Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2015

CAVALCANTE, Lucas Samir Ramalho. Estados snake e filtros de vale baseados somente em tensão mecânica em monocamadas de grafeno. 2016. 63 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2016-04-14T17:54:47Z No. of bitstreams: 1 2016_dis_lsrcavalcante.pdf: 17313774 bytes, checksum: 0c108ac46e6b89d7f89236818dcb4bdd (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2016-04-14T18:02:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_dis_lsrcavalcante.pdf: 17313774 bytes, checksum: 0c108ac46e6b89d7f89236818dcb4bdd (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-14T18:02:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_dis_lsrcavalcante.pdf: 17313774 bytes, checksum: 0c108ac46e6b89d7f89236818dcb4bdd (MD5) Previous issue date: 2016 / O grafeno possui diversas propriedades eletrônicas interessantes que o tornam um material decisivo para o futuro desenvolvimento de novos dispositivos. Uma delas é a existência de dois vales (de Dirac) em seu espectro eletrônico, o que abre a possibilidade de se fazer dispositivos vale-trônicos. Além disso, o grafeno também apresenta excelentes propriedades mecânicas, sendo o material mais fino já conhecido e, ainda assim, o mais forte já medido. A sua maleabilidade é uma propriedade fascinante, fazendo com que este material resista a altas tensões mecânicas. Mais ainda, tem se demonstrado que campos de tensão mecânica em grafeno podem ser mapeados em campos pseudo-magnéticos para elétrons no material. Isso, então, nos permite usar tensões mecânicas altas para ajustar as propriedades eletrônicas deste material e, assim, expandir seu leque de aplicações tecnológicas possíveis. Nesta dissertação, o transporte eletrônico através da direção paralela a uma barreira pseudo-magnética, produzida pela aplicação de uma tensão mecânica não uniforme em uma fita de monocamada de grafeno, é teoricamente investigado. Na região onde o campo pseudo-magnético troca de sinal, são observados estados do tipo snake, isto é, compostos por semiórbitas com uma única direção de propagação, como esperado para o caso análogo de uma barreira desse tipo produzida por um campo magnético externo. Contudo, os campos pseudomagnéticos apontam em direções opostas nos vales K e K’, gerando correntes de estados snake com vales polarizados. Ao longo deste trabalho, discutimos como maximizar uma filtragem de vales baseada nesta polarização, através do ajuste de parâmetros que definem a distribuição de tensão ao longo da nanofita de grafeno.

Este trabalho apresenta a aplicação do Método de Otimização Topológica (MOT) considerando restrição de tensão mecânica em dois problemas de Engenharia: o projeto de estruturas mecânicas sujeitas a restrição de tensão e o projeto da distribuição de material em estruturas constituídas por Materiais com Gradação Funcional (MsGF). O MOT é um método numérico capaz de fornecer de forma automática o leiaute básico de uma estrutura mecânica para que esta atenda a um dado requisito de projeto, como o limite sobre a máxima tensão mecânica no componente. Os MsGF são materiais cujas propriedades variam gradualmente com a posição. Este gradiente de propriedades é obtido através da variação contínua da microestrutura formada por dois materiais diferentes. Neste trabalho o MOT foi implementado utilizando o modelo de material Solid Isotropic Microstructure with Penalization (SIMP) e o campo de densidades foi parametrizado utilizando a abordagem Aproximação Contínua da Distribuição de Material (ACDM). O modelo de material e utilizado em conjunto com um localizador de tensões, de modo a representar as tensões nas regiões com densidade intermediária. O projeto de estruturas tradicionais através do MOT possui dois problemas centrais aqui tratados: o fenômeno das topologias singulares, que consiste na incapacidade do algoritmo de otimização de retirar material de certas regiões da estrutura, onde a tensão mecânica supera o limite de tensão quando os valores da densidade tendem a zero, e o problema do grande número de restrições envolvidas, pois que a tensão mecânica é uma grandeza local e deve ser restrita em todos os pontos da estrutura. Para tratar o primeiro problema é utilizado o conceito de relaxação. Para o segundo são utilizadas duas abordagens: uma é a substituição das restrições locais por uma restrição global e a outra é a aplicação do Método do Lagrangeano Aumentado. Ambas foram implementadas e aplicadas para o projeto de estruturas planas e axissimétricas. No projeto da distribuição de material em estruturas constituídas por MsGF é utilizado um modelo de material baseado na interpolação dos limites de Hashin-Shtrikman. A partir deste modelo as tensões em cada fase são obtidas a partir das matrizes localizadoras de tensão. Para tratar o fenômeno das topologias singulares é proposto um índice estimativo de falha, baseado nas tensões de von Mises em cada fase da microestrutura, que evita tal problema. O grande número de restrições é tratado através da restrição global de tensão. Em ambos os problemas as formulações são apresentadas e sua eficiência é discutida através de exemplos numéricos. / This work presents the Topology Optimization Method (TOM) with stress constraint applied to two Engineering problems: the design of mechanical structures subjected to stress constraint and the design of material distribution in structures made of Functionally Graded Materials (FGMs). The TOM is a numerical method capable of synthesizing the basic layout of a mechanical structure accomplishing to a given design requirement, for example the maximum stress in the structure. The FGMs are materials with spatially varying properties, which are obtained through a continuum change of the microstructuremade of two different materials. In this work, the TOM was implemented with Solid Isotropic Microstructure with Penalization (SIMP) material model and the density field was parameterized with the Continuous Approximations of Material Distribution. To obtain the intermediate density stresses, the material model is applied together with a stress localization matrix. The design of mechanical structures through the