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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2008.tde-29012009-161414
Documento
Autor
Nome completo
Michelly de Souza
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2008
Orientador
Banca examinadora
Pavanello, Marcelo Antonio (Presidente)
Cunha, Ana Isabela Araújo
Giacomini, Renato Camargo
Santos Filho, Sebastião Gomes dos
Vale Neto, José Vieira do
Título em português
Modelagem, simulação e fabricação de circuitos analógicos com transistores SOI convencionais e de canal gradual operando em temperaturas criogênicas.
Palavras-chave em português
Circuitos analógicos
Dispositivos eletrônicos
Medidas elétricas
Transistores (modelagem)
Resumo em português
Neste trabalho apresentamos a análise do comportamento analógico de transistores MOS implementados em tecnologia Silício sobre Isolante (SOI), de canal gradual (GC) e com tensão mecânica aplicada ao canal, operando em baixas temperaturas (de 380 K a 90 K), em comparação com dispositivos SOI convencionais. Este estudo foi realizado utilizando-se medidas experimentais de transistores e pequenos circuitos fabricados, bem como através da utilização de simulações numéricas bidimensionais e modelos analíticos. No caso dos transistores de canal gradual, inicialmente foi proposto um modelo analítico contínuo para a simulação da corrente de dreno em baixas temperaturas. Este modelo foi validado para temperaturas entre 300 K e 100 K e incluído na biblioteca de modelos de um simulador de circuitos. Foram analisadas características importantes para o funcionamento de circuitos analógicos, tais como a distorção harmônica de dispositivos operando em saturação e o descasamento de alguns parâmetros, como tensão de limiar e corrente de dreno, em diversas temperaturas. No caso da distorção, foi verificada uma melhora significativa promovida pela utilização da estrutura de canal gradual, ultrapassando 20 dB em 100 K. O descasamento apresentou piora em relação ao transistor convencional, devido a imperfeições de alinhamento que podem ocorrer no processo de fabricação, principalmente na etapa de definição da região fracamente dopada do canal. Foi observada uma piora de até 2,5 mV na variação da tensão de limiar e mais de 2% na corrente de dreno, em temperatura ambiente, em relação ao transistor uniformemente dopado. O impacto da utilização de transistores GC SOI em espelhos de corrente e amplificadores dreno comum também foi também avaliado. Os resultados experimentais mostraram que a estrutura de canal gradual é capaz de promover a melhora no desempenho destes dois blocos analógicos em comparação com transistores uniformemente dopados em todo o intervalo de temperaturas estudado. Amplificadores dreno comum com ganho praticamente constante e próximo do limite teórico e espelhos de corrente com precisão de espelhamento superior àquela apresentada por transistores convencionais, com maior excursão do sinal de saída e maior resistência de saída, foram obtidos. Foram também comparadas características analógicas de transistores SOI com tensão mecânica uniaxial e biaxial agindo sobre o canal em função da temperatura. Os resultados obtidos indicam que a tensão mecânica sobre o canal resulta em ganho de tensão melhor, ou no mínimo igual, àquele obtido com um transistor convencional com as mesmas dimensões e tecnologia.
Título em inglês
Modeling, simulation and fabrication of analog circuits with standard and graded-channel SOI transistors operating at cryogenic temperatures.
Palavras-chave em inglês
Analog circuits
Graded-channel SOI nMOSFET
SOI technology
Strain SOI
Resumo em inglês
In this work an analysis of the analog behavior of MOS transistors implemented in Silicon-on-Insulator technology, with graded-channel (GC) and mechanical strain applied to the channel, operating at low temperatures (from 380 K down to 90 K), in comparison to standard SOI devices is presented. This study has been carried out by using experimental measurements of transistors and small circuits, as well as through two-dimensional numerical simulations and analytical models. In the case of graded-channel transistors, an analytical model for the simulation of the drain current at low temperatures has been initially proposed. This model has been validated from 300 K down to 100 K and included to the models library of a circuit simulator. Important characteristics for analog circuits have been evaluated, namely the harmonic distortion of devices biased in saturation regime and the mismatching of parameters like the threshold voltage and the drain current, at several temperatures. Regarding the distortion, it has been verified a significant improvement due to the use of the graded-channel architecture, which reached more than 20 dB at 100 K. The matching has been worsened in comparison to standard transistor, due to misalignements that may take place in the devices processing, mainly in the definition of the lightly doped region in the channel. It has been observed a worsening of up to 2.5 mV in the threshold voltage variation and more than 2 % in the drain current, at room temperature, in comparison to the uniformly doped device. The impact of the application of GC transistors in current mirrors and commondrain amplifiers has been also evaluated. The experimental results showed that the graded-channel structure is able to provide improved performance of these analog blocks in comparison with uniformly doped transistors in the entire studied range of temperatures. Commom-drain amplifiers with virtually constant gain, close to the theoretical limit and current mirrors with improved mirroring precision in comparison to standard transistors, with increased output swing and output resistance have been obtained. Analog characteristics of SOI transistors with uniaxial and biaxial mechanical strain in the channel have been also compared as a function of the temperature. The analysis of experimental measurements indicates that the use of mechanical strain results in better or, at least, similar voltage gain than stardard transistors, for the same dimensions and technology.
 
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Data de Publicação
2009-02-06
 
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