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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-16032021-105015
Document
Author
Full name
Alexandro de Moraes Nogueira
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Title in Portuguese
Estudo de amplificadores operacionais de transcondutância projetados com túnel-FETs e MOSFETs fabricados em estruturas de nanofios
Abstract in Portuguese
Transistores de tunelamento induzidos por efeito de campo (TFET) ganharam grande interesse da academia nos últimos anos devido a possibilidade de alcançar inclinação de sublimiar abaixo de 60 mV/dec, que é o limite teórico dos MOSFETs em temperatura ambiente. Isso é possível graças ao seu mecanismo predominante de condução baseado no tunelamento de portadores entre bandas. Este trabalho visa estudar amplificadores operacionais de transcondutância (OTA) projetados com TFETs fabricados em nanofios com diferentes materiais de fonte (Si, SiGe e Ge) para demonstrar suas vantagens e desvantagens com relação aos circuitos projetados com MOSFETs fabricados em nanofio de silício (comprimento de canal de 220 nm). Medidas experimentais dos transistores foram utilizadas para montar tabelas ("lookup table") que são utilizadas na modelagem dos dispositivos através da linguagem Verilog-A. Com o uso do software Spectre da Cadence, os modelos foram usados inicialmente para simular circuitos integrados analógicos básicos como espelho de corrente, amplificadores de fonte comum e amplificadores diferenciais. O efeito da corrente de porta (IG) em amplificadores de dois estágios com TFETs também foi verificada, mostrando a necessidade de uma atenção especial quanto à polarização, principalmente nos casos dos TFETs com fonte de Si e de Ge. Então, diferentes OTAs foram projetados nas diferentes tecnologias e comparados. Todos os OTAs com TFET apresentaram um ganho de tensão superior ao circuito com MOSFET, sendo pelo menos 34 dB superior em todas as configurações estudadas neste trabalho, sendo que o circuito projetado com TFET com fonte de Ge apresentou o maior ganho de tensão de todos (105 dB). Todos os OTAs com TFETs consomem ao menos uma ordem de grandeza a menos de potência (fonte de Ge) do que o circuito com MOSFET, podendo chegar a consumir três ordens a menos (fonte de Si) em circuitos com a mesma dimensão e polarizados na mesma eficiência do transistor (gm/ID). No entanto, o circuito com MOSFET possui um produto ganho de tensão-largura de banda (GBW) de pelo menos uma ordem de grandeza superior aos OTAs com TFETs. Para circuitos com a mesma potência e visando um aumento no ganho de tensão do OTA com MOSFET, os circuitos com TFETs com fonte de SiGe e Ge possuem GBW (1 MHz e 2 MHz) na mesma ordem de grandeza que OTA com MOSFET (4,7 MHz). Deste modo, os TFETs estudados apresentam vantagens em aplicações de baixa potência e frequência, especialmente o TFET com fonte de Ge que apresentou um bom compromisso entre ganho de tensão e GBW e o TFET de Si, que apresenta um ganho de tensão parecido com o do TFET com fonte de Ge, mas consome menos potência.
Title in English
Study of operational transconductance amplifiers designed with Tunnel-FETs and MOSFETs fabricated in nanowire structures.
Abstract in English
Tunnel Field Effect Transistors (TFET) have gained great interest by the academy in the recent years due to the possibility of achieving subthreshold slopes lower than 60 mV/dec, that is the theoretical limit of the MOSFET in room temperature. This is possible thanks to its main conduction mechanism based on band to band tunneling. This work intends to study operational transconductance amplifiers (OTA) designed with nanowire TFETs with different source materials (Si, SiGe and Ge) to verify its advantages and disadvantage in relation to nanowire silicon MOSFETs (channel length of 220 nm). Experimental measurements were used to create lookup tables that are used to model the devices through the Verilog-A language. By using the software Spectre, from Cadence, the models were initially used to perform basic analog integrated circuit simulations like current mirror, common source amplifier and differential amplifier. The effect of the gate current (IG) in two-stage amplifiers was also verified, showing that extra attention is required regarding the circuit bias, especially in the cases of Si and Ge-source TFETs. Finally, different OTAs were designed using the different technologies and compared. All the TFET OTAs presented a voltage gain superior to the MOSFET circuit, being at least 34 dB larger in all configurations considered, with the circuit projected with the Ge-source TFET presenting the largest voltage gain (105 dB). All the TFET OTAs have a power consumption at least one order of magnitude smaller (Ge-source) than the MOSFET circuit, being able to consume up to three orders less power (Si-source) in circuits with the same size and biased at the same transistor efficiency (gm/ID). However, the MOSFET circuit has a bandwidth-gain product (GBW) of at least one order of magnitude larger than the TFET OTAs. For circuits with the same power consumption and with an increase in the voltage gain of the MOSFET OTA as a project goal, the circuits with TFET with SiGe and Ge-source have a GBW (1 MHz and 2 MHz) in the same order of magnitude than the MOSFET OTA (4,7 MHz). Therefore, the TFETs studied have presented advantages in applications of low power and low frequency, in special the TFET with Ge source have presented a good compromise between gain and GBW and the Si TFET that has a voltage gain comparable to the Ge-source TFET, while consuming less power.
 
Publishing Date
2021-03-16
 
All rights of the thesis/dissertation are from the authors
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