TOM has two major problems: the singular topology phenomenon, which is characterized by the optimization algorithm impossibility of removing material from certain regions, where the stress overpasses the limiting stress when the density goes to zero, and the large number of constraints, once the stress is a local value that must be constrained everywhere in the structure. To deal with the first problem, it is applied the \"-realaxation concept, and for the second one two approaches are considered: one is to change the local stress constraint into a global stress constraint and the other is to apply the Augmented Lagrangian Method. Both approaches were implemented and applied to the design of plane and axisymmetric structures. In the design of material distribution in structures made of FGMs a material model based on Hashin-Shtrikman bounds is applied. From this model, stresses in each phase are obtained by the stress localization matrix. To deal with the singular topology phenomenon it is proposed a modified von Mises failure criteria index that avoids such problem. A global stress constraint is applied to deal with the large number of constraints. In both problems formulations are presented and their performance are discussed through numerical examples.

Este trabalho apresenta a aplicação do Método de Otimização Topológica (MOT) considerando restrição de tensão mecânica em dois problemas de Engenharia: o projeto de estruturas mecânicas sujeitas a restrição de tensão e o projeto da distribuição de material em estruturas constituídas por Materiais com Gradação Funcional (MsGF). O MOT é um método numérico capaz de fornecer de forma automática o leiaute básico de uma estrutura mecânica para que esta atenda a um dado requisito de projeto, como o limite sobre a máxima tensão mecânica no componente. Os MsGF são materiais cujas propriedades variam gradualmente com a posição. Este gradiente de propriedades é obtido através da variação contínua da microestrutura formada por dois materiais diferentes. Neste trabalho o MOT foi implementado utilizando o modelo de material Solid Isotropic Microstructure with Penalization (SIMP) e o campo de densidades foi parametrizado utilizando a abordagem Aproximação Contínua da Distribuição de Material (ACDM). O modelo de material e utilizado em conjunto com um localizador de tensões, de modo a representar as tensões nas regiões com densidade intermediária. O projeto de estruturas tradicionais através do MOT possui dois problemas centrais aqui tratados: o fenômeno das topologias singulares, que consiste na incapacidade do algoritmo de otimização de retirar material de certas regiões da estrutura, onde a tensão mecânica supera o limite de tensão quando os valores da densidade tendem a zero, e o problema do grande número de restrições envolvidas, pois que a tensão mecânica é uma grandeza local e deve ser restrita em todos os pontos da estrutura. Para tratar o primeiro problema é utilizado o conceito de relaxação. Para o segundo são utilizadas duas abordagens: uma é a substituição das restrições locais por uma restrição global e a outra é a aplicação do Método do Lagrangeano Aumentado. Ambas foram implementadas e aplicadas para o projeto de estruturas planas e axissimétricas. No projeto da distribuição de material em estruturas constituídas por MsGF é utilizado um modelo de material baseado na interpolação dos limites de Hashin-Shtrikman. A partir deste modelo as tensões em cada fase são obtidas a partir das matrizes localizadoras de tensão. Para tratar o fenômeno das topologias singulares é proposto um índice estimativo de falha, baseado nas tensões de von Mises em cada fase da microestrutura, que evita tal problema. O grande número de restrições é tratado através da restrição global de tensão. Em ambos os problemas as formulações são apresentadas e sua eficiência é discutida através de exemplos numéricos. / This work presents the Topology Optimization Method (TOM) with stress constraint applied to two Engineering problems: the design of mechanical structures subjected to stress constraint and the design of material distribution in structures made of Functionally Graded Materials (FGMs). The TOM is a numerical method capable of synthesizing the basic layout of a mechanical structure accomplishing to a given design requirement, for example the maximum stress in the structure. The FGMs are materials with spatially varying properties, which are obtained through a continuum change of the microstructuremade of two different materials. In this work, the TOM was implemented with Solid Isotropic Microstructure with Penalization (SIMP) material model and the density field was parameterized with the Continuous Approximations of Material Distribution. To obtain the intermediate density stresses, the material model is applied together with a stress localization matrix. The design of mechanical structures through the TOM has two major problems: the singular topology phenomenon, which is characterized by the optimization algorithm impossibility of removing material from certain regions, where the stress overpasses the limiting stress when the density goes to zero, and the large number of constraints, once the stress is a local value that must be constrained everywhere in the structure. To deal with the first problem, it is applied the \"-realaxation concept, and for the second one two approaches are considered: one is to change the local stress constraint into a global stress constraint and the other is to apply the Augmented Lagrangian Method. Both approaches were implemented and applied to the design of plane and axisymmetric structures. In the design of material distribution in structures made of FGMs a material model based on Hashin-Shtrikman bounds is applied. From this model, stresses in each phase are obtained by the stress localization matrix. To deal with the singular topology phenomenon it is proposed a modified von Mises failure criteria index that avoids such problem. A global stress constraint is applied to deal with the large number of constraints. In both problems formulations are presented and their performance are discussed through numerical examples.

Transdutores baseados em cascas piezocompósitas têm uma vasta aplicação no campo de estruturas inteligentes, principalmente como atuadores, sensores e coletores de energia. Essas estruturas piezocompósitas são geralmente compostas por dois ou mais tipos de materiais, como por exemplo materiais piezelétricos, ortotrópicos elásticos (possuem fibras de reforçamento) e isotrópicos (materiais homogêneos). Vários fatores devem ser considerados no projeto de transdutores baseados em cascas piezocompósitas, como o tamanho, a forma, a localização e a polarização do material piezelétrico, bem como a orientação das fibras do material ortotrópico. O projeto desses transdutores é complexo e trabalhos anteriores envolvendo esses tipos de materiais sugerem utilizar Método de Otimização Topológica (MOT) para aprimorar o desempenho dos transdutores distribuindo o material piezelétrico sobre substratos fixos de materiais isotrópicos e ortotrópicos, ou otimizar a orientação das fibras dos materiais ortotrópicos com material piezelétrico com tamanho, forma e localização previamente estabelecidos. Assim, nesta tese, propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia baseada no MOT para projetar transdutores piezocompósitos de casca considerando, simultaneamente, a otimização da distribuição e do sentido de polarização do material piezelétrico, e também a otimização da orientação das fibras de materiais ortotrópicos, que é livre para assumir valores diferentes ao longo da mesma camada compósita. Utilizando essa metodologia, são obtidos resultados numéricos para atuadores e sensores em regime estático e para coletores de energia com circuito elétrico acoplado, em regime dinâmico amortecido. Para os casos dos sensores e dos coletores de energia, também são consideradas as tensões mecânicas na estrutura, as quais devem obedecer os critérios de von Mises (para materiais isotrópicos) e de Tsai-Wu (para materiais ortotrópicos) para que não haja falhas na estrutura, que está sujeita a esforços mecânicos. / Transducers based on laminated piezocomposite shell structures have a wide application in the field of smart structures, especially as actuators, sensors and energy harvesting devices. These piezocomposite structures are generally composed by two or more kinds of materials, such as piezoelectric, isotropic, and elastic orthotropic (fiber reinforcement) materials. Several factors must be considered in the design of piezocomposite transducers, such as size, shape, location and polarization of the piezoelectric material and the fiber orientation of the orthotropic material. The design of these transducers is complex and previous studies involving these types of materials suggest using \"Topology Optimization Method\" (TOM) to enhance the performance of piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over fixed isotropic and orthotropic substrate or to optimize the fiber orientation of orthotropic materials with piezoelectric patches previously established. Thus, this thesis proposes the development of a methodology based on the TOM to design laminated piezocomposite shell transducers by considering simultaneously the optimization of distribution and the polarization direction of the piezoelectric material, and also the optimization of the fiber orientation orthotropic material, which is free to assume different values along the same composite layer. By using this methodology, numerical results are obtained for actuators and sensors under static response, and energy harvesting devices with an electrical circuit coupled, in dynamic damped analysis. In the case of sensors and energy harvesting devices, which are subjected to mechanical loads, the mechanical stresses in the structure are also considered, which must satisfy two stress criteria to prevent failure: von Mises for isotropic materials and Tsai-Wu for orthotropic materials.

