Минимальный размер транзистора: 65-нм технологический процесс ? ближайшее будущее полупроводниковых технологий Intel

Содержание

65-нм технологический процесс ? ближайшее будущее полупроводниковых технологий Intel

В рамках очередного российского Форума Intel для разработчиков, проводимого в Москве 19-20 октября, наряду с общей презентацией новых полупроводниковых технологий Intel был представлен отдельный технический доклад Джоша Волдена (Josh Walden) под названием «Технология Intel с разрешением 65 нанометров: воплощая закон Мура для ограниченного энергопотребления». Докладчик, руководитель лаборатории Fab24, расположенной в Лейкслип, Ирландия, ознакомил слушателей с текущим положением дел Intel в области полупроводниковых технологий и изложил планы корпорации на ближайшее будущее, которые включают в себя создание и выпуск в 2005 году микропроцессоров по 65-нм технологии, получившей свое воплощение уже сегодня в виде тестовых микросхем кэш-памяти (SRAM), насчитывающих более 0.5 млрд. транзисторов и производимых на 300-мм подложках. Ниже мы подробно изложим и проанализируем основные технические моменты, которые были представлены на этом докладе, а также сделаем краткий экскурс в ближайшее будущее полупроводниковых технологий корпорации.

Современное состояние полупроводниковых технологий Intel: 90-нм технологический процесс

Прежде всего остановимся на текущем положении дел корпорации в области полупроводниковых и микропроцессорных технологий, поскольку новый 65-нм технологический процесс во многом является развитием идей, заложенных в реализации нынешнего поколения 90-нм микропроцессоров. Итак, перечислим ключевые моменты современной 90-нм технологии.

1. Технология напряженного кремния

Пожалуй, на сегодняшний день это наиболее известная «в массах» технология, отличающая 90-нм технологический процесс Intel от предыдущих. Она направлена на решение одной из важнейших задач микропроцессорной индустрии — увеличения скорости работы транзисторов, образующих ядро процессора. Ее принцип заключается в растяжении (в случае транзисторов NMOS) или сжатии (для транзисторов PMOS) правильной кристаллической решетки кремния — материала канала полевого транзистора, что приводит к увеличению электронно-дырочной проводимости, т.е. ускорению прохождения электрического тока через канал за счет снижения его сопротивления (до 30% на PMOS-транзисторах и до 10% на NMOS-транзисторах). В свою очередь, за счет этого увеличивается скорость переключения транзисторов, что выражается в конечном виде возможностью увеличения тактовой частоты процессора (учитывая, что ядро микропроцессора представляет собой CMOS-решение, т.е. сочетание PMOS и NMOS-транзисторов, в среднем следует ожидать до 20% ее увеличения). Сжатие или растяжение правильной структуры кристаллической решетки кремния в общем случае является ее «напряжением», что и отразилось в названии данной технологии.

Технология напряженного кремния Intel. Слева — сжатая кристаллическая решетка кремния PMOS-транзисторов и растянутая кристаллическая решетка кремния NMOS-транзисторов; справа — течение тока через правильную и напряженную кристаллическую решетку кремния.

2. Усовершенствованные транзисторы

Существенной составляющей 90-нм технологического процесса Intel является использование миниатюрных, высокопроизводительных транзисторов, обладающих низким энергопотреблением и работающих при уменьшенном питающем напряжении (~1.2 В). Транзисторы характеризуются 50-нм толщиной затвора, изготавливаемого из поликристаллического кремния с применением покрытия из силицида никеля (NiSi) — материала, обладающего более низким линейным электрическим сопротивлением по сравнению с используемым ранее дисилицидом кобальта (CoSi

2) в областях длин затвора менее 100 нм. Толщина диэлектрического оксидного слоя затвора в 90-нм транзисторах составляет 1.2 нм, последний изготавливается из обычного диоксида кремния (SiO2), который хорошо зарекомендовал себя на протяжении последних 30 лет в качестве материала для данного компонента транзисторов, прежде всего, вследствие простоты его изготовления (оксидный слой изготавливается прямо «на месте», т.е. в процессе производства транзисторов, посредством термического окисления поверхности подложки). Помимо этого, применение данного материала предоставляет возможность дальнейшего увеличения скорости работы транзисторов посредством сокращения толщины образуемого им изолирующего слоя (разумеется, лишь до некоторого предела, о чем пойдет речь ниже).

90-нм транзисторы. Слева — общий вид транзисторов; справа — оксидный слой затвора.

3. 7-слойные межтранзисторные соединения

Нынешний технологический процесс включает в себя использование 7-слойных медных соединений высокой плотности, приводящее к снижению общей стоимости продукции, а также нового типа диэлектрика с низкой диэлектрической константой (low-k), представляющего собой нитрид кремния (SiN) в сочетании с оксидным материалом (точный состав которого не раскрывается), допированным углеродом (carbon-doped oxide, CDO). Это позволяет снизить «межконтактную» емкость на 18-20% по сравнению с применяемым в 130-нм техпроцессе оксифторидом кремния (SiOF), что ускоряет «внутричиповую» коммуникацию и снижает потребляемую чипом мощность.

90-нм межтранзисторные соединения. Слева — общий вид соединений; справа — строение диэлектрической прослойки.

4. 300-мм производственные подложки

В производстве чипов по 90-нм технологическому процессу Intel используются только 300-мм подложки, производимые в больших объемах тремя крупнейшими 300-мм фабриками: D1C в Хилсбро, Орегон, F11X в Альбукерке, Нью Мехико и F24 в Лейкслип, Ирландия. Изготовление чипов осуществляется по методологии точного копирования («Copy Exactly!»), позволяющей увеличить выход годных чипов и эффективность производства последних. Основная экономическая выгода является следствием соотношения размера кристалла к размеру подложки, которое при переходе от 130-нм технологии, производимой на 200-мм подложках, к 90-нм технологии на 300-мм подложках уменьшается примерно в 2.5 раза. Помимо экономической выгоды, 300-мм производство вследствие этого же соотношения является и более безопасным по отношению к окружающей среде.

Итак, мы рассмотрели основные моменты, отличающие современный 90-нм технологический процесс от прошлых и позволяющие достичь большую производительность конечного изделия, с одной стороны, и большую экономическую выгодность и экологическую безопасность его производства — с другой. В заключение напомним, что рассматриваемый техпроцесс успешно получил свое воплощение в виде процессорных ядер Prescott и Dothan, анонсированных Intel 2 февраля и 10 мая 2004 года, соответственно.

Микропроцессорные ядра, выпускаемые по 90-нм технологическому процессу.

Ближайшее будущее полупроводниковых технологий Intel: 65-нм технологический процесс

Вслед за рассмотрением современного состояния отрасли, вполне логично перейти к рассмотрению нового 65-нм технологического процесса, реализация которого продемонстрирована уже сейчас на примере 70-мегабитных тестовых образцов кэш-памяти SRAM с размером ячейки 0.57 мкм

2, а его внедрение в микропроцессорное производство ожидается в 2005 году. Как обычно, начнем с ключевых моментов, которые в существенной степени аналогичны рассмотренным выше для 90-нм техпроцесса. Тем не менее, важно отметить, что представленная ниже информация носит в некотором роде «предварительный» характер, поскольку более расширенная презентация 65-нм технологического процесса будет проведена примерно через 1.5 месяца, на встрече IEEE International Electron Devices, которая состоится в Сан-Франциско 12-15 декабря 2004 года.

1. Усовершенствованная технология напряженного кремния

Технология напряженного кремния, применяемая Intel начиная с рассмотренного выше 90-нм технологического процесса, в 65-нм техпроцессе получает свое дальнейшее развитие. За счет применения более сильной технологии «напряжения» кремниевого канала, в новом технологическом процессе достигается дальнейшее увеличение скорости переключения транзисторов за счет возрастания тока активности (ID, или I

ON) на 10-15% при сохранении практически на постоянном уровне тока утечки через оксидный слой затвора (IGate). Общий выигрыш по тактовой частоте в результате применения улучшенной технологии напряженного кремния второго поколения, согласно Intel, составит величину порядка 30% (по сравнению с «ненапряженным» кремнием).

2. Новые 65-нм транзисторы

Транзисторы, изготавливаемые по 65-нм технологическому процессу, характеризуются дальнейшим уменьшением длины никель-силицидированного поликремниевого затвора до 35 нм при одновременном сохранении толщины оксидного слоя затвора на уровне 1.2 нм. Последнее обстоятельство является причиной сохранения тока утечки на прежнем уровне, а комбинация этих фактов уменьшает емкость затвора (CGate) до 20%, что ведет к снижению потребляемей чипом «активной» мощности. Тем не менее, не следует забывать о такой важной характеристике полевого транзистора, как ток покоя (IOFF) — ток, проходящий от истока к стоку в режиме «бездействия» транзистора, возникновение которого связано с частичным «пробоем» материала канала затвора, а также материала подложки. В новейшей презентации 65-нм технологии не встречается ни единого упоминания этого, достаточно принципиального момента, вернее, по всей видимости, в представленных диаграммах I

OFF просто… незаметно подменяется величиной IGate! В то же время, из литературных данных хорошо известно, что уменьшение длины затвора непременно влечет за собой увеличение силы тока IOFF, что, кстати, не отрицает и сама Intel в ряде других презентаций.

Проблема утечки тока в состоянии покоя (IOFF). Сверху — пояснение сути проблемы. Снизу — соотношение ION / IOFF для 90-нм и 65-нм транзисторов, по данным последней презентации 65-нм технологии (слева) и зависимость силы тока IOFF от размера канала затвора, по данным презентации «транзисторов будущего» Intel (справа). Несоответствие данных по IOFF, взятых из двух разных презентаций одной и той же компании, как говорится, «налицо».

Среди дополнительных новшеств, реализованных в 65-нм транзисторах, прежде всего следует отметить снижение уровня питающего напряжения до 1.0 В, что положительно сказывается на величине рассеиваемой ими мощности. С точки зрения используемых материалов, в новом техпроцессе, можно сказать, завершен переход на использование силицида никеля (NiSi) в качестве единого материала для изготовления как затворного покрытия, так и покрытия истока и стока транзистора, что приводит к снижению электрического сопротивления последних и дополнительному снижению потребляемой мощности. Наконец, контактная длины затвора в новом техпроцессе уменьшена до 220 нм, что позволяет обеспечить более высокую плотность компоновки элементов чипа.

Проблема увеличения электрического сопротивления материала истока и стока при уменьшении размера. Ее решение в 65-нм технологическом процессе представляется в виде применения силицида никеля (NiSi) для изготовления покрытия данных компонентов транзистора наряду с покрытием затвора.

3. 8-слойные межтранзисторные соединения

Новый технологический процесс также вносит изменения в схему изготовления соединительных участков. Прежде всего, добавлен еще один, восьмой металлический (медный) слой, обеспечивающий дальнейшие увеличение плотности контактов и скорости распространения электрических сигналов. В качестве диэлектрика по-прежнему используется low-k оксидный материал, допированный углеродом (CDO), но отмечается, что технология его изготовления была улучшена по сравнению с текущим 90-нм техпроцессом. Применение подобного материала в сочетании с новой методикой 0.7-кратного масштабирования линий медных соединений приводит к дальнейшему снижению «межконтактной» емкости, которое, как было отмечено в предыдущем разделе, приводит к снижению мощности, рассеиваемой на межтранзисторных соединениях.

65-нм межтранзисторные соединения. Общий вид и краткое описание технологии их изготовления.

4. 0.57-мкм2 ячейки SRAM, транзисторы «режима сна»

Использование 65-нм технологического процесса в производстве 4-Мбитных чипов статической памяти (SRAM) было впервые анонсировано Intel еще в ноябре 2003 года. В дальнейшем компании удалось произвести полностью функциональные 70-Мбитные SRAM-чипы по этому техпроцессу, обладающие сравнительно малой площадью кристалла — 110 мм2. Очевидно, что изготовление чипов статической памяти, обладающих малой площадью и высокой емкостью существенно для интеграции больших объемов кэш-памяти в ядро процессора, что в большинстве случаев положительно сказывается на производительности готового конструктивного решения в реальных приложениях.

65-нм чипы статической памяти (SRAM). Слева — вид чипа и его технические характеристики; справа — энергосберегающие свойства чипа, связанные с применением «транзисторов режима сна»

Ячейка 65-нм SRAM-чипа представляет собой упаковку из 6 транзисторов (технология 6T) и занимает площадь 0.57 мкм2 (для сравнения, 90-нм кэш-память SRAM имеет площадь 6T-ячейки 1.0 мкм2) и характеризуется сравнительно низким статическим шумовым порогом (Static Noise Margin, SNM), позволяющим оперировать устройству при напряжениях вплоть до 0.7 В.

Как отмечается в презентации 65-нм технологии, важным отличием новых 65-нм чипов SRAM является использование так называемых «транзисторов режима сна», контролирующих течение тока к субмассивам ячеек SRAM в зависимости от их состояния (подача напряжения к данному набору ячеек отключается при его бездействии, и включается при осуществлении обращения к одному из элементов этого набора). Очевидно, что следствием применения «транзисторов режима сна» является значительное сокращение потребления электроэнергии подсистемой кэш-памяти процессора, что особенно важно для мобильных устройств. Несмотря на то, что данная технология считается отличительной особенностью именно 65-нм устройств статической памяти, нельзя не заметить, что подобная (мы не утверждаем, что именно такая) технология, на самом деле, уже давно реализована и используется еще со времен 130-нм мобильных процессоров Pentium M с ядром Banias, умеющих «усыплять» неиспользуемые участки своего L2-кэша.

5. 300-мм производственные подложки

В производстве 65-нм чипов используются те же самые 300-мм подложки, применяемые в производстве текущего поколения 90-нм ядер процессоров. Опытное производство самих 65-нм устройств в настоящее время осуществляется на фабрике D1D в Хилсбро, Орегон, где и был разработан данный технологический процесс.

Основные задачи ближайшего будущего полупроводниковых технологий Intel

Рассмотрев 65-нм технологический процесс, каким его представляет себе корпорация Intel, перейдем теперь к более общему рассмотрению технологических проблем и задач, решение которых необходимо для воплощения данного и последующих, еще «меньших» с точки зрения размера транзистора технологических процессов. Ведь не зря прошедшая на IDF 2004 Russia презентация 65-нм технологии, можно сказать, была открыта лозунгом «Масштабирование становится все сложнее по мере уменьшения размеров». Задачи и их решения можно разделить на две категории — технологические и литографические.

Технологические задачи будущего полупроводниковых технологий Intel и их решение (сверху). Возрастание плотности тепловой мощности микропроцессоров по мере совершенствования технологического процесса (снизу) — просто интересная аналогия между процессорами, атомными реакторами, соплами ракет и поверхностью звезд, случайно найденная автором в одной из презентаций Intel…

Технологические задачи

Каковы же основные технологические задачи будущего полупроводниковых технологий? Среди важнейших, Intel отмечает следующие: производительность (очевидно, имея в виду все большую и большую трудность столь любимых ими «наращивания частоты» или «погони за гигагерцами»), проблема снижения тока утечки и «цены» дальнейшего увеличения полезной мощности (увеличения соотношения ION / IOFF).

Размер транзистораПроблемыРешения
90-65 нмПроизводительностьНапряженный кремний, силицид никеля (NiSi), low-k диэлектрик (CDO) для соединений
65-45 нмТок утечкиhigh-k диэлектрик в качестве изолирующего слоя затвора
45-30 нмПолезная мощностьТрехзатворные (tri-gate) транзисторы

Из представленной таблицы видно, что проблему «производительности», отнесенную к области 90-65-нм технологических процессов, можно считать уже решенной: в микропроцессорах настоящего и будущего успешно применяются и будут применяться «напряжение» кремния, силицид никеля в качестве материала покрытия затвора (а также покрытия истока и стока), диэлектрик CDO с низкой диэлектрической константой (low-k) для изоляции медных соединений и снижения «межконтактной» емкости. В связи с этим, интереснее будет подробнее остановиться на второй проблеме, относящейся к не столь уж и отдаленному будущему — проблеме тока утечки, а проблему полезной мощности и технологию трехзатворных транзисторов пока отложим до наших следующих публикаций подобного рода.

Проблема тока утечки

Как уже отмечалось выше при рассмотрении современного 90-нм и будущего 65-нм технологических процессов, в качестве материала диэлектрического слоя затвора вот уже на протяжении 30 лет используется диоксид кремния (SiO2), главным образом, благодаря возможности увеличения скорости работы транзисторов посредством сокращения толщины образуемого им изолирующего слоя. Тем не менее, дальнейшее сокращение толщины оксидной прослойки (а толщина 1.2 нанометра, применяемая в 90-нм и 65-нм техпроцессах, составляют всего 5 атомных слоев!) неизбежно сопровождается появлением нежелательных эффектов, прежде всего — увеличением тока утечки через диэлектрик затвора (IGate), что проявляется в виде значительного возрастания энергопотребления и рассеиваемой мощности, а также «аномального» поведения транзистора (отметим, что именно благодаря этим проблемам 90-нм процессор Pentium 4 Prescott с тактовой частотой 4.0 ГГц так и не увидел свет и был недавно окончательно исключен из планов разработки).

Проблема утечки тока через затвор (IGate). Слева — пояснение сути проблемы; справа — зависимость силы тока утечки от толщины оксидного слоя затвора.

Для решения этой критической задачи Intel планируется замена текущего материала диэлектрического покрытия затвора (SiO2) более толстым слоем материала с высокой диэлектрической постоянной (high-k), имеющего лучшие изолирующие свойства, а также создающего высокую емкость между затвором и каналом транзистора (как утверждает Intel, название «high-k» берет свое начало именно от выражения «high capacitance»). Первое свойство такого материала значительно снижает ток утечки, т.е. потребляемую транзистором «пассивную» мощность, а второе позволяет значительно увеличить скорость переключения его состояний. В качестве предпочтительных high-k материалов в литературе отмечается использование оксидов циркония и гафния.

Применение диэлектриков с высокой диэлектрической постоянной (high-k) в качестве материала изолирующего слоя затвора.

