großen Integrations- oder VLSI-Technologie. Bevor der VLSI erfunden wurde, gab es andere Technologien als Schritte. Sie werden unten diskutiert.
- SSI- oder Small Scale-Integration: Diese Art von integrierten Schaltkreisen enthält weniger als zehn Logikgatter. Diese IC-Gatter haben mehrere Gatter oder Flip-Flops, die einem Paket zugeordnet sind.
- MSI- oder Medium Scale-Integration: Diese Pakete enthalten zehn bis tausend Logikgatter. MSI-ICs können grundlegende Logikgatter erzeugen. Die Logikgatter können weiter verwendet werden, um sequentielle und kombinatorische Schaltungen wie – Mux-Demux, Encoder-Decoder, Latch, Flip-Flop, Register usw.
- LSI- oder Large Scale-Integration: LSI-Einheiten enthalten mehr als hundert Gates. LSI-ICs erzeugen komplexere Schaltungsstrukturen wie Taschenrechner, Minicomputer usw.
- VLSI oder Very Large Scale Integration: Enthält Tausende von Logikgattern.
- ULSI- oder Ultra Large Scale-Integration: Ein einzelner Chip enthält mehr als 10 ^ 9 Komponenten.
Eine Übersicht über die Transformation finden Sie unten.
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C. VLSI-Design
Ein VLSI-Design besteht aus mehreren Teilen. Es braucht eine richtige und perfekte physische, strukturelle und verhaltensbezogene Darstellung der Schaltung. Redundante und sich wiederholende Informationen werden weggelassen, um ein gutes Grafiksystem zu erstellen. Dies wird durch grafische Entwurfsbeschreibung und symbolische Darstellung von Komponenten und Verbindungen erreicht.
VLSI-Architekturen verwenden n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren und komplementären MOS. Komplementäre MOS oder CMOS erfordern, dass sowohl die n-Kanal- als auch die p-Kanal-MOS-FETs in demselben Substrat hergestellt werden.
In den 1980er Jahren stieg die Nachfrage nach zunehmender Gehäusedichte und beeinflusste den Stromverbrauch von NMOS-ICs. Der Stromverbrauch wurde so hoch, dass die Verlustleistung ein ernstes Problem darstellte. Um das Problem zu beheben, wurde die CMOS-Technologie als Lösung entwickelt.
CMOS bietet eine hohe Eingangsimpedanz, einen hohen Rauschabstand und einen bidirektionalen Betrieb. Deshalb funktioniert es reibungslos als Schalter.
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D. Transistoren im VLSI-Design
Der Metalloxid-Halbleiter Feldeffekttransistor oder MOSFET ist die Schlüsselkomponente in hochdichten VLSI-Chips.
Warum wird FET in VLSI verwendet?
FET- oder Feldeffekttransistoren sind wahrscheinlich die einfachsten Formen des Transistors. FETs werden sowohl in analogen als auch in digitalen Anwendungen häufig verwendet. Sie sind durch einen großen Eingangswiderstand und eine kleinere Fläche und Größe voneinander getrennt und können zur Bildung von Schaltkreisen mit geringem Stromverbrauch verwendet werden. Aus diesem Grund werden sie häufig bei der Integration in sehr großem Maßstab eingesetzt.
CMOS und n-Kanal-MOS werden wegen ihrer Energieeffizienz verwendet.
Eigenschaften von NMOS-Transistoren
Ein NMOS-Feldeffekttransistor ist im obigen Bild mit den Darstellungen des Drainstroms und der Klemmenspannung gezeigt. Bei einem NMOS-FET sind die Source- und Drain-Anschlüsse symmetrisch (bidirektional).
Wenn am Gate-Anschluss keine Ladung vorhanden ist, wirkt der Drain-Source-Pfad als offener Schalter. Wenn eine dünne Oxidschicht das Gate vom Substrat trennt, ergibt sich ein Kapazitätswert. Wenn der Gate-Anschluss genügend positive Ladungen akkumuliert hat, wird die Spannung V.GS überschreitet eine Schwellenspannung V.TH. Somit werden Elektronen in dem Bereich unter dem Gate angezogen, um einen leitenden Pfad zwischen dem Drain und der Source zu ergeben.
Die Gate-Spannung erhöht die Kanalleitfähigkeit durch Eintritt in den Verbesserungsmodus. V.TH ~ = 0.2 V.DD gibt die VTH.
Der Hauptträger für diesen FET-Typ sind Löcher. Wenn das positive Gate zur Quellenspannung oder V.GS ist kleiner als V.THwerden der Hauptträger oder die Hauptlöcher in das Substrat abgestoßen. Nun gibt es auf der Oberfläche des p-Typs keinen Träger. Aufgrund des Verarmungsbereichs gibt es keinen Strom.
Wenn nun die Gate-Source-Spannung höher als die Schwellenspannung wird, wird eine gesunde Menge von Minoritätsträgern von der Oberfläche angezogen (in unserem Fall das Elektron). Somit wird ein Kanal aus einer Inversionsschicht zwischen dem Source- und Drain-Anschluss gebildet.