Neste trabalho é apresentado um estudo do efeito da tensão mecânica uniaxial e biaxial no ruído de baixa frequência nos transistores SOI planares e tridimensionais (MuGFETs de porta tripla) com diferentes orientações cristalográficas, além de um estudo das características analógicas nos transistores planares e tipo MuGFET de porta tripla. Nos transistores planares, o estudo do ruído de baixa frequência demonstrou uma melhora para os transistores tensionados no regime de saturação, independente do comprimento de canal, entretanto para a região linear, a tensão mecânica somente reduziu o ruído para um comprimento de canal pequeno (160nm). Nas características analógicas, foi utilizado o recurso da simulação numérica bidimensional para obtenção dos resultados. Os resultados mostram que os transistores tensionados são capazes de promover um melhor desempenho na transcondutância, na ordem de um aumento no mínimo de 40% , indicando para comprimentos longos de canal (910 nm) uma aumento de 56% para tensão mecânica biaxial e o oposto para a uniaxial (45%) (160 nm): entretanto, na condutância de saída, a tensão mecânica de forma geral promove uma maior degradação, aumento de 3% para um transistor uniaxial e aumento de 105% para o transistor biaxial. No ganho intrínseco de tensão, mais uma vez os transistores tensionados melhoraram de desempenho: contudo, neste caso, melhor resultado foi para o transistor biaxial, chegando a 5 dB de ganho. Nos transistores de porta tripla, a análise do ruído foi realizada nos transistores tensionados e convencionais operando em saturação e, de forma geral, a tensão mecânica piora o ruído de baixa frequência em uma ordem de grandeza para o transistor estreito, ocorrendo apenas uma melhora quase imperceptível num transistor largo ou quase planar. Na análise do ruído para os transistores rotacionados para a região linear, apresentaram dependência 1/f, com o ruído governado pela flutuação do número de portadores associado à flutuação na mobilidade: a tensão mecânica piora o ruído, entretanto, adicionando a rotação do substrato, ocorre uma melhora do ruído devido à redução das armadilhas de interface, ocasionando numa melhor interface lateral. Para dispositivos largos, o plano de topo sofre um aumento da concentração das armadilhas, piorando a interface superior devido a rotação do substrato, resultando um pior ruído. Nas características analógicas, os transistores de MuGFETs de porta tripla com tensão mecânica e substrato rotacionado foram estudados, onde a rotação do substrato em 45º mais a presença da tensão mecânica promoveram uma piora nos resultados, principalmente na transcondutância, onde a piora variou de 45 % até 15 %, para um dispositivo estreito (20 nm ) e um largo (870 nm). / This work presents a study of the uniaxial and biaxial mechanical stress effect on low frequency noise in planar and three-dimensional SOI transistors (triple gate) with different crystal orientation, and an study of analog parameters in planar and for triple gate MuGFET. In planar transistor, the study of low frequency noise showed an improvement in low frequency noise for strained transistors in saturation regime, regardless of the channel length, however for the linear regime, the mechanical stress only reduced the noise in a small channel length (160nm). In the analog characteristics was used the feature of two-dimensional numerical simulation for the expansion of the results. The results shows that the strained transistors are capable to promoting a better performance in transconductance in a order at least 40%, indicating for a long channel lengths (910nm) an improvement of 56% in favor of biaxial stress and the opposite to uniaxial (45%) (160nm), however in the output conductance, the mechanical stress promotes higher degradation, ranging from 3% to uniaxial transistor and 105% for biaxial transistor. The intrinsic voltage gain, the strained transistors improved the performance, but in this case a best result was found for the biaxial strain reaching 5 dB. In triple gate transistors, the analysis of noise was performed on strained and conventional operating in saturation, and generally the worsening of mechanical stress on the low frequency noise in a order of magnitude for the marrow transistor, occurring only barely perceptible improvement seen in wider transistor or quasi-planar. The noise analysis for rotated transistors in linear region, showed a 1/f noise characteristic governed by the carrier number of fluctuations associated with fluctuations in mobility, the mechanical stress worsens the noise, however, by adding the substrate rotation occurs improves noise due to reduction of interface traps leading to a better sidewall interface. For larger devices the top plane suffer an increase of interface traps, worsening the top interface due to rotation of the substrate, causing a worse noise. In the analog characteristics, the triple gate MuGFETs transistors with mechanical stress and rotated substrate were studied, where the rotation of the substrate in 45º plus mechanical stress promoted a worsening of the results, particularly in the transconductance, where the worsening ranged from 45% up to 15% for a narrow device (20 nm) and a large (870 nm).

Neste trabalho, é apresentada uma análise da operação analógica de transistores de múltiplas portas, avaliando a tensão Early, o ganho de tensão em malha aberta, a razão da transcondutância pela corrente de dreno (gm/IDS), a condutância de dreno e, em especial, a distorção harmônica, exibida por estes dispositivos. Ao longo deste trabalho, foram estudados FinFETs, dispositivos de porta circundante (Gate-All-Around GAA) com estrutura de canal gradual (Graded-Channel GC) e transistores MOS sem junções (Junctionless - JL). Inicialmente, foi efetuada a análise da distorção harmônica apresentada por FinFETs com e sem a presença de tensão mecânica biaxial, com diversas larguras de fin (Wfin) e comprimentos de canal (L), quando estes operavam em saturação, como amplificadores de um único transistor. Nesta análise, as não-linearidades foram avaliadas através da extração das distorções harmônicas de segunda e terceira ordens (HD2 e HD3, respectivamente), mostrando que a presença de tensão mecânica tem pouca influência em HD2, mas altera levemente a HD3. Quando os ganhos de