Тем не менее, применению материалов с высокой диэлектрической постоянной в настоящее время в существенной степени мешает проблема их «совместимости» с материалом электрода — поликристаллическим кремнием (poly-Si). При совмещении high-k диэлектрика с поликремниевым затвором возникают два нежелательных эффекта: «захват» уровня Ферми (Fermi level pinning) и рассеяние фононов (phonon scattering). Первый эффект связан с возникновением некоторого количества дефектов на границе диэлектрика и материала затвора и затрудняет снижение порогового напряжения (т.е. уровня напряжения, подача которого на затвор приводит к переключению состояния транзистора), необходимое для достижения высокой производительности транзисторов. Второй эффект вызван поляризацией поверхности диэлектрика и приводит к снижению подвижности носителей заряда (электронов) и, следовательно, также негативно сказывается на скорости переключения транзисторов. Для устранения этих нежелательных эффектов предполагается использование металлических затворов (выбор метала зависит от типа транзистора, PMOS или NMOS, и в настоящее время не разглашается), а также особой технологии изготовления транзисторов. Напоследок отметим, что производство таких транзисторов в составе будущих процессоров Intel ожидается в 2007 году в качестве неотъемлемой части 45-нм технологического процесса.

Литографические задачи

Среди литографических задач будущего Intel отмечает проблемы контроля размера элемента и изготовления масок. Прежде чем перейти к краткому рассмотрению этих проблем и их решений, остановимся несколько подробнее на процессе литографии в целом.

Размер транзистораПроблемыРешения
90-65 нмКонтроль размераСмещение фазы (APSM), коррекция оптической близости (OPC)
65-30 нмИзготовление масокEUV-литография (в дальней УФ-области)

Под литографией понимается процесс создания необходимых структурных элементов чипа. Нынешнее поколение чипов, как правило, представляет собой кремниевый субстрат, на поверхности которого выложено свыше 20 слоев из различных материалов, образующих структурные элементы — транзисторы и соединительные элементы («провода»), сочетание которых и задает требуемую конфигурацию, соответствующую конечному изделию — будь то микропроцессор, чипсет, память, или любой другой тип микросхемы.

В процессе литографии активно используются так называемые «маски». Они являются подобием черно-белого негатива, однако вместо оттенков серого используется лишь две градации — полное пропускание и полное поглощение света. Сами по себе маски представляют собой стеклянный носитель с нанесенным на него «узором» из красителя. Перенос паттерна с маски на кремниевую пластину осуществляется посредством пропускания света определенной длины волны через маску.

Задачи литографии ближайшего и отдаленного будущего. Основная проблема — возрастание разрыва между длиной волны применяемого источника света и размером элемента, по мере его уменьшения.

Совершенствование технологического процесса как такового несомненно требует совершенствования используемой литографической технологии. Ключевым элементом литографической технологии является длина волны используемого источника света. Более коротковолновый источник позволяет создавать более мелкие структурные элементы, но это достигается ценой используемых в производстве как источника света, так и оптики и других компонентов системы. Нынешнее поколение чипов Intel создается с помощью ультрафиолетового (УФ) источника света с длиной волны 193 нм, что позволяет достигать минимальный размер структурного элемента порядка 50 нм (т.е. длины затвора транзистора, выполненного по 90-нм технологическому процессу). Очевидно, что изготовление транзисторов по 65-нм техпроцессу (как было сказано выше, имеющих длину затвора 35 нм) требует либо уменьшения длины волны применяемого источника света, либо введения иных ухищрений. В настоящее время Intel пошла по второму пути, выдвигая использование альтернативных, более экономически выгодных технологических трюков для увеличения разрешения в процессе литографического переноса изображения фотошаблона с масок на пластину, получивших название «чередующееся смещение фазы» (Alternating Phase-Shift Masks, APSM-маски) и «коррекция оптической близости» (технология Optical Proximity Correction, OPC). Применение этих технологий позволяет создавать на поверхности подложки «изображения» с требуемым минимальным размером структурного элемента, однако требует существенной переработки процедуры изготовления масок.

Решение задач литографии ближайшего будущего. Применение технологии коррекции оптической близости и чередующегося смещения фазы в процессе изготовления и переноса масок.

Тем не менее, будущие технологические процессы неизбежно потребуют уменьшения длины волны используемого излучателя. Как промежуточный вариант, в ряде презентаций отмечается использование 157-нм литографического процесса, однако в последнее время, начиная еще с прошлого Форума Intel для разработчиков в Москве (IDF 2003 Russia), в планах Intel будущее литографических технологий представляется исключительно введением технологии «экстремальной УФ-литографии» (Extreme Ultra-Violet, EUV), с гигантским скачком длины волны источника света далеко за пределы видимой области (которая, как известно, находится в интервале длин волн 400-800 нм) в область дальнего, или «жесткого» УФ-излучения — до величины 13.5 нм. В то время как это несомненно является огромным преимуществом с точки зрения разрешения, ожидается и много технологических трудностей. Главная проблема — это поглощение столь короткого света материалом линз (кварцевым стеклом), вынуждающее кардинальную перестройку технологической конструкции в виде замены линз зеркалами. В свою очередь, потребуется и замена пропускающих масок отражающими (т.е. поглощающими коротковолновое УФ-излучение в одних областях, и отражающими — в других, с целью чего планируется использование кремний-молибденовых масок). Кроме того, поскольку молекулярные азот и кислород также весьма хорошо поглощают в этой области света, вся установка требует ее помещения в абсолютный вакуум.

Литографические технологии отдаленного будущего. EUV-литография и отражающие маски.

Выводы

На самом деле, какие-либо выводы относительно 65-нм технологического процесса и, тем более, будущих технологий Intel, делать пока рано. Успех или неудачу новой технологии, как всегда, покажут лишь готовые решения, выполненные по этой технологии, а производство 65-нм процессорных ядер ожидается лишь в следующем году, да и сам технологический процесс, можно сказать, представлен еще не в окончательном виде. В наших последующих статьях мы обязательно продолжим рассмотрение будущих полупроводниковых технологий, постепенно становящихся частью настоящего, а пока нам остается только ждать…

Количество транзисторов - Transistor count

Процессор Количество МОП-транзисторов Дата
введения
Дизайнер MOS процесс
( нм )
Площадь ( мм 2 )
MP944 (20 бит, 6 микросхем, всего 28 микросхем) 74 442 (5360 без ПЗУ и ОЗУ) 1970 г. Гаррет АйИсследование ? ?
Intel 4004 (4-битный, 16-контактный) 2250 1971 г. Intel 10,000 нм 12 мм 2
TMX 1795 (? -Бит, 24-контактный) 3078 1971 г. Инструменты Техаса ? 30 мм 2
Intel 8008 (8-разрядный, 18-контактный) 3500 1972 г. Intel 10,000 нм 14 мм 2
NEC μCOM-4 (4-битный, 42-контактный) 2,500 1973 г. NEC 7500 нм ?
Toshiba TLCS-12 (12-бит) 11 000+ 1973 г. Toshiba 6000 нм 32 мм 2
Intel 4040 (4-битный, 16-контактный) 3 000 1974 г. Intel 10,000 нм 12 мм 2
Motorola 6800 (8 бит, 40 контактов) 4 100 1974 г. Motorola 6000 нм 16 мм 2
Intel 8080 (8 бит, 40 контактов) 6000 1974 г. Intel 6000 нм 20 мм 2
TMS 1000 (4 бит, 28 контактов) 8 000 1974 г. Инструменты Техаса 8000 нм 11 мм 2
MOS Technology 6502 (8 бит, 40 контактов) 4,528 1975 г. Технология MOS 8000 нм 21 мм 2
Intersil IM6100 (12 бит, 40 контактов; клон PDP-8 ) 4 000 1975 г. Интерсил ? ?
CDP 1801 (8 бит, 2 микросхемы, 40 контактов) 5 000 1975 г. RCA ? ?
RCA 1802 (8 бит, 40 контактов) 5 000 1976 г. RCA 5000 нм 27 мм 2
Zilog Z80 (8-битный, 4-битный ALU , 40-контактный) 8 500 1976 г. Зилог 4000 нм 18 мм 2
Intel 8085 (8 бит, 40 контактов) 6 500 1976 г. Intel 3000 нм 20 мм 2
TMS9900 (16 бит) 8 000 1976 г. Инструменты Техаса ? ?
Motorola MC14500B (1 бит, 16 контактов) ? 1977 г. Motorola ? ?
Bellmac-8 (8-бит) 7 000 1977 г. Bell Labs 5000 нм ?
Motorola 6809 (8-битный с некоторыми 16-битными функциями , 40-контактный) 9 000 1978 г. Motorola 5000 нм 21 мм 2
Intel 8086 (16 бит, 40 контактов) 29 000 1978 г. Intel 3000 нм 33 мм 2
Zilog Z8000 (16 бит) 17 500 1979 г. Зилог ? ?
Intel 8088 (16-битная, 8-битная шина данных) 29 000 1979 г. Intel 3000 нм 33 мм 2
Motorola 68000 (16/32-битные, 32-битные регистры, 16-битный ALU ) 68 000 1979 г. Motorola 3500 нм 44 мм 2
Intel 8051 (8 бит, 40 контактов) 50 000 1980 г. Intel ? ?
WDC 65C02 11 500 1981 WDC 3000 нм 6 мм 2
ROMP (32-бит) 45 000 1981 IBM 2000 нм ?
Intel 80186 (16 бит, 68 контактов) 55 000 1982 г. Intel 3000 нм 60 мм 2
Intel 80286 (16 бит, 68 контактов) 134 000 1982 г. Intel 1500 нм 49 мм 2
WDC 65C816 (8/16-бит) 22 000 1983 г. WDC 3000 нм 9 мм 2
NEC V20 63 000 1984 NEC ? ?
Motorola 68020 (32-бит; используется 114 контактов) 190 000 1984 Motorola 2000 нм 85 мм 2
Intel 80386 (32-разрядный, 132-контактный; без кеша) 275 000 1985 г. Intel 1500 нм 104 мм 2
ARM 1 (32-разрядная; без кеша) 25 000 1985 г. Желудь 3000 нм 50 мм 2
Novix NC4016 (16-бит) 16 000 1985 г. Harris Corporation 3000 нм ?
SPARC MB86900 (32-разрядный; без кеша) 110 000 1986 г. Fujitsu 1200 нм ?
NEC V60 (32-бит, без кеша) 375 000 1986 г. NEC 1500 нм ?
ARM 2 (32-разрядный, 84-контактный; без кеша) 27 000 1986 г. Желудь 2000 нм 30,25 мм 2
Z80000 (32-разрядный; очень маленький кеш) 91 000 1986 г. Зилог ? ?
NEC V70 (32-разрядный; без кеша) 385 000 1987 г. NEC 1500 нм ?
Hitachi Gmicro / 200 730 000 1987 г. Hitachi 1000 нм ?
Motorola 68030 (32-бит, очень маленькие кэши) 273 000 1987 г. Motorola 800 нм 102 мм 2
Микросхема 32-битной машины Lisp от TI Explorer 553 000 1987 г. Инструменты Техаса 2000 нм ?
DEC WRL MultiTitan 180 000 1988 г. DEC WRL 1500 нм 61 мм 2
Intel i960 (32-разрядная, 33-разрядная подсистема памяти , без кеша) 250 000 1988 г. Intel 1500 нм ?
Intel i960CA (32-бит, кэш) 600 000 1989 г. Intel 800 нм 143 мм 2
Intel i860 (32/64-бит, 128-битный SIMD , кэш, VLIW ) 1,000,000 1989 г. Intel ? ?
Intel 80486 (32-бит, кэш 4 КБ) 1,180,235 1989 г. Intel 1000 нм 173 мм 2
ARM 3 (32-бит, кэш 4 КБ) 310 000 1989 г. Желудь 1500 нм 87 мм 2
Motorola 68040 (32-бит, кэш 8 КБ) 1,200,000 1990 г. Motorola 650 нм 152 мм 2
R4000 (64-бит, 16 КБ кешей) 1,350,000 1991 г. MIPS 1000 нм 213 мм 2
ARM 6 (32-разрядная версия, без кеша для этого варианта 60) 35 000 1991 г. РУКА 800 нм ?
Hitachi SH-1 (32-бит, без кеша) 600 000 1992 г. Hitachi 800 нм 10 мм 2
Intel i960CF (32-бит, кэш) 900 000 1992 г. Intel ? 125 мм 2
DEC Alpha 21064 (64-разрядная, 290-контактная; 16 КБ кэш-памяти) 1,680,000 1992 г. DEC 750 нм 233,52 мм 2
Hitachi HARP-1 (32-бит, кэш) 2 800 000 1993 г. Hitachi 500 нм 267 мм 2
Pentium (32-бит, 16 КБ кешей) 3 100 000 1993 г. Intel 800 нм 294 мм 2
ARM700 (32-разрядный; кэш 8 КБ) 578 977 1994 г. РУКА 700 нм 68,51 мм 2
MuP21 (21 бит, 40 контактов; включает видео ) 7 000 1994 г. Offete Enterprises 1200 нм ?
Motorola 68060 (32-бит, 16 КБ кешей) 2 500 000 1994 г. Motorola 600 нм 218 мм 2
PowerPC 601 (32-бит, 32 КБ кешей) 2 800 000 1994 г. Apple / IBM / Motorola 600 нм 121 мм 2
SA-110 (32-бит, 32 КБ кешей) 2 500 000 1995 г. Желудь / DEC / Apple 350 нм 50 мм 2
Pentium Pro (32-разрядный, 16 КБ кеш-памяти; кэш L2 входит в комплект поставки, но на отдельном кристалле) 5 500 000 1995 г. Intel 500 нм 307 мм 2
AMD K5 (32-бит, кеши) 4 300 000 1996 г. AMD 500 нм 251 мм 2
Hitachi SH-4 (32-бит, кеши) 10 000 000 1997 г. Hitachi 200 нм 42 мм 2
Pentium II Klamath (32-битный, 64-битный SIMD , кеши) 7 500 000 1997 г. Intel 350 нм 195 мм 2
AMD K6 (32-бит, кеши) 8 800 000 1997 г. AMD 350 нм 162 мм 2
F21 (21 бит; включает, например, видео ) 15 000 1997 г. Offete Enterprises ? ?
AVR (8-битный, 40-контактный; с памятью) 140 000 (48 000 без памяти ) 1997 г. Скандинавские СБИС / Atmel ? ?
Pentium II Deschutes (32-разрядный, большой кэш) 7 500 000 1998 г. Intel 250 нм 113 мм 2
ARM 9TDMI (32-бит, без кеша) 111 000 1999 г. Желудь 350 нм 4,8 мм 2
Pentium III Katmai (32-битный, 128-битный SIMD, кеши) 9 500 000 1999 г. Intel 250 нм 128 мм 2
Emotion Engine (64-битный, 128-битный SIMD , кеш) 13 500 000 1999 г. Sony / Toshiba 180 нм 240 мм 2
Pentium II Mobile Dixon (32-бит, кэш) 27 400 000 1999 г. Intel 180 нм 180 мм 2
AMD K6-III (32-бит, кеши) 21 300 000 1999 г. AMD 250 нм 118 мм 2
AMD K7 (32-бит, кеши) 22 000 000 1999 г. AMD 250 нм 184 мм 2
Gekko (32-бит, большой кеш) 21 000 000 2000 г. IBM / Nintendo 180 нм 43 мм 2
Pentium III Coppermine (32-разрядный, большой кэш) 21 000 000 2000 г. Intel 180 нм 80 мм 2
Pentium 4 Willamette (32-битный, большой кэш) 42 000 000 2000 г. Intel 180 нм 217 мм 2
SPARC64 V (64-разрядный, большой кеш) 191 000 000 2001 г. Fujitsu 130 нм 290 мм 2
Pentium III Tualatin (32-битный, большой кэш) 45 000 000 2001 г. Intel 130 нм 81 мм 2
Pentium 4 Northwood (32-битный, большой кэш) 55 000 000 2002 г. Intel 130 нм 145 мм 2
Itanium 2 McKinley (64-бит, большой кеш) 220 000 000 2002 г. Intel 180 нм 421 мм 2
DEC Alpha 21364 (64-разрядная, 946-контактная, SIMD, очень большие кэши) 152 000 000 2003 г. DEC 180 нм 397 мм 2
Barton (32-бит, большой кеш) 54 300 000 2003 г. AMD 130 нм 101 мм 2
AMD K8 (64-бит, большой кэш) 105 900 000 2003 г. AMD 130 нм 193 мм 2
Itanium 2 Madison 6M (64-разрядная версия) 410 000 000 2003 г. Intel 130 нм 374 мм 2
Pentium 4 Prescott (32-битный, большой кэш) 112 000 000 2004 г. Intel 90 нм 110 мм 2
SPARC64 V + (64-разрядный, большой кеш) 400 000 000 2004 г. Fujitsu 90 нм 294 мм 2
Itanium 2 (64-разрядная; кэш 9  МБ ) 592 000 000 2004 г. Intel 130 нм 432 мм 2
Pentium 4 Prescott-2M (32-бит, большой кэш) 169 000 000 2005 г. Intel 90 нм 143 мм 2
Pentium D Smithfield (32-битный, большой кэш) 228 000 000 2005 г. Intel 90 нм 206 мм 2
Ксенон (64 бит, 128 бит SIMD, большой кеш) 165 000 000 2005 г. IBM 90 нм ?
Ячейка (32-битная, кеш) 250 000 000 2005 г. Sony / IBM / Toshiba 90 нм 221 мм 2
Pentium 4 Cedar Mill (32-битный, большой кэш) 184 000 000 2006 г. Intel 65 нм 90 мм 2
Pentium D Presler (32-бит, большой кэш) 362 000 000 2006 г. Intel 65 нм 162 мм 2
Core 2 Duo Conroe (двухъядерный 64-разрядный, большие кеши) 291 000 000 2006 г. Intel 65 нм 143 мм 2
Двухъядерный Itanium 2 (64-бит, SIMD , большие кеши) 1 700 000 000 2006 г. Intel 90 нм 596 мм 2
Четырехъядерный процессор AMD K10 2M L3 (64-разрядная версия, большой кэш) 463 000 000 2007 г. AMD 65 нм 283 мм 2
ARM Cortex-A9 (32-битная, (опционально) SIMD , кеши) 26 000 000 2007 г. РУКА 45 нм 31 мм 2
Core 2 Duo Wolfdale (двухъядерный 64-разрядный, SIMD , кеши) 411 000 000 2007 г. Intel 45 нм 107 мм 2
POWER6 (64-бит, большие кеши) 789 000 000 2007 г. IBM 65 нм 341 мм 2
Core 2 Duo Allendale (двухъядерный 64-разрядный, SIMD , большие кеши) 169 000 000 2007 г. Intel 65 нм 111 мм 2
Uniphier 250 000 000 2007 г. Мацусита 45 нм ?
SPARC64 VI (64-бит, SIMD , большие кеши) 540 000 000 2007 г. Fujitsu 90 нм 421 мм 2
Core 2 Duo Wolfdale 3M (двухъядерный 64-разрядный, SIMD , большие кеши) 230 000 000 2008 г. Intel 45 нм 83 мм 2
Core i7 (четырехъядерный 64-разрядный, SIMD , большие кеши) 731 000 000 2008 г. Intel 45 нм 263 мм 2
Четырехъядерный процессор AMD K10 6M L3 (64-бит, SIMD , большие кеши) 758 000 000 2008 г. AMD 45 нм 258 мм 2
Atom (32-битный, большой кеш) 47 000 000 2008 г. Intel 45 нм 24 мм 2
SPARC64 VII (64-бит, SIMD , большие кеши) 600 000 000 2008 г. Fujitsu 65 нм 445 мм 2
Шестиядерный Xeon 7400 (64-бит, SIMD , большие кеши) 1 900 000 000 2008 г. Intel 45 нм 503 мм 2
Шестиядерный Opteron 2400 (64-бит, SIMD , большие кеши) 904 000 000 2009 г. AMD 45 нм 346 мм 2
SPARC64 VIIIfx (64-бит, SIMD , большие кеши) 760 000 000 2009 г. Fujitsu 45 нм 513 мм 2
SPARC T3 (16-ядерный 64-битный, SIMD , большие кеши) 1 000 000 000 2010 г. Солнце / Оракул 40 нм 377 мм 2
Шестиядерный Core i7 (Gulftown) 1 170 000 000 2010 г. Intel 32 нм 240 мм 2
POWER7 32M L3 (8-ядерный, 64-разрядный, SIMD , большие кеши) 1 200 000 000 2010 г. IBM 45 нм 567 мм 2
Четырехъядерный процессор z196 (64-битный, очень большой кэш) 1,400,000,000 2010 г. IBM 45 нм 512 мм 2
Четырехъядерный Itanium Tukwila (64-бит, SIMD , большие кеши) 2 000 000 000 2010 г. Intel 65 нм 699 мм 2
Xeon Nehalem-EX (8-ядерный 64-бит, SIMD , большие кеши) 2 300 000 000 2010 г. Intel 45 нм 684 мм 2
SPARC64 IXfx (64-бит, SIMD , большие кеши) 1 870 000 000 2011 г. Fujitsu 40 нм 484 мм 2
Четырехъядерный + GPU Core i7 (64-бит, SIMD , большие кеши) 1 160 000 000 2011 г. Intel 32 нм 216 мм 2
Шестиядерный Core i7 / 8-ядерный Xeon E5
(Sandy Bridge-E / EP) (64-бит, SIMD , большие кеши)
2 270 000 000 2011 г. Intel 32 нм 434 мм 2
Xeon Westmere-EX (10-ядерный 64-бит, SIMD , большие кеши) 2 600 000 000 2011 г. Intel 32 нм 512 мм 2
Атом "Медфилд" (64-бит) 432 000 000 2012 г. Intel 32 нм 64 мм 2
SPARC64 X (64-бит, SIMD , кеши) 2 990 000 000 2012 г. Fujitsu 28 нм 600 мм 2
AMD Bulldozer (8-ядерный 64-бит, SIMD , кеши) 1 200 000 000 2012 г. AMD 32 нм 315 мм 2
Четырехъядерный + GPU AMD Trinity (64-бит, SIMD , кеши) 1 303 000 000 2012 г. AMD 32 нм 246 мм 2
Четырехъядерный + GPU Core i7 Ivy Bridge (64-бит, SIMD , кэш) 1,400,000,000 2012 г. Intel 22 нм 160 мм 2
POWER7 + (8-ядерный, 64-разрядный, SIMD , кэш L3 80 МБ) 2 100 000 000 2012 г. IBM 32 нм 567 мм 2
Шесть-жильный zEC12 (64-бит, SIMD , большие кэши) 2 750 000 000 2012 г. IBM 32 нм 597 мм 2
Itanium Poulson (8-ядерный 64-бит, SIMD , кеши) 3 100 000 000 2012 г. Intel 32 нм 544 мм 2
Xeon Phi (61-ядерный 32-битный, 512-битный SIMD , кеши) 5 000 000 000 2012 г. Intel 22 нм 720 мм 2
Apple A7 (двухъядерный 64/32-битный ARM64 , «мобильная SoC », SIMD , кеши) 1 000 000 000 2013 яблоко 28 нм 102 мм 2
Шестиядерный Core i7 Ivy Bridge E (64-бит, SIMD , кеши) 1 860 000 000 2013 Intel 22 нм 256 мм 2
POWER8 (12-ядерный 64-бит, SIMD , кеши) 4 200 000 000 2013 IBM 22 нм 650 мм 2
Xbox One main SoC (64-бит, SIMD , кеши) 5 000 000 000 2013 Microsoft / AMD 28 нм 363 мм 2
Четырехъядерный + GPU Core i7 Haswell (64-бит, SIMD , кеши) 1,400,000,000 2014 г. Intel 22 нм 177 мм 2
Apple A8 (двухъядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 2 000 000 000 2014 г. яблоко 20 нм 89 мм 2
Core i7 Haswell-E (8-ядерный 64-бит, SIMD , кеши) 2 600 000 000 2014 г. Intel 22 нм 355 мм 2
Apple A8X (трехъядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 3 000 000 000 2014 г. яблоко 20 нм 128 мм 2
Xeon Ivy Bridge-EX (15-ядерный 64-бит, SIMD , кеши) 4 310 000 000 2014 г. Intel 22 нм 541 мм 2
Xeon Haswell-E5 (18-ядерный 64-бит, SIMD , кеши) 5 560 000 000 2014 г. Intel 22 нм 661 мм 2
Четырехъядерный + GPU GT2 Core i7 Skylake K (64-бит, SIMD , кеши) 1,750,000,000 2015 г. Intel 14 нм 122 мм 2
Двухъядерный + графический процессор Iris Core i7 Broadwell-U (64-бит, SIMD , кеши) 1 900 000 000 2015 г. Intel 14 нм 133 мм 2
Apple A9 (двухъядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 2 000 000 000+ 2015 г. яблоко 14 нм
( Samsung )
96 мм 2
( Samsung )
16 нм
( TSMC )
104,5 мм 2
( TSMC )
Apple A9X (двухъядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 3 000 000 000+ 2015 г. яблоко 16 нм 143,9 мм 2
IBM z13 (64-бит, кеши) 3 990 000 000 2015 г. IBM 22 нм 678 мм 2
Контроллер хранения IBM z13 7 100 000 000 2015 г. IBM 22 нм 678 мм 2
SPARC M7 (32-ядерный, 64-битный, SIMD , кеши) 10 000 000 000 2015 г. Oracle 20 нм ?
Qualcomm Snapdragon 835 (восьмиядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 3 000 000 000 2016 г. Qualcomm 10 нм 72,3 мм 2
Core i7 Broadwell-E (10-ядерный 64-бит, SIMD , кеши) 3 200 000 000 2016 г. Intel 14 нм 246 мм 2
Apple A10 Fusion (четырехъядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 3 300 000 000 2016 г. яблоко 16 нм 125 мм 2
HiSilicon Kirin 960 (восьмиядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 4 000 000 000 2016 г. Huawei 16 нм 110.00 мм 2
Xeon Broadwell-E5 (22 ядра, 64 бит, SIMD , кеши) 7 200 000 000 2016 г. Intel 14 нм 456 мм 2
Xeon Phi (72-ядерный 64-битный, 512-битный SIMD , кеши) 8 000 000 000 2016 г. Intel 14 нм 683 мм 2
Zip CPU (32-битный, для FPGA ) 1286 6-LUT 2016 г. Технология Gisselquist ? ?
Qualcomm Snapdragon 845 (восьмиядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 5 300 000 000 2017 г. Qualcomm 10 нм 94 мм 2
Qualcomm Snapdragon 850 (восьмиядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 5 300 000 000 2017 г. Qualcomm 10 нм 94 мм 2
Apple A11 Bionic (шестиядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 4 300 000 000 2017 г. яблоко 10 нм 89,23 мм 2
Zeppelin SoC Ryzen (64-бит, SIMD , кеши) 4 800 000 000 2017 г. AMD 14 нм 192 мм 2
Ryzen 5 1600 Ryzen (64-бит, SIMD , кеши) 4 800 000 000 2017 г. AMD 14 нм 213 мм 2
Ryzen 5 1600 X Ryzen (64-бит, SIMD , кеши) 4 800 000 000 2017 г. AMD 14 нм 213 мм 2
IBM z14 (64-бит, SIMD , кеши) 6 100 000 000 2017 г. IBM 14 нм 696 мм 2
Контроллер хранения IBM z14 (64-разрядная версия ) 9 700 000 000 2017 г. IBM 14 нм 696 мм 2
HiSilicon Kirin 970 (восьмиядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 5 500 000 000 2017 г. Huawei 10 нм 96,72 мм 2
Xbox One X (Project Scorpio) основная SoC (64-бит, SIMD , кеши) 7 000 000 000 2017 г. Microsoft / AMD 16 нм 360 мм 2
Xeon Platinum 8180 (28-ядерный 64-бит, SIMD , кеши) 8 000 000 000 2017 г. Intel 14 нм ?
POWER9 (64-бит, SIMD , кеши) 8 000 000 000 2017 г. IBM 14 нм 695 мм 2
Чип базовой платформы Freedom U500 (E51, 4 × U54) RISC-V (64-бит, кэш) 250 000 000 2017 г. SiFive 28 нм ~ 30 мм 2
SPARC64 XII (12-ядерный 64-разрядный, SIMD , кеши) 5 450 000 000 2017 г. Fujitsu 20 нм 795 мм 2
Apple A10X Fusion (шестиядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 4 300 000 000 2017 г. яблоко 10 нм 96,40 мм 2
Centriq 2400 (64/32-бит, SIMD , кеши) 18 000 000 000 2017 г. Qualcomm 10 нм 398 мм 2
AMD Epyc (32-ядерный, 64-битный, SIMD , кеши) 19 200 000 000 2017 г. AMD 14 нм 768 мм 2
HiSilicon Kirin 710 (восьмиядерный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 5 500 000 000 2018 г. Huawei 12 нм ?
Apple A12 Bionic (шестиядерный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 6 900 000 000 2018 г. яблоко 7 нм 83,27 мм 2
HiSilicon Kirin 980 (восьмиядерный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 6 900 000 000 2018 г. Huawei 7 нм 74,13 мм 2
Qualcomm Snapdragon 8cx / SCX8180 (восьмиядерный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 8 500 000 000 2018 г. Qualcomm 7 нм 112 мм 2
Apple A12X Bionic (восьмиядерный 64/32-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 10 000 000 000 2018 г. яблоко 7 нм 122 мм 2
Fujitsu A64FX (64/32-бит, SIMD , кэш) 8 786 000 000 2018 г. Fujitsu 7 нм ?
Tegra Xavier SoC (64/32-бит) 9 000 000 000 2018 г. Nvidia 12 нм 350 мм 2
AMD Ryzen 7 3700X (64-разрядная, SIMD , кэш, матрица ввода-вывода) 5 990 000 000 2019 г. AMD 7 и 12 нм ( TSMC ) 199 (74 + 125) мм 2
HiSilicon Kirin 990 4G 8 000 000 000 2019 г. Huawei 7 нм 90.00 мм 2
Apple A13 (шестиядерный 64-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 8 500 000 000 2019 г. яблоко 7 нм 98,48 мм 2
AMD Ryzen 9 3900X (64-разрядная версия, SIMD , кеши, матрица ввода-вывода) 9 890 000 000 2019 г. AMD 7 и 12 нм ( TSMC ) 273 мм 2
HiSilicon Kirin 990 5G 10 300 000 000 2019 г. Huawei 7 нм 113.31 мм 2
AWS Graviton2 (64-разрядная, 64-ядерная на базе ARM, SIMD , кеши) 30 000 000 000 2019 г. Amazon 7 нм ?
AMD Epyc Rome (64-бит, SIMD , кеши) 39 540 000 000 2019 г. AMD 7 и 12 нм ( TSMC ) 1008 мм 2
Apple A14 Bionic (шестиядерный 64-битный ARM64 «мобильная SoC», SIMD , кеши) 11 800 000 000 2020 г. яблоко 5 нм 88 мм 2
Apple M1 (восьмиядерный 64-битный ARM64 SoC, SIMD , кеши) 16 000 000 000 2020 г. яблоко 5 нм 119 мм 2
HiSilicon Kirin 9000 15 300 000 000 2020 г. Huawei 5 нм ?

Транзисторы для начинающих часть 7 - Транзисторы - Фундаменты электроники - Каталог статей

В предыдущем разделе вы узнали, что транзистор должен всегда работать в безопасной зоне. Вы очень хорошо справились с упражнениями, и думаете, что вы теперь знакомы с проблемой потери мощности. Теперь вы знаете, что условия работы транзистора ограничены четырьмя факторами:
- Допустимое напряжение коллектор- эмиттер
- Допустимый ток коллектора
- Явления вторичного пробоя
- Максимальная рассеиваемая мощность.

Первые два вы прекрасно понимаете: слишком большое напряжение приведет к пробою и необратимому разрушению перехода, а большой ток коллектора может расплавить проводники. Проблему вторичного пробоя вам не нужно исследовать достаточно того, что в каталоге уже указана безопасная зона с учетом этой опасности. Просто сделайте так чтобы ваш транзистор не работал при напряжениях близких к UCE0 и с большим током.

Вы познакомились также с еще одним важным параметром – рассеиваемая мощность. Вы можете рассчитать максимальную мощность потерь транзистора для данного напряжения питания и сопротивления нагрузки. Вы можете подобрать нагрузку, так чтобы при заданном напряжении питания, не превышать допустимую мощность рассеивания.

И здесь я должен вас немного разочаровать: этого знания хватить просто для понимания и использования транзисторов малой мощности. В случае использования транзисторов с большой мощностью, не достаточно провести простой расчет, как это делали в предыдущем эпизоде, заключающееся в проверке, рассеиваемая мощность в данной схеме не превышает данную в каталоге допустимую мощность потерь Ptot! Здесь ключевое значение имеет именно температура перехода, то есть кремневой структуры транзистора.

Сегодня мы рассмотрим этот вопрос более внимательно.

Выделяемое устройством тепло нужно извлечь и рассеять в окружающей среде. Как вы думаете, от чего зависит скорость потока тепла между переходами транзистора и окружающей средой?

Это важный вопрос!

Скорость потока тепла, безусловно, зависит от разницы температур, но и от тепловой изоляции. Если электрическая плиту тщательно накрыть теплоизоляционным материалом, например, одеялом, тепло будет протекать медленнее, в то время как температура плиты будет быстро расти и одеяло через несколько минут, загорится.

В электронике это же самое. Когда в переходах транзистора начинает выделяться тепловая мощность равна P=UCE Х IC, и температура этого перехода растет. С ростом разницы температур переход-окружение, также увеличивается количество тепла уходящего в окружающую среду. Если температура перехода будет расти до бесконечности? Невозможно! В какой-то момент установиться баланс: разница температур вырастит на столько, что все вырабатываемое тепло будет уходить в окружающую среду. Благодаря этому температура перестанет расти. Запомните это - в нормальных условиях работы в устройстве производится состояние теплового равновесия - температура повышается на такую величину, чтобы все выделившееся на переходе тепло рассеивалось. Если вы не позаботитесь, чтобы это тепло эффективно рассеивалось в окружающую среду, температура увеличиться на столько что вы уничтожите транзистор.

К сожалению, я должен вам это подробно объяснить, потому что и здесь распространены неправильные представления. Оказывается, что в подавляющем большинстве случаев мощный транзистор не может работать с приведенной в каталоге мощностью Ptot! Надо на самом деле принимать во внимание дополнительные факторы.

Запомните раз навсегда: высокая температура является смертным врагом полупроводников. Новичок представляют себе, что существует строго определенная граница, после превышении которой полупроводниковый элемент приходит в негодность, на подобие олова, которое тает при определенной, точно определенной температуре - это представление совершенно неправильно. Что правда, в каталогах полупроводников указывается максимальная температура перехода, обозначается Tjmax (Tjmax), как правило, +150°C, но это вовсе не означает, что на например, при температуре +200°С элемент растает, или сразу же будет поврежден. Температура плавления кремния значительно выше. Я знаю „экспериментаторов”, которые на рабочих мощных транзисторах (типа 2N3055) топили олово - температура корпуса превышала +200°C, температура перехода была, конечно, гораздо выше, и... транзисторы не были повреждены.

Это откуда в справочниках эти +150 градусов C?

Это просто. При этой температуре риск повреждения еще относительно не велик. Элемент, работающий при этой температуре (с учетом статистически), должен безотказно работать, скажем, через 10000 часов (то есть более чем год непрерывной работы). Здесь в игру вступает здесь статистика и учет вероятности, так что я не буду вам объяснять подробно вопросы аварийности и прогнозируемые периоды времени безотказной работы. Конечно, когда-нибудь вы встретитесь терминами MTTF, MTBF (средняя наработка на отказ) - только они касаются вопросов безотказной работы и риска повреждений устройств и компонентов. И таким образом, эти +150°C это не какой-то строго указанный не непроходимый порог. После которого плавятся переходы транзистора, до +200°С транзистор по-прежнему будет работать. Кроме того, в каталогах вы встретите элементы (диоды и некоторые транзисторы), для которых определены допустимые температуры переходов +175°С или даже +200°С.

Запомните основную зависимость - с ростом температуры быстро растет и риск, то есть вероятность повреждения. При указанной в каталоге максимальной температуре перехода Tjmax риск повреждения еще относительно мал. Но с ростом температуры вероятность повреждения растет в геометрической прогрессии, то есть очень быстро. Это означает, что вы должны приложить все усилия, чтобы не превысить указанную максимальную температуру перехода.

