A. Wat is VLSI?
Om meer te weten over VLSI, moeten we weten over IC of geïntegreerde schakeling. Een IC is een chip of een procespakket dat transistors of digitale circuits in lakhs van nummer bevat.
VLSI of zeer grootschalige integratie verwijst naar het proces om transistors op te nemen (vooral MOS-transistors) om IC te formuleren.
VLSI-apparaten bestaan uit duizenden logische poorten. Ze helpen bij het maken van grote geheugenarrays. De arrays worden gebruikt in microcontroller en microprocessoren. Het is mogelijk om 104 tot 109 componenten in een enkele chip op te nemen in de standaard VLSI-ontwerptechniek.
B. Geschiedenis en achtergrond van VLSI
De allereerste transistor werd in 1947 uitgevonden door J. Barden, W. Shockley, W. Brattain in de Bell Laboratories. Alle drie de wetenschappers werden nobel voor de uitvinding in 1956. De grootte van de transistor werd kleiner naarmate de tijd en de technologie vorderden.
Jack Kilby en Robert Noyce kwamen op het idee van IC waar componenten zijn verbonden binnen een enkele chip. Dit hielp ingenieurs om de snelheid te verhogen van de werking van verschillende circuits.
De wet van Moor: In 1998 voorspelde Gordon Moor, mede-oprichter van Intel Corporation, een trend in het aantal componenten in een geïntegreerd circuit.
Hij voorspelde dat -
"Het aantal transistoren in een microchip wordt elke twee jaar verdubbeld".
De trend wordt gevolgd met enkele uitzonderingen.
De vooruitgang van geïntegreerde schakelingen leidt tot de ontdekking van integratie op zeer grote schaal of VLSI-technologie. Voordat de VLSI werd uitgevonden, waren er andere technologieën als stappen. Ze worden hieronder besproken.
- SSI of kleinschalige integratie: Dit type geïntegreerde schakelingen bevat minder dan tien logische poorten. Deze IC-poorten hebben meerdere poorten of flip-flops die bij één pakket horen.
- MSI- of middelgrote schaalintegratie: Deze pakketten bevatten tien tot duizend logische poorten. MSI IC's kunnen logische basispoorten genereren. De logische poorten kunnen verder worden gebruikt voor het maken van sequentiële en combinatorische circuits zoals - mux-demux, encoders-decoders, latch, slipper, registers, enz.
- LSI- of grootschalige integratie: LSI-units bevatten meer dan honderd poorten. LSI IC's creëren meer complexe circuitstructuren zoals rekenmachines, minicomputers, enz.
- VLSI of integratie op zeer grote schaal: Bevat duizenden logische poorten.
- ULSI- of Ultra Large Scale-integratie: Een enkele chip bevat meer dan 10 ^ 9 componenten.
Hieronder volgt een overzicht van transformatie.
Klik hier voor meer informatie over VHDL-ontwerpen!
C. VLSI-ontwerp
Een VLSI-ontwerp heeft verschillende onderdelen. Het heeft een juiste en perfecte fysieke, structurele en gedragsmatige weergave van het circuit nodig. Overtollige en repetitieve informatie wordt weggelaten om een goed artworksysteem te maken. Dit wordt bereikt door een grafische ontwerpbeschrijving en symbolische weergave van componenten en onderlinge verbindingen te gebruiken.
VLSI-architecturen gebruiken n-kanaals MOS-veldeffecttransistors en complementaire MOS. Bij complementaire MOS of CMOS moeten zowel de n-kanaals als de p-kanaals MOS-FET's in hetzelfde substraat worden vervaardigd.
In de jaren tachtig groeide de vraag naar toenemende pakketdichtheid en dit had invloed op het stroomverbruik van NMOS IC's. Het stroomverbruik werd zo hoog dat de dissipatie van het vermogen een serieus probleem opleverde. Om het probleem op te lossen, kwam de CMOS-technologie naar voren als een oplossing.
