caracterizaÇÃo elÉtrica de espelhos de corrente baseados em transistores gc soi mosfet em...

CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DE ESPELHOSCARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DE ESPELHOSDE CORRENTE BASEADOS EM TRANSISTORESDE CORRENTE BASEADOS EM TRANSISTORES

GC SOI MOSFET EM FUNÇÃO DA GC SOI MOSFET EM FUNÇÃO DA TEMPERATURATEMPERATURA

Aluno: Renato Silva FerreiraAluno: Renato Silva FerreiraOrientador: Marcelo Antonio PavanelloOrientador: Marcelo Antonio Pavanello

EXAME DE QUALIFICAÇÃOEXAME DE QUALIFICAÇÃO

Laboratório de Sistemas IntegráveisLaboratório de Sistemas Integráveis

Universidade de São PauloUniversidade de São Paulo Grupo SOI - CMOSGrupo SOI - CMOS

1 - 1 - OBJETIVOOBJETIVO

2 - 2 - CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS

3 - 3 - RESULTADOS SIMULADOSRESULTADOS SIMULADOS

4 - 4 - RESULTADOS EXPERIMENTAISRESULTADOS EXPERIMENTAIS

5 - 5 - CONCLUSÃOCONCLUSÃO

6 - 6 - PROPOSTA DE CONTINUAÇÃOPROPOSTA DE CONTINUAÇÃO

SUMÁRIOSUMÁRIO

Este trabalho faz um estudo comparativo do Este trabalho faz um estudo comparativo do

comportamento de Espelhos de Corrente comportamento de Espelhos de Corrente

fabricados com transistores GC SOI MOSFET e fabricados com transistores GC SOI MOSFET e

SOI MOSFET Convencionais. SOI MOSFET Convencionais.

Para tanto são estudados o descasamento, o Para tanto são estudados o descasamento, o

desempenho do espelhamento e a resistência de desempenho do espelhamento e a resistência de

saída destes Espelhos de Corrente. saída destes Espelhos de Corrente.

OBJETIVOOBJETIVO

Perfil transversal de um Perfil transversal de um

transistor SOI MOSFET transistor SOI MOSFET

Convencional de canal n. Convencional de canal n.

Apresentando os Apresentando os

eletrodos: de porta (Veletrodos: de porta (VGFGF) )

e substrato (Ve substrato (VGBGB), e as ), e as

espessuras: da camada espessuras: da camada

de silício (tde silício (tSiSi), do óxido ), do óxido

de porta (tde porta (toxfoxf) e do óxido ) e do óxido

enterrado (tenterrado (toxboxb). ).

São indicadas também São indicadas também

as três interfaces de Si-as três interfaces de Si-

SiOSiO22 da estrutura. da estrutura.

CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS

SOI MOSFET ConvencionalSOI MOSFET Convencional

(VGF)

(VGB)

toxf

tSi

toxb

1ª Interface

2ª Interface

3ª Interface

Tipos de Transistores SOI MOSFET.Tipos de Transistores SOI MOSFET.

• SOI MOSFET de camada espessa:SOI MOSFET de camada espessa:Para o caso de Para o caso de ttSiSi >> 2.x 2.x

dmaxdmax

““Parcialmente Depletado”Parcialmente Depletado”

• SOI MOSFET de camada fina:SOI MOSFET de camada fina:Para o caso de Para o caso de ttSiSi << x xdmaxdmax

““Totalmente Depletado”Totalmente Depletado”

• SOI MOSFET de camada média:SOI MOSFET de camada média:Para o caso de Para o caso de xxdmaxdmax << t tSiSi << 2.x 2.x

dmaxdmax

CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOSSOI MOSFET ConvencionalSOI MOSFET Convencional

Tensão de LimiarTensão de Limiar


Modelo

Experimental

0 V2ª interface invertida

2ª interface acumulada

totalmente depletada

VGB

VthF

Logo, para VLogo, para VGB,acc2GB,acc2 < V < V

GBGB < V < VGB,inv2GB,inv2 (a situação em que a (a situação em que a

segunda interface está em depleção) : segunda interface está em depleção) :

2,2,12,1 accGBGBoxbSioxf

oxbSiaccthdeplth VV

CCC

CCVV


GC SOI MOSFETGC SOI MOSFETPerfil transversal de um Perfil transversal de um

transistor GC SOI transistor GC SOI

MOSFET de canal n. MOSFET de canal n.

Apresentando os Apresentando os

eletrodos, as eletrodos, as

espessuras, as espessuras, as

interfaces e o interfaces e o

comprimento de comprimento de

máscara da porta (L) e a máscara da porta (L) e a

dopagem gradual da dopagem gradual da

região do canal. região do canal.

LLLDLD é o comprimento da é o comprimento da

região do canal com região do canal com

dopagem reduzida.dopagem reduzida.