Глядя на это, с другой стороны, у вас есть следующий практически важный вывод – если температура перехода транзистора будет значительно ниже, чем те договорные +150 градусов C, например, будет составлять +30 C +50 градусов C, вероятность выхода из строя будет очень, очень маленькой - смело можно считать, что при таких условиях работы транзистор будет вечным. Я хотел бы рассеять ненужные страхи. Проще говоря, если не превышены: максимальное напряжение коллектора, максимальные токи базы и коллектора, и если температура перехода будет ниже +150°C, вам не нужно беспокоиться о целостности транзистора. А если температура будет близка к комнатной температуре, можно смело считать, что транзистор вечен.

Это обнадеживающее сообщение, не так ли? Так, но из практики я знаю, что наиболее частой причиной повреждения транзисторов в любительских схемах является именно их перегрев вследствие незнания основных принципов. Именно поэтому этой проблеме я посвятил целых три эпизода сериала о транзисторах.

Чтобы не потерять основной поток наших размышлений, я должен навсегда вбить вам в голову зависимость, как указанная в каталоге максимальная мощность связана с допустимой температурой перехода (+150°С). Теперь мы должны найти какие-то модели и зависимости, чтобы описать происходящие явления.

Вы могли бы вычислить, на сколько градусов увеличится температура перехода при работе транзистора?

Это, безусловно, зависит не только от мощности рассеивания (чем больше мощность, тем выше будет температура перехода), но также от тепловой изоляции между переходом и окружающей средой - чем более эффективна теплоизоляция, тем больше должна быть температура, чтобы „толкать” тепло через эту изоляцию в окружающую среду.

В физике часто используются понятие теплопроводность (материала). Мы в электронике не вдаваясь, в подробности, используем понятия тепло сопротивление (тепловое) обозначаемом Rth, которая касается не материала, а но конкретного элемента.

Новичков это может напугать, но на самом деле здесь нет ничего сложного. Сопротивление, как сопротивление - стоит сопротивление, затрудняет движение (тепла). Это параметр, характеризующий какой-то конкретный объект с точки зрения теплопроводности - не вдаваясь в подробности, скажем, что именно это термическое сопротивление Rth. Например, кусок алюминия или меди имеет небольшое термическое сопротивление (потому что эти металлы хорошо проводят тепло), а кусок дерева, воздух, или кусок пластмассы, обладают высоким тепловым сопротивлением. Конечно, в случае с транзистором, мы заинтересованы в том, чтобы тепловое сопротивление было как можно меньше, то есть, чтобы все выделенное тепло, быстро и эффективно отдавалось в окружающую среду.

Делать расчеты основных тепловых зависимостей действительно по-детски легко, потому легко понять аналогию с электрической цепью. В электрической цепи ток зависит от напряжения (чем выше напряжение, тем больше сила тока) и от сопротивления (чем больше сопротивление, тем меньше сила тока). Математически это выражает, конечно же, закон Ома. Точно так же и в цепи теплового воздействия. Мы можем говорить о законе Ома для тепловой цепи. Догадались ли вы, что здесь «тепловое напряжение», что „тепловой ток”, а что „термическое сопротивление”? Подумайте сами.
...
- Да, конечно!
„Тепловое напряжение” это разница температур ΔТ, „тепловой ток” передающаяся или отводимая тепловая мощность Р, в то время как «тепловое сопротивление» - это термическое сопротивление Rth.
Запишем формулы этого варианта закона Ома:


На практике чаще мы используем трансформированных формулы:

У вас нет сомнений, что тепловое сопротивление между переходом (анг. junction) и окружающей средой, атмосферой (анг. ambience). Обозначают, Rthja (junction – ambience).

Тепловое сопротивление выражается в градусах Цельсия (или в Кельвинах) на Ватт – °С/Вт. Смысл прост: тепловое сопротивление показывает, какая будет разница температур с обеих сторон данного элемента, при переносе тепловой мощности. Если, скажем, через активное сопротивление термической транзистор (между переходом и окружающей средой) проходит 5 ВТ тепловой мощности, а термическое сопротивление составляет 20°С/вт, то разница температур составит 100°C. То есть кристалл будет теплее окружающей среды на 100°C.

Значение Rthja транзистора рассчитывается производителем и его можно найти в справочнике.

Не пугайтесь указанных Кельвинов на Ватт, здесь нет ни чего сложного. Кельвины – это «сдвинутые вниз градусы Цельсия» начинаются от абсолютного нуля (0K=−273°C, 0°C=273K, +27°C=300K, +100°C=373K, +150°C=423K).

И никогда не забывайте, что в этих формулах мы имеем разницу температуры перехода и окружающей среды!

А зачем нам это термическое сопротивление и формулы? Именно эти формулы позволяют нам контролировать рассеиваемую мощность и температуру транзисторов очень большой мощности, а также различных интегральных схем. Вычислим, будет ли превышена допустимая температура в данной схеме. Вот, пожалуйста:

Пример 1:
Транзистор BC548 (UCE0=25В, IC=100 ма, P=500 мвт, Rthja=250K/В) работает при напряжении 12В с резистором нагрузки (рис. 55) RL=1k. Максимальная температура окружающей среды составляет +40°С.

Какая будет максимальная температура p-транзистора в худших условиях, т.е. при напряжении на коллекторе, равной половине напряжения питания?

В предыдущем разделе мы познакомились с формулой для определения мощности при наихудших условиях: подставим:



Даже при напряжении питания равном 24В, рассеиваемая мощность не будет больше, чем 150мВт, а рост температуры составит не более 36 градусов C.

Выводы? Если в вашей схеме транзисторы малой мощности, имеющие термическое сопротивление не более 500 К/Вт, работают с мощностью не более 100 мВт (0,1Вт), вы можете не бояться их перегрева. Например, если питающее напряжение составляет 12 В, то в худшем случае мощность 100 мВт выделиться на транзисторе с нагрузочным резистором:

На практике, как правило, резисторы нагрузки (в цепи коллектора) имеют электрическое сопротивление выше 1кОм и тогда при напряжениях питания до 24В не нужно беспокоиться об рассеиваемой мощности и температуре перехода.

Пример 2
В нашей схеме транзистор BC107 (Ptot=300мВт) и рассчитано, что в худшем случае в устройстве он будет выделять 200мВт (0,2ВТ) рассеиваемой мощности. В первом случае транзистор работает в хорошо проветриваемом корпусе, где температура составляет +30 C, во втором случае, температура внутри маленького, закрытой корпуса может достигать +60 градусов C. Значение Rthja транзистора BC107 составляет 500 К/Вт.

Определим:

В первом случае температура соединения составит:

В другом Tj=+160°C.

Ну и что? Опять же, ты удивлен?

Это ловушка, в которую попадают начинающие - если не превышена каталожная мощность потерь Ptot, не рассчитывают температуры переходов, думая, что, конечно, все в порядке. Оказалось, однако, что в устройстве небольшой мощности при слишком большой температуре окружающей среды не должно работать с указанной в каталоге мощность рассеивания транзистора. Но не паникуйте. Как я говорил вам, когда температура перехода выше на 10 или 20 градусов C от указаной +150 градусов C, хотя и увеличивает риск повреждения, но не может сразу повредить транзистор. Это не значит, что я призываю вас к превышения допустимой температуры перехода - наоборот - я призываю вас, так проектировать свои схемы, чтобы температуры были значительно ниже, чем указанные в каталоге +150 градусов С.

Идем далее.

Пример 3

Найдем температуру структуры полевого транзистора типа MOSFET BUZ74A, с параметрами по справочнику Ptot =40 ВТ и Rthja=75K/В (=75 С/ВТ). Температура окружающей среды составляет, скажем, +20 градусов. Мы не хотим перегружать транзистора, так что подберем активное сопротивление нагрузки в цепи стока) транзистора, чтобы максимальная рассеиваемая мощность транзистора составляла только 5 ВТ. Мы будем работать с мощностью 8 раз меньше, чем допустимая мощность Ptot.

Ничего, не подозревая рассчитываем температуру по формуле ΔT=P×Rth

Учитывая температуру окружающей среды, равна +20°C, температура перехода составит +395 градусов C.

Что очень много, не так ли? Где кроется ошибка? В конце концов, мы взяли транзистор большой мощности! А может расчеты касаются только „обычных транзисторов, а не каких-то там MOSFET-ов? Нет! Указанные правила касаются не только всех транзисторов, но и интегральных схем, для которых также приводиться активное термическое сопротивление Rth.

В приведенных выше расчетах, ошибки нет! Это мы сделали категорическую ошибку, не применив радиатор и подставляя бездумно в формулу сопротивление Rthja из католога (которая относится к ситуации без теплоотвода).

Обратите внимание, что для транзисторов малой мощности (мощностью меньше 1ВТ) в каталоге указаны в основном только общее термическое сопротивление между переходом и окружающей средой, Rthja.

Однако, для мощных транзисторов, в каталоге указывается как сопротивление Rthja, касающейся ситуации без радиатора, как и второе, с гораздо меньшим значенем - Rthjc. Второе -это термическое сопротивление между переходом (junction) и корпусом (case), отсюда буквы jc. Для транзистора BUZ74A оно составляет только 3,1K/Вт.

Признаюсь вам, что до многих лет назад, как новичок радиолюбитель я не имел ни малейшего представления о вышеуказанных расчетах и „погубил” таким образом, два новеньких и очень на то время дорогих транзистора серии BUYP. Может и у вас что-то подобное на совести?

С этого момента не делайте больше таких ошибок, хотя сегодня транзисторы несравненно дешевле, чем двадцать пять лет назад.

Смотреть сейчас! Термическое сопротивление Rthja (без радиатора) всех транзисторов и других элементов в популярном корпусе TO-220 составляет примерно 60...80K/В. Отдельные транзисторы в этом корпусе имеют разные значения сопротивления Rthjc (в диапазоне 0,9...4K/В), но подается значения Rthja Почему? Сопротивление Rthja для данного корпуса связано с его размерами, а не со свойствами кремниевой структуры транзистора, поэтому и близки.

Рассчитайте какая, мощность может выделится на транзистора в корпусе TO-220 без радиатора (P=ΔT/Rth).
Примем активное сопротивление Rthja равным 70K/Вт, а также температуру окружающей среды +45 градусов C (например, внутри корпуса прибора).

Как выглядят процессоры внутри — часть №2

Продолжаем смотреть, как выглядят внутри различные процессоры и не только они. Ознакомиться с первой частью можно здесь.

Intel 4004 — первый процессор от Intel

1971 год — именно тогда Intel выпустил свой первый микропроцессор по заказу японской компании Nippon Calculating Machine, занимающейся производством калькуляторов. Особыми характеристиками он не блистал: частота всего до 740 кГц, количество транзисторов было 2300 штук, а ширина шины — всего 4 бита. Сам процессор выглядит внутри достаточно необычно — если вы помните первую часть, то там кристаллы переливались всеми цветами радуги, а тут вполне привычные «металлические» цвета — серый, медный, черный:

Причина этого проста — длина волны видимого света лежит в диапазоне от 400 до 700 нм, а техпроцесс этого процессора — 10 мкм, то есть на порядок больше, поэтому вы видим его так, как он выглядит на самом деле.

К слову, это же означает, что через обычный световой микроскоп можно рассмотреть отдельно взятый транзистор Intel 4004 — но, увы, такой фотографии в интернете я не нашел.

Микросхема 3320А — рассматриваем транзисторы

Конечно, этой микросхеме далеко до полноценного процессора — она представляет собой два логических элемента 4И-НЕ. Дабы не вдаваться глубоко в теорию — такие микросхемы в зависимости от наличия или отсутствия напряжения на определенных ножках (то есть 0 или 1) имеют или не имеют напряжение на других ножках (тоже 0 или 1), и с помощью этого можно выполнять простейшие действия. К примеру, таблица истинности для элемента 2И-НЕ выглядит так:

4И-НЕ означает, что входов 4, а наша микросхема имеет два таких элемента. И, что самое главное, ее техпроцесс — доли миллиметра, то есть можно взглянуть, как выглядят транзисторы, просто задействовав обычную лупу:

Intel Core i9-7980XE — максимум ядер на одном кристалле

Это — топовый процессор для высокопроизводительной платформы от Intel, и он имеет аж 18 полноценных ядер на одном кристалле, размер которого превышает 300 квадратных миллиметров. Для примера — топовый 8-ядерный Core i9-9900K имеет площадь чуть меньше 200 кв мм, и это при том, что у него еще есть интегрированная графика, которой лишен 18-ядерный CPU.

И, в общем-то, фото под микроскопом подтверждают, что ядра занимают всю площадь кристалла:

Cell Broadband Engine — сердце PlayStation 3

Этот процессор имел один блок POWER Processing Element и 8 блоков Synergistic Processing Element, на частоте в 3.2 ГГц конкурировал по производительности с Intel Core 2 Quad, а максимальная рабочая частота могла быть до 5.6 ГГц — современные Intel Core достигают таких частот в лучшем случае под отличной системой водяного охлаждения, в худшем — под жидким азотом.

Увы, лучшая его фотография — только такая:

Но в интернете доступна его схема:



ST Microelectronics OS MLT 04 — сенсор оптической мыши

Да-да, это не совсем процессор и даже не микросхема, это по сути... объединение камеры с процессором:

Снаружи выглядит необычно, не правда ли? Внутри тоже:

Слева в центре, очевидно, сам фотосенсор — в данном случае он имеет разрешение 22 на 22 пикселя: да, этого более чем хватает, ибо такой «камере» нужно всего лишь улавливать движение, и делать это максимально быстро, поэтому число пикселей минимально, а сам процессор интегрирован на схеме справа.

Apple A7 — не верьте маркетинговым техпроцессам

Возьмем, к примеру, процессор Apple A7 — он создавался на заводах Samsung по 28 нм техпроцессу. Теперь посмотрим на его поперечное фото:

10 транзисторов имеют длину в 1138 нм, то есть размеры каждого транзистора... 114 нм?! Да, все именно так — сейчас производители под техпроцессом подразумевают все что угодно, только не длину затвора транзистора: к примеру, с учетом того, что транзисторы в процессорах расположены в 3D, берут площадь кристалла (то есть по сути 2D) и делят на количество транзисторов, получая при этом цифры, в разы меньше реальных размеров транзисторов. Так что когда вам со сцены говорят, что новый процессор выполнен по 7 нм техпроцессу и чуть ли не вдвое «круче» 10 нм — верить этому не стоит.

AMD Fusion — полноценный APU

В свои процессоры Intel уже второй десяток лет встраивает интегрированную графику, и она по сути играет роль эдакой графической «затычки»: интерфейс системы отрисовывает хорошо, даже видео высокой четкости декодирует, но стоит открыть игры или заняться более-менее серьезной обработкой, как сразу становится понятно, что производительность такой графики очень низкая.

AMD же пошли другим путем: ее топовые процессоры в принципе лишены интегрированной графики, зато есть процессоры слабее, которые имеют очень мощную встроенную графику, которая в разы быстрее Intel HD Graphics, и вот на такие процессоры взглянуть уже интересно. 

Вот так выглядят внутри AMD Fusion:

Слева видны четыре процессорных ядра, а справа — десяток вычислительных модулей интегрированного видео. При этом, если вы вспомните фото Core i9-9900K из первой части материала, то там интегрированная графика занимала в лучшем случае четверть кристалла, а тут — добрую половину.

Процессор ARM1 — четкая логика

Архитектура ARM быстро, буквально за десяток лет, стала самой популярной в мире, оттеснив x86 на второй план. И это не удивительно — именно на ней работают все портативные устройства и различная электроника. Почему? Потому что изначально это была очень простая архитектура — так, ПО для процессора ARM1, выпущенного в 1985 году, имело всего 808 строк кода, а сам процессор выглядел очень и очень необычно:

Сравните с Intel 4004 — у него внутри, казалось бы, полная неразбериха, а у ARM1 — четко размещенные структуры и минимум пустого кремния. И именно эта простота и экономичность в итоге позволили ARM очень серьезно развиться, в конечном итоге уже посягая на области, где исконно применяются x86 процессоры.

Вот такие получились подборки фотографий — конечно, я показал лишь самые интересные на мой взгляд кремниевые чипы изнутри, и если вы нашли еще красивые или интересные фото внутренностей кристаллов CPU или GPU — делитесь ими в комментариях.

Размер транзистора

Размер транзистора
  • До сих пор мы предполагали, что для получения симметричного времени нарастания и спада:
  • Уменьшает ли это правило общую задержку?
  • Следовательно, в самозарядный схемы (схемы без значительной коммутирующей емкости и разветвлений), одинакового размера устройства могут использоваться для уменьшения рассеиваемой мощности и площади без ущерба для производительности (общей задержки).
  • Как управлять большими нагрузочными емкостями, например внешние провода через контактные площадки ввода / вывода, длинные шины и т. д.?

  • Используя цепочку инверторов, в которой каждый последующий инвертор больше предыдущего.
  • Какое оптимальное значение (соотношение ступеней), что оба
  • Минимизирует задержку в цепочке.
  • тип = диск>
  • Минимизирует площадь и мощность.
  • тип = диск>

  • Магическое число это e (~ 2.7) - см. Анализ в книге.
  • Оптимальное значение может варьироваться в зависимости от параметров процесса.
  • Два компонента рассеивания мощности в схемах CMOS:
  • Статическая мощность
  • тип = диск>
  • Динамическая мощность
  • тип = диск>

  • Статическая мощность рассеивание:
  • Ток утечки обратного смещения через паразитные диоды, образованные диффузией исток / сток и n-луночной диффузией.
  • тип = диск>
  • Прямой ток устройств псевдо-nMOS.
  • тип = диск>
  • Допороговая проводимость (ток, который течет при V в tn ).
  • тип = диск>
    • Становится более важным по мере уменьшения мощности источника питания.
  • Ток утечки обратного смещения

  • Общая статическая мощность рассеивания:
  • Ток, необходимый для зарядки / разрядки емкостной нагрузки, обычно преобладает над током лома (короткого замыкания).

  • Однако медленное время подъема и спада увеличивает ток лома в приводных воротах.

  • Предполагая пошаговый вход и частоту повторения f п , средняя динамическая мощность, P д , выражается как:

  • Следовательно, мощность пропорциональна
  • Частота переключения
  • тип = диск>
  • Емкостная нагрузка.
  • тип = диск>
  • Но идет вверх как V DD 2 .

  • Кроме того, мощность не зависит от параметров устройства, например V . т или бета.
  • P всего = P с + П д + П короткое замыкание (см. текст P.236)

  • Детальный анализ мощности часто нецелесообразен.

