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Verlustleistung und Leckströme

09.08.2007 | 08:30 Uhr |

Transistoren vom Typ FET steuern die Source-Drain-Strecke über das Gate nur über die Spannung am Gate, das heißt, es fließt im Gegensatz zum Bipolar-Transistor kein Strom über die Gate-Elektrode. Damit lassen sich FET leistungslos steuern. Um aber ein elektrisches Feld zwischen Gate und Source-Drain auf- und abzubauen, müssen Ladungen fließen.

Diese verursachen an Widerständen der Leitungen stets Reibungsverluste, die in Wärme umgewandelt an die Umgebung abgegeben werden (Verlustleistung). Zwischen dem Gate und Source-Drain liegt eine Isolierschicht (Oxid) mit 1,2 nm Dicke. Besitzt diese Isolierschicht in der Theorie einen Leitwert von null (idealer Isolator), so diffundieren doch einzelne Elektronen durch diese Schicht hindurch.

Das Gate und die Source-Drain-Elektroden bilden zusammen mit der Isolierschicht (Dielektrikum) einen Kondensator mit der Kapazität C. Die Verlustleistung hängt nun proportional von der Kapazität C aller Transistoren und der Betriebsspannung ab:

Leistungsaufnahme = (Kapazität aller Gates) x (Taktfrequenz) x (Betriebsspannung)².

Zwischen den einzelnen Layern kommt eine Isolationsschicht mit einem niedrigen Dielektrizitätswert (Low-K) zur Anwendung, um die Kapazität und damit die Verlustleistung gering zu halten. Ist die Spannung am Gate nicht ausreichend, um die Source-Drain-Strecke zu sperren, so ist diese minimal leitend obwohl der Transistor eigentlich sperren sollte. Eine weitere Ursache für Leckströme sind schadhafte Übergänge ins Substrat. Damit gibt es drei Hauptursachen für Leckströme:

die Gate-Isolierschicht beim Transistor

die Source-Drain-Strecke (Sub threshold)

Leckströme in das Substrat (Junction)

Bei einer halben Milliarde Transistoren pro Prozessor ergibt es daher Sinn, den einzelnen Transistor zu optimieren, möchte man Verlustleistung und Wärme gering halten und die Taktrate weiter steigern.

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