• Aumento da Corrente de DrenoAumento da Corrente de Dreno

• Aumento da Transcondutância MáximaAumento da Transcondutância Máxima

• Reduzida Modulação do Comprimento de CanalReduzida Modulação do Comprimento de Canal

• Reduzida Condutância de SaídaReduzida Condutância de Saída

• Aumento da Tensão EarlyAumento da Tensão Early

• Aumento da Tensão de Ruptura de Dreno, que Aumento da Tensão de Ruptura de Dreno, que

reduz o efeito bipolar parasitário da estrutura GC.reduz o efeito bipolar parasitário da estrutura GC.

CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET ConvencionalSOI MOSFET Convencional

GC SOI MOSFETGC SOI MOSFET

Vantagens do GC SOIVantagens do GC SOI


GC SOI MOSFETGC SOI MOSFETVantagens do GC SOIVantagens do GC SOI

Efeito da TemperaturaEfeito da Temperatura

O aumento da temperatura afeta diretamente a O aumento da temperatura afeta diretamente a

concentração intrínseca de portadores, de acordo com concentração intrínseca de portadores, de acordo com

a expressão:a expressão:

Tk

Eg

i eTn 22316109,3

Assim, a elevação de nAssim, a elevação de nii com a temperatura reflete em com a temperatura reflete em

uma diminuição do potencial de Fermi (uma diminuição do potencial de Fermi (FF): ):

i

afF n

N

q

Tkln




Um outro efeito Um outro efeito

decorrente do decorrente do

aumento de naumento de nii com com

a temperatura é a a temperatura é a

redução das redução das

profundidades de profundidades de

depleção da depleção da

primeira e segunda primeira e segunda

interfaceinterface

Potencial de Fermi ePotencial de Fermi eConcentração IntrínsecaConcentração Intrínseca




Ao elevar a Ao elevar a

temperatura em temperatura em

transistores SOI de transistores SOI de

camada fina camada fina

totalmente depletado, totalmente depletado,

ocorre a diminuição ocorre a diminuição

da máxima largura de da máxima largura de

depleção, depleção,

desacoplando-a. Logo desacoplando-a. Logo

o transistor deixa de o transistor deixa de

ser totalmente ser totalmente

depletado acima depletado acima

dessa temperatura dessa temperatura

crítica Tcrítica TKK. .

0 50 100 150 200 250

1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

Ten

são

de L

imia

r (V

th1) MOS

convencional

SOI totalmente depletado

Temperatura (oC)

Colinge, J.P. Colinge, J.P. Silicon-on-insulator technology: materials to VLSI,Silicon-on-insulator technology: materials to VLSI,22ndnd Edition Edition. Massachusetts: Kluwer Academic Publishers, 2000.. Massachusetts: Kluwer Academic Publishers, 2000.

Temperatura CríticaTemperatura Crítica




Observa-se que para Observa-se que para

temperaturas abaixo temperaturas abaixo

de Tde TK K (241°C) os (241°C) os

dispositivos GC SOI dispositivos GC SOI

MOSFET não sofrem MOSFET não sofrem

degradação degradação

significativa da tensão significativa da tensão

de limiar com o de limiar com o

aumento da relação aumento da relação

LLLDLD/L. /L. Galeti, M. Galeti, M. Análise do funcionamento de dispositivos GC SOI MOSFETAnálise do funcionamento de dispositivos GC SOI MOSFETem altas temperatures.em altas temperatures. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica, Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica,Universidade de São Paulo. São Paulo – Brasil, 2003. Universidade de São Paulo. São Paulo – Brasil, 2003.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

30oC

100oC

200oC

300oC

Vth

F [V

]

LLD

/L





Em um dispositivo Em um dispositivo

SOI MOSFET SOI MOSFET

totalmente depletado totalmente depletado

a variação da a variação da

inclinação de inclinação de

sublimiar com a sublimiar com a

temperatura não é temperatura não é

linear. linear.

Galeti, M.; Pavanello, M. A.; Martino, J. A. Galeti, M.; Pavanello, M. A.; Martino, J. A. Behavior of graded-channelBehavior of graded-channelfully depleted SOI NMOSFET at high temperatures.fully depleted SOI NMOSFET at high temperatures. MicroeletronicMicroeletronicTechnology and Devices – SBMICROTechnology and Devices – SBMICRO, v. 2002-8, p. 342-350, 2002., v. 2002-8, p. 342-350, 2002.

Inclinação de SublimiarInclinação de Sublimiar

0 50 100 150 200 250 3000.0

0.2

0.4

Conventional FD SOI GC SOI Devices

Slo

pe [V

/dec

]

Temperature oC




MobilidadeMobilidade

Um modelo simples e clássico da mobilidade, que inclui Um modelo simples e clássico da mobilidade, que inclui

o efeito da temperatura e as resistências de fonte e o efeito da temperatura e as resistências de fonte e

dreno:dreno:

10 1

1

thGFRn VV

Com a elevação da temperatura temos a diminuição na Com a elevação da temperatura temos a diminuição na

mobilidade para baixo campo elétrico e um aumento da mobilidade para baixo campo elétrico e um aumento da

resistência série de fonte e dreno. resistência série de fonte e dreno.

m

K

T

2732730 L

WRC SDoxfR

02




MobilidadeMobilidade

Temperatura (oC)

SOI MOSFET canal n () e canal p ()

Gentinne, B. Gentinne, B. A study of potencial of SOI technology for analogA study of potencial of SOI technology for analogapplications.applications. Tese (Doutorado) – Laboratoire de MicroélectroniqueTese (Doutorado) – Laboratoire de MicroélectroniqueFaculte dês Sciences Appliquées, Université Catholique de Louvain,Faculte dês Sciences Appliquées, Université Catholique de Louvain,Louvain-La-Neuve – Bélgica, 1996. Louvain-La-Neuve – Bélgica, 1996.

