功率管理優(yōu)化功率的實(shí)現

　　其中K1、γ、η、N取決于工藝，VT是熱電壓，K1是柵極氧化物厚度的函數。你可以把柵極至源極電壓設為0V，并把漏極至源極電壓設為等于電源電壓VDD，由此獲得晶體管中的關(guān)斷電流或泄漏電流。在這些條件下，由于電源電壓遠大于熱電壓，因此你可以把下列項

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　　近似為1，得出

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　　現在可把泄漏功率寫(xiě)成

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根據這個(gè)結果，你可以看到控制功率的主要參數是閾值電壓、氧化物厚度、晶體管長(cháng)度與寬度、電源電壓、反向柵極偏壓。由于有功功率隨電源電壓的平方而變化，因此降低電源電壓對降低有功功率具有最大的影響。功率降低速度是電壓降低速度的兩倍，即電源電壓降低20%會(huì )導致有功功率降低40%。其余參數只是以線(xiàn)性方式影響有功功率。晶體管長(cháng)度、寬度或閾值電壓的任何明顯變化都對晶體管的性能具有不利影響。因此它們在降低有功功率方面僅起著(zhù)很小的作用。從方程5可看到

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　　如果ΔVGS = -NVT，則方程變?yōu)?p align="center" sizcache="3" sizset="15">

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　　意味著(zhù)有效柵極至源極電壓每降低NVT，N對于某種技術(shù)一般是1～2.5，并且閾值電壓在室溫時(shí)等于26 mV，因此柵極至源極電壓每變化50 mV～75 mV，你都會(huì )看到亞閾值電流降低至2.7分之一。提高閾值電壓具有相同效果。因此，閾值電壓每提高50 mV～75 mV，泄漏電流都會(huì )降低至2.7分之一。閾值電壓提高100 mV～150 mV，會(huì )使泄漏電流降低至7.4分之一。

　　你可以通過(guò)提高反向柵極偏壓來(lái)進(jìn)一步降低泄漏電流。由于存在體偏壓系數γ，收效會(huì )不太明顯。降低電源電壓也有助于降低泄漏電流。增加晶體管的溝道長(cháng)度不僅直接降低泄漏電流（如方程5所示），而且還有助于提高閾值電壓（如方程2所示）。

　　亞閾值電流以指數形式依賴(lài)于溫度。由于NVT項出現在負指數的分母中，因此在溫度升高時(shí)，電流會(huì )顯著(zhù)增加。這種增加會(huì )帶來(lái)重大挑戰，這是因為泄漏功率在高溫時(shí)變成了總功率的重要部分。

　　技術(shù)的作用

　　每一次技術(shù)進(jìn)步的目標都是為了改善性能、密度和功耗。工藝設計者調整施加的電壓和氧化物厚度來(lái)保持相同電場(chǎng)。該途徑在每個(gè)新的技術(shù)節點(diǎn)都會(huì )使功率降低大約50%。但是，隨著(zhù)電壓的降低，閾值電壓也必須降低，來(lái)實(shí)現該技術(shù)的性能目標。

　　由于無(wú)法立即同時(shí)在性能和泄漏方面優(yōu)化某種技術(shù)，因此每種技術(shù)通常會(huì )有兩個(gè)變種。一個(gè)變種針對高性能，另一個(gè)針對低泄漏。二者的首要區別是氧化物厚度、電源電壓和閾值電壓。柵極氧化物較厚的技術(shù)變種面向低泄漏設計，并且必須支持更高的電壓來(lái)實(shí)現合理性能。

　　方程2表明了依賴(lài)于工藝的參數γ和ΘS，你可以操縱它們來(lái)控制閾值電壓。這些參數取決于雜質(zhì)濃度，工藝設計者可使用一個(gè)額外的注入掩模來(lái)調節該濃度。然后你可以運用該方法來(lái)控制設計方案的泄漏功率。

　　在選擇技術(shù)來(lái)優(yōu)化特定設計的功率時(shí)，你必須同時(shí)考慮兩個(gè)方面：需要使用更小的幾何結構來(lái)降低有功功率；需要使用低泄漏的變種來(lái)降低泄漏。但在成本和風(fēng)險方面需要折中。

　　更小的幾何結構需要在掩模成本和其它一次性工程支出方面投入更多的初始資金。雖然它們憑借每塊晶圓可生產(chǎn)出更多器件而具有單位成本優(yōu)勢，但它們也在工藝和設計成熟度方面帶來(lái)了更高風(fēng)險。如果設計方案包含SERDES等復雜電路，或是該工藝中新出現的其它敏感的塊，那么設計風(fēng)險可能很高。新技術(shù)的工藝缺陷通常是在它投產(chǎn)一年或更久之后被全部消除，然后成品率會(huì )穩定下來(lái)。

　　問(wèn)題的答案取決于功率的性質(zhì)和最終應用。如果最終應用是由電池供電，那么你必須使泄漏最小化。例如，如果你能關(guān)斷處于待機模式的設計方案，那么它就不需要低泄漏工藝，這是因為你可以關(guān)斷高性能系統中的電路，并且同時(shí)實(shí)現低泄漏的好處。

　　低泄漏工藝需使用更高的電壓，并且一般具有更大的面積，因此對于相同性能，會(huì )消耗更大的有功功率。因此對于低泄漏工藝選擇工作，泄漏功率是首要推動(dòng)因素。當泄漏功率在設計方案的工作期間成為總功率的重要部分，或是當設計方案對待機模式的功率（泄漏起著(zhù)主導作用）有嚴格要求時(shí)，選擇低泄漏工藝就能滿(mǎn)足這些要求。在其它多數情況下，你可以選擇標準工藝，用它和多種電路設計方法來(lái)優(yōu)化功率。