Avaliação da distorção harmônica de nanofios transistores empilhados - Carvalho, Cesar Augusto Belchior de (2021)
Este trabalho estuda as características não lineares dos transistores nanofios empilhados, implementados em tecnologia SOI (silicon-on-insulator), operando como amplificadores operacionais de um único transistor. São estudadas as influências da largura do nanofio, do comprimento de canal e do nível de inversão em que os nanofios são polarizados. A não linearidade é especialmente relevante para as aplicações analógicas, cujos sinais de saída podem sofrer distorções em decorrência do desempenho do componente, comprometendo a transmissão e/ou amplificação dos sinais. Após realizar uma análise evolutiva das tecnologias, o trabalho demonstra que a arquitetura do dispositivo estudado está composta em dois níveis, sendo um transistor de porta tripla (trigate) e um transistor de porta circundante (gate-allaround). A revisão bibliográfica aborda alguns dos parâmetros elétricos de maior importância no estudo dos transistores, conceituando-os fisicamente e expondo suas equações características. A primeira etapa do trabalho ainda apresenta algumas das propriedades analógicas investigadas previamente, tais como a tensão de limiar, corrente de dreno, efeito de corpo, inclinação de sublimiar e a transcondutância, indicando a superioridade dos nanofios empilhados em relação ao SOI de porta única em alguns aspectos, sobretudo na capacidade de fornecimento de corrente de dreno, o que está alinhado com o aumento da possibilidade de integração da tecnologia tão almejada pelo setor mercadológico. O trabalho se dedica a apresentar a distorção harmônica e seus efeitos em circuitos e sistemas elétricos, indicando que o fenômeno possui grande importância em áreas diversas, sendo influente tanto em um único amplificador como em instalações elétricas e equipamentos indústriais mais complexos. Para obter este parâmetro no objeto de interesse, foi utilizado o método da função integral (IFM), que permite adquirir os dados apenas com a curva da corrente de dreno em função da tensão de porta (IDS x VGS) extraída experimentalmente, eliminando-se a necessidade de medições de corrente alternada (AC), que podem trazer ruídos mais difíceis de serem dissociados do sinal real dada a magnitude da corrente do dispositivo nanométrico. Os resultados demonstram que a distorção harmônica dos nanofios empilhados é majoritariamente relacionada ao harmônico de segunda ordem (HD2), cujo valor se distancia em 30 dB do terceiro harmônico. Os dados apresentados indicam que os nanofios com maiores WFIN possuem maior não linearidade e menor ganho de tensão em malha aberta: em relação ao conjunto de transistores com comprimento fixo L = 100 nm, a maior distorção harmônica se deu para o componente com largura WFIN = 40 nm, que apresentou distorção harmônica total THD ˜ -19 dB e ganho em malha aberta Av ˜ 38 dB para maiores valores de gm/IDS, operando em inversão moderada. Já para os transistores nanofios com largura fixa de WFIN = 10 nm, foi possível observar que a maior não linearidade ocorre em transistores com maiores comprimentos: para os nanofios empilhados de L = 400 nm, obteve-se THD ˜ -19 dB em maiores valores de gm/IDS. A relação obtida entre as dimensões físicas dos transistores e a distorção harmônica são justificadas através das equações matemáticas apresentadas, sendo que a correlação entre os maiores resultados de THD para os nanofios com maiores WFIN também é explicada a partir da maior variação de dgm/dVGT, em acordo com resultados da literatura observados para nanofios com um único nível. Ao fim do trabalho, novas análises são realizadas para um novo conjunto de dados, formados por nanofios com múltiplos fins. As maiores magnitudes de corrente de dreno permitiram evidenciar os resultados e confirmar, com maior grau de confiabilidade, a relação entre as não-linearidades e as características dimensionais dos nanofios, uma vez que os dados trazem uma média de resultados de diversos dispositivos operando em paralelo.