Por mais que a Por mais que a

resistência série resistência série

aumente, a redução de aumente, a redução de

00 é predominante, é predominante,

levando uma redução do levando uma redução do

coeficiente coeficiente RR. Logo o . Logo o

termo (termo (++RR) diminui ) diminui

com o aumento da com o aumento da

temperatura, atenuando temperatura, atenuando

a redução da mobilidade a redução da mobilidade

efetiva (efetiva (nn) )




Ponto Invariante com a Ponto Invariante com a Temperatura (ZTC)Temperatura (ZTC)

Existe um valor da tensão aplicada na porta Existe um valor da tensão aplicada na porta

(V(VGFGF) para o qual a corrente de dreno (I) para o qual a corrente de dreno (IDSDS) ) nãonão sofre sofre

variação com a temperatura, devido aos mecanismos variação com a temperatura, devido aos mecanismos

de compensação entre o aumento da corrente de de compensação entre o aumento da corrente de

sublimiar e a redução da mobilidade com o aumento da sublimiar e a redução da mobilidade com o aumento da

temperatura. Este ponto (temperatura. Este ponto (Zero Temperature CoeficientZero Temperature Coeficient, ,

ZTC) ocorre quando os transistores operam no regime ZTC) ocorre quando os transistores operam no regime

de saturação. de saturação.




Ponto Invariante com a Ponto Invariante com a Temperatura (ZTC)Temperatura (ZTC)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,50

5

10

15

20

25

30

35

40

45

VDS

= 0,1VV

GB= 0V

VZTC

ZTC

50 oC

100 oC

150 oC

200 oC

250 oC

300 oC

I DS [

A]

VGF

[V]

Galeti, M. Galeti, M. Análise do funcionamento de dispositivos GC SOI MOSFETAnálise do funcionamento de dispositivos GC SOI MOSFETem altas temperatures.em altas temperatures. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica, Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica,Universidade de São Paulo. São Paulo – Brasil, 2003. Universidade de São Paulo. São Paulo – Brasil, 2003.

Espelhos de Corrente (Espelhos de Corrente (Current MirrorCurrent Mirror, CM) , CM)

são blocos analógicos utilizados para polarizar os são blocos analógicos utilizados para polarizar os

diversos ramos de um circuito ou apresentar-se diversos ramos de um circuito ou apresentar-se

como carga ativa como carga ativa


GC SOI MOSFETGC SOI MOSFETVantagens do GC SOIVantagens do GC SOIEfeito da TemperaturaEfeito da TemperaturaEspelho de CorrenteEspelho de Corrente

A função do Espelho de Corrente consiste no A função do Espelho de Corrente consiste no

fornecimento de uma corrente de saída (Ifornecimento de uma corrente de saída (IDSoutDSout), ),

semelhante a corrente de entrada (Isemelhante a corrente de entrada (IDSinDSin), para ), para

qualquer tensão aplicada no dreno (Vqualquer tensão aplicada no dreno (VDSoutDSout) do ) do

transistor de saída (Qtransistor de saída (Q22), contanto que as ), contanto que as

dimensões dos transistores de entrada e saída dimensões dos transistores de entrada e saída

sejam idênticas, isto é, a razão sejam idênticas, isto é, a razão P=IP=IDSoutDSout/I/IDSinDSin deve deve

ser mais próximo possível da unidade ser mais próximo possível da unidade


GC SOI MOSFETGC SOI MOSFETVantagens do GC SOIVantagens do GC SOIEfeito da TemperaturaEfeito da Temperatura

Espelho de CorrenteEspelho de Corrente

Uma operação precisa de um Espelho de Uma operação precisa de um Espelho de

Corrente depende fortemente do descasamento do Corrente depende fortemente do descasamento do

par de transistores utilizado.par de transistores utilizado.

O descasamento pode ser analisado O descasamento pode ser analisado

separando-o em descasamento causado por separando-o em descasamento causado por

parâmetros tecnológicos e/ou por parâmetros parâmetros tecnológicos e/ou por parâmetros

geométricos.geométricos.



Espelho de CorrenteEspelho de CorrenteDescasamentoDescasamento




DescasamentoDescasamento

A diferença da razão de aspecto (W/LA diferença da razão de aspecto (W/Leffeff) entre ) entre

o transistor de entrada e saída, ocasionada por um o transistor de entrada e saída, ocasionada por um desalinhamento de máscaras ou uma difusão desalinhamento de máscaras ou uma difusão lateral.lateral.

