Dynamic Voltage Scaling Dissertação para obtenção do Grau de ...

2. Análise e Previsão do Envelhecimento
2.1 Envelhecimento e Efeito NBTI
Uma das consequências da operação a longo prazo dos circuitos digitais é a degradação no
desempenho das portas lógicas devido ao envelhecimento. Esta diminuição do desempenho é
provocada pelo aumento da tensão de threshold (V th ) nos transístores, que leva à redução na
corrente de dreno. O fenómeno de envelhecimento pode ocorrer tanto em transístores tipo N (PBTI)
como em tipo P (NBTI), no entanto os seus efeitos têm maior relevância nos transístores tipo P [4].
Neste trabalho não será considerado o PBTI, mas para tecnologias inferiores a 40nm o seu efeito já
deve ser considerado [6]. Frequentemente chegam a ocorrer erros no processamento digital devido a
incumprimentos temporais causados pelo envelhecimento a longo prazo, sendo um dos principais
factores que limitam a vida útil dos dispositivos.
O fenómeno do NBTI surge devido a processos electroquímicos no seio dos transístores com o
dióxido de silício puro (SiO 2 ) [7]. Estas reacções ocorrem durante a permanência do transístor no
estado de condução (fase de stress com V GS = –V dd ), onde devido ao campo eléctrico e às altas
temperaturas são quebradas as ligações químicas entre o silício (Si) e o hidrogénio (H) na zona de
junção do silício com o oxido. O hidrogénio libertado acaba por se deslocar em direcção à porta de
silício policristalino (poly), chegando por vezes a recombinar-se em H 2 (Figura 2.1). Por outro lado, o
silício quebrado junto ao óxido (Si-) actua como uma armadilha para os portadores do canal,
reduzindo a mobilidade e aumentando a tensão de limiar (threshold voltage, V th ) do transístor.
Figura 2.1 – Difusão do Hidrogénio em direcção à poly durante a fase de stress
Por outro lado, na passagem do transístor ao estado de corte (fase de recuperação com V GS =
0V), o processo é invertido fazendo com que o hidrogénio se recombine de novo com o silício,
fazendo diminuir a variação na tensão de limiar do transístor. No entanto, nem todas as ligações
quebradas são restabelecidas. Isto provoca uma degradação acumulada do V th no transístor, levando
à progressiva degradação do desempenho das portas lógicas. A longo prazo, o aumento do V th fica
dependente da taxa de ruptura das ligações Si-H e de recombinações com Si-. Estas, por sua vez
estão dependentes da probabilidade do transístor estar na fase de stress ou recuperação e de outros
parâmetros como a temperatura [8].
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