tensão em malha aberta dos dispositivos são levados em conta, transistores sem tensão, também chamados de convencionais, mais estreitos apresentam grande vantagem em termos de HD2 em relação aos tensionados. Ainda nesta análise, percebeu-se que HD2 e HD3 de transistores tensionados pioram com a redução da temperatura, especialmente em inversão mais forte. Na seqüência, foi efetuada uma análise de HD3 em FinFETs com e sem tensão mecânica de vários comprimentos e larguras de canal, operando em região triodo e aplicados a estruturas balanceadas 2-MOS, mostrando que presença de tensão mecânica traz pouca influência em HD3, mas reduz a resistência do canal dos dispositivos (RON), o que não é bom em estruturas resistivas, como as avaliadas. Nesta análise, ainda, pode-se perceber uma melhora em HD3 superior a 30 dB ao se incrementar VGT de zero a 1,0 V, em cuja tensão dispositivos mais estreitos apresentam curvas mais lineares que os mais largos. Então, foi estudada a distorção apresentada por transistores GAA e GC GAA operando em regime triodo, aplicados a estruturas 2-MOS, onde se pôde perceber que GC GAAs com maiores comprimentos da região fracamente dopada apresentam vantagem em HD3 em relação aos demais, para valores de VGT superiores a 2 V. Na avaliação destas estruturas em função da temperatura, percebeu-se que, para VGT superiores a 1,1 V, HD3 depende fortemente da temperatura e piora conforme a temperatura diminui. O estudo envolvendo transistores sem junções foi mais focado em seus parâmetros analógicos, comparando-os aos apresentados por dispositivos de porta tripla ou FinFETs. Em inversões moderada e forte, transistores sem junção apresentaram menores valores para gm/IDS em relação a dispositivos de FinFETs polarizados em um mesmo nível de corrente, entretanto, a dependência de gm/IDS com a temperatura em transistores sem junção também foi menor que a apresentada por FinFETs. JL e FinFETs apresentaram comportamentos distintos para a tensão Early e o ganho de tensão em malha aberta em função da temperatura. Estes parâmetros sempre melhoram com o aumento da temperatura em dispositivos JL, enquanto que exibem seu máximo valor em temperatura ambiente em FinFETs. Nas proximidades da tensão de limiar, transistores sem junção com largura de fin de 30 nm exibiram tensão Early e ganho superiores a 80 V a 57 dB, respectivamente, enquanto que FinFETs mostraram Tensão Early de 35 V e ganho de 50 dB. Em todos os estudos efetuados ao longo do trabalho, procurou-se apontar as causas das não-linearidades apresentadas pelos dispositivos, a partir de modelos analíticos que pudessem relacionar a física de funcionamento dos transistores com os resultados experimentalmente obtidos. / In this work it is presented an analysis of the analog operation of multiple gate transistors, evaluating the Early Voltage, the open-loop voltage gain, the transconductance over the drain current ratio (gm/IDS), the drain conductance and, especially, the harmonic distortion exhibited by these devices. Along the work, FinFETs, Gate-All-Around (GAA) devices with the Graded-Channel (GC) structure and MOS transistors without junctions (Junctionless - JL) were studied. Initially, an analysis of the harmonic distortion presented by conventional and biaxially strained FinFETs with several fin widths (Wfin) and channel lengths (L) was performed, when these devices were operating in saturation as single transistor amplifiers. In this analysis, the non-linearities were evaluated through the extraction of the second and the third order harmonic distortions (HD2 and HD3, respectively), and it was shown that the presence of strain has negligible influence in HD2, but slightly changes HD3. When the open loop voltage gain of the devices is taken into consideration, narrower conventional transistors present a huge advantage with respect to the strained ones in terms of HD2. Also, it was perceived that both HD2 and HD3 of strained FinFETs worsen with the temperature decrease, especially in stronger inversion. In the sequence, an analysis of the HD3 presented by conventional and strained FinFETs of several fin widths and channel lengths operating in the triode regime was performed. These devices were applied to 2-MOS balanced structures, showing that the presence of the strain does not influence significantly the HD3, but reduces the resistance in the channel of the transistors (RON), which is not good for resistive structures as the ones evaluated. In this analysis, it can also be observed an HD3 improvement of 30 dB when VGT is increased from zero up to 1,0 V, where narrower devices present transfer characteristics more linear than the wider ones. Then, it was studied the distortion presented by GAA and GC GAA devices operating in the triode regime, applied to 2-MOS structures. In this case, it could be perceived that GC GAAs with longer lightly doped regions present better HD3 in comparison to the other devices for VGT higher than 2.0 V. In the evaluation of these structures as a function of the temperature, it could be seen that for VGT higher than 1.1 V, HD3 strongly depends on the temperature and worsens as the temperature decreases. The study involving JL transistors was focused on their analog parameters, comparing them to the ones presented by triple gate devices or FinFETs. In moderate and strong inversions, Junctionless showed lower values for gm/IDS with respect to triple gate devices biased at a similar current level. However, the dependence of gm/IDS from Junctionless with the temperature was also smaller than the one presented by FinFETs. Junctionless and FinFETs exhibited distinct behaviors for the Early voltage and the open-loop voltage gain as a function of the temperature. These parameters always improve with the temperature raise in JL devices whereas they exhibit their maximum values around room temperatures for FinFETs. In the proximity of the threshold voltage, Junctionless with fin width of 30 nm presented Early voltage and intrinsic gain larger than 80 V and 57 dB, respectively, whereas FinFETs exhibited Early voltage of 35 V and gain of 50 dB. For all the studies performed in this work, the probable causes of the non-linearities were pointed out, from analytic models that could correlate the physical work of the devices with the experimental results.

