Estudo das propriedades eletrotérmicas de transistores mos de nanofios e nanofolhas de silício em temperaturas criogênicas - Matos, Jefferson Almeida (2024)
Este trabalho investiga a operação de nanofios e nanofolhas transistores de silício (nanofios MOS) em modo inversão e sem junções, em temperaturas que variam da ambiente até a faixa criogênica, com ênfase na influência das dimensões dos dispositivos sobre os parâmetros elétricos e no autoaquecimento. A análise é realizada por meio de medidas experimentais, permitindo a compreensão dos efeitos térmicos nos dispositivos. Os transistores são fabricados em substratos SOI (Silicon-On-Insulator), com larguras de fin variando de 10 nm a 60 nm e comprimento de canal de 40 nm a 10 µm. O estudo foi realizado em quatro etapas: a caracterização de nanofios em modo inversão na faixa de 330 K a 82 K; o estudo do autoaquecimento desses dispositivos até 4,2 K; a caracterização de nanofios sem junções de 300 K a 4,2 K; e uma comparação entre os dois tipos de dispositivos operando de 300 K a 82 K. A caracterização elétrica revelou que a variação da tensão de limiar com a temperatura apresenta comportamento linear, com taxas de variação diferentes entre dispositivos de largura de fin estreita e larga. A inclinação de sublimiar se degrada em dispositivos mais largos e de canal curto, distanciando-se do limite teórico mínimo em temperaturas criogênicas. A mobilidade dos portadores, analisada em função da temperatura, mostrou que transistores sem junções apresentam menor mobilidade absoluta e melhor estabilidade térmica. O estudo de autoaquecimento nos nanofios transistores em modo inversão indicou um aumento acentuado da temperatura do canal em baixas temperaturas, especialmente abaixo de 50 K, com comportamento não-linear e maior variação da temperatura do canal (?T) em potências menores (<5 µW). Dispositivos com comprimento de canal menor (L=40 nm) apresentaram maior aumento de temperatura em comparação aos de canal mais longo (L=100 nm), e a resistência térmica diferencial (RTH*) aumentou significativamente abaixo de 70 K. As contribuições científicas incluem a análise da influência das dimensões e da temperatura na performance elétrica de nanofios MOS, a caracterização inédita do autoaquecimento utilizando termometria de porta em temperaturas criogênicas, e a comparação detalhada entre dispositivos, fornecendo subsídios para avaliar a viabilidade desses dispositivos em ambientes criogênicos, com aplicações potenciais na computação quântica