Parâmetro TecnológicoParâmetro Tecnológico

Parâmetro GeométricoParâmetro Geométrico

A corrente é proporcional à (VA corrente é proporcional à (VGFGF-V-Vth1th1))

22 na na

saturação, qualquer variação de saturação, qualquer variação de VVth1th1 significará em significará em

alterações na corrente. Ocorre descasamento alterações na corrente. Ocorre descasamento também por modulação do comprimento de canal também por modulação do comprimento de canal (() devido à queda de tensão no dreno.) devido à queda de tensão no dreno.

Esses três diferentes efeitos combinados são Esses três diferentes efeitos combinados são expressos por:expressos por:




DescasamentoDescasamento

DSthGF

th

eff

eff

DSin

DS VVV

V

LW

LW

I

I

1

12

Parâmetro TecnológicoParâmetro Geométrico

Para uma dada corrente de entrada, o Espelho de Para uma dada corrente de entrada, o Espelho de

Corrente deve possibilitar o espelhamento sem Corrente deve possibilitar o espelhamento sem

distorção do sinal de entrada, com um intervalo distorção do sinal de entrada, com um intervalo

máximo de amplitudes para a corrente de saída. máximo de amplitudes para a corrente de saída.

Com isto, é possível diminuir as tensões de saída, Com isto, é possível diminuir as tensões de saída,

garantindo ainda o comportamento do garantindo ainda o comportamento do

espelhamento da corrente de entrada na corrente espelhamento da corrente de entrada na corrente

de saída. de saída.




Excursão de SaídaExcursão de Saída

Um parâmetro tecnológico que melhor demonstra o Um parâmetro tecnológico que melhor demonstra o

comportamento da excursão de saída é a comportamento da excursão de saída é a

resistência de saída (Rresistência de saída (ROUTPUTOUTPUT), que pode ser ), que pode ser

expressa por: expressa por:





Doutg

1ROUTPUT

ggDoutDout é a condutância de dreno do transistor da é a condutância de dreno do transistor da

saída do Espelho de Corrente: saída do Espelho de Corrente: EA

DSoutDout V

Ig

Resistência de SaídaResistência de Saída





VVDS (GC SOI MOSFET)DS (GC SOI MOSFET) X X VVDS (Convencional)DS (Convencional)

Para o pior caso Para o pior caso

da excursão de da excursão de

saída dos saída dos

transistores GC transistores GC

SOI, tem-se SOI, tem-se

melhores melhores

resultados, do que resultados, do que

o melhor caso da o melhor caso da

excursão de saída excursão de saída

do SOI do SOI

Convencional.Convencional.

Foram utilizados os simuladores T-SUPREM4 Foram utilizados os simuladores T-SUPREM4

e MEDICI. Do simulador TSUPREM-4 obtém-se o e MEDICI. Do simulador TSUPREM-4 obtém-se o

arquivo contendo o transistor individual, o qual é arquivo contendo o transistor individual, o qual é

então convertido para o formato MEDICI. Em então convertido para o formato MEDICI. Em

seguida, utilizando o módulo de circuitos do seguida, utilizando o módulo de circuitos do

simulador MEDICI, é possível simular um circuito simulador MEDICI, é possível simular um circuito

Espelho de Corrente. Espelho de Corrente.

RESULTADOS SIMULADOSRESULTADOS SIMULADOS

Características da SimulaçãoCaracterísticas da Simulação

Utilizou-se, para este estudo, Espelhos de Utilizou-se, para este estudo, Espelhos de

Corrente fabricados com transistores SOI Corrente fabricados com transistores SOI

Convencionais de L=2Convencionais de L=2m e L=1m e L=1m., e transistores m., e transistores

GC SOI de L=2GC SOI de L=2m com razões Lm com razões LLDLD/L de 0,1; 0,2; /L de 0,1; 0,2;

0,3; 0,4; 0,5. 0,3; 0,4; 0,5.

RESULTADOS SIMULADOSRESULTADOS SIMULADOSCaracterísticas da SimulaçãoCaracterísticas da Simulação

ttSiSi=90nm; =90nm;

ttoxfoxf=30nm; =30nm;

ttoxboxb=400nm; =400nm;

W=18W=18m; m;

NNabab=1.10=1.101515cmcm-3-3; ;

NNafaf=1.10=1.101717cmcm-3-3. .


Comprimento Efetivo de CanalComprimento Efetivo de Canal



A partir dos dados A partir dos dados

obtidos na tabela é obtidos na tabela é

possível observar o possível observar o

decréscimo da tensão de decréscimo da tensão de

limiar com o aumento da limiar com o aumento da

temperatura, devido temperatura, devido

aumento da aumento da

concentração intrínsecaconcentração intrínseca,,

que diminui o potencial que diminui o potencial

de Fermi.de Fermi.