Transdutores baseados em cascas piezocompósitas têm uma vasta aplicação no campo de estruturas inteligentes, principalmente como atuadores, sensores e coletores de energia. Essas estruturas piezocompósitas são geralmente compostas por dois ou mais tipos de materiais, como por exemplo materiais piezelétricos, ortotrópicos elásticos (possuem fibras de reforçamento) e isotrópicos (materiais homogêneos). Vários fatores devem ser considerados no projeto de transdutores baseados em cascas piezocompósitas, como o tamanho, a forma, a localização e a polarização do material piezelétrico, bem como a orientação das fibras do material ortotrópico. O projeto desses transdutores é complexo e trabalhos anteriores envolvendo esses tipos de materiais sugerem utilizar Método de Otimização Topológica (MOT) para aprimorar o desempenho dos transdutores distribuindo o material piezelétrico sobre substratos fixos de materiais isotrópicos e ortotrópicos, ou otimizar a orientação das fibras dos materiais ortotrópicos com material piezelétrico com tamanho, forma e localização previamente estabelecidos. Assim, nesta tese, propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia baseada no MOT para projetar transdutores piezocompósitos de casca considerando, simultaneamente, a otimização da distribuição e do sentido de polarização do material piezelétrico, e também a otimização da orientação das fibras de materiais ortotrópicos, que é livre para assumir valores diferentes ao longo da mesma camada compósita. Utilizando essa metodologia, são obtidos resultados numéricos para atuadores e sensores em regime estático e para coletores de energia com circuito elétrico acoplado, em regime dinâmico amortecido. Para os casos dos sensores e dos coletores de energia, também são consideradas as tensões mecânicas na estrutura, as quais devem obedecer os critérios de von Mises (para materiais isotrópicos) e de Tsai-Wu (para materiais ortotrópicos) para que não haja falhas na estrutura, que está sujeita a esforços mecânicos. / Transducers based on laminated piezocomposite shell structures have a wide application in the field of smart structures, especially as actuators, sensors and energy harvesting devices. These piezocomposite structures are generally composed by two or more kinds of materials, such as piezoelectric, isotropic, and elastic orthotropic (fiber reinforcement) materials. Several factors must be considered in the design of piezocomposite transducers, such as size, shape, location and polarization of the piezoelectric material and the fiber orientation of the orthotropic material. The design of these transducers is complex and previous studies involving these types of materials suggest using \"Topology Optimization Method\" (TOM) to enhance the performance of piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over fixed isotropic and orthotropic substrate or to optimize the fiber orientation of orthotropic materials with piezoelectric patches previously established. Thus, this thesis proposes the development of a methodology based on the TOM to design laminated piezocomposite shell transducers by considering simultaneously the optimization of distribution and the polarization direction of the piezoelectric material, and also the optimization of the fiber orientation orthotropic material, which is free to assume different values along the same composite layer. By using this methodology, numerical results are obtained for actuators and sensors under static response, and energy harvesting devices with an electrical circuit coupled, in dynamic damped analysis. In the case of sensors and energy harvesting devices, which are subjected to mechanical loads, the mechanical stresses in the structure are also considered, which must satisfy two stress criteria to prevent failure: von Mises for isotropic materials and Tsai-Wu for orthotropic materials.

Neste trabalho, é apresentada uma análise da operação analógica de transistores de múltiplas portas, avaliando a tensão Early, o ganho de tensão em malha aberta, a razão da transcondutância pela corrente de dreno (gm/IDS), a condutância de dreno e, em especial, a distorção harmônica, exibida por estes dispositivos. Ao longo deste trabalho, foram estudados FinFETs, dispositivos de porta circundante (Gate-All-Around GAA) com estrutura de canal gradual (Graded-Channel GC) e transistores MOS sem junções (Junctionless - JL). Inicialmente, foi efetuada a análise da distorção harmônica apresentada por FinFETs com e sem a presença de tensão mecânica biaxial, com diversas larguras de fin (Wfin) e comprimentos de canal (L), quando estes operavam em saturação, como amplificadores de um único transistor. Nesta análise, as não-linearidades foram avaliadas através da extração das distorções harmônicas de segunda e terceira ordens (HD2 e HD3, respectivamente), mostrando que a presença de tensão mecânica tem pouca influência em HD2, mas altera levemente a HD3. Quando os ganhos de tensão em malha aberta dos dispositivos são levados em conta, transistores sem tensão, também chamados de convencionais, mais estreitos apresentam grande vantagem em termos de HD2 em relação aos tensionados. Ainda nesta análise, percebeu-se que HD2 e HD3 de transistores tensionados pioram com a redução da temperatura, especialmente em inversão mais forte. Na seqüência, foi efetuada uma análise de HD3 em FinFETs com e sem tensão mecânica de vários comprimentos e larguras de canal, operando em região triodo e aplicados a estruturas balanceadas 2-MOS, mostrando que presença de tensão mecânica traz pouca influência em HD3, mas reduz a resistência do canal dos dispositivos (RON), o que não é bom em estruturas resistivas, como as avaliadas. Nesta análise, ainda, pode-se perceber uma melhora em HD3 superior a 30 dB ao se incrementar VGT de zero a 1,0 V, em cuja tensão dispositivos mais estreitos apresentam curvas mais lineares que os mais largos. Então, foi estudada a distorção apresentada por transistores GAA e GC GAA operando em regime triodo, aplicados a estruturas 2-MOS, onde se pôde perceber que GC GAAs com maiores comprimentos da região fracamente dopada apresentam vantagem em HD3 em relação aos demais, para valores de VGT superiores a 2 V. Na avaliação destas estruturas em função da temperatura, percebeu-se que, para VGT superiores a 1,1 V, HD3 depende fortemente da temperatura e piora conforme a temperatura diminui. O estudo envolvendo transistores sem junções foi mais focado em seus parâmetros analógicos, comparando-os aos apresentados por dispositivos de porta tripla ou FinFETs. Em inversões moderada e forte, transistores sem junção apresentaram menores valores para gm/IDS em relação a dispositivos de FinFETs polarizados em um mesmo nível de corrente, entretanto, a dependência de gm/IDS com a temperatura em transistores sem junção também foi menor que a apresentada por FinFETs. JL e FinFETs apresentaram comportamentos distintos para a tensão Early e o ganho de tensão em malha aberta em função da temperatura. Estes parâmetros sempre melhoram com o aumento da temperatura em dispositivos JL, enquanto que exibem seu máximo valor em temperatura ambiente em FinFETs. Nas proximidades da tensão de limiar, transistores sem junção com largura de fin de 30 nm exibiram tensão Early e ganho superiores a 80 V a 57 dB, respectivamente, enquanto que FinFETs mostraram Tensão Early de 35 V e ganho de 50 dB. Em todos os estudos efetuados ao longo do trabalho, procurou-se apontar as causas das não-linearidades apresentadas pelos dispositivos, a partir de modelos analíticos que pudessem relacionar a física de funcionamento dos transistores com os resultados experimentalmente obtidos. / In this work it is presented an analysis of the analog operation of multiple gate transistors, evaluating the Early Voltage, the open-loop voltage gain, the transconductance over the drain current ratio (gm/IDS), the drain conductance and, especially, the harmonic distortion exhibited by these devices. Along the work, FinFETs, Gate-All-Around (GAA) devices with the Graded-Channel (GC) structure and MOS transistors without junctions (Junctionless - JL) were studied. Initially, an analysis of the harmonic distortion presented by conventional and biaxially strained FinFETs with several fin widths (Wfin) and channel lengths (L) was performed, when these devices were operating in saturation as single transistor amplifiers. In this analysis, the non-linearities were evaluated through the extraction of the second and the third order harmonic distortions (HD2 and HD3, respectively), and it was shown that the presence of strain has negligible influence in HD2, but slightly changes HD3. When the open loop voltage gain of the devices is taken into consideration, narrower conventional transistors present a huge advantage with respect to the strained ones in terms of HD2. Also, it was perceived that both HD2 and HD3 of strained FinFETs worsen with the temperature decrease, especially in stronger inversion. In the sequence, an analysis of the HD3 presented by conventional and strained FinFETs of several fin widths and channel lengths operating in the triode regime was performed. These devices were applied to 2-MOS balanced structures, showing that the presence of the strain does not influence significantly the HD3, but reduces the resistance in the channel of the transistors (RON), which is not good for resistive structures as the ones evaluated. In this analysis, it can also be observed an HD3 improvement of 30 dB when VGT is increased from zero up to 1,0 V, where narrower devices present transfer characteristics more linear than the wider ones. Then, it was studied the distortion presented by GAA and GC GAA devices operating in the triode regime, applied to 2-MOS structures. In this case, it could be perceived that GC GAAs with longer lightly doped regions present better HD3 in comparison to the other devices for VGT higher than 2.0 V. In the evaluation of these structures as a function of the temperature, it could be seen that for VGT higher than 1.1 V, HD3 strongly depends on the temperature and worsens as the temperature decreases. The study involving JL transistors was focused on their analog parameters, comparing them to the ones presented by triple gate devices or FinFETs. In moderate and strong inversions, Junctionless showed lower values for gm/IDS with respect to triple gate devices biased at a similar current level. However, the dependence of gm/IDS from Junctionless with the temperature was also smaller than the one presented by FinFETs. Junctionless and FinFETs exhibited distinct behaviors for the Early voltage and the open-loop voltage gain as a function of the temperature. These parameters always improve with the temperature raise in JL devices whereas they exhibit their maximum values around room temperatures for FinFETs. In the proximity of the threshold voltage, Junctionless with fin width of 30 nm presented Early voltage and intrinsic gain larger than 80 V and 57 dB, respectively, whereas FinFETs exhibited Early voltage of 35 V and gain of 50 dB. For all the studies performed in this work, the probable causes of the non-linearities were pointed out, from analytic models that could correlate the physical work of the devices with the experimental results.

