Projeto de um amplificador operacional de transcondutância de dois estágios utilizando transistores de estruturas de nanofolha de silício.

• Autor(a) principal: Sousa, Julia Cristina Soares
• Data de Publicação: 2022
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-27052022-084749/
• topic: Amplificador operacional de transcondutância; Gate-all-arround nanosheet; Gm/ID; Gm/ID; MOSFET; MOSFET; Nanofolha de porta ao redor; Operational transconductance amplifier

Os transistores de efeito de campo de Metal-Óxido-Semicondutor (Metal-Oxide- Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET) vem sendo evoluídos desde a década de 70, com a adição de muitas soluções de engenharia para mitigar os efeitos de canal curto. O advento das lâminas de Silício-Sobre-Isolante (SOI), técnicas de tensionamento do silício, uso de dielétricos High-K e dispositivos de múltiplas portas (Multiple Gate FETs - MuGFETs) foram algumas das soluções implementadas para permitir a redução das dimensões e melhoria da operação ao longo do tempo. Dentre os MuGFETs, destacam-se o FETs de aleta (FinFET), que vem sendo amplamente utilizado comercialmente desde a década passada, e os mais avançados transistores de nanofolhas de porta ao redor (Gate-All- Around Nanosheet - GAA-NSH). Neste trabalho estudou-se dispositivos GAANSH, levantando suas características analógicas e aplicando-os num projeto de amplificador de transcondutância de dois estágios (OTA). Os dispositivos foram fabricados no imec e caracterizados eletricamente e a partir das curvas experimentais, uma Lookup Table (LUT) foi criada, com as tensões, correntes, e demais parâmetros analógicos extraídos para a avaliação do projeto do OTA. Uma LUT foi criada para cada uma das temperaturas estudadas, a 25 oC, 100 oC e 200 oC. Utilizando a metodologia de projeto de gm/ID, o OTA foi projetado, utilizando o mesmo valor de gm/ID para os transistores que compunham o caminho de sinal, de 5V-1, 8V-1 e 11 V-1. O GAA-NSH apresentou resultados que corroboram o comportamento esperado para um MOSFET em termos de tradeoffs entre o ganho de tensão do dispositivo, o produto ganho-banda (GBW) e potência elétrica consumida, com um crescimento do ganho de tensão proporcionalmente ao gm/ID (65,6 dB a 89,1 dB), enquanto apresenta um decrescimento do GBW (496,7 MHz a 255,9 MHz). O projeto do GAA-NSH apresenta uma melhora de características elétricas em comparação ao do FinFET, por apresentar um maior ganho de tensão para o mesmo gm/ID e número de aletas (71,8 dB contra 67,61 dB), enquanto utiliza menos corrente no segundo estágio e consome menos potência (544,5 W contra 1,41 mW). O GAA-NSH também é menor que o FinFET em dimensões, tendo uma largura de aleta menor (15nm contra 20nm) e comprimento de canal menor (100nm contra 150nm), enquanto apresenta menor influência de efeitos de canal curto. Quando comparado aos transistores de tunelamento (TFET), podemos notar que o GAANSH apresenta uma grande vantagem em termos de frequência de operação (GBW de 361,3 MHz contra 718kHz), mas ao custo de um grande consumo de potência (544,5 W contra 9 W ) e menor ganho de tensão (71,8 dB contra 88 dB). O GAA-NSH se mostrou uma tecnologia superior em termos de performance analógica em relação ao seu antecessor evolutivo (FinFET), porém é mais apropriada para utilização em situações que exigem alto ganho e alta frequência de operação. Por fim, a análise em temperatura demonstrou que, em uma análise para polarização de tensão de porta anterior à região invariante com a temperatura (Zero Temperature Coefficient ZTC), obtém-se valores mais altos de tensão dreno-fonte (VDS) e tensão de overdrive (VOV = VGS - VT) em relação à temperatura ambiente, porém mais baixos de tensão de porta-fonte (VGS). O ganho de tensão do circuito sofre uma grande degradação com o aumento de temperatura (72,3 dB para 60,5 dB), uma consequência da diminuição do ganho intrínseco do transistor (gm/gDS). O GBW diminui levemente devido à queda do ganho (796 MHz para 661 MHz), o que é levemente compensado pelo deslocamento do polo dominante do OTA para frequências mais altas.