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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-25102021-155926
Document
Author
Full name
Bruna Ramos de Sousa
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2021
Supervisor
Committee
Martino, João Antonio (President)
Gimenez, Salvador Pinillos
Herrera, Hugo Daniel Hernandez
Title in Portuguese
Estudo do efeito da radiação em um amplificador operacional de transcondutância implementado com SOI FinFETs.
Keywords in Portuguese
Circuitos analógicos
Radiação de prótons
Abstract in Portuguese
Neste trabalho é proposto o projeto de um amplificador operacional de transcondutância (OTA) com transistores SOI FinFETs e o estudo do efeito da radiação ionizante de prótons sobre tais circuitos. Uma vez que o SOI FinFET não tem um modelo analítico-matemático de primeira ordem preciso para programas de simulação elétrica, é proposto o uso do método chamado 'lookup table' em Verilog-A. Esse método consiste na caracterização experimental detalhada do dispositivo SOI FinFET para obtenção do seu comportamento elétrico para alimentar uma tabela com os dados e simular suas interpolações, que serão utilizados em simulações de circuitos. Utilizando este método, os dispositivos FinFET dos tipos p e n com três diferentes larguras de aleta (Wfin) foram analisados (20 nm, 120 nm e 870 nm) e utilizados tanto em circuitos básicos (como o circuito de polarização intitulado também de "bias" e o espelho de corrente) como em circuitos amplificadores operacionais de transcondutância de dois estágios (Operational Transconductance Amplifiers - OTA). Apesar da conhecida degradação causada pela radiação ionizante nos dispositivos semicondutores, e no caso dos FinFETs naqueles dispositivos que possuem maior largura de aleta, a combinação dos efeitos causados nos dispositivos que formam o OTA resulta num inesperado aumento de ganho de tensão em todos os circuitos estudados. No caso do OTA estudado, observou-se um aumento de ganho de tensão diferencial quando comparados os circuitos pré-radiados e pós-radiados, para todos os circuitos estudados. Este aumento de ganho de tensão foi de 1,84 dB, 2,38 dB e 6,16 dB, para os circuitos OTA formados por dispositivos FinFETs de Wfin de 20 nm, 120 nm e 870 nm, respectivamente. Já no caso dos OTAs com fonte de corrente ideal, os resultados de aumento de ganho tensão obtidos foram de 0,87 dB, 1,19 dB e 6,21 dB, para os circuitos formados por dispositivos FinFETs de Wfin de 20 nm, 120 nm e 870 nm, respectivamente. Estes aumentos de ganhos de tensão nos circuitos pósradiados estão relacionados à mudança dos pontos de polarização nos circuitos, que causa diferentes valores de transcondutância (gm) e condutância de saída (gD). Essa variação na condutância de saída é mais relevante no dispositivo pFinFET, principal responsável pelo aumento do ganho de tensão após a radiação.
Title in English
Study of the radiation effect on an operational transconductance amplifier implemented with SOI FinFETs.
Keywords in English
Analog circuits
Lookup table
Proton-irradiation
SOI FinFETs
Verilog-A
Abstract in English
In this work, the project of an operational transconductance amplifier (OTA) with SOI FinFET transistors and the analysis of the proton irradiation effect is proposed. Since the SOI FinFET does not have a precise first order analytical-matemathical model to be collected from electrical simulation programs, it is proposed to use a method called lookup table in Verilog-A. This method consists of a detailed experimental characterization of the SOI FinFET in order to obtain its electrical behavior and then feed the lookup table with the data and its interpolation, to be used in simulations. Using this method, FinFET devices of p and n types with three different fin widths (Wfin) were analyzed (20 nm, 120 nm and 870 nm), used in both basic circuits (such as bias and current-mirror circuits), as well as in two-stage amplifiers circuits (OTA). Despite the typical degradation caused by radiation in semiconductor devices, especially and in the case of FinFETs devices with wider fin width, the combination of effects caused by the radiation in these devices forming the OTA circuit will result in an unexpected voltage gain improvement for all studied circuits. In the case of the two-stage amplifier, an increase in differential voltage gain was observed when comparing the pre-radiated and post-radiated circuits, for all studied circuits. This voltage gain increase was 1.84 dB, 2.38 dB and 6.16 dB, for circuits formed by FinFETS with fin width (Wfin) of 20 nm, 120 nm and 870 nm, respectively. In the case of OTA with an ideal current source, the results of increased voltage gain obtained were 0.87 dB, 1.19 dB and 6.21 dB, for circuits formed by devices of Wfin of 20 nm, 120 nm and 870 nm, respectively. These improve in the voltage gains of the post-radiated circuits are related to the change in the polarization points, which causes different values of transconductance (gm) and output conductance (gD). This variation in the output conductance is more relevant in the pFinFET device, which is mainly responsible for the increase in gain after radiation.
 
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Publishing Date
2021-10-26
 
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