Operação analógica de transistores de múltiplas portas em função da temperatura.

Autor(es)

Rodrigo Trevisoli Doria

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP/BC)
• Data de defesa: 2010-10-28

Membros da banca

Marcelo Antonio Pavanello; José Alexandre Diniz; Mauricio Massazumi Oka; Sebastião Gomes dos Santos Filho; Gilson Inácio Wirth

• Orientador: Marcelo Antonio Pavanello

Resumo

Neste trabalho, é apresentada uma análise da operação analógica de transistores de múltiplas portas, avaliando a tensão Early, o ganho de tensão em malha aberta, a razão da transcondutância pela corrente de dreno (gm/IDS), a condutância de dreno e, em especial, a distorção harmônica, exibida por estes dispositivos. Ao longo deste trabalho, foram estudados FinFETs, dispositivos de porta circundante (Gate-All-Around GAA) com estrutura de canal gradual (Graded-Channel GC) e transistores MOS sem junções (Junctionless - JL). Inicialmente, foi efetuada a análise da distorção harmônica apresentada por FinFETs com e sem a presença de tensão mecânica biaxial, com diversas larguras de fin (Wfin) e comprimentos de canal (L), quando estes operavam em saturação, como amplificadores de um único transistor. Nesta análise, as não-linearidades foram avaliadas através da extração das distorções harmônicas de segunda e terceira ordens (HD2 e HD3, respectivamente), mostrando que a presença de tensão mecânica tem pouca influência em HD2, mas altera levemente a HD3. Quando os ganhos de tensão em malha aberta dos dispositivos são levados em conta, transistores sem tensão, também chamados de convencionais, mais estreitos apresentam grande vantagem em termos de HD2 em relação aos tensionados. Ainda nesta análise, percebeu-se que HD2 e HD3 de transistores tensionados pioram com a redução da temperatura, especialmente em inversão mais forte. Na seqüência, foi efetuada uma análise de HD3 em FinFETs com e sem tensão mecânica de vários comprimentos e larguras de canal, operando em região triodo e aplicados a estruturas balanceadas 2-MOS, mostrando que presença de tensão mecânica traz pouca influência em HD3, mas reduz a resistência do canal dos dispositivos (RON), o que não é bom em estruturas resistivas, como as avaliadas. Nesta análise, ainda, pode-se perceber uma melhora em HD3 superior a 30 dB ao se incrementar VGT de zero a 1,0 V, em cuja tensão dispositivos mais estreitos apresentam curvas mais lineares que os mais largos. Então, foi estudada a distorção apresentada por transistores GAA e GC GAA operando em regime triodo, aplicados a estruturas 2-MOS, onde se pôde perceber que GC GAAs com maiores comprimentos da região fracamente dopada apresentam vantagem em HD3 em relação aos demais, para valores de VGT superiores a 2 V. Na avaliação destas estruturas em função da temperatura, percebeu-se que, para VGT superiores a 1,1 V, HD3 depende fortemente da temperatura e piora conforme a temperatura diminui. O estudo envolvendo transistores sem junções foi mais focado em seus parâmetros analógicos, comparando-os aos apresentados por dispositivos de porta tripla ou FinFETs. Em inversões moderada e forte, transistores sem junção apresentaram menores valores para gm/IDS em relação a dispositivos de FinFETs polarizados em um mesmo nível de corrente, entretanto, a dependência de gm/IDS com a temperatura em transistores sem junção também foi menor que a apresentada por FinFETs. JL e FinFETs apresentaram comportamentos distintos para a tensão Early e o ganho de tensão em malha aberta em função da temperatura. Estes parâmetros sempre melhoram com o aumento da temperatura em dispositivos JL, enquanto que exibem seu máximo valor em temperatura ambiente em FinFETs. Nas proximidades da tensão de limiar, transistores sem junção com largura de fin de 30 nm exibiram tensão Early e ganho superiores a 80 V a 57 dB, respectivamente, enquanto que FinFETs mostraram Tensão Early de 35 V e ganho de 50 dB. Em todos os estudos efetuados ao longo do trabalho, procurou-se apontar as causas das não-linearidades apresentadas pelos dispositivos, a partir de modelos analíticos que pudessem relacionar a física de funcionamento dos transistores com os resultados experimentalmente obtidos. (AU)

• Processo FAPESP: 07/04439-6 - Operação analógica de transistores de múltiplas portas em ambientes criogênicos
• Beneficiário: Rodrigo Trevisoli Doria
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado