Neste trabalho foi realizado um estudo da operação analógica de alguns dos mais promissores transistores de múltiplas portas, com especial atenção à distorção harmônica apresentada pelos dispositivos. O trabalho foi efetuado com base nas características elétricas de FinFETs, GAAs convencionais e com estrutura de canal gradual e transistores sem junções (JL). No caso de FinFETs, a presença de tensão mecânica no canal do transistor foi também considerada.
Inicialmente, foi feito um estudo da distorção harmônica apresentada por FinFETs convencionais e tensionados operando em saturação como amplificadores unitários. Neste estudo, dispositivos convencionais e tensionados de L = 10 m e diversos Wfin apresentaram similar distorção de segunda ordem (HD2) para toda a
excursão de gm/IDS avaliada. Tanto em transistores convencionais como em
tensionados, HD2 reduz levemente com a largura de fin do dispositivo (Wfin) passando
de -25 dB em gm/IDS = 9 V-1 no dispositivo convencional mais largo para -22 dB no mais
estreito, o que está relacionado com a mútua interação entre a mobilidade de baixo campo ( 0), a degradação da mobilidade (θ), Wfin e a resistência série (RS). A análise da
distorção de terceira ordem (HD3), contudo, mostrou que transistores mais largos exibem menor distorção em baixos gm/IDS (redução que pode ser superior a 10 dB em
relação ao mais largo) e pior HD3 em altos gm/IDS apresentado valores de 10 dB a
20 dB mais altos que o mais largo. Neste último caso, dispositivos convencionais parecem proporcionar uma resposta mais linear com respeito aos tensionados. Como HD2 sofre influência não somente da mobilidade dos portadores, mas também de RS e
Wfin, o efeito de cada componente de mobilidade (tais como rugosidade de superfície e
espalhamento de fônons) não podem ser distinguidas. Assim, estes efeitos foram observados através de HD3.
Como distorção harmônica e ganho de tensão em malha aberta (AV) são
variáveis correlacionadas, o ganho de tensão em malha aberta de amplificadores unitários compostos por FinFETs foi determinado e as figuras de mérito HD2 e HD3 foram obtidas para uma similar amplitude de saída Vout para proporcionar uma
comparação justa. Como os transistores tensionados mais estreitos mostram AV
reduzido em cerca de 15 dB em relação aos dispositivos convencionais, uma grande vantagem em favor dos dispositivos convencionais mais estreitos foi obtida tanto para HD2 como para HD3 com respeito aos tensionados. Ao se avaliar HD2 e HD3 em FinFETs tensionados em função da temperatura, percebeu-se que tanto HD2 como HD3 apresetam pequena variação, inferior a 5 dB no intervalo de 380 K a 210 K. Ao se considerar a influência do ganho de tensão intrínseco, dispositivos mais estreitos apresentam melhor linearidade que os mais largos para qualquer temperatura no intervalo analisado.
A análise das não-linearidades exibidas por estruturas 2-MOS compostas por FinFETs de porta tripla em termos de polarização de porta, amplitude de entrada, Wfin e
resistência interna do canal (RON) permitiu concluir que o ponto ótimo para a polarização
da sobretensão de condução (VGT), da perspectiva da distorção, ocorre para tensões
superiores a 0,4 V. Para sobretensão de condução maior que 0,4 V, dispostivos de diferentes Wfin apresentam HD3 entre -57 dB e -63 dB quando Va = 0,1 V. Para VGT
maiores, uma melhora linear pode ser observada em HD3 para dispositivos de diversos Wfin. Entre VGT = 0,5 V e 0,8 V, HD3 é menor em dispositivos mais largos, enquanto que
para sobretensões de condução maiores que 0,8 V a distorção aumenta com Wfin. Este
comportamento está relacionado com a degradação da mobilidade observada em transistores de diferentes larguras de fin. Quando HD3 é avaliado em função de RON, os
dispositivos mais largos apresentam menor HD3 em quase toda a excursão e proporcionam a redução de até 5 dB em relação ao dispositivo mais estreito em RON.W = 30 kΩ.µm. Assim como no caso anterior, as origens da distorção foram
apontadas.
