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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2017.tde-28062017-155642
Documento
Autor
Nome completo
Luís Felipe Vicentis Caparroz
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2017
Orientador
Banca examinadora
Agopian, Paula Ghedini Der (Presidente)
Andrade, Maria Glória Caño de
Sonnenberg, Victor
Título em português
Efeito da radiação em transistores 3D em baixas temperaturas.
Palavras-chave em português
Baixa temperatura
Silício
Transistores
Resumo em português
Nesse trabalho de mestrado estudou-se o comportamento elétrico de transistores verticais de múltiplas portas (3D) sobre isolante (SOI FinFET) sob o efeito da radiação de prótons em baixa temperatura, por meio de métodos experimentais e simulações numéricas. Inicialmente, foram comparados os comportamentos dos transistores antes e depois de serem submetidos à radiação de prótons, em temperatura ambiente. Esta análise foi realizada tanto para dispositivos com canal do tipo p quanto do tipo n, estudando-se tanto como as características analógicas são alteradas após o dispositivo ser irradiado por prótons com uma energia de aproximadamente 60 MeV quanto as características digitais. Estudou-se os efeitos da dose total ionizante (TID) nos dispositivos SOI FinFETs. Estes efeitos se manifestam de formas diferentes, muitas vezes opostas, para transistores nMOS e pMOS. Os efeitos da radiação na inclinação de sublimiar (SS) dos pFinFETs, por exemplo, resultaram em uma melhoria da velocidade de chaveamento, enquanto que os nFinFET sofreram uma degradação. Já a variação negativa da tensão de limiar (VT), uma vez que a maior parte das cargas acumuladas no óxido são positivas, deixa os transistores pMOS mais imunes a corrente parasitária da segunda interface, e novamente degrada as características dos nMOS. Os transistores com aletas mais largas têm uma maior área de óxido enterrado abaixo do filme de silício, o que resulta em um maior acúmulo de cargas. Portanto, a degradação dos parâmetros foi mais acentuada do que em dispositivos com aletas mais estreitas. Transistores com canal curto estão sujeitos aos efeitos de canal curto e se mostraram mais suscetíveis à radiação de próton na região de sublimiar. Além da análise dos parâmetros básicos, realizou-se uma análise de compromisso entre três parâmetros analógicos: a eficiência do transistor (gm/ID), a frequência de ganho unitário (fT) e o ganho intrínseco de tensão (AV). Eles foram estudados em função do coeficiente de inversão (IC), sendo possível verificar o comportamento dos dispositivos em cada regime de inversão e, posteriormente, o melhor compromisso entre os parâmetros, para uma dada aplicação. Em baixas temperaturas foi também observado que enquanto para os parâmetros digitais, os transistores de canal p mostraram um melhor desempenho quando focando os parâmetros digitais (tensão de limiar e inclinação de sublimiar), nFinFETs mostraram-se mais imunes a radiação de prótons em baixa temperatura, quando analisados os parâmetros analógicos como o ganho intrínseco de tensão (resposta mais estável à radiação em baixas temperaturas).
Título em inglês
Radiation effects on 3D transistors at low temperature.
Palavras-chave em inglês
3D Transistors
Analog parameters
Low temperatures
Radiation
SOI
Resumo em inglês
This master degree's dissertation aims to study the low temperature electrical behavior of tridimensional transistors on insulator (SOI FinFET) under the effects of proton radiation, through experimental methods and numeric simulations. Initially, it was compared the transistors' behavior before and after they have been subjected to proton radiation, at room temperature. This analysis was performed for both p- and n-channel devices, studying how the analog parameters change after the devices are irradiated by protons with approximately 60 MeV energy. The effects of total ionization dose on SOI FinFET devices were studied. These effects are manifested in different, very often opposing ways for nMOS and pMOS transistors. The radiation effects on the subthreshold slope (SS) in pFinFETs, for example, resulted in a switching speed improvement, while the nFinFETs were degraded. Also, the negative shift in the threshold voltage (VT), as most of the oxide trapped charges are positive, made the pMOS transistors more immune to the parasitic current at the second interface, and, again, the nMOS ones had their characteristics degraded. The wide-fin transistors have a bigger oxide area beneath the silicon film, which results in a greater charge buildup. Hence, the parameter degradation was more substantial than for narrow-fin devices. Short-channel transistors are subject to short-channel effects and showed themselves more susceptible to proton irradiation at the subthreshold region. In addition to the basic parameter analysis, it was done a tradeoff analysis between three analog parameters: the transistor efficiency (gm/ID), the unit gain frequency (fT) and the intrinsic voltage gain (AV). They have been studied as a function of the inversion coefficient (IC), where it was possible to observe the devices' behavior for each inversion regime and, after, the best tradeoff between the parameters, for a given application. At low temperature, it was also observed that while pFinFETs have a better performance when looking at digital parameters VTH and SS after irradiation, nFinFETs showed more immunity to proton radiation when analyzed from their analog parameter with a more stable response to low temperatures.
 
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Data de Publicação
2017-06-29
 
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