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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-21092020-144559
Document
Author
Full name
Walter Gonçalez Filho
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Agopian, Paula Ghedini Der (President)
Oka, Mauricio Massazumi
Gimenez, Salvador Pinillos
Title in Portuguese
Projeto de aplicação de amplificadores operacionais de transcondutância baseados no comportamento experimental de line-TFETs.
Keywords in Portuguese
Amplificadores
Circuito de readout
Circuitos integrados
Line-TFET
Modelo em lookup table
Abstract in Portuguese
Transistores de tunelamento (TFETs) utilizam o tunelamento quântico entre bandas de energia de materiais semicondutores como principal mecanismo de condução, enquanto a tecnologia convencional de transistores MOSFET utiliza os mecanismos de difusão e deriva. Como consequência, transistores de tunelamento possuem características particulares, como por exemplo a baixa condutância de saída que o torna promissor para o projeto de circuitos integrados analógicos, em particular para amplificação de pequenos sinais em baixa frequência, devido ao menor nível de corrente desses dispositivos em comparação com o MOSFET. TFETs em geral exibem ganho intrínseco de tensão extremamente alto, igual ou superior a 50dB, baixos níveis de corrente em comparação com o MOSFET e alta resistência a ruído e a variação de temperatura. Line-TFETs, que também utilizam o tunelamento como princípio de condução, têm uma geometria tal que a geração de portadores por tunelamento acontece uniformemente em uma dimensão e o campo elétrico vertical é o responsável pela ocorrência do tunelamento. Essa topologia, em conjunto com o uso de Si0,55Ge0,45 como material de fonte, resulta em um aumento na corrente de dreno, melhoria na inclinação de sublimiar e na corrente de dreno, esta última sendo diretamente proporcional à área de porta. Portanto, diante deste cenário, esse trabalho tem como objetivo estudar o desenvolvimento de circuitos integrados analógicos com o dispositivo Line-TFET, explorando não só as características mencionadas acima, mas também outras particularidades desse dispositivo demonstradas no presente estudo. A modelagem DC dos dispositivos foi realizada a partir de uma nova abordagem que utiliza medidas experimentais inseridas em ábacos (lookup tables) e codificadas na linguagem de descrição de hardware Verilog-A, evitando a complexidade e a falta de acurácia dos modelos analíticos. Estas características são de suma importância para o projeto de circuitos com dispositivos complexos, pois permitem obter um modelo contínuo de forma simples e direta. Para fazer a caracterização das capacitâncias parasitárias, o Line-TFET foi modelado no simulador de dispositivos Sentaurus após obter boa concordância com os dados experimentais. A partir da comparação entre simulações e dados experimentais, diversas dimensões do dispositivo foram variadas a fim de avaliar seus impactos nas curvas de corrente e nas características analógicas do Line-TFET. Este estudo revelou propriedades únicas deste dispositivo, especialmente no que se refere a condutância de saída. Foi demonstrado, tanto por simulação quanto por meio de resultados experimentais, que esse parâmetro independe do comprimento de porta, o que modifica profundamente o projeto de circuitos integrados analógicos com o Line-TFET. Utilizando o modelo obtido via lookup table de dados experimentais e os resultados da caracterização desenvolvida, foram realizados os projetos de circuitos integrados analógicos básicos (espelho de corrente, amplificador fonte comum, par diferencial com carga ativa e amplificador de dois estágios), demonstrando como as não idealidades oriundas dos dados experimentais impactam os resultados e o projeto dos circuitos propostos. Os parâmetros de mérito resultantes são exibidos e discutidos, em particular ressaltando o alto ganho de tensão obtido para baixas frequências e a simplificação na topologia do circuito, fazendo comparações com os resultados utilizando tecnologia MOSFET através do projeto com PDKs convencionais e com projetos da literatura que utilizam TFETs. Por fim, são sugeridas aplicações que podem se beneficiar de características do amplificador obtido, como por exemplo seu alto ganho de corrente contínua (DC) de malha aberta e grande capacidade de integração. Em particular, foi desenvolvido um circuito de readout para sensores, revelando que o alto ganho intrínseco de tensão e a proporcionalidade da corrente de dreno com a área de porta em Line-TFETs resulta em uma topologia de circuito mais simples e em enorme redução na área de chip, diminuindo a área de porta dos dispositivos em cerca de duas grandezas. Esse projeto também apresenta um consumo de potência da ordem de nW, que é semelhante ao obtido no projeto de circuitos do estado-da-arte com a tecnologia MOSFET convencional.
Title in English
Project and application of operational transconductance amplifics based on the experimental behavior of line-TFET.
Keywords in English
Analog circuits
Line-TFET
Lookup table modelling
Readout circuit
Transconductance operational amplifier
Abstract in English
Tunneling Field Effect Transistors (TFETs) use band-to-band quantum tunneling as their main conduction mechanism, differently from conventional MOSFET technology that relies on drift and diffusion of carriers. Therefore, tunneling devices present many particular characteristics, some of them suitable for the design of analog circuits, in particular for amplification of low-frequency small-signals. For instance, TFETs in general exhibit extremely high intrinsic voltage gain, around 50dB, low current levels and resistance to noise and temperature variation. Line-TFETs, which also use band-to-band tunneling as the main conduction mechanism, are built in such a way that the tunneling generation rate of carriers happens evenly in one dimension and the vertical electric field makes tunneling happen. This topology, along with the Si0.55Ge0.45 source, increases the drain current, improves the subthreshold slope and makes the drain current proportional to the gate area. The goal of this work is to study the design of analog circuits with the Line-TFET device, exploring the aforementioned characteristics and others revealed in this study. DC device modeling was performed from experimental data that was inserted in lookup tables coded in Verilog-A, avoiding the complexity and inaccuracy of analytical modeling, which is extremely important for complex devices, obtaining a continuous model simply and straightforwardly. To obtain the parasitic capacitances, the LineTFET was modeled in the semiconductor design tool Sentaurus with good agreement with experimental data. From the simulated device and the experimental data, different device dimensions were varied to evaluate their impact on the current and analog characteristics. This study revealed unique properties of this device, especially regarding its output conductance. This parameter was shown to be independent of the gate length, which profoundly changes the design of analog circuits with the LineTFET. Through the lookup table model and by using the results of the aforementioned electrical characterization, different basic analog circuits are designed with the LineTFET (current mirror, common source amplifier, differential pair with active load and two-stage amplifier), which aim to demonstrate both the achieved figures of merit and how non-idealities of the device impact the design. The results are exhibited and discussed, in particular highlighting the very high DC voltage gain and making comparisons with the results obtained for conventional MOSFETs and with TFET designs from the literature. At last, some applications that should benefit from some of the characteristics of the Line-TFET amplifier, such as its very high DC voltage gain and its integration capacity, are suggested. A sensor readout circuit is designed as an example, revealing that the high intrinsic voltage gain and the proportionality of the current with the gate area of Line-TFETs result in the simplification of circuit topology and in huge reduction of circuit area for low-frequency designs. It also results in power consumption of some nW, which is comparable to the obtained in state-of-the-art designs with conventional MOSFET technology.
 
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Publishing Date
2020-09-24
 
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