Neste trabalho é apresentado um estudo do efeito da tensão mecânica uniaxial e biaxial no ruído de baixa frequência nos transistores SOI planares e tridimensionais (MuGFETs de porta tripla) com diferentes orientações cristalográficas, além de um estudo das características analógicas nos transistores planares e tipo MuGFET de porta tripla. Nos transistores planares, o estudo do ruído de baixa frequência demonstrou uma melhora para os transistores tensionados no regime de saturação, independente do comprimento de canal, entretanto para a região linear, a tensão mecânica somente reduziu o ruído para um comprimento de canal pequeno (160nm). Nas características analógicas, foi utilizado o recurso da simulação numérica bidimensional para obtenção dos resultados. Os resultados mostram que os transistores tensionados são capazes de promover um melhor desempenho na transcondutância, na ordem de um aumento no mínimo de 40% , indicando para comprimentos longos de canal (910 nm) uma aumento de 56% para tensão mecânica biaxial e o oposto para a uniaxial (45%) (160 nm): entretanto, na condutância de saída, a tensão mecânica de forma geral promove uma maior degradação, aumento de 3% para um transistor uniaxial e aumento de 105% para o transistor biaxial. No ganho intrínseco de tensão, mais uma vez os transistores tensionados melhoraram de desempenho: contudo, neste caso, melhor resultado foi para o transistor biaxial, chegando a 5 dB de ganho. Nos transistores de porta tripla, a análise do ruído foi realizada nos transistores tensionados e convencionais operando em saturação e, de forma geral, a tensão mecânica piora o ruído de baixa frequência em uma ordem de grandeza para o transistor estreito, ocorrendo apenas uma melhora quase imperceptível num transistor largo ou quase planar. Na análise do ruído para os transistores rotacionados para a região linear, apresentaram dependência 1/f, com o ruído governado pela flutuação do número de portadores associado à flutuação na mobilidade: a tensão mecânica piora o ruído, entretanto, adicionando a rotação do substrato, ocorre uma melhora do ruído devido à redução das armadilhas de interface, ocasionando numa melhor interface lateral. Para dispositivos largos, o plano de topo sofre um aumento da concentração das armadilhas, piorando a interface superior devido a rotação do substrato, resultando um pior ruído. Nas características analógicas, os transistores de MuGFETs de porta tripla com tensão mecânica e substrato rotacionado foram estudados, onde a rotação do substrato em 45º mais a presença da tensão mecânica promoveram uma piora nos resultados, principalmente na transcondutância, onde a piora variou de 45 % até 15 %, para um dispositivo estreito (20 nm ) e um largo (870 nm). / This work presents a study of the uniaxial and biaxial mechanical stress effect on low frequency noise in planar and three-dimensional SOI transistors (triple gate) with different crystal orientation, and an study of analog parameters in planar and for triple gate MuGFET. In planar transistor, the study of low frequency noise showed an improvement in low frequency noise for strained transistors in saturation regime, regardless of the channel length, however for the linear regime, the mechanical stress only reduced the noise in a small channel length (160nm). In the analog characteristics was used the feature of two-dimensional numerical simulation for the expansion of the results. The results shows that the strained transistors are capable to promoting a better performance in transconductance in a order at least 40%, indicating for a long channel lengths (910nm) an improvement of 56% in favor of biaxial stress and the opposite to uniaxial (45%) (160nm), however in the output conductance, the mechanical stress promotes higher degradation, ranging from 3% to uniaxial transistor and 105% for biaxial transistor. The intrinsic voltage gain, the strained transistors improved the performance, but in this case a best result was found for the biaxial strain reaching 5 dB. In triple gate transistors, the analysis of noise was performed on strained and conventional operating in saturation, and generally the worsening of mechanical stress on the low frequency noise in a order of magnitude for the marrow transistor, occurring only barely perceptible improvement seen in wider transistor or quasi-planar. The noise analysis for rotated transistors in linear region, showed a 1/f noise characteristic governed by the carrier number of fluctuations associated with fluctuations in mobility, the mechanical stress worsens the noise, however, by adding the substrate rotation occurs improves noise due to reduction of interface traps leading to a better sidewall interface. For larger devices the top plane suffer an increase of interface traps, worsening the top interface due to rotation of the substrate, causing a worse noise. In the analog characteristics, the triple gate MuGFETs transistors with mechanical stress and rotated substrate were studied, where the rotation of the substrate in 45º plus mechanical stress promoted a worsening of the results, particularly in the transconductance, where the worsening ranged from 45% up to 15% for a narrow device (20 nm) and a large (870 nm).