Der folgende Ausdruck gibt die Drainstrom-ID an.
ID = Ladung induziert im Kanal (Q) / Laufzeit (τ)
Die Ladungstransitzeit τ ist die Zeit, die ein Ladungsträger benötigt, um den Kanal vom Source-Terminal zum Drain-Terminal zu durchqueren. Für kleinen Wert von V.DS,
τ = Abstand zwischen Drain und Quelle (L) / Elektronendriftgeschwindigkeit (vd) = L / μ E = L.2 / VDS μ
E ist das elektrische Feld und gegeben als, E = V.Ds /L.
μ ist die Elektronenmobilität. Wir haben zuvor gesagt, dass es einen Kapazitätswert gibt, der erzeugt wird. Die Kapazität ist gegeben als C = & epsi; A / D = & epsi; WL / D.
W ist die Breite, während D die Dicke der Dioxidschicht ist. ε repräsentiert die Permittivität der Oxidschicht. Für Silikondioxid ist das Verhältnis von ε / ε0 kommt als 4. Die Gebühr während des Transports ist -
Q = C (V.GS - VTH - VDS/ 2) = (& epsi; WL / D) * (V.GS - VTH - VDS/ 2)
Der Drainstrom ist gegeben als - ID = Q / τ = (μεW / LD) * (V.GS - VTH - VDS/ 2) V.DS
Der Widerstand beträgt R = VDS / ID = LD / [μεW * (V.GS - VTH - VDS/ 2)]
Die Ausgangseigenschaften eines NMOS-Transistors sind in der folgenden Grafik dargestellt.
Im Sättigungsbereich wird der Drainstrom erhalten als -
ID = (μsW / 2LD) (V.GS - VTH)2
NMOS-Transistoren können auch mit den Werten der Schwellenspannung VTH <= 0 hergestellt werden. Die Transistoren werden als Verarmungsmodusvorrichtungen bezeichnet.
E. VLSI-Entwurfsregeln
Das VLSI-Design hat einige Grundregeln. Die Regeln sind speziell einige geometrische Spezifikationen, die das Design der Layoutmaske vereinfachen. Die Regeln enthalten Einzelheiten zu den Mindestabmessungen, Linienlayouts und anderen geometrischen Maßen, die sich aus den Grenzen bestimmter Dispensationskenntnisse ergeben.
Diese Regeln helfen dem Konstrukteur, eine Schaltung auf kleinstem Raum zu entwerfen, ohne dabei die Leistung und Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.
Es gibt zwei Sätze von Entwurfsregeln.
- Regel von Mikron - Die Regel basiert auf Implementierungsbeschränkungen wie - minimale Feature-Größe, kleinste zulässige Feature-Abstände. Sie werden in Bezug auf Mikrometerbereiche angegeben.
- Entwurfsregeln basierend auf Lambda: Die Einschränkungen für den Abstand im Layout werden als Lambda der primären Längeneinheit ausgedrückt. Die Regeln wurden entwickelt, um die branchenüblichen Mikronregeln zu vereinfachen. Dies ermöglicht die Skalierung der Fähigkeit für verschiedene Prozesse. Die Längeneinheit Lambda ist der Abstand, um den sich das geometrische Merkmal einer Schicht mit dem einer anderen Schicht überlappen kann, und wird durch die Einschränkungen der Prozesstechnologie bestimmt.
Wenn die Längeneinheit Lambda ist, werden alle Breiten, Abstände und Abstände als m * Lambda ausgedrückt. M ist der Skalierungsfaktor. Die diffuse Region hat einen Skalierungsfaktor von mindestens 2 Lambdas. Gemäß der Safe-Thumb-Regel weisen diffuse Regionen, die nicht verbunden sind, einen Abstand von 3 Lambdas auf. Metallleitungen haben eine Mindestbreite und einen Mindestabstand von 3 Lambdas im Standard-VLSI-Design.
F. Skalierung im VLSI-Design
Der technologische Fortschritt ermöglicht es uns, die Größe der Geräte zu reduzieren. Dieser Prozess der Größenreduzierung wird als Skalierung bezeichnet. Die Hauptvorteile der Skalierung des VLSI-Designs bestehen darin, dass die Gesamtleistung der Schaltung verbessert wird, wenn die Abmessungen eines integrierten Systems auf eine geringere Größe skaliert werden. Weitere Ziele der Skalierung sind - größere Paketdichte, höhere Ausführungsgeschwindigkeit, geringere Gerätekosten.
Einige der am häufigsten verwendeten Skalierungsmodelle sind -
- Konstante Skalierung des elektrischen Feldes
- Konstante Spannungsskalierung.
Für das konstante elektrische Feld werden die nichtlinearen Effekte eliminiert, da das elektrische Feld der Schaltung gleich bleibt. Um die Skalierung im VLSI-Design zu verstehen, nehmen wir zwei Parameter als α und β. Für ein konstantes elektrisches Feld ist β = α und für eine Spannungsskalierung ist β = 1.
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