  • Рассмотрим следующие упрощения:
  • Рассчитайте общую емкость, управляемую вентилями в цепи.
  • тип = диск>
  • Оцените процент устройств, работающих на максимальной тактовой частоте (например, 50%).
  • тип = диск>
  • Используйте выражение динамического рассеяния мощности:
  • тип = диск>

  • Минимизация мощности:
  • Используйте дополнительные логические элементы для уменьшения сквозного тока (статический)
  • тип = диск>
  • Используйте устройства минимального размера, чтобы уменьшить диффузную утечку (статическую).
  • тип = диск>
  • Уменьшить V DD , частота и коммутируемая емкость (динамическая).
  • тип = диск>
  • Размер металлических проводников важен, потому что:
  • Миграция металлов.
  • тип = диск>
  • Шум и целостность блока питания.
  • тип = диск>
  • RC задержка (рассмотренная ранее).
  • тип = диск>

  • Электромиграция - это перенос ионов металлов через проводник под действием постоянного тока.

  • «Безопасное» значение плотности тока, J , это:
  • Например, рассмотрим тактовый буфер, который управляет нагрузкой 100 пФ на частоте 50 МГц:
  • Шум и целостность блока питания:
    • ИК-сигнал на V DD и V SS (падение напряжения из-за скачков тока и сопротивления металла) может привести к выходу ворот из строя.

    • Каково падение напряжения (отскок заземления) в проводах питания и заземления, если буфер составляет 500 микрон от контактных площадок питания и заземления?
  • Источники отклонений, влияющих на номинальное поведение схемы (2 экологические, 1 производственное):
  • Рабочая температура
  • тип = диск>
  • Напряжение питания: в технических паспортах указано +/- 10%, т.е.g., от 3,0 до 3,6 для 3,3 В.
  • тип = диск>
  • Вариация процесса: Нормально, чтобы детали оставались в пределах 2 или 3 сигм.
  • тип = диск>

  • Мы должны спроектировать схему для работы со всеми крайними значениями этих переменных.

  • Температура :
    • Что будет с I DS с температурой?
  • Источники изменения процесса включают изменения плотности легирования, толщины оксида и ширины линии.

  • Следующие комбинации границ могут привести к
  • Fast-n, Fast-p
  • тип = диск>
  • Fast-n, Slow-p
  • тип = диск>
  • Slow-n, Fast-p
  • тип = диск>
  • Slow-n, Slow-p
  • тип = диск>

  • На урожайность влияют:
  • Технологии
  • тип = диск>
  • Площадь чипа
  • тип = диск>
  • Планировка
  • тип = диск>
  • Простая модель урожайности (модель Сидя):

  • Ясно, что урожайность резко падает с увеличением площади чипа.

  • Урожайность и тестирование связаны по .

  • Еще одна экспоненциальная функция, которая заявляет, что если доходность низкая, нам лучше иметь высокий тестовый охват (+ 99%), иначе мы отправим много плохих деталей.

  • Тестирование устройства - это самостоятельный процесс - следите за обновлениями.
  • Постоянное масштабирование поля : Масштабирование 1 / альфа применяется ко всем размерам, напряжениям устройств и плотностям концентраций.
  • Я DS на транзистор масштабируется на 1 / альфа.
  • тип = диск>
  • Количество транзисторов на единицу площади по шкале alpha 2 .
  • тип = диск>
  • Плотность тока шкала альфа, плотность мощности остается постоянной (VI / A),
  • тип = диск>
    • например, (1 / альфа * 1 / альфа) * ​​альфа 2

  • Постоянное масштабирование напряжения : V DD остается постоянным, пока процесс масштабируется.
  • Я DS на транзистор масштабируется по альфа.
  • тип = диск>
  • Количество транзисторов на единицу площади увеличивается на альфа 2 .
  • тип = диск>
  • Весы плотности тока от alpha 3 , шкалы плотности мощности Alpha 3 .
  • тип = диск>

  • Боковое масштабирование : Масштабируется только длина ворот ( ворота термоусадочные ).
  • Я DS на транзистор масштабируется по альфа.
  • тип = диск>
  • Количество транзисторов на единицу площади масштабируется по альфа.
  • тип = диск>
  • Весы плотности тока от alpha 2 , шкалы плотности мощности Alpha 2 .
  • тип = диск>

компьютер | История, сети, операционные системы и факты

Компьютер , устройство для обработки, хранения и отображения информации.

компьютер

Портативный компьютер.

© Fatman73 / Fotolia

Популярные вопросы

Что такое компьютер?

Компьютер - это машина, которая может хранить и обрабатывать информацию. Большинство компьютеров полагаются на двоичную систему, которая использует две переменные, 0 и 1, для выполнения таких задач, как хранение данных, вычисление алгоритмов и отображение информации. Компьютеры бывают самых разных форм и размеров, от карманных смартфонов до суперкомпьютеров весом более 300 тонн.

Кто изобрел компьютер?

Какой компьютер самый мощный в мире?

По состоянию на июнь 2020 года самым мощным компьютером в мире является японский суперкомпьютер Fugaku, разработанный Riken и Fujitsu. Он использовался для моделирования симуляций COVID-19.

Как работают языки программирования?

Популярные современные языки программирования, такие как JavaScript и Python, работают с несколькими формами парадигм программирования. Функциональное программирование, которое использует математические функции для выдачи выходных данных на основе ввода данных, является одним из наиболее распространенных способов использования кода для предоставления инструкций компьютеру.

Что умеют компьютеры?

Самые мощные компьютеры могут выполнять чрезвычайно сложные задачи, такие как моделирование экспериментов с ядерным оружием и прогнозирование развития изменения климата. Развитие квантовых компьютеров, машин, которые могут обрабатывать большое количество вычислений с помощью квантового параллелизма (производного от суперпозиции), могло бы выполнять еще более сложные задачи.

Сознательны ли компьютеры?

Способность компьютера обретать сознание - широко обсуждаемая тема.Некоторые утверждают, что сознание зависит от самосознания и способности мыслить, а это означает, что компьютеры обладают сознанием, потому что они распознают свое окружение и могут обрабатывать данные. Другие считают, что человеческое сознание никогда не может быть воспроизведено физическими процессами.

Компьютер когда-то означал человека, выполняющего вычисления, но теперь этот термин почти повсеместно относится к автоматизированному электронному оборудованию. Первый раздел статьи посвящен современным цифровым электронным компьютерам и их конструкции, составным частям и приложениям.Второй раздел посвящен истории вычислительной техники. Подробнее о компьютерной архитектуре, программном обеспечении и теории, см. информатика.

Основы вычислительной техники

Первые компьютеры использовались в основном для численных расчетов. Однако, поскольку любую информацию можно закодировать численно, люди вскоре поняли, что компьютеры способны обрабатывать информацию общего назначения. Их способность обрабатывать большие объемы данных расширила диапазон и точность прогнозов погоды.Их скорость позволила им принимать решения о маршрутизации телефонных соединений через сеть и управлять механическими системами, такими как автомобили, ядерные реакторы и роботизированные хирургические инструменты. Они также достаточно дешевы, чтобы их можно было встроить в бытовую технику и сделать сушилки для одежды и рисоварки «умными». Компьютеры позволили нам задавать вопросы, которые раньше не могли быть заданы, и отвечать на них. Эти вопросы могут касаться последовательностей ДНК в генах, моделей активности на потребительском рынке или всех случаев использования слова в текстах, хранящихся в базе данных.Все чаще компьютеры также могут учиться и адаптироваться в процессе работы.

Компьютеры также имеют ограничения, некоторые из которых являются теоретическими. Например, есть неразрешимые предложения, истинность которых не может быть определена в рамках данного набора правил, таких как логическая структура компьютера. Поскольку не может существовать универсального алгоритмического метода для идентификации таких предложений, компьютер, которого попросили получить истинность такого предложения, будет (если не прервать его принудительно) бесконечно долго - состояние, известное как «проблема остановки».”( См. машина Тьюринга.) Другие ограничения отражают современные технологии. Человеческий разум умеет распознавать пространственные закономерности - например, легко различать человеческие лица, - но это сложная задача для компьютеров, которые должны обрабатывать информацию последовательно, а не улавливать детали в целом с первого взгляда. Еще одна проблемная область для компьютеров - это взаимодействие на естественном языке. Поскольку в обычном человеческом общении предполагается так много общих знаний и контекстной информации, исследователям еще предстоит решить проблему предоставления соответствующей информации универсальным программам на естественном языке.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Аналоговые компьютеры используют непрерывные физические величины для представления количественной информации. Сначала они представляли величины с механическими компонентами ( см. дифференциальный анализатор и интегратор), но после Второй мировой войны использовались напряжения; к 1960-м годам их в значительной степени заменили цифровые компьютеры. Тем не менее, аналоговые компьютеры и некоторые гибридные аналогово-цифровые системы продолжали использоваться в течение 1960-х годов в таких задачах, как моделирование самолетов и космических полетов.

Одно из преимуществ аналоговых вычислений состоит в том, что может быть относительно просто спроектировать и построить аналоговый компьютер для решения одной проблемы. Другое преимущество состоит в том, что аналоговые компьютеры часто могут представлять и решать проблему «в реальном времени»; то есть вычисления происходят с той же скоростью, что и моделируемая им система. Их основные недостатки заключаются в том, что аналоговые представления имеют ограниченную точность - обычно несколько десятичных знаков, но меньше в сложных механизмах, - а устройства общего назначения дороги и их нелегко запрограммировать.

В отличие от аналоговых компьютеров, цифровые компьютеры представляют информацию в дискретной форме, как правило, в виде последовательностей нулей и единиц (двоичных цифр или битов). Современная эра цифровых компьютеров началась в конце 1930-х - начале 1940-х годов в США, Великобритании и Германии. В первых устройствах использовались переключатели, работающие от электромагнитов (реле). Их программы хранились на перфоленте или картах, и у них было ограниченное внутреннее хранилище данных. Исторические разработки, см. В в разделе «Изобретение современного компьютера».

В 1950-х и 60-х годах Unisys (производитель компьютеров UNIVAC), International Business Machines Corporation (IBM) и другие компании производили большие и дорогие компьютеры все большей мощности. Они использовались крупными корпорациями и правительственными исследовательскими лабораториями, как правило, как единственный компьютер в организации. В 1959 году компьютер IBM 1401 арендовали за 8000 долларов в месяц (первые машины IBM почти всегда сдавались в аренду, а не продавались), а в 1964 году самый большой компьютер IBM S / 360 стоил несколько миллионов долларов.

Эти компьютеры стали называть мэйнфреймами, хотя этот термин не стал общепринятым, пока не были построены компьютеры меньшего размера. Мэйнфреймы характеризовались наличием (для своего времени) больших возможностей хранения, быстрых компонентов и мощных вычислительных возможностей. Они были очень надежными и, поскольку они часто удовлетворяли жизненно важные потребности в организации, иногда проектировались с резервными компонентами, которые позволяли им выдерживать частичные отказы. Поскольку это были сложные системы, ими управлял штат системных программистов, у которых только был доступ к компьютеру.Другие пользователи отправляли «пакетные задания» для выполнения по одному на мэйнфрейме.

Такие системы остаются важными сегодня, хотя они больше не являются единственным или даже основным центральным вычислительным ресурсом организации, которая обычно имеет сотни или тысячи персональных компьютеров (ПК). Теперь мэйнфреймы обеспечивают хранилище данных большой емкости для Интернет-серверов или, благодаря методам разделения времени, позволяют сотням или тысячам пользователей одновременно запускать программы. Из-за их текущих ролей эти компьютеры теперь называются серверами, а не мэйнфреймами.

Выбор дискретных транзисторов [Analog Devices Wiki]

Джеймс Брайант

Один из распространенных вопросов, которые задают автору и его коллегам из отдела приложений: «В примечании к применению для XXXX требуется транзистор 3N14159 - где я могу его получить?» Исследования показывают, что 3N14159 был устаревшим в течение многих лет - или его можно получить (при минимальных заказах в 1000000 штук) только со сроком выполнения 21 месяц на заводе в Тимбукту.Правильный вопрос - не «Где мне взять это конкретное устройство?» но «Какие другие, легко доступные устройства будут работать в этом приложении?»

Существуют десятки тысяч, а возможно, и сотни тысяч различных типов дискретных транзисторов, и почти всегда в системе есть несколько мест, где дискретный транзистор необходим. Что мы выбираем и почему?

Для многих приложений нет необходимости выбирать какой-либо конкретный транзистор - достаточно использовать первый подходящий, который попадется под руку.Как правильно выбрать транзистор, не тратя время на ненужные детали?

Мы не будем здесь обсуждать физику транзисторов. Существует множество учебников, в которых дается хорошее изложение основ, а также бесчисленное множество других книг и статей, посвященных как основным принципам, так и подробным исследованиям конкретных вопросов. Но нам действительно нужно знать, что они делают, и может быть полезно немного узнать, почему они ведут себя именно так, поэтому мы поговорим немного о транзисторных структурах.

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор - это твердотельное трехполюсное усилительное устройство. Для входных и выходных сигналов имеется общая клемма, а сигнал на одной из оставшихся клемм управляет током на другой.

Рисунок 1 Основная функция транзистора

Существует два основных типа транзисторов - транзисторы с биполярным переходом и полевые транзисторы, известные соответственно как BJT и FET.

Однако самый основной вопрос при выборе транзистора заключается не в том, BJT это или полевой транзистор, а в его полярности - используется ли его выходной вывод положительным или отрицательным по отношению к его общему выводу? Если ответ положительный, нам нужен NPN BJT или N-канальный полевой транзистор, в противном случае нам нужен PNP или P-канал.Это критически важно, но настолько очевидно, что дальнейшего обсуждения этой темы не требуется. В остальной части статьи, за исключением случаев, когда конкретно рассматривается этот вопрос, мы будем использовать положительные случаи (NPN & N-канал) для всех наших примеров.

Хотя полевые транзисторы были продемонстрированы и запатентованы почти на двадцать лет раньше, чем биполярные транзисторы 1 , первые практические транзисторы были биполярными 2 . Транзистор NPN состоит из тонкой базы полупроводника P-типа, зажатой между двумя областями N-типа, эмиттером и коллектором.Если ток течет от базы к эмиттеру, а на коллекторе присутствует положительное смещение, в коллекторе протекает больший ток, пропорциональный току базы.

Рис.2 Биполярный переходной транзистор NPN (BJT)

Из рисунка 2 мы видим, что BJT - это усилитель тока - выходной ток в ß раз превышает входной ток, а ß может незначительно изменяться в зависимости от тока базы, так что усилитель не является полностью линейным. (Ss или h fe - это коэффициент усиления по току транзистора.Входное сопротивление не является ни низким, ни линейным, поэтому мы также можем рассматривать BJT как выход I / В в усилителе (крутизна) с кремниевым диодом в качестве входного устройства. Понятно, что чем больше значение ß, тем лучше усилитель тока. Для большинства приложений достаточно минимального значения 80–100, но нередки значения, превышающие несколько сотен. (Возможны "супер-бета" транзисторы с ß до нескольких тысяч, но они имеют очень узкую базовую область и низкие напряжения пробоя и настолько хрупки, что используются редко, за исключением аналоговых интегральных схем.)

Есть два типа полевых транзисторов: полевые транзисторы с переходом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET), чаще, но менее точно, называемые полевыми транзисторами на основе оксида кремния (MOSFET), которые я буду использовать здесь, и оба имеют любую полярность. (N-канал для положительного питания, P-канал для отрицательного). Полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (но их входная емкость может быть довольно большой - десятки или даже сотни пФ, ) и, следовательно, являются крутильными (I из / В в ) устройствами.

Сегодня MOSFET - более распространенное устройство. Версия с N-каналом состоит из полосы кремния P-типа с двумя диффузорами N-типа. Поверх полоски между диффузорами находится очень тонкий слой диоксида кремния (или другого изолятора), покрытый проводящей пленкой (обычно из алюминия или поликристаллического кремния). Положительный потенциал на этом проводящем затворе приводит к тому, что материал P-типа непосредственно под изоляцией становится N-типом, соединяя диффузию стока и истока и позволяя току течь.Сила тока зависит от приложенного напряжения, поэтому устройство работает как усилитель, а также как переключатель.

Рис.3 МОП-транзистор с N-канальным режимом расширения

Обычно полевые МОП-транзисторы бывают этого типа - выключены при несмещении и включены напряжением смещения. Такие устройства известны как устройства расширенного режима. Однако возможно сделать полевые транзисторы, которые включаются без смещения и выключаются отрицательным (положительным для P-канала) напряжением. Все JFET (переходные полевые транзисторы) относятся к этому типу, но есть и некоторые MOSFET в режиме истощения.

MOSFET в режиме истощения имеет неглубокую диффузию под оксидом затвора, соединяя сток и исток и позволяя току течь без смещения затвора. Когда затвор смещен отрицательно (для N-канала), эта диффузия ограничивается результирующим электрическим полем, и устройство перестает проводить.

Рисунок 4 МОП-транзистор с N-канальным режимом истощения

N-канальный JFET состоит из полоски кремния N-типа с соединениями (сток и исток) на каждом конце и диффузией затвора P-типа между ними.Без смещения на затворе ток может течь в канале N-типа ниже диффузионного. Когда затвор смещен в отрицательную сторону, зона обеднения расширяется, заполняя канал, и ток стока прекращается.

Рисунок 5 JFET-транзистор с N-канальным режимом истощения

ВЫБОР ТРАНЗИСТОРОВ

Для большинства транзисторных приложений общего назначения нам нужны непроводящие устройства с нулевым смещением на управляющем входе (база или затвор). Такими устройствами являются BJT или полевые МОП-транзисторы в режиме улучшения.В оставшейся части этой статьи не будут рассматриваться полевые транзисторы в режиме истощения - хотя они являются ценными компонентами в ряде приложений, они настолько менее распространены, чем BJT и устройства режима улучшения, что отдельный раздел для них на самом деле не нужен, особенно когда большинство Вопросы, которые мы обсудим, являются общими для всех транзисторов любого типа.

Итак, нам нужен транзистор. Мы знаем, является ли его питание положительным или отрицательным, и поэтому, нужно ли нам устройство с каналом NPN / N или с каналом PNP / P.Но нужен ли нам BJT или MOSFET?

