A. O que é VLSI?
Para saber sobre o VLSI, temos que saber sobre o IC ou circuito integrado. Um IC é um chip ou um pacote de processos que contém transistores ou circuitos digitais em lakhs de número.
VLSI ou integração em grande escala refere-se ao processo de incorporação de transistores (especialmente Transistores MOS) para formular CI.
Os dispositivos VLSI consistem em milhares de portas lógicas. Eles ajudam a criar grandes arrays de memória. Os arrays são usados em microcontrolador e microprocessadores. É possível incorporar 104 a 109 componentes em um único chip na técnica de projeto VLSI padrão.
B. História e experiência do VLSI
O primeiro transistor foi inventado no ano de 1947 por J. Barden, W. Shockley, W. Brattain nos Laboratórios Bell. Todos os três cientistas se tornaram nobres pela invenção no ano de 1956. O tamanho do transistor foi reduzido com o progresso do tempo e da tecnologia.
Jack Kilby e Robert Noyce tiveram a ideia do IC onde os componentes são conectados dentro de um único chip. Isso ajudou engenheiros para aumentar a velocidade do funcionamento de vários circuitos.
Lei do Mouro: No ano de 1998, o co-fundador da Intel Corporation, Gordon Moor, previu uma tendência no número de componentes em um circuito integrado.
Ele previu que -
“O número de transistores dentro de um microchip dobra a cada dois anos”.
A tendência é seguida com algumas exceções.
O progresso dos circuitos integrados leva à descoberta da integração em grande escala ou tecnologia VLSI. Antes de o VLSI ser inventado, havia outras tecnologias como etapas. Eles são discutidos abaixo.
- SSI ou integração em pequena escala: Esse tipo de circuito integrado contém menos de dez portas lógicas. Essas portas IC têm várias portas ou flip-flops associados a um pacote.
- MSI ou Integração em escala média: Esses pacotes contêm de dez a mil portas lógicas. Os ICs MSI podem gerar portas lógicas básicas. As portas lógicas podem ser usadas para fazer circuitos sequenciais e combinacionais como – mux-demux, codificadores-decodificadores, trava, chinelo de dedo, registros, etc.
- LSI ou integração em grande escala: As unidades LSI contêm mais de cem portas. LSI ICs cria estruturas de circuito mais complexas como - calculadoras, minicomputadores, etc.
- VLSI ou integração em escala muito grande: Contém milhares de portas lógicas.
- Integração ULSI ou Ultra Large Scale: Um único chip contém mais de 10 ^ 9 componentes.
Uma visão geral da transformação é fornecida abaixo.
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C. Projeto VLSI
Um projeto VLSI possui várias partes. Ele precisa de uma representação física, estrutural e comportamental correta e perfeita do circuito. Informações redundantes e repetitivas são omitidas para fazer um bom sistema de arte. Isso é obtido usando a descrição gráfica do projeto e a representação simbólica de componentes e interconexões.
As arquiteturas VLSI usam transistores de efeito de campo MOS de canal n e MOS complementar. MOS ou CMOS complementares precisam que os FETs de MOS de canal n e canal p sejam fabricados no mesmo substrato.
Na década de 1980, a demanda para aumentar a densidade do pacote cresceu e afetou o consumo de energia dos ICs NMOS. O consumo de energia tornou-se tão alto que a dissipação de energia representou um problema sério. Para resolver o problema, a tecnologia CMOS surgiu como uma solução.
CMOS fornece alta impedância de entrada, alta margem de ruído e operação bidirecional. É por isso que funciona sem problemas como um interruptor.
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D. Transistores no projeto VLSI
O semicondutor de óxido metálico Transistor de efeito de campo ou MOSFET é o componente chave em chips VLSI de alta densidade.
Por que o FET é usado no VLSI?
Transistores de efeito de campo ou FET são provavelmente as formas mais simples de transistor. Os FETs são amplamente usados em aplicações analógicas e digitais. Eles são separados por um grande valor de resistência de entrada e área e tamanho menores, e podem ser usados para formar circuitos com baixo consumo de energia. É por isso que eles são amplamente usados em integração em grande escala.
CMOS e MOS de canal n são usados por sua eficiência energética.
Características dos Transistores NMOS
Um transistor de efeito de campo NMOS é mostrado na imagem acima com as representações de corrente de dreno e tensão terminal. Para um NMOS FET, os terminais de fonte e dreno são simétricos (bidirecionais).
Quando não há carga no terminal do gate, o dreno para o caminho da fonte atua como uma chave aberta. Como uma fina camada de óxido separa a porta do substrato, ela fornece um valor de capacitância. Quando o terminal da porta acumulou cargas positivas suficientes, a tensão VGS excede um limite de tensão VTH. Assim, os elétrons são atraídos na região sob a porta para dar um caminho condutor entre o dreno e a fonte.
