STMCU-管管
发布时间：2025-3-10 16:59
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2025年2月6日
为什么并没有许多公司在使用CMOS 晶体管的亚阈值区？更确切地说，为什么亚阈值区没有受到市场的追捧呢？ 其实在接近或低于某个阈值的位置施加电压的想法并不新鲜，早在1955年发表的论文[就含蓄地将其称为“抛物区域”。较低的电压能够为晶体管提供更高的能效，从而实现各种超低功耗应用。 但遗憾的是，使用低电压所带来的副作用也限制了该区域的用途。所以简单来说，尽管使用亚阈值工作区这个想法非常好，但在实际器件中应用时的效果却与想象存在细微出入。尽管如此，仍有一些制造商坚持销售在亚阈值区或近阈值区工作的器件。下面我们就来了解一下：为什么我们都想使用亚阈值区，但这个想法却又如此难以实现。 目录 什么是亚阈值区或弱反型区？ 晶体管的3 个区域 目前的主流说法认为晶体管具有三个“区域”，即施加在栅级-源级的电压 (VGS) 与漏极和源极间测得的电流 (IDS ) 之间存在三种关系。
亚阈值区 这个模型可以解释大多数晶体管的特性，且在许多情况下都十分有效，但也有一些细节需要注意。例如在一些非常小的几何结构中，施加低于阈值电压的**VGS会导致亚阈值导通；这也是很多人将该区域称为亚阈值区的原因所在。** 简而言之，在VT以下施加VGS会在栅氧化层之下生成一个反型层；随着剩余漏电流的流动，该层会产生扩散电流，从而形成弱反型。这就是亚阈值区也被称为弱反型区的原因。如果用对数标度来表示VGS和IDS，我们会发现它们之间呈现出一种指数增长关系. 了解亚阈值导通有助于消除将V~T~用作某种开关的错误想法。我们的意思是在简单模型中，电压低于V~T~时不会发生任何事情，而当电压超过该值后会立即出现强反型。真实情况要比我们所说的细微复杂得多。确切地说，弱反型表明导通发生在VT以下。此外，阈值电压本身并不是一个常数。 正如Reynders和Dehaeney所展示的那样，当超出阈值电压公式的适用范围时，VT会根据体效应（即源极和体极之间的电压 (VSB )、温度以及源极和漏极之间的电压势垒（漏极诱导势垒降低，简称DIBL））而变化。 500 mV 阈值 如果从实用的角度来看VT，目前超低功耗系统中所使用器件的阈值电压为500 mV。然而正如我们所见，紧靠该值的前方和后方仍然存在可作为亚阈值导通特征的指数特性。此外，该阈值本身也会在某些条件的影响下发生变化。因此，制造商通常会将VGS 设置在500 mV 以上；即使该设计在技术上属于近阈值的运算方式，但我们仍需称之为亚阈值设计。** 例如，我们在700 mV电压下仍能观察到弱反型，因此许多人会出于简化交流的目的只谈论亚阈值运算（即使从技术角度来讲实际情况已经涉及近阈值运算），且目前这已经成为了一种公认的做法。 为什么亚阈值是一种很好的特性？ 较低的VCORE 亚阈值区的优势相当明显。得益于较低的VGS以及与漏极-源极电流的指数关系，亚阈值区的电压值可以从传统电压内核 (VCORE) 的1.2 V降至低于1 V的水平。此外，功率（单位瓦特）的计算方法为电压的平方除以电阻，因此降低电压会极大地影响整体功耗；这也是工程师会在超低功耗应用中使用亚阈值晶体管的原因所在。 较低的动态功耗 如果考虑到现代器件的特性和动态功耗，那么使用亚阈值区的优势会更加明显。事实上，当系统处于休眠或停止模式时，器件基本上会处于关闭状态，此时亚阈值导通的优势将不再适用。然而一旦将系统唤醒并转为动态功耗，亚阈值模式就能够凭借较低的VCORE及其与功耗之间的关系大幅节约能源。 但因为器件的大部分时间是在休眠中度过的，所以有些人会忽略掉这些收益。 可问题是许多人没有意识到：虽然工业机器（例如水计量系统）的占空比可能只有0.1%，也就是说每在停止模式下经过一千个循环，才会运行一个循环，但这一次运行就会用掉80%左右的整体功耗。诚然，降低停止模式下的能耗非常重要。但运行期间的动态功耗更是令人咋舌，因此任何运行效率上的提升都会带来巨大的影响，即使在器件绝大部分时间处于休眠状态的情况下也是如此。 这一点同样适用于可穿戴设备等消费类系统；因为系统的唤醒频率更高且运行时间更长，所以占空比能够达到5%到20%，这意味着动态功耗大约能够占到整体功耗的99%。 为什么亚阈值设计并没有大受欢迎？ 更大的电压和温度限制 最敏锐的读者一定能意识到：尽管亚阈值导通在效率方面具有许多优势，但“弱反型是漏电流的产物”这一事实也会带来一些重大弊端，其中最直接的负面影响就是它会增加停止模式下的功耗。这也意味着器件的电压和温度范围会受到更多限制，原因是这些属性会进一步加剧已经较为严重的漏电流问题。 这也是我们很少在工业应用中看到亚阈值设计的一个重要原因。小型专用系统以及运行环境恶劣的系统无法适应目前亚阈值器件的电压和温度限制。 较慢的性能表现 另一个问题是性能。电流泄漏现象和电压低于阈值时出现的弱反型都表明，系统的工作频率低于使用强反型区时的频率。 而这会降低系统的计算吞吐量。过去几十年来的相关研究已经设法缓解了这一问题。事实上，第一批系统的运行频率只有几千赫兹。不过如今系统的运行频率已经超过了数兆赫兹，即使离达到高性能系统的要求还有很远的距离，但至少也能帮制造商得到较为不错的运行效果。 更多的芯片变化 还有最后一点，亚阈值电路所具备的指数特性意味着它们对芯片变化的敏感度要高得多；这可能会是一个十分有害的特性，因为它会对产量造成严重的影响。 由于制造商必须处理低电压和漏电流，哪怕是同一个晶圆上的不同芯片之间存在最微小的差异，都有可能演化成复杂的管理问题。这种差异可能会降低芯片的合格率，或是因需要升级复杂的制造工艺而导致成本和交货时间的增加。综上所述，尽管亚阈值设计在未来大有可为，但上述巨大的困难和阻碍也导致此类设计迄今为止并没有得到较为广泛的应用。或许不久的将来会有人用合适的方法彻底解决这些问题，那时亚阈值设计才有可能真正成为主流。
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