Во многих случаях это не имеет значения. Дискретные полевые МОП-транзисторы, возможно, на десять или двадцать процентов дороже, чем биполярные транзисторы, но им не нужны базовые резисторы, которые стоят дорого и занимают дорогую площадь на плате. Они немного более уязвимы для электростатических повреждений ( ESD ) во время обращения, но они не потребляют базовый ток и не нагружают цепи постоянного тока (поскольку они имеют относительно большую входную емкость, они могут вызвать проблемы емкостной нагрузки в более высокочастотных цепях).Когда-то пороговое напряжение затвора (значение В, гс, , при котором MOSFET начинает проводить) составляло несколько вольт, поэтому их нельзя было использовать с очень низкими напряжениями питания, но сегодня пороговые напряжения многих устройств равны сравнимо с базовым напряжением включения 0,7 В кремниевого BJT. Так что, где нам нужен усилитель или логический переключатель, нам, вероятно, все равно.

Но вход BJT - кремниевый диод. Мы можем использовать его тепловые свойства для измерения температуры, а его высокий ток при перегрузке - действовать как фиксирующая или ограничивающая цепь, поэтому есть некоторые схемы, в которых нам нужен BJT.

В течение примерно двадцати лет журнал Elektor 3 публиковал схемы, построенные на основе транзисторов, которые он называет TUN и TUP («Transistor Universal NPN» и «Transistor Universal PNP»). Эти транзисторы являются кремниевыми планарными BJT, и любой транзистор, который превышает следующие спецификации, соответствует требованиям:

908 t25 (Мин)
Устройство Тип BV ceo I c (макс.) ß [h fe ] (мин.) P tot (Max)
TUN NPN 20 V 100 мА 100 100 мВт 100 МГц
TUP PNP -20 В -100 мА 100 100 мВт 100 МГц

Подходят самые дешевые кремниевые малосигнальные транзисторы.Я должен предложить добавить в список MUN и MUP («универсальный N-канал MOSFET» и «универсальный P-канал MOSFET») - и самые дешевые небольшие полевые МОП-транзисторы соответствуют этой спецификации:

t выкл (макс.)
Устройство Тип BV ds I c (макс.) V GS (th) P tot (Max) t
MUN N-канал 20 V 100 мА 0.5 В до 2 В 100 мВт 20 нСм
MUP P-канал -20 В -100 мА -0,5 В до -2 В 100 мВт 20 нС

Большинство версий SPICE содержат стандартные транзисторы BJT и MOSFET, похожие на эти «универсальные» устройства. Поэтому при разработке системы, содержащей дискретные малосигнальные транзисторы, используйте эти универсальные схемы на этапе проектирования и выберите наиболее удобный ( i.е. лучшая комплектация, доступность и невысокая стоимость) при заказе. Однако при публикации или описании дизайна используйте общую терминологию, чтобы было ясно, что точный выбор устройства вряд ли будет иметь значение.

Конечно, многие проекты не могут использовать эти стандартные устройства - некоторые спецификации должны выходить за рамки простого стандарта. В таких случаях укажите исключения, например: -

MUN кроме выше BV DS = 250 В

ТУП кроме выше ß = 200

Когда в опубликованном проекте используется конкретный транзистор, разумно задуматься о том, необходимо ли выбранное устройство для этой конструкции или было просто первым транзистором, выпавшим из ящика для мусора 4 , когда дизайнер построил свой прототип 5 .Изучите технический паспорт (если транзистор настолько загадочен, что вы не можете найти его, изучите схему, в которой он используется):

  1. Есть ли у устройства какие-то необычные характеристики?

  2. Используется ли эта характеристика в схеме?

  3. Ожидаете ли вы, что схема будет работать с TUN / TUP?

  4. Предлагает ли быстрая проверка программного обеспечения (SPICE), что оно будет работать с TUN / TUP?

  5. Не предполагает ли менее быстрая проверка оборудования (макетной платы), что она будет работать с TUN / TUP?

Если ответы на все вопросы «Да», то, вероятно, будет разумно изучить пункты 1 и 2 немного более внимательно, но если ответы будут «Нет, нет, да, да, да», почти наверняка заменить устройство безопасно. с общим.

ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА

Максимальное напряжение коллектор / сток. BVceo или BVds Если максимальное напряжение питания ниже, чем BV ceo или BV ds , и в коллекторе / стоке нет индуктивной цепи, которая могла бы вызвать более высокие переходные процессы напряжения, и нет внешнего источника сигнала, который мог бы применяться более высоким напряжения, то нам не нужно беспокоиться об этой спецификации.

С другой стороны, существует множество схем, в которых можно ожидать, что транзистор будет работать с высокими значениями В ce или В ds , либо в установившемся состоянии, либо в переходных процессах, и очень важно, чтобы В этом случае выбирается правильный максимум.Старые учебники склонны предполагать, что транзисторы - это низковольтные устройства и что за редким исключением они дороги - полезно помнить, что сегодня

Биполярные транзисторы и полевые МОП-транзисторы с пробивным напряжением более 500 В недороги и легко доступны, хотя коэффициент усиления по току ß высоковольтных биполярных транзисторов чаще находится в диапазоне 40-100, а не = 100 для TUN / TUP. Точно так же пороговое напряжение затвора высоковольтного полевого МОП-транзистора, скорее всего, будет в диапазоне 2–5 В, а не 500–2000 мВ для MUN / MUP.

Абсолютный максимальный ток коллектора / стока. Ic (max) или Id (max) Максимальный ожидаемый ток коллектора / стока не должен превышать абсолютный максимальный номинальный ток устройства. Учитывая, что значение TUN / etc для этого составляет 100 мА , это маловероятно для схем со слабым сигналом, но если транзистор требуется для подачи питания на нагрузку, необходимо проверить максимальный ток.

Абсолютный максимальный номинальный ток некоторых устройств можно разделить на номинальный ток постоянного (или, возможно, средний) ток и более высокий рейтинг переходных процессов для коротких импульсов.Важно убедиться, что пиковые переходные токи находятся в номинальных пределах.

Большинство малосигнальных транзисторов имеют номиналы I max , превышающие 100 мА - обычно 300-1000 мА - и многие устройства, которые соответствуют спецификации TUN и т. Д., На самом деле будут иметь такой рейтинг и могут использоваться при таких средних токах необходимы. Если требуются более высокие токи, устройства TUN / etc будут неадекватными, и необходимо выбрать устройство питания. При более высоких токах важно соответствовать номинальной мощности, а также номинальному току, пакеты, вероятно, будут больше, и может потребоваться радиатор.Биполярные транзисторы с более высокими максимальными токами могут иметь более низкие значения ß при больших токах.

Пакеты и мощность. Существует бесчисленное множество различных корпусов транзисторов, от почти микроскопических корпусов для поверхностного монтажа до больших пластиковых и металлических корпусов, способных выдерживать несколько кВт при соответствующем охлаждении. Выберите тот, который наиболее удобен для вашего приложения - поверхностный монтаж для массового производства, вывод для прототипирования и мелкосерийное производство, где удобна простота ручной пайки, и любой блок питания, подходящий, когда необходимо учитывать рассеивание и радиаторы.

Несколько наиболее распространенных корпусов транзисторов показаны на рис. 6 вместе с парой германиевых транзисторов с германиевым переходом очень ранних британских «красных пятен» (f t = 700 кГц) в кованых алюминиевых банках конца 1950-х годов. («Красные пятна» включены для исторического интереса - в подростковом возрасте автор этой статьи использовал эти транзисторы «Красного пятна», которые были отбракованы от производственной линии, производящей устройства, на самом деле имевшие номера типов - несмотря на то, что они бракованные, они все еще стоят около 1 фунт стерлингов за штуку [более 20 долларов по нынешним ценам], чтобы построить ряд различных радиоприемников и усилителей, а также счетчик Гейгера.)

Рисунок 6 Некоторые корпуса транзисторов

Тепло уходит от большинства корпусов через их выводы, поэтому фактические тепловые характеристики малосигнальных транзисторов зависят как от печатной платы, на которой он установлен, так и от корпуса. Даже самые маленькие транзисторы для поверхностного монтажа могут рассеивать несколько сотен мВт, что намного больше максимального предела, указанного в спецификации TUN / etc. Одно и то же устройство в разных корпусах может иметь разную максимальную мощность - RTFDS 6 осторожно.

В корпусах более мощных устройств есть металлические области, обеспечивающие теплопроводность к радиатору, поэтому внимательно ознакомьтесь с характеристиками рассеивания и требованиями к радиатору для этих устройств. Корпус TO-264 на рисунке 6 может рассеивать 2,5 кВт на подходящем радиаторе.

Разные устройства в одном корпусе могут иметь разную распиновку. Важно понимать, что два транзистора с точно такими же электрическими характеристиками и корпусом могут иметь разные выводы и, следовательно, не могут быть взаимозаменяемыми сразу.На рисунке 7 показаны шесть возможных соединений BJT пакетов TO-92 и SOT-23. Еще в 1990-х автору удалось отследить по крайней мере одно устройство с каждой из этих выводов, и хотя этот список был утерян, у него нет оснований предполагать, что современные транзисторы менее разнообразны.

Рисунок 7 На корпусе возможно шесть выводов

В высокочастотной конструкции может быть полезно выбрать устройство с распиновкой, обеспечивающей наименьшее паразитное реактивное сопротивление в разводке печатной платы.

Ток утечки коллектора / стока. Ice0 или Idss0 (иногда называется «ток отсечки» ). Это небольшой ток утечки, который течет от коллектора к эмиттеру или от стока к истоку, когда транзистор выключен. Обычно он составляет порядка десятков нА, но в таблицах данных иногда устанавливаются довольно большие максимальные значения для худшего случая, чтобы снизить затраты на тестирование. Транзисторы, используемые в качестве переключателей или усилителей очень низкого уровня, должны быть выбраны для утечки менее 50 нА, но для большинства приложений 200 нА или даже более вполне приемлемы.

Рис.8 Инвертор с очень низким энергопотреблением, использующий полевой МОП-транзистор с малой утечкой.

Инвертор малой мощности, показанный на рисунке 8, является примером схем, требующих очень низкой утечки коллектора / стока. Утечка стока 100 нА дает падение напряжения 1 В и выходное напряжение 2,0 В, что только на пороге разрешенных уровней логической 1, поэтому в практических конструкциях следует использовать полевые МОП-транзисторы с утечкой стока / истока = 50 нА. (Обратите внимание, что хотя этот инвертор очень маломощный [300 нА = 0.9 мкВт, когда транзистор включен], это также очень медленно - если предположить, что выходная емкость транзистора плюс емкость дорожки плюс входная емкость следующего каскада 20 пФ , что не является необоснованным, время нарастания у него составляет около 0,2 мс, а не проблема для приложений постоянного тока, но бесполезна даже для цепей переключения средней скорости.)

Текущее усиление. ß или hfe Коэффициент усиления по току BJT - это отношение тока коллектора к току базы, когда устройство не находится в режиме насыщения ( i.е. , напряжение коллектор / база положительное [для устройства NPN]). ß обычно довольно постоянен в широком диапазоне токов, но он может быть немного ниже при очень низких базовых токах и почти наверняка начнет падать, когда ток коллектора приблизится к своему абсолютному максимальному значению. Поскольку это соотношение, это безразмерная величина.

TUN и TUP имеют ß = 100, но сильноточные и высоковольтные BJT могут иметь несколько более низкие (= 40 или 50) минимальные заданные значения.

Рисунок 9 Транзисторный (BJT или MOSFET) эмиттер / истоковый повторитель

Выходной каскад эмиттерного повторителя / истокового повторителя, показанный на рисунке 9, одинаково точен как с BJT, так и с MOSFET.В простых эмиттерных повторителях предполагается, что напряжения база / эмиттер или затвор / исток В, , , равны или В, гс, остаются постоянными, что дает фиксированное смещение между входным напряжением и напряжением нагрузки, но в более точных схемах. обратная связь может быть получена от соединения эмиттер (источник) / нагрузка.

Рисунок 10 Поскольку базовый ток не течет по их выходам, BJT менее точны, чем полевые транзисторы, как токовые выходные каскады.

Поскольку часть эмиттерного тока должна протекать в базе, коллекторный и эмиттерный токи BJT не идентичны, что означает, что токовый выходной каскад на рисунке 10 должен быть выполнен с использованием MOSFET, а не BJT, поскольку MOSFET имеют практически нулевой ток затвора. .

Прямая крутизна. gfs Прямая крутизна полевого транзистора - это отношение ΔI ds / ΔV gs , когда устройство включено и цепь стока не ограничена по току. Он измеряется в сименсах (S) (или, для традиционалистов среди нас, в mhos или обратных омах [Ʊ], которые являются устаревшим названием и символом одного и того же). Малосигнальные полевые транзисторы и полевые МОП-транзисторы могут иметь g fs всего в несколько мс, но более крупные могут иметь усиление от больших долей сименса до нескольких сименсов или более.

Как правило, изменения напряжения затвора на несколько вольт достаточно, чтобы изменить ток стока с минимального (выключенного) до его абсолютного максимального значения. Также важно знать, при каком напряжении на затворе начинается проводимость - см .:

Пороговое напряжение затвора. Vgs (th) Пороговое напряжение затвора полевого МОП-транзистора - это напряжение затвора / истока, при котором правильно смещенный сток начинает потреблять ток. Определение «запусков» будет указано в листе данных и может составлять всего несколько мкА, но более вероятно, что оно будет определено как 1 мА, или даже больше для полевого МОП-транзистора высокой мощности.Выше этого порогового значения ток стока будет расти очень быстро с небольшим увеличением напряжения затвора.

Если полевой МОП-транзистор должен управляться логикой, важно, чтобы его пороговое напряжение было выше наихудшего значения логического 0 в температурном диапазоне схемы, которое, вероятно, составит не менее нескольких сотен мВ , иначе может начать включаться, когда он должен быть выключен.

Напряжение насыщения. Vce (sat) Когда BJT включается достаточно сильно, чтобы падение напряжения в его нагрузке коллектора было достаточным для понижения потенциала коллектора ниже потенциала базы (другими словами, переход база-коллектор смещен в прямом направлении), это называется насыщенный .Это напряжение насыщения не пропорционально току коллектора, поэтому модель насыщенного транзистора - это не просто сопротивление между его коллектором и эмиттером.

Два примера важности низкого напряжения насыщения:

[A] В классической логике TTL каждый входной сигнал направляет 1,6 мА в управляющий им выход логического 0. При полном разветвлении 10 это означает, что выходной транзистор TTL может потребоваться для потребления около 16 мА с напряжением насыщения не более 400 мВ .

[B] Когда силовой BJT используется для переключения сильноточных нагрузок, его рассеяние для заданного тока нагрузки пропорционально его напряжению насыщения. Чем ниже напряжение насыщения, тем меньше тепла необходимо отводить от транзистора.

Обратите внимание, что когда вы снимаете входной привод с насыщенного транзистора, возникает задержка (обычно нсек или десятки нсек, но может быть больше), прежде чем он начнет отключаться. Это его время восстановления насыщения и может быть указано, при четко определенных условиях, в его технических данных.

О сопротивлении. МОП-транзисторы Ron не насыщаются, потому что они являются основными носителями. Когда они включены с напряжением затвора, значительно превышающим пороговое напряжение затвора, они ведут себя как резисторы низкого номинала, и их на сопротивлении указано в их технических характеристиках. Применяется закон Ома - падение напряжения пропорционально току и включенному сопротивлению, а их рассеяние составляет I 2 R.

Коэффициент шума. NF Большинство применений транзисторов имеют относительно высокий уровень шума, и шум не является проблемой.Но если это проблема, то это критически важно. У многих транзисторов, как BJT, так и FET, коэффициент шума указан и гарантирован их производителями. При сравнении коэффициентов шума различных устройств очень важно, чтобы коэффициенты шума были измерены при одинаковом импедансе источника. Если транзисторы предназначены для использования в радиосистемах, вероятно, что их NF будет измеряться при 50 Ом, поэтому сравнение простое, но бессмысленно сравнивать NF двух устройств, у которых NF были измерены при разных импедансах.В документе, относящемся к более ранней версии RAQ 7 , подробно рассматриваются эти и другие проблемы шума, и к нему следует обращаться, если вас интересует эта тема.

Частота перехода. ft f t BJT - это частота, на которой коэффициент усиления по току при коротком замыкании (на ВЧ) на выходе равен единице. Опять же, я не предлагаю обсуждать, как это можно измерить 8 , а просто хочу отметить, что f t является наиболее широко используемым показателем качества для сравнения частотной характеристики BJT.Большинство TUN и TUP будут иметь f t значительно выше минимума 100 МГц , но транзисторы высокой мощности и высокого напряжения часто будут иметь довольно низкие значения.

Полевые транзисторы - это устройства для измерения крутизны с бесконечно малым входным постоянным током, поэтому неправильно учитывать их усиление по постоянному току. Но поскольку они имеют входную емкость (C gs ) от пФ до сотен пФ , их емкостное входное сопротивление относительно низкое на ВЧ, поэтому их входной ток ВЧ может быть измерен, а их f t получен.Иногда лист данных FET или MOSFET будет содержать значение f t , полученное таким образом, и его, безусловно, допустимо использовать, если он доступен, для оценки частотной характеристики FET, но обычно скорость полевых транзисторов указывается с точки зрения переключения раз.

Время переключения. t (on) & t (off) Большинство полевых транзисторов и многие BJT имеют спецификации времени переключения, определяемые как время, затрачиваемое при определенных условиях (RTFDS 9 ) для повышения выходного тока от нуля до указанного значения, или вернуться к нулю соответственно.Сигнал переключения предполагается мгновенным (юридическая фикция) или определяется как несколько нсек. Сравнение времени переключения - надежный способ сравнения относительных скоростей транзисторов при условии, что они испытываются в аналогичных условиях.

Емкости. С ?? С транзистором связаны три емкости: входная емкость C в , выходная емкость C на выходе и емкость Миллера 10 (или обратная связь) C fb .Разные производители используют разные названия (поэтому C ?? в заголовке), но это должно быть совершенно ясно из рисунка 11.

Рисунок 11 Паразитные емкости транзисторов (разные производители используют разные названия / символы)

Как мы уже видели, полевые транзисторы, особенно силовые полевые МОП-транзисторы, могут иметь значения Cin до 1 нФ или даже больше, хотя малосигнальные полевые МОП-транзисторы будут иметь гораздо меньшие значения, вероятно, в диапазоне 15-50 пФ .Однако при проектировании схем, где такая емкость может влиять на время нарастания или стабильность схемы, важно убедиться, что конструкция учитывает такие значения и что устройства выбираются с емкостями, допускаемыми конструкцией схемы.