A tensão da porta aumenta a condutividade do canal ao entrar na operação do modo de melhoria. VTH ~ = 0.2 VDD dá o VTH.
A maioria dos portadores para este tipo de FET são os orifícios. Quando a porta positiva para a tensão da fonte ou VGS é menor que VTH, a maioria dos portadores ou orifícios são repelidos para o substrato. Agora, na superfície do tipo p não há portador. Não há corrente por causa da região de esgotamento.
Agora, quando a tensão da porta para a fonte fica mais alta do que a tensão de limiar, uma quantidade saudável de portadoras minoritárias é atraída para a superfície (que em nosso caso é o elétron). Assim, um canal é formado por uma camada de inversão entre a fonte e o terminal de dreno.
A expressão abaixo fornece o ID da corrente de drenagem.
ID = Carga induzida no canal (Q) / tempo de trânsito (τ)
O tempo de trânsito de carga τ é o tempo gasto por um portador de carga para cruzar o canal do terminal de origem para o terminal de drenagem. Para pequeno valor de VDS,
τ = Distância de dreno para fonte (L) / velocidade de deriva de elétrons (vd) = L / μ E = L2 /VDS μ
E é o campo elétrico e dado como, E = VDs / EU.
µ é a mobilidade do elétron. Já dissemos que existe um valor de capacitância que é gerado. A capacitância é dada como C = εA / D = εWL / D
W é a largura, enquanto D é a espessura da camada de dióxido. ε representa a permissividade da camada de óxido. Para dióxido de silicone, a razão de ε / ε0 vem como 4. A cobrança em trânsito é -
Q = C (VGS - VTH - VDS/ 2) = (εWL / D) * (VGS - VTH - VDS/ 2)
A corrente de drenagem é dada como - ID = Q / τ = (μεW / LD) * (VGS - VTH - VDS/ 2) VDS
A resistência será R = VDS / ID = LD / [μεW * (VGS - VTH - VDS/ 2)]
As características de saída de um transistor NMOS são mostradas no gráfico abaixo.
Na região de saturação, a corrente de dreno é obtida como -
ID = (μεW/2LD) (VGS - VTH)2
Os transistores NMOS também podem ser fabricados com os valores da tensão de limiar VTH <= 0. Os transistores são chamados de dispositivos de modo de esgotamento.
E. Regras de design VLSI
O projeto de VLSI tem algumas regras básicas. As regras são especificamente algumas especificações geométricas que simplificam o design da máscara de layout. As regras fornecem detalhes para as dimensões mínimas, layouts de linha e outras medidas geométricas que são obtidas a partir dos limites de certa perícia de dispensação.
Essas regras ajudam o projetista a projetar um circuito na menor área possível que também sem comprometer o desempenho e a confiabilidade.
Existem dois conjuntos de regras de design.
- Regra do Micron - A regra evolui em torno de restrições de implementação, como - tamanho mínimo de recursos, menores separações de recursos permitidas. Eles são cotados em relação a faixas de micrômetros.
- Regras de design baseadas em Lambda: as restrições de distância no layout são expressas em termos de unidade de comprimento primária lambda. As regras foram desenvolvidas para simplificar as regras de mícron padrão da indústria. Isso permite dimensionar a capacidade para diferentes processos. A unidade de comprimento lambda é a distância pela qual a característica geométrica de uma camada pode se sobrepor à de outra camada e é determinada pelas limitações da tecnologia de processo.
Se a unidade de comprimento for lambda, todas as larguras, espaçamentos e distâncias são expressos como m * lambda. M é o fator de escala. A região difusa tem um fator de escala de no mínimo 2 lambdas. Conforme regra geral de segurança, as regiões difusas, que não estão conectadas, têm uma separação de 3 lambdas. As linhas de metal têm largura e separação mínimas de 3 lambdas no projeto VLSI padrão.
F. Escala no projeto VLSI
O avanço da tecnologia nos permite reduzir o tamanho dos dispositivos. Este processo de redução de tamanho é conhecido como dimensionamento. As principais vantagens do dimensionamento do projeto VLSI são que, quando as dimensões de um sistema integrado são dimensionadas para diminuir o tamanho, o desempenho geral do circuito é aprimorado. Outros objetivos do dimensionamento são - maior densidade de pacote, maior velocidade de execução e custo reduzido do dispositivo.
Alguns dos modelos de escala mais usados são -
- Dimensionamento de campo elétrico constante
- Escala de tensão constante.
Para o campo elétrico constante, os efeitos não lineares são eliminados, pois o campo elétrico do circuito permanece o mesmo. Para entender a escala no projeto VLSI, consideramos dois parâmetros como α e β. Para campo elétrico constante, β = α e para escala de tensão, β = 1.
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