CMOS biedt een hoge ingangsimpedantie, een hoge ruismarge en bidirectionele werking. Daarom werkt het soepel als een schakelaar.
Implementeer VHDL met Xilinx… Begin hier met het maken van uw eerste project!
D. Transistors in VLSI-ontwerp
De metaaloxide halfgeleider Veldeffecttransistor of MOSFET is het belangrijkste onderdeel in VLSI-chips met hoge dichtheid.
Waarom wordt FET gebruikt in VLSI?
FET- of veldeffecttransistors zijn waarschijnlijk de eenvoudigste vormen van de transistor. FET's worden veel gebruikt in zowel analoge als digitale toepassingen. Ze worden gescheiden door een grote waarde van ingangsweerstand en een kleiner oppervlak en kleinere afmetingen, en ze kunnen worden gebruikt om circuits te vormen met een laag stroomverbruik. Daarom worden ze veel gebruikt bij integratie op zeer grote schaal.
CMOS en n-kanaals MOS worden gebruikt vanwege hun energie-efficiëntie.
Kenmerken van NMOS-transistors
Een NMOS-veldeffecttransistor wordt getoond in de bovenstaande afbeelding met de afvoerstroom en de klemspanningweergaven. Voor een NMOS FET zijn de source- en drainaansluitingen symmetrisch (bidirectioneel).
Als er geen lading op de poortterminal staat, fungeert het pad van afvoer naar bron als een open schakelaar. Omdat een dunne oxidelaag de poort van het substraat scheidt, geeft dit een capaciteitswaarde. Wanneer de poortaansluiting voldoende positieve ladingen heeft verzameld, is de spanning VGS overschrijdt een drempelspanning V.TH. Zo worden elektronen aangetrokken in het gebied onder de poort om een geleidend pad te geven tussen de afvoer en de bron.
De poortspanning verbetert de kanaalgeleiding door in de verbeteringsmodus te treden. VTH ~ = 0.2 VDD geeft de VTH.
De meeste drager voor dit type FET zijn gaten. Wanneer de positieve poort naar bronspanning of VGS is kleiner dan VTHworden de meeste drager of gaten in het substraat afgestoten. Nu is er op het oppervlak van het p-type geen drager. Er is geen stroming vanwege het uitputtingsgebied.
Nu, wanneer de gate-to-source-spanning hoger wordt dan de drempelspanning, wordt een gezond aantal minderheidsdragers naar het oppervlak aangetrokken (wat in ons geval het elektron is). Aldus wordt een kanaal gevormd uit een inversielaag tussen de source- en drain-aansluiting.
De onderstaande uitdrukking geeft de afvoerstroom-ID.
ID = Lading geïnduceerd in het kanaal (Q) / transittijd (τ)
De ladingstransitietijd τ is de tijd die een ladingsdrager nodig heeft om het kanaal over te steken van de source-terminal naar de drain-terminal. Voor een kleine waarde van VDS,
τ = Afstand afvoer naar bron (L) / Snelheid elektronendrift (vd) = L / μE = L2 /vDS μ
E is het elektrische veld en gegeven als, E = VDs / L.
μ is de elektronenmobiliteit. We hebben eerder gezegd dat er een capaciteitswaarde is die wordt gegenereerd. De capaciteit wordt gegeven als C = εA / D = εWL / D
W is de breedte, terwijl D de dikte is van de di-oxidelaag. ε vertegenwoordigt de permittiviteit van de oxidelaag. Voor siliconendioxide is de verhouding ε / ε0 komt als 4. De lading tijdens het transport is -
Q = C (VGS - VTH - VDS/ 2) = (εWL / D) * (VGS - VTH - VDS/ 2)
De afvoerstroom wordt gegeven als - ID = Q / τ = (μεW / LD) * (VGS - VTH - VDS/ 2) VDS
De weerstand is R = VDS / ID = LD / [μεW * (VGS - VTH - VDS/ 2)]
De uitgangskarakteristieken van een NMOS-transistor worden weergegeven in de onderstaande grafiek.
