Estudo comparativo do comportamento elétrico entre os MOSFETS dos tipos wave e convencionais equivalentes operando em ambientes de radiações ionizantes

• Ano de defesa: 2016
• Autor(a) principal: Souza, Rafael Navarenho de
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo
• Palavras-chave em Português: Radiação; Transistor de efeito de campo de metal-óxido semicondutor; Caracterização elétrica experimental
• Link de acesso: https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/278

Neste trabalho realizou-se um estudo comparativo experimental entre um novo estilo de leiaute para ser empregado em Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs), denominado de Wave, cujo formato de porta é semelhante ao da letra “S”, e aos seus respectivos MOSFETs equivalentes de porta retangular, visando as aplicações de circuitos integrados (CIs) analógicos e digitais em ambientes de radiações ionizantes. Dessa forma, neste estudo são comparados os valores dos principais parâmetros elétricos e figuras de mérito do Wave MOSFET de canal n (WnM) com o MOSFET de canal n convencional (nMOSFET) equivalente (CnM), antes e depois dos procedimentos de irradiação com raios X. Este estudo considera a polarização dos MOSFETs durante os procedimentos de irradiações com raios X, isto é, com os transistores polarizados e não polarizados durante os procedimentos de radiações ionizantes, considerando-se que eles possuem os mesmos comprimentos de canal, as mesmas condições de polarização e os mesmos fatores geométricos, cujo objetivo é verificar as vantagens e desvantagens deste inovador estilo de leiaute em relação ao leiaute retangular convencional equivalente. Foram projetados no Centro Universitário da FEI diferentes MOSFETs com geometrias de porta retangulares (convencionais) e do tipo Wave, utilizando-se o processo de fabricação Complementary MOS (CMOS) convencional (Bulk) da AMI Semiconductor (ON Semiconductor) de 0,35 µm, por meio do programa MOSIS Education Program (MEP), os quais foram usados neste trabalho. O MOSFET do tipo Wave é uma evolução do MOSFET com geometria de porta circular e foi especialmente projetado para melhorar o casamento ("matching") entre dispositivos, melhorar o fator de integração de MOSFETs planares de potência (Planar Power MOSFETs, PPMs), aumentar a tensão de ruptura (Breakdown Voltage between Source and Drain, BVDS) e a robustez contra as descargas eletrostáticas (Electrostatic Discharge, ESD) quando comparado aos MOSFETs convencionais de geometria de porta retangular. Além disso, trabalhos realizados por caracterização elétrica e por simulação numérica 3D mostraram que o Wave nMOSFET é capaz de melhorar o desempenho elétrico dos parâmetros analógicos e digitais em aproximadamente 15%, em média, relativamente ao convencional equivalente. Os efeitos da Dose Ionizante Total (Total Ionizing Dose, TID) podem ser atenuados por meio de estratégias de projeto (Hardening-By-Design, HBD) nas quais os efeitos dos transistores parasitários das regiões de bico de pássaro (BBRs) são reduzidos. O Wave MOSFET, devido as suas características geométricas, produz um campo elétrico longitudinal 8 radial ao longo do canal e, consequentemente, é capaz de reduzir os efeitos dos transistores parasitários nas BBRs em ambientes de radiações ionizantes. Entretanto, o estilo de leiaute Wave possui um alto campo elétrico longitudinal próximo à região de dreno no semicírculo, o qual está configurado com polarização de dreno interno acarretando, assim, um aumento da corrente de estado desligado (IOFF) em uma década, quando comparado ao convencional equivalente após os efeitos da TID. Portanto, a sua aplicação em ambientes de radiações ionizantes de raios X para CIs digitais pode apresentar limitações quando a IOFF é considerada. Quando as aplicações em CIs CMOS analógicos ocorrem em ambientes de radiações ionizantes de raios X, o WnM é capaz de apresentar um melhor desempenho elétrico em relação aos convencionais equivalentes de porta retangular, pois os transistores parasitários nas BBRs têm uma menor influência do que aqueles encontrados nos CnMs, após a exposição às radiações ionizantes de raios X. Portanto, através deste estudo comparativo experimental, o estilo de leiaute do tipo Wave para MOSFETs apresenta a capacidade de aumentar a frequência de ganho de tensão unitário (fT) e o ganho de tensão de malha aberta (AV0), em média, 20% e 10%, respectivamente, em relação ao estilo de leiaute convencional (retangular) equivalente, considerando-se que esses MOSFETs apresentam as mesmas áreas de porta e condições de polarização. Desta forma, o MOSFET do tipo Wave pode ser considerado uma outra alternativa de leiaute para a implementação de MOSFETs, objetivando-se principalmente as aplicações de CIs CMOS analógicos em ambientes de radiações ionizantes de raios X.