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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2010.tde-10012011-135500
Documento
Autor
Nome completo
Rodrigo Trevisoli Doria
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2010
Orientador
Banca examinadora
Pavanello, Marcelo Antonio (Presidente)
Diniz, José Alexandre
Oka, Mauricio Massazumi
Santos Filho, Sebastião Gomes dos
Wirth, Gilson Inácio
Título em português
Operação analógica de transistores de múltiplas portas em função da temperatura.
Palavras-chave em português
Canal gradual
Distorção harmônica
FinFET
GAA
Junctionless
Porta dupla
SOI
Tensão mecânica
Resumo em português
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.
Título em inglês
Analog operation of multiple gate transistors as a function of the temperature.
Palavras-chave em inglês
Double gate
FinFET
GAA
Graded-channel
Harmonic distortion
Junctionless
SOI
Strain
Resumo em inglês
In this work it is presented an analysis of the analog operation of multiple gate transistors, evaluating the Early Voltage, the open-loop voltage gain, the transconductance over the drain current ratio (gm/IDS), the drain conductance and, especially, the harmonic distortion exhibited by these devices. Along the work, FinFETs, Gate-All-Around (GAA) devices with the Graded-Channel (GC) structure and MOS transistors without junctions (Junctionless - JL) were studied. Initially, an analysis of the harmonic distortion presented by conventional and biaxially strained FinFETs with several fin widths (Wfin) and channel lengths (L) was performed, when these devices were operating in saturation as single transistor amplifiers. In this analysis, the non-linearities were evaluated through the extraction of the second and the third order harmonic distortions (HD2 and HD3, respectively), and it was shown that the presence of strain has negligible influence in HD2, but slightly changes HD3. When the open loop voltage gain of the devices is taken into consideration, narrower conventional transistors present a huge advantage with respect to the strained ones in terms of HD2. Also, it was perceived that both HD2 and HD3 of strained FinFETs worsen with the temperature decrease, especially in stronger inversion. In the sequence, an analysis of the HD3 presented by conventional and strained FinFETs of several fin widths and channel lengths operating in the triode regime was performed. These devices were applied to 2-MOS balanced structures, showing that the presence of the strain does not influence significantly the HD3, but reduces the resistance in the channel of the transistors (RON), which is not good for resistive structures as the ones evaluated. In this analysis, it can also be observed an HD3 improvement of 30 dB when VGT is increased from zero up to 1,0 V, where narrower devices present transfer characteristics more linear than the wider ones. Then, it was studied the distortion presented by GAA and GC GAA devices operating in the triode regime, applied to 2-MOS structures. In this case, it could be perceived that GC GAAs with longer lightly doped regions present better HD3 in comparison to the other devices for VGT higher than 2.0 V. In the evaluation of these structures as a function of the temperature, it could be seen that for VGT higher than 1.1 V, HD3 strongly depends on the temperature and worsens as the temperature decreases. The study involving JL transistors was focused on their analog parameters, comparing them to the ones presented by triple gate devices or FinFETs. In moderate and strong inversions, Junctionless showed lower values for gm/IDS with respect to triple gate devices biased at a similar current level. However, the dependence of gm/IDS from Junctionless with the temperature was also smaller than the one presented by FinFETs. Junctionless and FinFETs exhibited distinct behaviors for the Early voltage and the open-loop voltage gain as a function of the temperature. These parameters always improve with the temperature raise in JL devices whereas they exhibit their maximum values around room temperatures for FinFETs. In the proximity of the threshold voltage, Junctionless with fin width of 30 nm presented Early voltage and intrinsic gain larger than 80 V and 57 dB, respectively, whereas FinFETs exhibited Early voltage of 35 V and gain of 50 dB. For all the studies performed in this work, the probable causes of the non-linearities were pointed out, from analytic models that could correlate the physical work of the devices with the experimental results.
 
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Data de Publicação
2011-04-14
 
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