A presença de tensão mecânica afeta levemente as não-linearidades em estruturas 2-MOS e, quando avaliada em função de VGT, a distorção apresentada por
dispositivos tensionados é sempre menor que aquela exibida por transistores convencionais de dimensões similares independente da largura ou do comprimento dos dispositivos. De outro modo, a avaliação de HD3 em termos de RON para um VGT fixo
mostrou que dispositivos tensionados de L = 10 µm promovem uma redução de RON.W
indesejável em estruturas resistivas. Contudo, para dispositivos mais curtos a redução
de RON.(W/L) propiciada pela tensão mecânica é menor e, para dispositivos com
L < 310 nm, um aumento de RON.(W/L) é observado. Logo, ao considerar um RON.(W/L)
similar, estruturas 2-MOS compostas por FinFETs tensionados de L = 150 nm melhoram HD3 em até 5 dB em relação às compostas por dispositivos convencionais, enquanto que aquelas com L = 610 nm degradam HD3 em 5 dB.
Embora efetuada majoritariamente através de simulações bidimensionais, a avaliação da linearidade apresentada por estruturas 2-MOS compostas por GAAs convencionais e de canal gradual (GC GAAs) com diversas razões de LLD/L permitiu
concluir que a melhor polarização para estes dispositivos em termos de HD3 ocorre para sobretensões de condução superiores a 2,0 V. Deste modo, pode se perceber que os transistores GAAs e GC GAAs analisados se mostram interessantes em tecnologias que utilizem tensão de alimentação superiores a 2 V, enquanto que os FinFETs avaliados permitem tensões inferiores a 1 V. A estrutura GC se mostrou eficiente na redução da distorção, e em VGT = 2,1 V, GC GAAs com quaisquer LLD/L apresentam
melhora em HD3 de pelo menos 10 dB em relação ao GAA convencional para toda a excursão do sinal de entrada. Neste estudo também foi proposta uma discussão buscando clarear as causas das não-linearidades, mostrando que os diferentes HD3 para dispositivos de vários LLD/L estão relacionados com a maior degradação da
mobilidade apresentada por GC GAAs. Ao se diminuir a temperatura de 300 K para 200 K uma importante piora em HD3 (superior a 20 dB) é observada em todos os dispositivos.
Finalmente, foi efetuado um estudo envolvendo transistores JL que teve como principal foco suas características analógicas. Assim, foi feita uma análise comparativa dos parâmetros analógicos do JL com aqueles apresentados por FinFETs de porta tripla de modo inversão (IM) em função da temperatura (T). Neste caso, os resultados do dispositivo JL não foram comparados com aqueles dos dispositivos pruduzidos no Imec devido à diferente maior maturidade no processo de fabricação de destes últimos. A análise de gm/IDS mostrou que ambos os dispositivos JL e IM se comportam de modo
similar em inversão fraca, enquanto que o transistor IM apresentou maior gm/IDS com
insensivel à variação de temperatura em inversão moderada/forte uma vez que ele apresenta similar nível de inversão em um dado IDS/(W/L) para uma grande faixa de
temperaturas, enquanto que o IM mostra degradação de gm/IDS com o aumento de T. A
tensão Early (VEA) do transistor JL sempre aumenta com o incremento de T levando-o a
apresentar VEA superiores a 100 V em temperatura superiores a 400 K, enquanto que
IM apresentam sua máxima VEA (~55 dB) em temperatura ambiente. Como o ganho de
tensão dos dispositivos é derivado de VEA, AV aumenta com T em transistores JL e
apresenta seu máximo valor em temperatura ambiente em dispositivos IM. Ambos os dispositivos mostraram similares HD2 (-25 dB ~ -30 dB) e HD3 (-65 dB ~ -75 dB) quando polarizados com uma amplitude de entrada semelhante e os JL apresentaram alguma vantagem nestas duas figuras de mérito quando os dispositivos foram polarizados de forma a fornecer similar amplitude de saída, devido ao maior AV.
A partir dos resultados obtidos neste trabalho, pode-se dar prosseguimento ao estudo da distorção harmônica em estruturas de múltiplas portas, procurando verificar a influência da redução da temperatura em HD2 e HD3 apresentados por FinFETs operando em triodo, aplicados a estruturas balanceadas. Pode-se também, nesta mesma análise, polarizar-se estruturas 2-MOS compostas por FinFETs ou GC GAAs através de fontes de corrente para avaliar seu comportamento quando uma corrente constante é aplicada nos dispositivos. Poder-se-ia, ainda, verificar o comportamento analógico e a distorção harmônica gerada por tais dispositivos em função da freqüência de operação ou então quando estes fossem aplicados a circuitos mais complexos, como amplificadores operacionais.
Por ser um dispositivo extremamente recente, a continuação do trabalho envolvendo transistores JL, permite uma série de estudos, desde o desenvolvimento de modelos matemáticos para sua corrente de dreno e tensão de limiar, até a análise de ruído e sua aplicação em circuitos analógicos.