ВЫБОР ТРАНЗИСТОРА

Итак, нам нужен транзистор для конструкции. Как мы выбираем?

Было бы неплохо иметь базу данных по каждому транзистору в мире, прикрепленную к электронной таблице, чтобы после ввода предельных значений каждого важного параметра мы видели список каждого из них, который соответствует нашим требованиям.К сожалению, такой список невозможно составить - он огромен и будет меняться день ото дня по мере появления новых транзисторов и устаревания старых. Однако такие дистрибьюторские компании, как Avnet, Arrow, Digi-Key, Mouser, Premier Farnell и RS Components имеют на своих веб-сайтах системы параметрического поиска 11 , которые позволяют нам делать то же самое с тем преимуществом, что, хотя они и не показывают все устройства в мире, те, которые они показывают, вероятно, будут легко доступны.У многих производителей тоже есть такие параметрические поисковые системы, которые даже более актуальны, но преимущество дистрибьюторских систем в том, что они позволяют нам сравнивать устройства от многих производителей на одном сайте и, как правило, также дают некоторое представление фактической доступности.

Итак, ответ на вопрос - составить список необходимых параметров и выйти в онлайн. Поисковая система каждого дистрибьютора немного отличается, и, конечно, акции каждого дистрибьютора (и, возможно, цены) также различаются, поэтому, вероятно, лучше использовать более одного и сравнивать результаты.

Мы уже обсудили, какие параметры выбрать, но перечислим основные по порядку:

Полярность: - Канал NPN / N или Канал PNP / P?
Тип: - BJT или FET?
Рабочее напряжение: - Выберите минимальное безопасное значение BV ceo или BV ds (Также может быть хорошей идеей выбрать максимальное значение, так как транзисторы с очень высоким напряжением могут иметь более низкую gain и выше V ce (sat) или R на и обязательно будут немного дороже.)
Максимальный ток: - Выберите значение = 33% выше максимального ожидаемого тока коллектора / стока. (Возможно, вам придется учитывать пиковые переходные токи, а также максимальные токи в установившемся режиме.)
Пакет: - Какой пакет, и распиновка , вам нужен? (Если устройство поставляется в нескольких упаковках, абсолютный максимальный ток и номинальная мощность могут отличаться в зависимости от пакет выбран - проверьте это. Также в руководстве по параметрическому выбору может не быть деталей о распиновке.)
Мощность: - Какое максимальное рассеивание? (Помните, что выключатель рассеивает очень мало энергии в выключенном состоянии, а когда он включен, большая часть мощности приходится на нагрузку, а не на сам выключатель.Во время переключения рассеиваемая мощность выше, но это важно, только если устройство постоянно переключается с высокой скоростью.)

Каждый раз, когда мы выбираем транзистор, необходимо определять указанные выше параметры. Остальные могут быть критическими в одних приложениях и не важными для других, поэтому вы должны решить для себя, какие из них важны для вашего приложения, и выбрать устройства, которые соответствуют вашим требованиям. Рассмотрите весь оставшийся список, но укажите только те, которые вам действительно интересны:

Ток утечки: - I ce0 или I ds0
Коэффициент усиления по току: - ß или h fe - Для нескольких приложений требуется ß = 100
Крутизна: - г - Редко требуется подлежит уточнению.
Пороговое напряжение затвора: - В gs (th) - Оно должно быть совместимо с уровнями любой логики, используемой для управления MOSFET в качестве переключателя, и не должно быть слишком большим, если MOSFET используется с низкое напряжение питания.
Напряжение насыщения: - В ce (sat) - Важно только тогда, когда BJT используется в качестве переключателя (логического или силового).
На сопротивлении: - R на - Важно, когда полевой МОП-транзистор используется в качестве переключателя питания, но не обычно в усилителях или логических приложениях
Коэффициент шума: - NF - Важно только в усилителях (очень) малых сигналов или малошумящие генераторы.
Частота перехода: - f t - Важно только в усилителях или генераторах HF (High Frequency).
Время переключения: - t (вкл.) & t (выкл.) Этот параметр редко важен, за исключением транзисторов, используемых в быстрых логических интерфейсах и быстром переключении питания.
Емкость: - C в , C вне и C fb (или их версии от разных производителей.) - Эти параметры редко нужно указывать для приложений LF BJT, но поскольку полевые МОП-транзисторы могут иметь довольно большую C в имеет смысл помещать значения наихудшего случая в SPICE-модели схем с дискретными полевыми МОП-транзисторами, чтобы гарантировать, что их емкость не является проблемой.

Когда вы введете выбранные вами параметры в поисковую систему, вы, если повезет, получите список устройств с нужными вам характеристиками. Если вы уверены, что правильно выбрали параметры, выберите от пяти до десяти самых дешевых, которые есть в наличии. Сделайте то же самое с поисковыми системами еще пары дистрибьюторов, а затем сравните свои списки. Вы должны обнаружить, что они похожи - в таком случае выберите самое дешевое устройство, доступное у большинства поставщиков.

Получите SPICE-модель этого устройства и убедитесь, что она совместима с SPICE-симуляцией вашей конструкции.Если это так, создайте прототип оборудования с этим устройством и также проверьте его производительность. Если все хорошо, вы выбрали транзистор.

Однако, когда вы публикуете свой дизайн или отправляете его в производство, не указывайте устройство, которое вы выбрали, как если бы это был единственно возможный выбор. Спецификация должна выглядеть примерно так: - «Транзистор TR3 представляет собой N-канальный MOSFET в корпусе TO-92 (распиновка s- g -d на контактах 1-2-3), его BV ds0 должен быть не менее + 25V, I ds (max) не должно быть меньше 250 мА , V gs (th) должно быть в пределах 600 мВ - 1.8V и C в должно быть меньше 65 пФ . Большинство полевых МОП-транзисторов, отвечающих этому описанию, должны работать в этой схеме, но анализ SPICE и создание прототипов были выполнены с помощью 2Nxxxx. Анализ SPICE для 2Nyyyy, 2Nzzzz и VNaaaa показывает, что эти устройства также должны работать хорошо, но многие другие NMOSFET-транзисторы с аналогичными характеристиками также могут быть удовлетворительными ». Конечно, вам действительно стоит провести SPICE-анализ 2Nyyyy, 2Nzzzz и VNaaaa, которые, конечно же, будут одними из самых дешевых и наиболее доступных устройств из вашего списка.

Аналогичная процедура применяется, если проект, в котором вы хотите использовать, требует 3N14159. и вы не можете его найти. Если у вас есть его данные, изучите схему и решите, какие из параметров устройства важны. Если вы не можете найти его данные, изучите схему и попытайтесь определить, какие параметры транзистора необходимы для правильной и безопасной работы. Попробуйте симуляцию SPICE, чтобы проверить работоспособность, но будьте немного консервативны в выборе бездымных (, т.е. безопасных - он не взорвется) значений напряжения пробоя, тока и мощности, поскольку это не ваша конструкция и может быть что-то у вас упускается из виду.Используйте выбранные вами значения в параметрическом поиске с последующей проверкой программного и аппаратного обеспечения, как описано выше. Если все пойдет хорошо, у вас есть запасные части для 3N14159, и вам не придется ехать в Тимбукту.

Джеймс Брайант Калшот - Англия Апрель 2014 г.

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

Список литературы

[1] Джулиус Лиллиенфилд - Заявка на патент Канады CA272437 (1925) / Патент США US1745175 - Способ и устройство для управления электрическими токами 1930-01-28

[2] Shockley, Brattain & Bardeen - Bell Telephone Labs 1947 г.
John Bardeen & Walter Brattain: - Патент США US2524035 - Трехэлектродный элемент схемы с использованием полупроводниковых материалов 1948-02-26 (выпущен 1950-10-03)
Уильям Шокли: - Патент США US2569347 - Элемент схемы, использующий полупроводниковый материал, 1948-06-26 (выдан 1951-09-25)

[3] http: // www.elektor.com/

[4] У каждого инженера должна быть коробка с использованными компонентами, оставшимися от предыдущих проектов, в качестве источника внезапно необходимых деталей для новых. В идеале у них должен быть разумный набор вещей, но не настолько, чтобы их было трудно искать. Спичечный коробок слишком мал, 40-футовый интермодальный контейнер обычно слишком велик (если вы не морской инженер, работающий на морских буровых установках).

[5] Разработчики интегральных схем слишком часто делают это при написании таблиц данных.Вместо того, чтобы указывать общую часть, они указывают ту, которую они фактически использовали - это был предпроизводственный образец патагонского стартапа, который обанкротился в 1976 году, или что-то столь же нелепое. Это одна из причин высокого уровня безумия среди людей. инженеры-прикладники, которые должны убедить клиентов, что использование заменителя на самом деле не является признанием поражения и не может ускорить Армагедон или дождь из лягушек и рыб.

[6] «Прочтите Friendly Data Sheet!»

[7] В этих ссылках обсуждается тепловой шум и показатели шума в контексте резисторов и операционных усилителей, но физика в равной степени применима и для транзисторов.

http://www.analog.com/en/high-speed-op-amps/low-noise-low-distortion-amplifiers/products/raq_jb_resistor_noise_can_be_deafening_issue25/resources/faq.html?display=popup

http://www.analog.com/en/all-operational-amplifiers-op-amps/operational-amplifiers-op-amps/products/RAQ_JB_Op_Amp_Noise_can_be_Deafening_Too_Issue26/resources/faq.html?display=popup

http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_opAmpNoise2.html

[8] Cadence хорошо поработали,
http: // www.cadence.com/Community/blogs/rf/archive/2008/07/16/measuring-transistor-ft.aspx

[9] «Прочтите дружественный технический паспорт»

[10] Назван в честь Джона Милтона Миллера, который впервые описал его эффекты в 1920 году.

https://en.wikipedia.org/wiki/John_Milton_Miller Миллер, конечно, работал с термоэмиссионными лампами (лампами), но название и эффект до сих пор актуальны для полупроводниковых триодов (БЮТ и полевые транзисторы).

[11] Транзисторные источники
https: // avnetexpress.avnet.com/store/em/EMController/Discrete/Bipolar-Transistor/GP-BJT/_/N-100083?action=products&cat=1&catalogId=500201&categoryLink=true&cutTape=&inStock=&langId=-1&myCatalog=&ropi=html = & storeId = 500201 & term = & topSellers = & categoryLink = true и
https://avnetexpress.avnet.com/store/em/EMController/Discrete/Transistor/MOSFET/_/N-100099?action=products&cat=1&catalogId=500201&category&categoryLink=tape & inStock = & langId = -1 & myCatalog = & npi = & proto = & RegionalStock = & rohs = & storeId = 500201 & term = & topSellers = & categoryLink = true

http: // компоненты.arrow.com/semiconductor-discrete/transistors/ и
http://components.arrow.com/part/search/%5E7/42/855?region=na&whereFrom=gnav и
http://components.arrow.com/ part / search /% 5E7 / 42/942? region = na & whereFrom = gnav

http://www.digikey.com/product-search/en/discrete-semiconductor-products/transistors-bjt-single/1376376?k=transistor и
http://www.digikey.com/product-search/en / Discrete-Semiconductor-Products / Fets-Single / 1376381? k = транзистор

http: // www.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Transistors/Transistors-Bipolar-BJT/_/N-ax1sh/ и
http://www.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Transistors/MOSFET/_/N- ax1sf /

http://uk.farnell.com/transistors-bipolar-bjt-single и http://uk.farnell.com/mosfets

http://uk.rs-online.com/web/c/semiconductors/discrete-semiconductors/bipolar-transistors/ и
http://uk.rs-online.com/web/c/semiconductors/discrete-semiconductors/ МОП-транзисторы /

Страница не найдена | 404 Ошибка

  • Пропустить навигацию
Находят:
  • Индекс от А до Я
  • Справочник людей
Подробнее:
  • О коричневом
  • Академики
  • Прием
  • Исследования
  • Жизнь в кампусе
Информация для:
  • Текущие студенты
  • Факультет
  • Персонал
  • Семьи
  • Выпускники
  • Друзья и соседи
Информация для:
  • Текущие студенты
  • Факультет
  • Персонал
  • Семьи
  • Выпускники
  • Друзья и соседи

Коричневый

  • О коричневом
  • Академики
  • Прием
  • Исследования
  • Жизнь в кампусе
  • Индекс от А до Я
  • Справочник людей

г.Brown.edu

  • Новости
  • События
  • Посетите
  • Жизнь в кампусе
  • Карта
  • Справочник
  • Браун Приложения
  • Безопасность
  • О коричневом
  • Академики
  • Прием
  • Исследования
  • Жизнь в кампусе
  • Индекс от А до Я
  • Справочник людей

Страница не найдена

Может Бруно помочь?

Или попробуйте эти:

  • Справочник А-Я
  • Справочник людей
ресурсов
  • Индекс от А до Я
  • Карьерные возможности
  • Сделать подарок
  • Справочник людей
Университет Брауна

Провиденс, Род-Айленд

Проектирование систем СБИС - Глава 3

Проектирование систем СБИС - Глава 3




3.1 Введение

В этой главе будут представлены основные рекомендации по проектированию макета маски для логических вентилей CMOS. Дизайн физического макета очень тесно связан с общими характеристиками схемы (площадь, скорость, рассеиваемой мощности), поскольку физическая структура напрямую определяет крутизны транзисторов, паразитных емкостей и сопротивлений и, очевидно, кремниевой области, которая используется для определенной функции. С другой стороны, подробный макет маски логических вентилей требует очень интенсивные и трудоемкие проектные работы, которые оправданы только в специальных обстоятельства, при которых площадь и / или характеристики цепи должны быть оптимизированы в очень жесткие ограничения.Следовательно, автоматическое создание макета (например, стандартные ячейки + автоматизированное размещение и маршрутизация) обычно предпочтительнее для проектирования большинства схем цифровых СБИС. В целях чтобы судить о физических ограничениях и ограничениях, разработчик СБИС также должен иметь хорошее понимание процесса компоновки физической маски.

Чертежи компоновки масок должны строго соответствовать набору правил конструирования компоновки, как описано Поэтому в главе 2 мы начнем эту главу с обзора полного набора правил проектирования.Конструкция простого инвертора CMOS будет представлена ​​шаг за шагом, чтобы показать влияние различных правил проектирования на структуру маски и ее размеры. Также мы будем представить концепцию стержневых диаграмм, которые можно очень эффективно использовать для упрощения общая топология макета на ранних этапах проектирования. С помощью стержневых диаграмм дизайнер может хорошо разбираться в топологических ограничениях и быстро тестировать несколько возможности для оптимальной компоновки без фактического рисования полной схемы маски.

Физическая конструкция логических вентилей КМОП (макет маски) представляет собой итеративный процесс, который начинается с топологии схемы (для реализации желаемой логической функции) и начального определения размеров транзисторы (для реализации желаемых технических характеристик). На данный момент дизайнер может только оценить общую паразитную нагрузку на выходном узле, исходя из разветвления, количества устройств, и ожидаемая длина соединительных линий. Если логический элемент содержит более 4-6 транзисторы, представление топологического графа и метод Эйлера позволяют разработчику определить оптимальный порядок транзисторов.Простой макет палки-диаграммы теперь можно нарисовано, показывая расположение транзисторов, локальные межсоединения между транзисторами и расположение контактов.

После того, как топологически возможный макет найден, слои маски рисуются (с использованием макета редактор) в соответствии с правилами оформления макета. Для этой процедуры может потребоваться несколько небольших итераций, чтобы учесть все правила проектирования, но основная топология не должна изменяться очень значительно. После окончательного DRC (Проверка правил проектирования) процедура извлечения контура выполняется по готовому макету для определения реальных размеров транзисторов и, что более важно, паразитные емкости в каждом узле.Результатом этапа извлечения обычно является подробный


[Нажмите, чтобы увеличить]
Рисунок-3.1: Типичный процесс проектирования для производства макета маски.

Входной файл SPICE, который автоматически создается инструментом извлечения. Теперь, собственно производительность схемы может быть определена путем выполнения моделирования SPICE, используя извлеченный сетевой список. Если характеристики моделируемой схемы (например, время отклика в переходных процессах или мощность рассеивание) не соответствуют желаемым характеристикам, необходимо изменить макет и весь процесс необходимо повторить.Модификации компоновки обычно сосредоточены на соотношении (W / L) транзисторов (изменение размера транзисторов), так как отношение ширины к длине транзисторов определить крутизну устройства и паразитные емкости истока / стока. Дизайнер может также решить изменить части или всю топологию схемы, чтобы уменьшить количество паразитов. Блок-схема этого итеративного процесса показана на рис. 3.1.


3.2 Правила проектирования компоновки CMOS

Как уже обсуждалось в главе 2, каждый дизайн макета маски должен соответствовать набору макетов. правила проектирования, которые диктуют геометрические ограничения, накладываемые на слои маски технологиями и производственным процессом.Дизайнер-верстальщик должен соблюдать эти правила, чтобы чтобы гарантировать определенный выход готового продукта, то есть определенное соотношение допустимой стружки из производственная партия. Дизайн, который нарушает некоторые правила дизайна макета, может привести к функциональный чип, но ожидается, что выход будет ниже из-за случайных изменений процесса.

Приведенные ниже правила проектирования представлены в виде масштабируемых лямбда-правил. Обратите внимание, что пока концепция масштабируемых правил проектирования очень удобна для определения технологически независимого макет маски и для запоминания основных ограничений, большинство правил не масштабируются линейно, особенно для субмикронных технологий.Этот факт иллюстрируется в правом столбце, где Типичный набор правил дан в реальных микронных размерах. Простое сравнение с лямбда- Основанные на правилах показывают, что есть существенные различия. Следовательно, правила проектирования на основе лямбда просто бесполезен для субмикронных КМОП-технологий.


[Щелкните, чтобы увеличить изображение]

[Щелкните, чтобы увеличить изображение]

Рисунок-3.2: Иллюстрация правил проектирования макета CMOS.


3.3 Схема расположения инвертора CMOS

Далее будет поэтапно рассмотрен макет маски КМОП-инвертора. В схема состоит из одного nMOS и одного pMOS транзистора, поэтому можно было бы предположить, что топология компоновки относительно проста. Тем не менее, мы увидим, что существует довольно много различных возможности дизайна даже для этой очень простой схемы.