Efeito da Temperatura em IEfeito da Temperatura em IDSoutDSout




OO dispositivo GC SOI dispositivo GC SOI

com Lcom LLDLD/L=0,1 não /L=0,1 não

apresenta a mesma apresenta a mesma

tendência dos demais tendência dos demais

transistores GC SOI, transistores GC SOI,

devido uma má devido uma má

formação da região formação da região

menos dopadamenos dopada. O. Ouu

ocorreu difusão lateral, ocorreu difusão lateral,

após o processo de I.I. após o processo de I.I.

para ajuste da tensão para ajuste da tensão

de limiar.de limiar.

300K300K




AA redução da corrente redução da corrente

de dreno do transistor de dreno do transistor

da saída do circuito da saída do circuito

Espelho de Corrente Espelho de Corrente

com o aumento da com o aumento da

temperatura, devido temperatura, devido

principalmente ao efeito principalmente ao efeito

da temperatura sobre a da temperatura sobre a

mobilidade dos elétrons, mobilidade dos elétrons,

que diminui ao elevar-se que diminui ao elevar-se

a temperatura a temperatura

OO comportamento ruim comportamento ruim

da corrente de dreno do da corrente de dreno do

transistor de saída do transistor de saída do

Espelho de Corrente Espelho de Corrente

fabricado com SOI fabricado com SOI

Convencional de Convencional de

L=1L=1m, m, ocorre ocorre devido devido

aos efeitos de canal aos efeitos de canal

curtocurto..

373K373K




A mesma tendência A mesma tendência

de decréscimo da de decréscimo da

corrente de dreno corrente de dreno

com a elevação da com a elevação da

temperatura é temperatura é

observada.observada.

473K473K


Tensão de LimiarTensão de LimiarEfeito da Temperatura em IEfeito da Temperatura em IDSoutDSoutTensão de SaturaçãoTensão de Saturação


Tensão de LimiarTensão de LimiarEfeito da Temperatura em IEfeito da Temperatura em IDSoutDSout

Tensão de SaturaçãoTensão de Saturação

O primeiro pico positivo O primeiro pico positivo

define o início da define o início da

saturação do transistor saturação do transistor

de saída, ou seja, Vde saída, ou seja, VDSoutDSout

igual à tensão de igual à tensão de

saturação do dreno saturação do dreno

(V(VDSsatDSsat). ).

O segundo pico, o O segundo pico, o

negativo, define o início negativo, define o início

do efeito bipolar do efeito bipolar

parasitário, portanto, parasitário, portanto,

onde Vonde VDSoutDSout é igual a é igual a

tensão de ruptura de tensão de ruptura de

dreno na curva Idreno na curva IDsoutDsout x x

VVDSoutDSout. .

Através da diferença de Através da diferença de

VVDSoutDSout destes dois picos destes dois picos

tem-se a variação da tem-se a variação da

excursão de saídaexcursão de saída::

VVDS (Convencional)DS (Convencional)

SOI ConvencionalSOI Convencional




OO primeiro pico positivo primeiro pico positivo

refere-se à tensão de refere-se à tensão de

saturação da região do saturação da região do

canal do transistor de canal do transistor de

saída GC SOI MOSFET saída GC SOI MOSFET

mais dopada, definida mais dopada, definida

como Lcomo LHDHD ..

OO segundo pico positivo segundo pico positivo

refere-se à tensão de refere-se à tensão de

saturação da região do saturação da região do

canal do transistor de canal do transistor de

saída GC SOI MOSFET saída GC SOI MOSFET

menos dopada, também menos dopada, também

conhecida de Lconhecida de LLDLD ..

O fim da excursão de O fim da excursão de

saída é definida da saída é definida da

mesma maneira do SOI mesma maneira do SOI

Convencional, sendo Convencional, sendo

onde se inicia o efeito onde se inicia o efeito

bipolar parasitário, bipolar parasitário,

quando Vquando VDSoutDSout é igual a é igual a

tensão de ruptura de tensão de ruptura de

dreno na curva Idreno na curva IDsoutDsout x x

VVDSoutDSout. .

GC SOI MOSFETGC SOI MOSFET

Para obtenção da tensão Early foi utilizado o Para obtenção da tensão Early foi utilizado o

método de regressão linear da curva da corrente de método de regressão linear da curva da corrente de

dreno do transistor de saída do Espelho de dreno do transistor de saída do Espelho de

Corrente (ICorrente (IDSoutDSout) em função da tensão aplicada ao ) em função da tensão aplicada ao

dreno do mesmo transistor no circuito (Vdreno do mesmo transistor no circuito (VDSoutDSout), no ), no

intervalo de 0,75 intervalo de 0,75 V VDSoutDSout 1,5V, variando-se a 1,5V, variando-se a

temperatura de 300K, 373K e 473K.temperatura de 300K, 373K e 473K.



Tensão de SaturaçãoTensão de SaturaçãoTensão Early do Tensão Early do Transistor de SaídaTransistor de Saída




Tensão Early do Transistor de SaídaTensão Early do Transistor de Saída

UUm ponto máximo para m ponto máximo para

VVEAEA, , ocoocorre com rre com

LLLDLD/L=0,4. /L=0,4.

Para valores superiores Para valores superiores

de Lde LLDLD/L, a tensão Early /L, a tensão Early

tende a degradar-se nos tende a degradar-se nos

transistores GC SOI, transistores GC SOI,

devido à redução do devido à redução do

comprimento efetivo de comprimento efetivo de

canalcanal..

Nota-se Nota-se que os que os

transistores de saída do transistores de saída do

circuito circuito nãonão sofrem sofrem

variação significativa na variação significativa na

tensão Early com a tensão Early com a

temperatura, temperatura,

concordando com o concordando com o

mencionado na mencionado na

literatura.literatura.

NNos dispositivos GC os dispositivos GC

SOI, conforme se SOI, conforme se

aumenta à relação Laumenta à relação LLDLD/L /L

e conseqüentemente e conseqüentemente

reduz-se o comprimento reduz-se o comprimento

efetivo do canal, obtém-efetivo do canal, obtém-

se uma elevação de Vse uma elevação de VEAEA, ,

devido à estrutura de devido à estrutura de

canal gradual. canal gradual.

Embora, a tensão de saturação Embora, a tensão de saturação seja seja maior nos maior nos

transistores de saída fabricados com GC SOI, transistores de saída fabricados com GC SOI,

principalmente ao se elevar o valor da razão Lprincipalmente ao se elevar o valor da razão LLDLD/L, /L,

a tensão de ruptura de dreno também é maior, a tensão de ruptura de dreno também é maior,

fazendo com que fazendo com que VVDSoutDSout torne-se maior nos torne-se maior nos

Espelhos de Corrente utilizando GC SOIEspelhos de Corrente utilizando GC SOI..



Tensão de SaturaçãoTensão de SaturaçãoTensão Early do Transistor de SaídaTensão Early do Transistor de Saída






OObserva-se que bserva-se que VVDSoutDSout

é sempre superior nos é sempre superior nos

Espelhos de Corrente Espelhos de Corrente

fabricados com GC SOI fabricados com GC SOI

do que no Espelho de do que no Espelho de

Corrente feitos com Corrente feitos com

dispositivos SOI dispositivos SOI

Convencionais. Convencionais.

Para uma relação LPara uma relação LLDLD/L /L

de 0,2 obtém-se um de 0,2 obtém-se um

valor de valor de VVDSoutDSout

aproximadamente 50% aproximadamente 50%

superior em relação ao superior em relação ao

obtido com Espelhos de obtido com Espelhos de

Corrente fabricados com Corrente fabricados com

SOI Convencionais, em SOI Convencionais, em

temperatura ambiente. temperatura ambiente.

Em 473K esse valor é de Em 473K esse valor é de

aproximadamente de aproximadamente de

20% entre o GC com 20% entre o GC com

LLLDLD/L=0,2 e SOI /L=0,2 e SOI

Convencional de L=2Convencional de L=2m, m,

e cerca de 25% entre o e cerca de 25% entre o

GC com LGC com LLDLD/L=0,2 e SOI /L=0,2 e SOI

Convencional de Convencional de LL=1=1m. m.





Espelhos de Corrente Espelhos de Corrente Polarizados no ZTCPolarizados no ZTC





Espelhos de Corrente Polarizados no ZTCEspelhos de Corrente Polarizados no ZTC

PPode-se notar que ode-se notar que

Espelhos de Corrente Espelhos de Corrente

fabricados com GC SOI fabricados com GC SOI

aproximam-se mais da aproximam-se mais da

unidade do que os feitos unidade do que os feitos

com SOI convencional. com SOI convencional.

AA melhor precisão de melhor precisão de

espelhamento nos GC SOI espelhamento nos GC SOI

estão relacionadas ao estão relacionadas ao

maior valor de tensão maior valor de tensão

Early, e a uma maior Early, e a uma maior

variação da excursão de variação da excursão de

saída, devido ao aumento saída, devido ao aumento

da tensão de ruptura de da tensão de ruptura de

dreno nos transistores GC dreno nos transistores GC

SOI. SOI.

OOs Espelhos de Corrente s Espelhos de Corrente

GC SOI com razões LGC SOI com razões LLDLD/L /L

entre 0,20 e 0,30 entre 0,20 e 0,30

apresentam o melhor apresentam o melhor

desempenho. desempenho.

Parte 1Parte 1





Espelhos de Corrente Polarizados no ZTCEspelhos de Corrente Polarizados no ZTC

OOs Espelhos de s Espelhos de

Corrente GC SOI com Corrente GC SOI com

razões Lrazões LLDLD/L entre /L entre

0,20 e 0,30 0,20 e 0,30

apresentam o melhor apresentam o melhor


Parte 2Parte 2

O desempenho da pO desempenho da precisão dos recisão dos EEspelhos de spelhos de

CCorrente é avaliada fixando-se Vorrente é avaliada fixando-se VDSoutDSout em 1,5V e em 1,5V e

variando-se Vvariando-se VDSinDSin na faixa entre 0V e 3V. na faixa entre 0V e 3V. Em 300K Em 300K

e 473K. e 473K.




Excursão de SaídaExcursão de SaídaEspelhos de Corrente Polarizados no ZTCEspelhos de Corrente Polarizados no ZTC

Desempenho em Desempenho em Altas TemperaturasAltas Temperaturas





Desempenho em Altas TemperaturasDesempenho em Altas Temperaturas

NNota-se que os Espelhos de ota-se que os Espelhos de

Corrente fabricados com GC Corrente fabricados com GC

SOI apresentam melhores SOI apresentam melhores

resultados entre as razões resultados entre as razões

LLLDLD/L de 0,2 e 0,3. /L de 0,2 e 0,3.

Concordando com as Concordando com as

figurasfiguras anteriores anteriores..

300K300K






NNota-se que os Espelhos de ota-se que os Espelhos de

Corrente fabricados com GC Corrente fabricados com GC

SOI apresentam melhores SOI apresentam melhores

resultados entre as razões resultados entre as razões

LLLDLD/L de 0,2 e 0,3./L de 0,2 e 0,3. Mesmo Mesmo

em alta temperatura. em alta temperatura.

Concordando com as Concordando com as

figurasfiguras anteriores anteriores..

473K473K

Foi utilizado Espelhos de Corrente fabricados Foi utilizado Espelhos de Corrente fabricados

no Laboratório de Microeletrônica da Universidade no Laboratório de Microeletrônica da Universidade

Católica de Louvain (UCL)Católica de Louvain (UCL)..

Para as medidas experimentais foi utilizado o Para as medidas experimentais foi utilizado o

analisador de parâmetros do semicondutor analisador de parâmetros do semicondutor

HP4156C.HP4156C. E para controlar a temperatura na E para controlar a temperatura na

câmera de vácuo foi utilizado o sistema K-20. câmera de vácuo foi utilizado o sistema K-20.

RESULTADOS EXPERIMENTAISRESULTADOS EXPERIMENTAIS

Características Características ExperimentaisExperimentais

Com o intuito de explorar as capacidades o Com o intuito de explorar as capacidades o transistor em Etransistor em Espelhos de spelhos de CCorrenteorrente foi utilizado foi utilizado ttransistores ransistores SOI CSOI Convencionais e GC SOI com 2 onvencionais e GC SOI com 2 m e 4 m e 4 m de comprimento de canalm de comprimento de canal.. Como Como característica principal, o processo SOI utilizado característica principal, o processo SOI utilizado possuipossui::

RESULTADOS EXPERIMENTAISRESULTADOS EXPERIMENTAISCaracterísticas ExperimentaisCaracterísticas Experimentais

ttSiSi==880nm; 0nm;

ttoxfoxf=30nm; =30nm;

ttoxboxb==390390nm; nm;

W=18W=18m; m;

NNabab=1.10=1.101515cmcm-3-3; ;

NNafaf=1.10=1.101717cmcm-3-3. .

RESULTADOS EXPERIMENTAISRESULTADOS EXPERIMENTAIS


Características ExperimentaisCaracterísticas Experimentais



TTodos os espelhos de odos os espelhos de

corrente utilizando corrente utilizando


MOSFET MOSFET

apresentaram apresentaram

melhores resultados melhores resultados

nas características de nas características de

saída, isto é, Psaída, isto é, P300K300K

mais próximo da mais próximo da

unidadeunidade..

Os CM GC SOI são Os CM GC SOI são

melhores melhores

iindependentemente ndependentemente

do comprimento de do comprimento de

máscara do canal (L), máscara do canal (L),

devido à extrema devido à extrema

redução da redução da

condutância de saída, condutância de saída,

e por conseqüência a e por conseqüência a

elevada tensão Early elevada tensão Early

300K300K



OOs Espelhos de Corrente s Espelhos de Corrente

utilizando dispositivos utilizando dispositivos

GC SOI MOSFET de GC SOI MOSFET de

L=4L=4m apresentaram m apresentaram

melhores desempenhos melhores desempenhos

do que os fabricados do que os fabricados

com SOI MOSFET com SOI MOSFET

Convencionais. Convencionais.

Nota-se a elevação da Nota-se a elevação da

corrente de difusão corrente de difusão

quando a razão Lquando a razão LLDLD/L /L

é aumentada. é aumentada.

CConsiderando todos onsiderando todos

os transistores com os transistores com

mesmo L, o mesmo L, o

desempenho do desempenho do

EEspelho de spelho de CCorrente orrente

com transistor GC SOI com transistor GC SOI

dede L LLDLD/L=0,22 é /L=0,22 é

superior ao com superior ao com

LLLDLD/L=0,46/L=0,46

Os transistores GC Os transistores GC

SOI são SOI são superiores ao superiores ao

implementado com implementado com

dispositivosdispositivos SOI SOI

CConvencionaisonvencionais

Nota-seNota-se uma faixa uma faixa

mais adequada de mais adequada de

razões Lrazões LLDLD/L para /L para

obter-se um melhor obter-se um melhor


473K473K




AA resistência de saída resistência de saída

é maior em Espelhos é maior em Espelhos

de Corrente utilizando de Corrente utilizando


MOSFET do que os MOSFET do que os

dispositivos usando dispositivos usando

SOI MOSFET SOI MOSFET

Convencionais, em Convencionais, em

qualquer uma das qualquer uma das

regiões operacionais. regiões operacionais.

300K300K




OOs Espelhos de s Espelhos de

Corrente utilizando Corrente utilizando

dispositivos GC SOI e dispositivos GC SOI e

SOI Convencionais SOI Convencionais

com L=2com L=2m, e os SOI m, e os SOI

Convencionais com Convencionais com

L=4L=4m, começam a m, começam a

apresentar deficiência apresentar deficiência

nas características de nas características de

saídasaída……

……nos regimes de nos regimes de

inversão fraca e inversão fraca e

moderada, devido ao moderada, devido ao

aumento da corrente aumento da corrente

de difusão. Os demais de difusão. Os demais

EEspelhos de spelhos de CCorrente orrente

com L=4com L=4m m

apresentam uma apresentam uma

menor incidência da menor incidência da

degradaçãodegradação……

……com a temperatura com a temperatura

no regime de inversão no regime de inversão

fraca. fraca.

AA estrutura de canal estrutura de canal

gradual mostra-se gradual mostra-se

eficiente em reduzir os eficiente em reduzir os

efeitos da temperatura efeitos da temperatura

sobre a perda de sobre a perda de

desempenho do desempenho do

circuito. circuito.

423K423K




Para o mesmo L Para o mesmo L

(L=4(L=4m) a uma m) a uma

melhora do espelho melhora do espelho

de corrente utilizando de corrente utilizando

GC em relação ao SOI GC em relação ao SOI

Convencional, é Convencional, é

nitidamente nitidamente

apresentada com apresentada com

cerca de duas ordens cerca de duas ordens

de grandeza maiorde grandeza maior……

…… da resistência de da resistência de

saída na inversão saída na inversão

fraca e uma ordem de fraca e uma ordem de

grandeza na inversão grandeza na inversão

moderada. moderada.

473K473K

Os resultados das simulações indicaram uma Os resultados das simulações indicaram uma

faixa faixa de razões de razões LLLDLD/L/L (de (de 0,20,2 a a 0,40,4), que ), que

apresentam melhoras significativas na excursão de apresentam melhoras significativas na excursão de

saída e na precisão do espelhamento, saída e na precisão do espelhamento,

principalmente operando no ponto invariante com a principalmente operando no ponto invariante com a

temperatura. temperatura.

CONCLUSÃOCONCLUSÃO


OOs resultados experimentais evidencias resultados experimentais evidenciamm um um

comportamento melhor de Espelhos de Corrente comportamento melhor de Espelhos de Corrente

fabricados com dispositivos GC SOI ao elevar-se à fabricados com dispositivos GC SOI ao elevar-se à

temperatura, pois o descasamento tecnológico é temperatura, pois o descasamento tecnológico é

amenizado por causa da amenizado por causa da elevada tensão Earlyelevada tensão Early, que , que

reduz o efeito da modulação do comprimento de reduz o efeito da modulação do comprimento de

canal. canal.


AA resistência de saída nos transistores GC resistência de saída nos transistores GC

SOI SOI nãonão sofrem variação significativa ao elevar-se sofrem variação significativa ao elevar-se

à temperatura.à temperatura.

OO Espelho de Corrente implementado com Espelho de Corrente implementado com

GC SOI MOSFET GC SOI MOSFET éé um excelente candidato para um excelente candidato para

construir blocos analógicos operando em altas construir blocos analógicos operando em altas

temperaturas, especialmente para aplicações temperaturas, especialmente para aplicações low-low-

powerpower e e low-voltagelow-voltage. .

Um aprimoramento da análise da Um aprimoramento da análise da excursão excursão

de saídade saída será feito, juntamente com o estudo mais será feito, juntamente com o estudo mais

aprofundado do comportamento dos Espelhos de aprofundado do comportamento dos Espelhos de

Corrente polarizados no Corrente polarizados no ZTCZTC. Propõem-se novas . Propõem-se novas

medidas para evidenciar os efeitos dos parâmetros medidas para evidenciar os efeitos dos parâmetros

tecnológicos (tecnológicos (tensão de limiartensão de limiar e e modulação do modulação do

comprimento de canalcomprimento de canal) no descasamento e ) no descasamento e

simulações com os Espelhos de Corrente sendo simulações com os Espelhos de Corrente sendo

polarizados na polarizados na inversão fracainversão fraca em função da em função da

temperatura. temperatura.

PROPOSTA DE CONTINUAÇÃOPROPOSTA DE CONTINUAÇÃO

caracterizaÇÃo elÉtrica de espelhos de corrente baseados em transistores gc soi mosfet em...

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