In het verzadigingsgebied wordt de afvoerstroom verkregen als -
ID = (μεW / 2LD) (VGS - VTH)2
NMOS-transistors kunnen ook worden vervaardigd met de waarden van de drempelspanning VTH <= 0. De transistors worden aangeduid als depletion-mode devices.
E. VLSI-ontwerpregels
VLSI-ontwerpen heeft enkele basisregels. De regels zijn specifiek enkele geometrische specificaties die het ontwerp van het lay-outmasker vereenvoudigen. De regels geven details over de minimumafmetingen, lijnenlay-outs en andere geometrische maten die worden verkregen uit de grenzen van bepaalde dispensatie-expertise.
Deze regels helpen de ontwerper om een circuit op het kleinst mogelijke gebied te ontwerpen zonder concessies te doen aan de prestaties en betrouwbaarheid.
Er zijn twee sets ontwerpregels.
- Regel van Micron - De regel ontwikkelt zich rond implementatiebeperkingen zoals - minimale objectgrootte, kleinst toegestane objectscheidingen. Ze worden vermeld met betrekking tot micrometerbereiken.
- Ontwerpregels gebaseerd op Lambda: de beperkingen op de afstand in de lay-out worden uitgedrukt in termen van primaire lengte-eenheid lambda. De regels zijn ontwikkeld om de industriestandaard micronregels te vereenvoudigen. Hierdoor kan de capaciteit voor verschillende processen worden geschaald. De lengte-eenheid lambda is de afstand waarmee het geometrische kenmerk van een laag kan overlappen met dat van een andere laag, en wordt bepaald door de beperkingen van de procestechnologie.
Als de lengte-eenheid lambda is, worden alle breedtes, afstanden en afstanden uitgedrukt als m * lambda. M is de schaalfactor. Het diffuse gebied heeft een schaalfactor van minimaal 2 lambda's. Volgens de veilige vuistregel hebben diffuse gebieden, die niet met elkaar zijn verbonden, een scheiding van 3 lambda's. Metalen lijnen hebben een minimale breedte en scheiding van 3 lambda's in standaard VLSI-ontwerp.
F. Schalen in VLSI-ontwerp
Door de vooruitgang in technologie kunnen we de grootte van de apparaten verkleinen. Dit proces van verkleining staat bekend als schaalvergroting. De belangrijkste voordelen van het schalen van VLSI-ontwerp zijn dat, wanneer de afmetingen van een geïntegreerd systeem worden verkleind tot kleinere afmetingen, de algehele prestaties van het circuit worden verbeterd. Andere doelstellingen van schaalvergroting zijn - grotere pakketdichtheid, grotere uitvoeringssnelheid, lagere apparaatkosten.
Enkele van de meest gebruikte schaalmodellen zijn -
- Constante elektrische veldschaling
- Constante spanningsschaling.
Voor het constante elektrische veld worden de niet-lineaire effecten geëlimineerd omdat het elektrische veld van het circuit hetzelfde blijft. Om de schaling in het VLSI-ontwerp te begrijpen, nemen we twee parameters als α en β. Voor constant elektrisch veld, β = α en voor spanningsschaling, β = 1.
Voor meer elektronica gerelateerd artikel klik hier
Hallo, ik ben Sudipta Roy. Ik heb B. Tech in elektronica gedaan. Ik ben een elektronica-liefhebber en houd mij momenteel bezig met elektronica en communicatie. Ik heb een grote interesse in het verkennen van moderne technologieën zoals AI en Machine Learning. Mijn geschriften zijn gewijd aan het verstrekken van nauwkeurige en bijgewerkte gegevens aan alle leerlingen. Iemand helpen bij het opdoen van kennis geeft mij enorm veel plezier.
Laten we verbinding maken via LinkedIn –
Hallo medelezer,
We zijn een klein team bij Techiescience, dat hard werkt tussen de grote spelers. Als je het leuk vindt wat je ziet, deel dan onze inhoud op sociale media. Uw steun maakt een groot verschil. Bedankt!