Nesta tese de doutorado foi apresentado um estudo sobre dispositivos MuGFETs de porta tripla de Corpo com e sem a aplicação da técnica DTMOS.
Primeiramente foi realizado um estudo global através de simulações numéricas tridimensionais em várias estruturas MuGFETs tais como: de Corpo, DTMOS, BOI e SOI com diferentes dimensões da aleta e concentração de dopantes no canal em diferentes temperaturas. Então foram analisadas as características elétricas básicas e analógicas desses dispositivos e constatou-se o resultado a seguir.
Os dispositivos DTMOS de porta tripla apresentaram inclinação de sublimiar praticamente ideal em todas as concentrações de dopantes analisadas. Já os dispositivos de Corpo, BOI e SOI de porta tripla apresentaram um aumento da inclinação de sublimiar com o aumento de NA, pois o aumento na concentração de dopante na região do canal diminui a
camada de depleção máxima dos dispositivos, degradando assim as suas características.
O transistor DTMOS de porta tripla apresentou uma maior transcondutância e maior corrente de dreno que os outros dispositivos devido à variação dinâmica sua tensão de limiar. Também apresentou maiores valores de gm/ID do que os dispositivos de Corpo, BOI e SOI de
porta tripla, tanto nos dispositivos com baixa concentração de dopantes no canal quanto nos dispositivos com alta concentração de dopantes, principalmente na região de inversão fraca e moderada devido à sua melhor inclinação de sublimiar.
Os dispositivos com baixa concentração de dopantes no canal (NA = 1 x 1015 cm-3)
apresentaram a mesma tendência: pequeno aumento na tensão Early e o ganho de tensão intrínseco em baixas temperaturas, porém um pouco melhor nos transistores SOI de porta tripla do que nas outras estruturas. No caso dos transistores de Corpo e DTMOS com NA = 1 x 1018 cm-3, quando a temperatura foi reduzida, a tensão Early e o ganho de tensão
A partir das simulações foi possível uma melhor compreensão física das diferentes estruturas estudadas, que foi confirmada através de caracterizações experimentais as quais permitiram uma análise de uma dimensão mais apropriada para análise de desempenho analógico. Para poder verificar uma melhor diferença entre o transistor de Corpo e DTMOS, foram escolhidos dispositivos com WFin 130 nm. Dispositivos com larguras menores tem
uma redução da melhoria ocasionada pela aplicação da técnica DTMOS.
O contato de corpo no dispositivo necessita estar numa região neutra para se ter os benefícios com a técnica DTMOS por causa do melhor acoplamento que existe entre suas portas. Entretanto, para aplicações analógicas, normalmente são utilizados dispositivos maiores, devido à melhor tensão Early que é maior para comprimentos de canal maiores, possibilitando assim a utilização de dispositivos com larguras maiores.
Na segunda parte do trabalho, os transistores de Corpo e DTMOS de porta tripla foram analisados experimentalmente. Todos os dispositivos utilizados neste trabalho foram fabricados e caracterizados eletricamente no interuniversity microelectronics center (imec), que é um centro de pesquisa na área de microeletrônica localizado na cidade de Leuven, na Bélgica.
Este estudo englobou uma análise desde as características mais básicas até o comportamento analógico, como também primeira vez foi analisado em termos de ruído de baixa frequência e seus desempenhos após serem submetidos à influência da radiação e adicionalmente o comportamento dos transistores de porta tripla de Corpo como célula de memória 1T-DRAM.
Todos os resultados obtidos por simulações foram confirmados através dos resultados experimentais. Os dispositivos DTMOS apresentaram melhores características elétricas e analógicas quando comparados aos dispositivos de Corpo antes e depois da radiação. Na técnica DTMOS, o contato do corpo desempenha o papel de uma porta adicional, ou seja, o dispositivo de três portas passa a comportar praticamente como um dispositivo de porta de porta quadrupla desde que o contato com o corpo esteja situado em uma região neutra.
As medidas de ruído de baixa frequência mostraram que os espectros de ruídos existentes nos dispositivos de Corpo e DTMOS são compostos pelo ruído flicker, devido às flutuações no número de portadores, e pelo ruído de geração e recombinação, que se torna mais pronunciado com o aumento da polarização da porta. No entanto, o principal resultado obtido neste estudo é que os dispositivos DTMOS e de Corpo apresentaram praticamente a mesma magnitude do ruído de baixa frequência, tanto na região linear como na região de saturação. O mesmo comportamento foi verificado antes e após a exposição à radiação.
Devido às suas características elétricas superiores, combinado com o melhor comportamento analógico, pode-se afirmar que o transistor de porta tripla de corpo com a aplicação de técnica DTMOS é um forte candidato para aplicações analógicas de baixo ruído RF, mesmo quando há exposição à radiação.
Adicionalmente o dispositivo de porta tripla de Corpo mostrou-se também uma estrutura bastante promissora para aplicações em células de memória 1T-DRAM, onde foi verificado pela primeira vez que o dispositivo possui boa condição de polarização, isto é, uma resposta interessante quando a porta e o substrato estão eletricamente flutuando. Entretanto, faz-se necessárias outras análises para o uso do dispositivo com eletrodo de porta flutuando para leitura e escrita de dados em memórias.
Como perspectivas de futuros trabalhos, seria interessante um estudo mais aprofundado do transistor de porta tripla de Corpo com porta e substrato flutuando para aplicações em célula de memória 1T-DRAM como também seu comportamento em altas e em baixas temperaturas.