Estudo da linearidade em transistores SOI de porta dupla com estrutura de canal gradual

Abstract

Neste trabalho é apresentado um estudo da não-linearidade introduzida por dispositivos de porta circundante (GAA), com e sem a presença da estrutura de canal gradual (GC). Esta estrutura é assim denominada por exibir dois perfis de dopagem no interior do canal, de maneira a preservar a dopagem natural da lâmina na região próxima ao dreno, com o intuito de minimizar o campo elétrico. A estrutura GAA, por sua vez, consiste em um transistor de porta dupla e, por isso, apresenta uma série de vantagens derivadas do maior controle das cargas na região do canal. Ao se unir ambas estruturas, percebe-se uma série de características que fazem do dispositivo resultante interessante para aplicações analógicas. Logo, uma série de simulações do processo de fabricação e do dispositivo foram executadas, sendo as primeiras com o intuito de garantir o perfil de dopantes condizente com a realidade e, as demais para a obtenção das características corrente (I) versus tensão (V) dos dispositivos operando como amplificadores (em regime de saturação) e como resistores (em regime linear). Na análise em regime linear, foram estudadas também estruturas balanceadas 2 e 4 dispositivos (2-MOS e 4-MOS). A partir das curvas resultantes, foram determinadas as distorções harmônicas total do terceiro harmônico, que são fatores decisivos em aplicações analógicas. Estas foram obtidas para dispositivos com comprimentos de canal (L) de 1, 2, 3 e 10 µm, sendo os três primeiros em regime de saturação e o último em regime linear. Várias razões LLD/L foram simuladas. Os resultados obtidos na saturação mostraram melhor linearidade nas curvas do GC GAA, em relação às do GAA convencional, de modo que, o GC GAA chega a apresentar uma melhora na distorção harmônica total (THD) de 30 dB em alguns dispositivos, a qual é impulsionada pelo ganho do GC, que pode ser até 50 vezes maior que o obtido em transistores GAA convencionais, associada à melhora decorrente da região fracamente dopada. Na análise em região triodo, por outro lado, a vantagem obtida com o uso do GC GAA é claramente percebida em estruturas balanceadas, sendo que, nas estruturas 2-MOS é permitida a redução na tensão de alimentação mantendo a linearidade constante, enquanto que no 4-MOS o ganho em THD chega a 5 dB.

In this work it is presented a study of the non-linearity introduced by gate-all-around devices (GAA), with and without the presence of the graded-channel structure (GC). This structure receives its name due to the exhibition of two different doping profiles in the channel, maintaining the natural doping concentration of the Silicon film in the drain side to minimize the electric field in this region. On the other hand, the GAA structure consists of a double gate transistor and, for this reason, presents several advantages due to the improved control of the channel charges. Thus, when both structures are used together, these characteristics make the final device interesting for analog applications. As a result, simulations of the fabrication process and of the device were performed. The first ones to make more reliable the doping distribution, and the others to obtain the current (I) versus voltage (V) characteristics of the transistors operating as amplifiers (in the saturation regime) and as resistors (in the linear regime). In the linear regime analysis, balanced structures with 2 and 4 transistors (2-MOS and 4-MOS) were also studied. Through the simulated curves, the total and the third order harmonic distortions, which are decisive factors in analog applications, were determined. These parameters were determined for devices with channel length of 1, 2, 3 and 10 µm, being the first ones in the saturation regime and the last one in the linear regime. Various LLD/L ratios were simulated. The obtained results for the saturation analysis showed better linearity in the GC GAA characteristics in relation to the conventional GAA, since the GC GAA presents an improvement in the total harmonic distortion (THD) superior than 30 dB for some devices, which is stimulated by the higher gain of the GC structure, that can be 50 times greater than the one obtained in the GAA uniformly doped, associated to the improvement due to the presence of the lightly doped region. On the other hand, in the triode analysis the advantage showed by the use of the GC GAA is clearly perceived when using balanced structures. The 2-MOS structure allows for the reduction on the bias voltage keeping the linearity constant, while the 4-MOS presents an improvement in the THD that reaches 5 dB.