Impacto da utilização de transistores GC SOI MOSFET como espelhos de correntes para a obtenção de fontes de corrente de alto desempenho em circuitos integrados

Abstract

Neste trabalho é apresentado o estudo do impacto da utilização de transistores fabricados a partir da tecnologia SOI com dopagem assimétrica na região de canal (Graded- Channel - GC SOI MOSFET) em espelhos de corrente operando como fontes de corrente, nas arquiteturas já conhecidas da literatura como Fonte Comum, Wilson e Cascode. Para esta avaliação foram usadas simulações numéricas-bidimensionais e analíticas, além de comparações com resultados experimentais obtidos neste trabalho, tendo como figuras de mérito a Precisão de Espelhamento, a Excursão de Saída, a Resistência de Saída e a avaliação do Tempo de Estabilização dos espelhos de corrente. Através das simulações e das comprovações experimentais, foi possível observar as vantagens em se utilizar espelhos de corrente com transistores GC SOI, garantindo uma melhor precisão de espelhamento, causada pela menor influência de modulação do comprimento de canal, devida à redução da condutância de dreno dos dispositivos GC SOI. Com isso, um aumento de até 3 vezes na resistência de saída foi obtido. Estes efeitos serão apresentados em todas as arquiteturas de espelhos de correntes estudadas. Os resultados da análise da excursão de saída dos espelhos de correntes apresentaram uma melhora ainda mais promissora. Em todas as arquiteturas, a excursão de saída apresentou um aumento, em alguns casos superiores a 50%, comparando com os espelhos de corrente formados por transistores SOI Convencionais. Este efeito é devido ao aumento da tensão de ruptura nos dispositivos GC SOI, além da menor tensão de saturação para uma corrente constante. As medidas experimentais feitas neste trabalho comprovaram a tendência dos valores obtidos nas simulações de precisão de espelhamento, excursão de saída e de resistência de saída para dispositivos de comprimento de canal de L=2µm. Utilizando simulações numéricas bidimensionais, foi feito também um estudo do Tempo de Estabilização do espelho de corrente. Em todas as arquiteturas estudadas, os espelhos de corrente que trabalharam com os dispositivos GC SOI apresentaram uma diminuição significativa, da ordem de até 30%, associada ao aumento expressivo da transcondutância nos dispositivos GC SOI. Em termos gerais, a utilização do dispositivo GC SOI nas estruturas de espelhos de corrente conhecidas foi uma excelente alternativa para obtenção de fontes de corrente de alto desempenho para circuitos analógicos

This work presents a study of the impact of using SOI MOSFETs with asymmetrically doped channel (Graded-Channel - GC SOI MOSFET), in current mirrors operating as current sources, for architectures already known from literature as Common Source, Wilson and Cascode. This study has been conducted using two-dimensional and analytical numeric simulations, besides comparisons with experimental results obtained in this work. The figures of merit were the mirroring precision, the output resistance and output swing and settling time of the current mirrors. Based on the simulations and the observed experimental, we observed advantages in using current mirrors with GC SOI transistors, ensuring a better mirroring precision, caused by the smaller influence of channel length modulation, owed to the reduction of the drain conductance of the GC SOI transistors. Hence, an increase of up to 3 times of the output resistance was obtained. These effects will be presented for all current mirror architectures studied. The results of the output swing presented an improvement still more promising. For all studied architectures, the output swing, in some cases, was higher than 50% compared to the current mirrors fabricated with conventional SOI transistors. This effect is caused by an increase of the drain breakdown voltage in the GC SOI transistors. Besides smaller saturation voltage takes place for a constant current. The experimental measurements corroborated the simulations of the improved Mirroring Precision, Output Swing and Output Resistance for channel length of L=2µm. Based on two-dimensional numeric simulations, we studied the Settling Time of the current mirror for all the studied architectures. The Settling Time of the GC SOI current mirrors presented a significant decrease of almost 30% that improvement was due to the expressive increase of the transconductance for GC SOI transistors. In general, the use of GC SOI transistors in all studied architecture is an excellent alternative to obtain high performance current sources for analogic circuits