Projeto de um amplificador operacional de transcondutância de dois estágios utilizando transistores de estruturas de nanofolha de silício (2022)
- Authors:
- Autor USP: SOUSA, JULIA CRISTINA SOARES - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PSI
- Subjects: TRANSISTORES; AMPLIFICADORES
- Agências de fomento:
- Language: Português
- Abstract: Os transistores de efeito de campo de Metal-Óxido-Semicondutor (Metal-Oxide- Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET) vem sendo evoluídos desde a década de 70, com a adição de muitas soluções de engenharia para mitigar os efeitos de canal curto. O advento das lâminas de Silício-Sobre-Isolante (SOI), técnicas de tensionamento do silício, uso de dielétricos High-K e dispositivos de múltiplas portas (Multiple Gate FETs - MuGFETs) foram algumas das soluções implementadas para permitir a redução das dimensões e melhoria da operação ao longo do tempo. Dentre os MuGFETs, destacam-se o FETs de aleta (FinFET), que vem sendo amplamente utilizado comercialmente desde a década passada, e os mais avançados transistores de nanofolhas de porta ao redor (Gate-All- Around Nanosheet - GAA-NSH). Neste trabalho estudou-se dispositivos GAANSH, levantando suas características analógicas e aplicando-os num projeto de amplificador de transcondutância de dois estágios (OTA). Os dispositivos foram fabricados no imec e caracterizados eletricamente e a partir das curvas experimentais, uma Lookup Table (LUT) foi criada, com as tensões, correntes, e demais parâmetros analógicos extraídos para a avaliação do projeto do OTA. Uma LUT foi criada para cada uma das temperaturas estudadas, a 25 oC, 100 oC e 200 oC. Utilizando a metodologia de projeto de gm/ID, o OTA foi projetado, utilizando o mesmo valor de gm/ID para os transistores que compunham o caminho de sinal, de 5V-1, 8V-1 e 11 V-1. O GAA-NSH apresentou resultados que corroboram o comportamento esperado para um MOSFET em termos de tradeoffs entre o ganho de tensão do dispositivo, o produto ganho-banda (GBW) e potência elétrica consumida, com um crescimento do ganho de tensão proporcionalmente ao gm/ID (65,6 dB a 89,1 dB), enquanto apresenta um decrescimentodo GBW (496,7 MHz a 255,9 MHz). O projeto do GAA-NSH apresenta uma melhora de características elétricas em comparação ao do FinFET, por apresentar um maior ganho de tensão para o mesmo gm/ID e número de aletas (71,8 dB contra 67,61 dB), enquanto utiliza menos corrente no segundo estágio e consome menos potência (544,5 W contra 1,41 mW). O GAA-NSH também é menor que o FinFET em dimensões, tendo uma largura de aleta menor (15nm contra 20nm) e comprimento de canal menor (100nm contra 150nm), enquanto apresenta menor influência de efeitos de canal curto. Quando comparado aos transistores de tunelamento (TFET), podemos notar que o GAANSH apresenta uma grande vantagem em termos de frequência de operação (GBW de 361,3 MHz contra 718kHz), mas ao custo de um grande consumo de potência (544,5 W contra 9 W ) e menor ganho de tensão (71,8 dB contra 88 dB). O GAA-NSH se mostrou uma tecnologia superior em termos de performance analógica em relação ao seu antecessor evolutivo (FinFET), porém é mais apropriada para utilização em situações que exigem alto ganho e alta frequência de operação. Por fim, a análise em temperatura demonstrou que, em uma análise para polarização de tensão de porta anterior à região invariante com a temperatura (Zero Temperature Coefficient ZTC), obtém-se valores mais altos de tensão dreno-fonte (VDS) e tensão de overdrive (VOV = VGS - VT) em relação à temperatura ambiente, porém mais baixos de tensão de porta-fonte (VGS). O ganho de tensão do circuito sofre uma grande degradação com o aumento de temperatura (72,3 dB para 60,5 dB), uma consequência da diminuição do ganho intrínseco do transistor (gm/gDS). O GBW diminui levemente devido à queda do ganho (796 MHz para 661 MHz), o que é levemente compensado pelo deslocamento do polo dominante do OTA para frequências mais altas.
- Imprenta:
- Data da defesa: 01.04.2022
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ABNT
SOUSA, Julia Cristina Soares. Projeto de um amplificador operacional de transcondutância de dois estágios utilizando transistores de estruturas de nanofolha de silício. 2022. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2022. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-27052022-084749/. Acesso em: 03 jan. 2026. -
APA
Sousa, J. C. S. (2022). Projeto de um amplificador operacional de transcondutância de dois estágios utilizando transistores de estruturas de nanofolha de silício (Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-27052022-084749/ -
NLM
Sousa JCS. Projeto de um amplificador operacional de transcondutância de dois estágios utilizando transistores de estruturas de nanofolha de silício [Internet]. 2022 ;[citado 2026 jan. 03 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-27052022-084749/ -
Vancouver
Sousa JCS. Projeto de um amplificador operacional de transcondutância de dois estágios utilizando transistores de estruturas de nanofolha de silício [Internet]. 2022 ;[citado 2026 jan. 03 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-27052022-084749/
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