Distorção harmônica entre os MOSFETs implementados com os estilos de leiaute do tipo diamante híbrido e convencionais

Abstract

Na atualidade, há diferentes frentes de pesquisa (uso de novas estruturas de transistores, novos materiais, etc.) quer nas instituições de ensino, quer nos centros de pesquisa, visando a redução das dimensões do Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET), para que, desta forma, possa continuar a atender a chamada Lei de Moore. Recentemente, foi proposta uma inovadora abordagem que não adiciona custos aos atuais processos de fabricação de circuitos integrados (CIs) MOS Complementar planares, chamada de MOSFET com leiaute de portas não convencionais, que são capazes de potencializar o seu desempenho elétrico em aplicações analógicas em relação ao MOSFET de geometria de porta retangular equivalente. Esta dissertação de mestrado visa realizar um estudo experimental comparativo do comportamento da distorção harmônica total normalizada pelo ganho de tensão (THD/Av) no MOSFET com leiaute de porta do tipo Diamante Híbrido (Composto pela associação paralela de 3 MOSFETs: ao centro um MOSFET do tipo Diamante e dois MOSFETs de porta retangular) em relação ao MOSFET convencional de geometria de porta retangular (CM), por se tratar de uma figura de mérito de grande importância em aplicações analógicas. O MOSFET do tipo Diamante Híbrido (HDM) foi desenvolvido devido às limitações do processo de fabricação de CIs mais sofisticados que não permitem que a região de porta seja definida de forma ortogonal à da região ativa do transistor. Os MOSFETs utilizados neste projeto de pesquisa foram fabricados com processo comercial de fabricação de CIs CMOS convencional (Bulk) de 0,18 µm da TSMC, via programa universitário Mini@sic do IMEC. O Método da Função Integral foi usado para realizar o estudo da THD/Av dos MOSFETs. Esse método usa somente a curva característica de corrente contínua do MOSFET operando na região de saturação (essa curva é a de corrente entre o dreno e a fonte em função da tensão entre a porta e a fonte). Um dos principais resultados obtidos mostra que o HDM com um ângulo alfa (a) igual a 45° é capaz de reduzir a THD/Av cerca de 6,4 dB para uma sobretensão de porta igual a 600 mV quando comparado ao CM, isso ocorre porque o MOSFET do tipo Diamante Híbrido com ângulo a igual a 45° apresentou um ganho de tensão intrísico maior que à do CM, visto que a THD/Av é fortemente dependente do ganho de tensão desses dispositivos

Nowadays there are different researches fronts (use of new transistor structures, new materials, etc.) both in educational institutions and research centers, that aim to reduce the size of the Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), then to keep the socalled Moore Law. An innovative approach has been recently proposed that does not add additional costs to the current manufacturing processes of Planar Complementary MOS Integrated Circuits (ICs), called unconventional gate layout MOSFETs, which are able to enhance their electrical performance in analog applications over the equivalent rectangular gate geometry MOSFET. This master thesis aims to conduct a comparative experimental study of the behavior of the total harmonic distortion normalized by the voltage gain (THD/Av) in the Hybrid Diamond type gate layout MOSFET (Composed by the parallel association of 3 MOSFETs: in the center a MOSFET of Diamond type and two rectangular gate MOSFETs) compared to the conventional rectangular gate geometry MOSFET (CM), as it is a very important figure of merit in analog applications. Hybrid Diamond MOSFET (HDM) was developed due to the limitations of the manufacturing process of more sophisticated ICs that do not allow the gate region to be defined orthogonally to the active transistor region. The MOSFETs used in this research project were manufactured using commercial process TSMC's 0.18 µm CMOS Bulk via IMEC's Mini @ sic university program. The Integral Function Method was used to perform the THD/Av study of MOSFETs. This method uses only the direct current characteristic curve of the MOSFET operating in the saturation region (this curve is the current between the drain and the source as a function of the voltage between the gate and the source). One of the main results obtained by this research project shows that HDM with an alpha (a) angle of 45 ° is able to reduce THD/Av by about 6.4 dB for a gate overvoltage of 600 mV when Compared to CM, this is because the Hybrid Diamond MOSFET with angle a equal to 45 ° had a higher intrinsic voltage gain than CM, since THD/Av is strongly dependent on the voltage gain of these devices