Во-первых, нам нужно создать отдельные транзисторы в соответствии с правилами проектирования. Предполагать что мы пытаемся разработать инвертор с транзисторами минимального размера.Ширина активной области затем определяется минимальным размером диффузионного контакта (который необходим для источника и дренажные соединения) и минимальное расстояние от диффузионного контакта до обоих краев активной области. Ширина линии поликремния над активной областью (которая является затвором транзистора) составляет обычно принимается за минимальную ширину поли (рис. 3.3). Тогда общая длина активной области просто определяется следующей суммой: (минимальная ширина поли) + 2 x (минимальная ширина поли-к- расстояние между контактами) + 2 x (минимальное расстояние от контакта до края активной области).Транзистор pMOS должен быть размещен в n-луночной области, и минимальный размер n- лунка определяется активной областью pMOS и минимальным перекрытием n лунок более n +. Расстояние между nMOS и pMOS транзистором определяется минимальным расстоянием между активная область n + и n-лунка (рис. 3.4). Поликремниевые ворота nMOS и pMOS транзисторы обычно юстируются. Последний шаг в компоновке маски - это локальные соединения в металл, для выходного узла и для контактов VDD и GND (рис.3.5). Обратите внимание, что для того, чтобы При правильном смещении область n-лунок также должна иметь контакт VDD.


[Нажмите, чтобы увеличить]
Рисунок-3.3: Ограничения правил проектирования, которые определяют размеры транзистора минимального размера.
[Нажмите, чтобы увеличить]
Рисунок-3.4: Размещение одного nMOS-транзистора и одного pMOS-транзистора.
[Нажмите, чтобы увеличить]
Рисунок-3.5: Полный макет маски КМОП инвертора.

Начальный этап проектирования макета можно значительно упростить за счет использования ручки диаграммы - или так называемые символические макеты.Здесь подробные правила разработки макета просто игнорируются, а основные характеристики (активные области, линии поликремния, линии металлов) представлены прямоугольники постоянной ширины или простые палочки. Цель стик-диаграммы - показать разработчик хорошо разбирается в топологических ограничениях и может быстро протестировать несколько возможности для оптимальной компоновки без фактического рисования полной схемы маски. в Далее мы рассмотрим серию диаграмм, которые показывают различные варианты компоновки для Схема инвертора CMOS.

Первые две схемы схем, показанные на рис. 3.6, являются двумя основными инверторами. конфигурации, с различным расположением транзисторов. В некоторых случаях должны быть проходит через инвертор. Например, если нужно провести одну или две металлические линии через посередине ячейки слева направо, для доступа к сливу можно использовать горизонтальные металлические ремни выводы транзисторов, которые в свою очередь подключаются к вертикальной линии Металл-2. Металл-1 теперь может быть используется для маршрутизации сигналов, проходящих через инвертор.В качестве альтернативы, диффузионные области обоих транзисторы могут использоваться для удлинения силовых и заземляющих соединений. Это делает инвертор транзисторы прозрачны для горизонтальных металлических линий, которые могут проходить.

Добавление второго металлического слоя обеспечивает большую свободу при соединении. Секунда- металлический уровень можно использовать для линий питания и заземления, или, в качестве альтернативы, он может использоваться для вертикально закрепите входные и выходные сигналы. Окончательный пример компоновки на рис. 3.6 показывает один возможность использования третьего металлического слоя, который используется для разводки трех сигналов сверху.


[Нажмите, чтобы увеличить]
Рисунок-3.6: Фигурные диаграммы sh

Вопросы и ответы с несколькими вариантами ответов на транзисторах

Вопросы и ответы с несколькими вариантами ответов по транзисторам

В дополнение к чтению вопросов и ответов на моем сайте я бы посоветовал вам также проверить следующее на Amazon:

1 кв. Транзистор имеет …………………

  1. переход с одним pn
  2. два pn перехода
  3. три pn перехода
  4. четыре pn перехода

Ответ: 2

2 кв.Количество обедненных слоев в транзисторе …………

  1. четыре
  2. три
  3. одна
  4. два

Ответ: 4

3 кв. База транзистора ………… .. легированная

  1. сильно
  2. умеренно
  3. слегка
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 3

4 кв. Элемент с наибольшим размером в транзисторе - это ………………..

  1. коллектор
  2. база
  3. излучатель
  4. коллектор-цоколь

Ответ: 1

Q5. В pnp-транзисторе носители тока ………….

  1. акцепторных ионов
  2. донорных ионов
  3. свободных электронов
  4. отв.

Ответ: 4

Q6. Коллектор транзистора …………. легированный

  1. сильно
  2. умеренно
  3. слегка
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 2

Q7.Транзистор - это …………… управляемое устройство

  1. текущий
  2. напряжение
  3. как напряжение, так и ток
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 1

Q8. В транзисторе npn ……………. неосновные перевозчики

  1. свободных электронов
  2. отв.
  3. донорных ионов
  4. акцепторных ионов

Ответ: 2

Q9. Эмиттер транзистора ………………… легированный

  1. слегка
  2. сильно
  3. умеренно
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 2

Q10.В транзисторе базовый ток составляет примерно ………… .. эмиттерного тока

  1. 25%
  2. 20%
  3. 35%
  4. 5%

Ответ: 4

Q11. На переходах база-эмиттер транзистора обнаруживается ……………

  1. обратное смещение
  2. широкий истощенный слой
  3. низкое сопротивление
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 3

Q12.Входное сопротивление транзистора ………….

  1. высокий
  2. низкий
  3. очень высокий
  4. почти ноль

Ответ: 2

Q13. Большинство основных носителей от эмитента ……………… ..

  1. рекомбинировать в базе
  2. рекомбинировать в эмиттере
  3. пройти через базовую область в коллектор
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 3

Q14.Текущий I B равен …………

  1. электронный ток
  2. дырочный ток
  3. ионный ток донора
  4. акцепторный ионный ток

Ответ: 1

Q15. В транзисторе ……………… ..

I C = I E + I B

I B = I C + I E

I E = I C - I B

I E = I C + I B

Ответ: 4

Q16.Значение α транзистора составляет ……….

  • более 1
  • менее 1
  • 1
  • ничего из вышеперечисленного

Ответ: 2

Q17. I C = αI E + ………….

  1. I B
  2. I Генеральный директор
  3. I CBO
  4. βI B

Ответ: 3

Q18. Выходное сопротивление транзистора ……………..

  1. высокий
  2. ноль
  3. низкий
  4. очень низкий

Ответ: 1

Q19. В тансисторе I C = 100 мА и I E = 100,2 мА. Значение β составляет …………

  1. 100
  2. 50
  3. около 1
  4. 200

Ответ: 4

Q20. В транзисторе, если β = 100 и ток коллектора 10 мА, то I E будет …………

  1. 100 мА
  2. 100.1 мА
  3. 110 мА
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 2

Q21. Отношение между β и α составляет ………… ..

  1. β = 1 / (1 - α)
  2. β = (1 - α) / α
  3. β = α / (1 - α)
  4. β = α / (1 + α)

Ответ: 3

Q22. Значение β для транзистора обычно составляет ……………… ..

  1. 1
  2. менее 1
  3. от 20 до 500
  4. свыше 500

Ответ: 3

Q23.Чаще всего используется схема транзисторов …………… схема

  1. эмиттер общий
  2. общая база
  3. коллектор общий
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 1

Q24. Входное сопротивление транзистора, подключенного в …………… .. схеме, является самым высоким

  1. эмиттер общий
  2. коллектор общий
  3. общая база
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 2

Q25.Выходное сопротивление транзистора, подключенного к ……………. расположение высшее

  1. эмиттер общий
  2. коллектор общий
  3. общая база
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 3

Q26. Разность фаз между входным и выходным напряжениями в схеме с общей базой составляет …………….

  1. 180 или
  2. 90 или
  3. 270 или
  4. 0 или

Ответ: 4

Q27.Коэффициент усиления в транзисторе, включенном в ……………. расположение высшее

  1. эмиттер общий
  2. общая база
  3. коллектор общий
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 1

Q28. Разность фаз между входным и выходным напряжениями транзистора, подключенного по схеме с общим эмиттером, составляет ………………

  1. 0 или
  2. 180 или
  3. 90 или
  4. 270 или

Ответ: 2

Q29.Коэффициент усиления по напряжению в транзисторе, включенном в ………………. расположение высшее

  1. общая база
  2. коллектор общий
  3. эмиттер общий
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 3

Q30. При повышении температуры транзистора сопротивление база-эмиттер ……………

  1. уменьшение
  2. увеличивается
  3. остается прежним
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 1

Q31.Коэффициент усиления по напряжению транзистора, подключенного в общий коллектор, составляет ……… ..

  1. равно 1
  2. более 10
  3. более 100
  4. менее 1

Ответ: 4

Q32. Разность фаз между входным и выходным напряжениями транзистора, подключенного в общий коллектор, составляет ………………

  1. 180 или
  2. 0 или
  3. 90 или
  4. 270 или

Ответ: 2

Q33.I C = β I B + ……… ..

  1. I CBO
  2. Я С
  3. I Генеральный директор
  4. αI E

Ответ: 3

Q34. I C = [α / (1 - α)] I B + ………….

  1. I Генеральный директор
  2. I CBO
  3. Я С
  4. (1 - α) И В

Ответ: 1

Q35.I C = [α / (1 - α)] I B + […… .. / (1 - α)]

  1. I CBO
  2. I Генеральный директор
  3. Я С
  4. I E

Ответ: 1

Q36. Транзистор BC 147 означает, что он сделан из ………… ..

  1. германий
  2. кремний
  3. углерод
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 2

Q37.I Генеральный директор = (………) I CBO

  1. β
  2. 1 + α
  3. 1 + β
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 3

Q38. Транзистор подключен в режиме CB. Если он не подключен в режиме CE с одинаковыми напряжениями смещения, значения I E , I B и I C будут ………… ..

  1. осталось прежним
  2. прибавка
  3. уменьшение
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 1

Q39.Если значение α равно 0,9, то значение β равно ……… ..

  1. 9
  2. 0,9
  3. 900
  4. 90

Ответ: 4

Q40. В транзисторе сигнал передается по …………… схеме

  1. высокое сопротивление низкому сопротивлению
  2. от низкого сопротивления до высокого
  3. высокая устойчивость к высокой стойкости
  4. низкое сопротивление к низкому сопротивлению

Ответ: 2

Q41.Стрелка в символе транзистора указывает направление ………….

  1. Электронный ток в эмиттере
  2. ток электронов в коллекторе
  3. дырочный ток в эмиттере
  4. ионный ток донора

Ответ: 3

Q42. Ток утечки в схеме CE составляет ……………. что в расположении CB

  1. более
  2. менее
  3. то же, что
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 1

Q43.Радиатор обычно используется с транзистором для …………

  1. увеличить прямой ток
  2. уменьшить прямой ток
  3. компенсировать чрезмерное допирование
  4. предотвращение чрезмерного повышения температуры

Ответ: 4

Q44. Наиболее часто используемый полупроводник при производстве транзисторов - это ………….

  1. германий
  2. кремний
  3. углерод
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 2

Q45.Переход коллектор-база в транзисторе имеет …………… ..

  1. постоянное смещение вперед
  2. всегда обратное смещение
  3. низкое сопротивление
  4. ничего из вышеперечисленного

Ответ: 2

Q46. Когда транзисторы используются в цифровых схемах, они обычно работают в ………….

  1. активная область
  2. регион разбивки
  3. областей насыщения и отсечки
  4. линейный участок

Ответ: 3

Q47.На линии нагрузки постоянного тока показаны три разные точки Q. Верхняя точка Q представляет ………….

  1. минимальное усиление по току
  2. промежуточный коэффициент усиления по току
  3. максимальное усиление по току
  4. точка отсечки

Ответ: 3

Q48. Транзистор имеет ток A = 250 и ток базы I B 20 A. Коллекторный ток I C равен …………….

  1. 500 мкА
  2. 5 мА
  3. 50 мА
  4. 5 А

Ответ: 2

Q49.Коэффициент текущей ликвидности I C / I E обычно меньше единицы и называется …………

  1. бета
  2. тета
  3. альфа
  4. омега

Ответ: 3

Q50. С положительным датчиком на базе NPN показание омметра между другими выводами транзистора должно быть ……

  1. открыто
  2. бесконечное
  3. низкое сопротивление
  4. высокое сопротивление

Ответ: 3

Q51.В конфигурации CE эмиттерный резистор используется для ……

  1. стабилизация
  2. обход сигнала переменного тока
  3. коллектор смещения
  4. выше прирост

Ответ: 1

Q52. Смещение делителя напряжения обеспечивает ……….

  1. нестабильная точка Q
  2. стабильная точка Q
  3. точка Q, которая легко изменяется при изменении коэффициента усиления транзистора по току
  4. точка Q, которая стабильна и легко изменяется при изменении коэффициента усиления транзистора по току

Ответ: 2

Q53.Для правильной работы переход база-эмиттер транзистора должен иметь прямое смещение, а к какому переходу приложено обратное смещение?

  1. коллектор-эмиттер
  2. база-коллектор
  3. база-эмиттер
  4. коллектор-база

Ответ: 4

Q54. Концы линии нагрузки, нанесенной на семейство кривых, определяют ……

  1. насыщенность и отсечка
  2. рабочая точка
  3. кривая мощности
  4. коэффициент усиления

Ответ: 1

Q55.Если V CC = +18 В, резистор делителя напряжения R 1 равен 4,7 кОм, а R 2 равен 1500, то напряжение смещения базы равно ……….

  1. 8,7 В
  2. 4,35 В
  3. 2,9 В
  4. 0,7 В

Ответ: 2

Q56. Какой тип усиления используется в конфигурации C-B?

  1. напряжение
  2. текущий
  3. сопротивление
  4. мощность

Ответ: 1

Q57.Точка Q на линии нагрузки может использоваться для определения …………

  1. В С
  2. В CC
  3. В В
  4. Я С

Ответ: 3

Q58. Транзистор может использоваться как переключающее устройство или как ………….

  1. постоянный резистор
  2. устройство настройки
  3. выпрямитель
  4. переменный резистор

Ответ: 4

Q59.Если входной сигнал находится в диапазоне 20–40 А (микроампер), а выходной сигнал находится в диапазоне 0,5–1,5 мА (миллиампер), что такое бета переменного тока?

  1. 0,05
  2. 20
  3. 50
  4. 500

Ответ: 3

Q60. Коэффициент текущей ликвидности Беты составляет …… ..

  1. I C / I B
  2. I C / I E
  3. I B / I E
  4. I E / I B

Ответ: 1

Q61.Характеристическая кривая коллектора - это график, показывающий ……… ..

  1. ток эмиттера (I E ) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V CE ) при постоянном напряжении смещения базы (V BB )
  2. ток коллектора (I C ) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V CE ) при постоянном напряжении смещения базы (V BB )
  3. ток коллектора (I C ) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V C ) при постоянном напряжении смещения базы (V BB )
  4. ток коллектора (I C ) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V CC ) при постоянном напряжении смещения базы (V BB )

Ответ: 2

Q62.В маломощных корпусах транзисторов клеммой базы обычно является ……….

  1. конец язычка
  2. средний
  3. правый конец
  4. крепление на шпильке

Ответ: 2

Q63. Когда кремниевый диод смещен в прямом направлении, V BE для конфигурации CE составляет …… ..

  1. делитель напряжения смещения
  2. 0,4 В
  3. 0,7 В
  4. эмиттер напряжения

Ответ: 3

Q64.Каков коэффициент усиления по току для конфигурации с общей базой, где I E = 4,2 мА и I C = 4,0 мА?

  1. 16,8
  2. 1,05
  3. 0,2
  4. 0,95

Ответ: 4

Q65. В схеме PNP наиболее положительное напряжение, вероятно, будет …………

  1. земля
  2. В С
  3. В BE
  4. В CC

Ответ: 1

Q66.Если сигнал 2 мВ дает выходное напряжение 2 В, каков коэффициент усиления по напряжению?

  1. 0,001
  2. 0,004
  3. 100
  4. 1000

Ответ: 4

Q67. Большая часть электронов в базе NPN-транзистора течет …………

  1. из основного провода
  2. в коллектор
  3. в эмиттер
  4. в базовую поставку

Ответ: 2

Q68.В транзисторе ток коллектора контролируется ……… ..

  1. Напряжение коллектора
  2. базовый ток
  3. Сопротивление коллектора
  4. все вышеперечисленное

Ответ: 2

Q69. Суммарный ток эмиттера …………

  1. I E - I C
  2. I C + I E
  3. Я В + Я С
  4. I B - I C

Ответ: 3

Q70.Часто общий коллектор является последней ступенью перед нагрузкой; основная функция (и) этого этапа - ………….

  1. обеспечивает усиление напряжения
  2. обеспечивает инверсию фазы
  3. обеспечивает высокочастотный тракт для улучшения частотной характеристики
  4. буферизует усилители напряжения от низкоомной нагрузки и обеспечивает согласование импеданса для передачи максимальной мощности

Ответ: 4

Q71. Для правильной работы CC-конфигурации соединение коллектор-база должно иметь обратное смещение, а прямое смещение должно быть приложено к …………… переходу.

  1. коллектор-эмиттер
  2. база-эмиттер
  3. коллектор-база
  4. катод-анод

Ответ: 1

В72. Соотношение входа / выхода усилителей с общим коллектором и общей базой составляет ……… ..

  1. 270 градусов
  2. 180 градусов
  3. 90 градусов
  4. 0 градусов

Ответ: 4

Q73. Если транзистор работает в середине линии нагрузки постоянного тока, уменьшение коэффициента усиления по току сместит точку Q ………….

  1. от линии нагрузки
  2. никуда
  3. вверх
  4. вниз

Ответ: 4

Q74. Какой больший коэффициент усиления обеспечивает конфигурация CE?

  1. напряжение
  2. текущий
  3. сопротивление
  4. мощность

Ответ: 4

Q75. Каков ток коллектора для конфигурации CE с бета-коэффициентом 100 и базовым током 30 А?

  1. 30 А
  2. 0.3 А
  3. 3 мА
  4. 3 MA

Ответ: 3

Ознакомьтесь с полным ресурсом по Основные вопросы и ответы по электронике. Это самый обширный банк вопросов во всем Интернете, содержащий сотни вопросов и ответов по главам по базовой электронике.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *