Desempenho de transistores GC SOI MOSFETs submicrométricos

Abstract

Este trabalho tem como objetivo demonstrar o desempenho do transistor SOI de canal gradual (Graded-Channel - GC) submicrométrico a partir da comparação com o transistor SOI MOSFET convencional, detalhando suas características elétricas, suas vantagens e comparando as melhoras atingidas pela adoção do GC SOI totalmente depletado de tecnologia de 150 nm variando o comprimento de canal, a concentração de dopantes e a temperatura. Para analisarmos com mais propriedade este dispositivo, foi necessário realizar a calibração do simulador numérico bidimensional, com objetivo de podermos simular outros comprimentos de canal e concentração de dopantes. Para esta calibração, utilizamos inúmeras extrações experimentais e a partir destas, ajustamos modelos e parâmetros do simulador. A partir desta calibração, foram feitas diversas simulações numéricas bidimensionais variando comprimento de canal, comprimento da região fracamente dopada e da temperatura. A partir destas simulações, foram geradas curvas da corrente de dreno pela tensão aplicada ao dreno e curvas da corrente de dreno pela tensão aplicada à porta, e extraídas as curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta e da condutância de dreno em função da tensão aplicada ao dreno, para calcular os resultados de ganho intrínseco de tensão. Com as curvas geradas foram extraídas a tensão de limiar, a inclinação de sublimiar, a transcondutância, a condutância de saída, o ganho intrínseco de tensão em malha aberta e a frequência de ganho unitário, variando o comprimento de canal, a concentração de dopante e a temperatura. Os resultados obtidos serão apresentados ao longo do trabalho, apontando que, na tecnologia estudada, este dispositivo com comprimento de canal de L=150 nm atinge ganho intrínseco máximo de 41 dB e frequência de ganho unitário igual a 363 MHz para GC SOI com comprimento da região menos dopada próximo a 100 nm, comparado com AV de 33 dB e frequência de ganho unitário igual a 226 MHz para SOI MOSFET. Nota-se também que os dispositivos GC SOI da OKI Semiconductors estudado, apresenta um ponto de ganho de tensão máximo para LLD (comprimento da região fracamente dopada) aproximadamente igual a 100nm, independente do comprimento de canal, concentração de dopantes e temperatura.

This study aims to demonstrate the performance of the silicon-on-insulator graded-channel transistors (GC SOI MOSFET) in comparison to standard SOI MOSFET, detailing electrical features, advantages and comparing the improvements achieved by the adoption of the GC SOI in a 150 nm long fully depleted SOI technology varying the channel length. In order to analyze the GC SOI behavior, it was necessary to adjust of the simulator in an effort to simulate different total channel lengths, doping concentration and temperatures. Analytical model and parameters were adjusted using the experimental data. Several two-dimensional numerical simulations have been done varying the channel length and the channel length of the lightly doped region, after adjusting the simulator. From these simulations on curves of the drain current as function of drain voltage and curves of drain current as function of gate voltage were generated. The transconductance as function of the gate voltage and the output conductance as function of the drain voltage were extracted in order to present the intrinsic voltage gain as function of the length of the lightly doped region. From these curves the threshold voltage, subthreshold slope, transconductance, output conductance, voltage intrinsic gain were extracted. The obtained results is shown through this study, showing that in the studied technology, this device achieves the maximum intrinsic gain equals to 41 dB and unit-gain frequency of 363 MHz for GC SOI with total channel length equals to 150 nm and length of lightly doped region equal to 100 nm, compared with SOI MOSFET for total channel length equal to 150 nm, which presents maximum intrinsic gain equals to 33 dB and unit-gain frequency of 226 MHz. Also, we can note the maximum intrinsic gain is achieved for LLD (lightly doped region length) around 150nm, regardless the total channel length, doping concentration and temperature.