Projeto de aplicação de amplificadores operacionais de transcondutância baseados no comportamento experimental de line-TFETs. - Gonçalez Filho, Walter (2020)
Transistores de tunelamento (TFETs) utilizam o tunelamento quântico entre bandas de energia de materiais semicondutores como principal mecanismo de condução, enquanto a tecnologia convencional de transistores MOSFET utiliza os mecanismos de difusão e deriva. Como consequência, transistores de tunelamento possuem características particulares, como por exemplo a baixa condutância de saída que o torna promissor para o projeto de circuitos integrados analógicos, em particular para amplificação de pequenos sinais em baixa frequência, devido ao menor nível de corrente desses dispositivos em comparação com o MOSFET. TFETs em geral exibem ganho intrínseco de tensão extremamente alto, igual ou superior a 50dB, baixos níveis de corrente em comparação com o MOSFET e alta resistência a ruído e a variação de temperatura. Line-TFETs, que também utilizam o tunelamento como princípio de condução, têm uma geometria tal que a geração de portadores por tunelamento acontece uniformemente em uma dimensão e o campo elétrico vertical é o responsável pela ocorrência do tunelamento. Essa topologia, em conjunto com o uso de Si0,55Ge0,45 como material de fonte, resulta em um aumento na corrente de dreno, melhoria na inclinação de sublimiar e na corrente de dreno, esta última sendo diretamente proporcional à área de porta. Portanto, diante deste cenário, esse trabalho tem como objetivo estudar o desenvolvimento de circuitos integrados analógicos com o dispositivo Line-TFET, explorando não só as características mencionadas acima, mas também outras particularidades desse dispositivo demonstradas no presente estudo. A modelagem DC dos dispositivos foi realizada a partir de uma nova abordagem que utiliza medidas experimentais inseridas em ábacos (lookup tables) e codificadas na linguagem de descrição de hardware Verilog-A, evitando a complexidade e a falta de acurácia dos modelos analíticos. Estas características são de suma importância para o projeto de circuitos com dispositivos complexos, pois permitem obter um modelo contínuo de forma simples e direta. Para fazer a caracterização das capacitâncias parasitárias, o Line-TFET foi modelado no simulador de dispositivos Sentaurus após obter boa concordância com os dados experimentais. A partir da comparação entre simulações e dados experimentais, diversas dimensões do dispositivo foram variadas a fim de avaliar seus impactos nas curvas de corrente e nas características analógicas do Line-TFET. Este estudo revelou propriedades únicas deste dispositivo, especialmente no que se refere a condutância de saída. Foi demonstrado, tanto por simulação quanto por meio de resultados experimentais, que esse parâmetro independe do comprimento de porta, o que modifica profundamente o projeto de circuitos integrados analógicos com o Line-TFET. Utilizando o modelo obtido via lookup table de dados experimentais e os resultados da caracterização desenvolvida, foram realizados os projetos de circuitos integrados analógicos básicos (espelho de corrente, amplificador fonte comum, par diferencial com carga ativa e amplificador de dois estágios), demonstrando como as não idealidades oriundas dos dados experimentais impactam os resultados e o projeto dos circuitos propostos. Os parâmetros de mérito resultantes são exibidos e discutidos, em particular ressaltando o alto ganho de tensão obtido para baixas frequências e a simplificação na topologia do circuito, fazendo comparações com os resultados utilizando tecnologia MOSFET através do projeto com PDKs convencionais e com projetos da literatura que utilizam TFETs. Por fim, são sugeridas aplicações que podem se beneficiar de características do amplificador obtido, como por exemplo seu alto ganho de corrente contínua (DC) de malha aberta e grande capacidade de integração. Em particular, foi desenvolvido um circuito de readout para sensores, revelando que o alto ganho intrínseco de tensão e a proporcionalidade da corrente de dreno com a área de porta em Line-TFETs resulta em uma topologia de circuito mais simples e em enorme redução na área de chip, diminuindo a área de porta dos dispositivos em cerca de duas grandezas. Esse projeto também apresenta um consumo de potência da ordem de nW, que é semelhante ao obtido no projeto de circuitos do estado-da-arte com a tecnologia MOSFET convencional.