El CMOS multiumbral ( MTCMOS ) es una variación de la tecnología de chip CMOS que tiene transistores con múltiples voltajes de umbral (Vth ) para optimizar el retardo o la potencia. El Vth de un MOSFET es el voltaje de compuerta donde se forma una capa de inversión en la interfaz entre la capa aislante (óxido) y el sustrato (cuerpo) del transistor. Los dispositivos de bajo Vth conmutan más rápido y, por lo tanto, son útiles en rutas de retardo críticas para minimizar los períodos de reloj [ aclaración necesaria ] . La desventaja es que los dispositivos de bajo Vth tienen una potencia de fuga estática sustancialmente mayor. Los dispositivos de alto Vth se utilizan en rutas no críticas para reducir la potencia de fuga estática sin incurrir en una penalización de retardo. Los dispositivos típicos de alto Vth reducen la fuga estática en 10 veces en comparación con los dispositivos de bajo Vth . [ 1]
Un método para crear dispositivos con múltiples voltajes de umbral es aplicar diferentes voltajes de polarización (Vb) a la base o terminal principal de los transistores. Otros métodos implican ajustar el espesor del óxido de compuerta , la constante dieléctrica del óxido de compuerta (tipo de material) o la concentración de dopante en la región del canal debajo del óxido de compuerta.
Un método común para fabricar CMOS multiumbral implica simplemente agregar pasos adicionales de fotolitografía e implantación de iones . [2] Para un proceso de fabricación determinado, la Vth se ajusta alterando la concentración de átomos dopantes en la región del canal debajo del óxido de la compuerta. Normalmente, la concentración se ajusta mediante el método de implantación de iones . Por ejemplo, se aplican métodos de fotolitografía para cubrir todos los dispositivos excepto los p-MOSFET con fotorresistencia. Luego se completa la implantación de iones, con iones del tipo de dopante elegido que penetran el óxido de la compuerta en áreas donde no hay fotorresistencia presente. Luego se elimina la fotorresistencia. Los métodos de fotolitografía se aplican nuevamente para cubrir todos los dispositivos excepto los n-MOSFET. Luego se completa otra implantación utilizando un tipo de dopante diferente, con iones que penetran el óxido de la compuerta. Se elimina la fotorresistencia. En algún momento durante el proceso de fabricación posterior, los iones implantados se activan mediante recocido a una temperatura elevada.
En principio, se puede producir cualquier número de transistores de voltaje umbral. Para los CMOS que tienen dos voltajes umbral, se requiere un paso adicional de fotoenmascaramiento e implantación para cada uno de los p-MOSFET y n-MOSFET. Para la fabricación de CMOS de voltaje normal, bajo y alto , se requieren cuatro pasos adicionales en relación con los CMOS de voltaje único convencionales .
La implementación más común de MTCMOS para reducir la potencia hace uso de transistores de suspensión. La lógica es suministrada por un riel de potencia virtual . Los dispositivos de bajo voltaje se utilizan en la lógica donde la velocidad de conmutación rápida es importante. Los dispositivos de alto voltaje que conectan los rieles de potencia y los rieles de potencia virtuales se encienden en modo activo y se apagan en modo de suspensión . Los dispositivos de alto voltaje se utilizan como transistores de suspensión para reducir la potencia de fuga estática.
El diseño del interruptor de encendido que enciende y apaga la fuente de alimentación de las puertas lógicas es esencial para las técnicas de circuitos de alta velocidad y bajo voltaje, como MTCMOS. La velocidad, el área y la potencia de un circuito lógico se ven influenciadas por las características del interruptor de encendido.
En un enfoque de "grano grueso", los transistores de suspensión de alto Vth controlan la alimentación de bloques lógicos completos. [3] La señal de suspensión se desactiva durante el modo activo, lo que hace que el transistor se encienda y proporcione energía virtual (tierra) a la lógica de bajo Vth . La señal de suspensión se activa durante el modo de suspensión , lo que hace que el transistor se apague y desconecte la alimentación (tierra) de la lógica de bajo Vth . Las desventajas de este enfoque son que:
En un enfoque de "grano fino", se incorporan transistores de alto voltaje en reposo dentro de cada compuerta. Los transistores de bajo voltaje se utilizan para las redes pull-up y pull-down, y un transistor de alto voltaje se utiliza para controlar la corriente de fuga entre las dos redes. Este enfoque elimina los problemas de partición de bloques lógicos y el tamaño de los transistores en reposo. Sin embargo, se agrega una gran cantidad de sobrecarga de área debido tanto a la inclusión de transistores adicionales en cada compuerta booleana como a la creación de un árbol de distribución de señales en reposo.
Un enfoque intermedio consiste en incorporar transistores de sueño de alto Vth en puertas de umbral que tienen una función más complicada. Dado que se requieren menos puertas de umbral de este tipo para implementar cualquier función arbitraria en comparación con las puertas booleanas, la incorporación de MTCMOS en cada puerta requiere menos sobrecarga de área. Se encuentran ejemplos de puertas de umbral que tienen una función más complicada con la lógica de convención nula (NCL) [4] y la lógica de convención de sueño (SCL). [3] [5] Se requiere algo de tecnología para implementar MTCMOS sin causar fallas u otros problemas.