Estudo de amplificadores operacionais de transcondutância projetados com túnel-FETs e MOSFETs fabricados em estruturas de nanofios

• Autor(a) principal: Nogueira, Alexandro de Moraes
• Data de Publicação: 2020
• 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-16032021-105015/
• topic: Amplificadores; Analog circuits; Circuitos analógicos; Ge; Ge; Lookup table; lookup table; MOSFET; MOSFET; Nanofio; Nanowire; Operational transconductance amplifiers; SiGe; SiGe; Túnel-FET; Tunnel-FET; Verilog-A; Verilog-A

Transistores de tunelamento induzidos por efeito de campo (TFET) ganharam grande interesse da academia nos últimos anos devido a possibilidade de alcançar inclinação de sublimiar abaixo de 60 mV/dec, que é o limite teórico dos MOSFETs em temperatura ambiente. Isso é possível graças ao seu mecanismo predominante de condução baseado no tunelamento de portadores entre bandas. Este trabalho visa estudar amplificadores operacionais de transcondutância (OTA) projetados com TFETs fabricados em nanofios com diferentes materiais de fonte (Si, SiGe e Ge) para demonstrar suas vantagens e desvantagens com relação aos circuitos projetados com MOSFETs fabricados em nanofio de silício (comprimento de canal de 220 nm). Medidas experimentais dos transistores foram utilizadas para montar tabelas (\"lookup table\") que são utilizadas na modelagem dos dispositivos através da linguagem Verilog-A. Com o uso do software Spectre da Cadence, os modelos foram usados inicialmente para simular circuitos integrados analógicos básicos como espelho de corrente, amplificadores de fonte comum e amplificadores diferenciais. O efeito da corrente de porta (IG) em amplificadores de dois estágios com TFETs também foi verificada, mostrando a necessidade de uma atenção especial quanto à polarização, principalmente nos casos dos TFETs com fonte de Si e de Ge. Então, diferentes OTAs foram projetados nas diferentes tecnologias e comparados. Todos os OTAs com TFET apresentaram um ganho de tensão superior ao circuito com MOSFET, sendo pelo menos 34 dB superior em todas as configurações estudadas neste trabalho, sendo que o circuito projetado com TFET com fonte de Ge apresentou o maior ganho de tensão de todos (105 dB). Todos os OTAs com TFETs consomem ao menos uma ordem de grandeza a menos de potência (fonte de Ge) do que o circuito com MOSFET, podendo chegar a consumir três ordens a menos (fonte de Si) em circuitos com a mesma dimensão e polarizados na mesma eficiência do transistor (gm/ID). No entanto, o circuito com MOSFET possui um produto ganho de tensão-largura de banda (GBW) de pelo menos uma ordem de grandeza superior aos OTAs com TFETs. Para circuitos com a mesma potência e visando um aumento no ganho de tensão do OTA com MOSFET, os circuitos com TFETs com fonte de SiGe e Ge possuem GBW (1 MHz e 2 MHz) na mesma ordem de grandeza que OTA com MOSFET (4,7 MHz). Deste modo, os TFETs estudados apresentam vantagens em aplicações de baixa potência e frequência, especialmente o TFET com fonte de Ge que apresentou um bom compromisso entre ganho de tensão e GBW e o TFET de Si, que apresenta um ganho de tensão parecido com o do TFET com fonte de Ge, mas consome menos potência.