Nesta dissertação é apresentado o estudo da célula SRAM estática de 6 transistores, com tecnologia CMOS, sendo utilizada em ambiente exposto à radiação. Foi verificado, através de simulação com o Hspice (HSPICE, 2009; KIME, 1998) e com a análise de Monte Carlo, o seu comportamento com relação à dose de ionização total (Total Ionization Dose, TID), a qual altera a tensão de limiar (threshold voltage, Vth) e a corrente de fuga, não sendo utilizada nenhuma técnica de fabricação especial para tolerância à radiação. Na simulação foi observado o comportamento da célula com relação ao tempo de atraso de escrita, à margem de ruído de leitura e ao consumo de energia. As simulações incluem as tecnologias de 130nm e 350nm sendo, portanto, possível comparar os efeitos de radiação citados em ambas, para verificar qual é a mais naturalmente resistente a radiação, verificando se está coerente com resultados divulgados na literatura. Para simular o efeito de dose, altera-se a tensão de limiar (threshold voltage, Vth) com a análise de Monte Carlo e, para a corrente de fuga, adiciona-se uma fonte de corrente entre o dreno e fonte de cada transistor. Os valores de Vth e corrente de fuga foram obtidos nas referências (HAUGERUD, 2005) para a tecnologia 130nm e (LACOE, 1998) para a tecnologia 350 nm. As simulações mostram que o comportamento foi coerente com resultados já conhecidos, em que a tecnologia mais antiga (350nm) tem alterações mais significativas do que a tecnologia mais atual, em relação à TID. / This work presents the study of the static RAM (SRAM) cell with 6 transistor, using CMOS technology, under radiation environment. The electrical behavior of the cell is evaluated using SPICE simulation (HSPICE, 2009; KIME, 1998) and applying Monte Carlo analysis. The effect of total ionization dose is analyzed through the modeling of threshold voltage shifts and leakage currents. The case study processes of this work do not use any special fabrication steps to make the circuit tolerant to radiation. The behavior of the cell related to write propagation time, read noise margin and energy consumption is evaluated through scripts written to support the simulation campaign. The simulations were performed for both 130nm and 350nm technologies, making possible to compare which one is more resistant to radiation. To further explore the dose effect in the case where the radiation does not affect all transistors in exactly the same way, the threshold voltage (Vth) of the transistors is varied randomly in the Monte Carlo analysis. To consider the leakage current, it is added a current source between drain and source of each transistor. The values of Vth and leakage current were obtained in reference (HAUGERUD, 2005) for the 130nm and in reference (LACOE, 1998) for the 350nm technology. The simulations show that the behavior was consistent with results already known, in which the older technology (350nm) is more significant changes then the most current technology, for the TID.

Esse trabalho de mestrado teve como estudo o transistor Túnel-FET (TFET) fabricado em estrutura de nanofio de silício. Este estudo foi feito de forma teórica (simulação numérica) e experimental. Foram estudadas as principais características digitais e analógicas do dispositivo e seu potencial para uso em circuitos integrados avançados para a próxima década. A análise foi feita através da extração experimental e estudo dos principais parâmetros do dispositivo, tais como inclinação de sublimiar, transcondutância (gm), condutância de saída (gd), ganho intrínseco de tensão (AV) e eficiência do transistor. As medidas experimentais foram comparadas com os resultados obtidos pela simulação. Através do uso de diferentes parâmetros de ajuste e modelos de simulação, justificou-se o comportamento do dispositivo observado experimentalmente. Durante a execução deste trabalho estudou-se a influência da escolha do material de fonte no desempenho do dispositivo, bem como o impacto do diâmetro do nanofio nos principais parâmetros analógicos do transistor. Os dispositivos compostos por fonte de SiGe apresentaram valores maiores de gm e gd do que aqueles compostos por fonte de silício. A diferença percentual entre os valores de transcondutância para os diferentes materiais de fonte variou de 43% a 96%, sendo dependente do método utilizado para comparação, e a diferença percentual entre os valores de condutância de saída variou de 38% a 91%. Observou-se também uma degradação no valor de AV com a redução do diâmetro do nanofio. O ganho calculado a partir das medidas experimentais para o dispositivo com diâmetro de 50 nm é aproximadamente 45% menor do que o correspondente ao diâmetro de 110 nm. Adicionalmente estudou-se o impacto do diâmetro considerando diferentes polarizações de porta (VG) e concluiu-se que os TFETs apresentam melhor desempenho para baixos valores de VG (houve uma redução de aproximadamente 88% no valor de AV com o aumento da tensão de porta de 1,25 V para 1,9 V). A sobreposição entre porta e fonte e o perfil de dopantes na junção de tunelamento também foram analisados a fim de compreender qual combinação dessas características resultariam em um melhor desempenho do dispositivo. Observou-se que os melhores resultados estavam associados a um alinhamento entre o eletrodo de porta e a junção entre fonte e canal e a um perfil abrupto de dopantes na junção. Por fim comparou-se a tecnologia MOS com o TFET, obtendo-se como resultado um maior valor de AV (maior do que 40 dB) para o TFET. / This Master thesis focused in the study of the NW-TFET. The study was performed either by simulation as by experimental measurements. The main digital and analog characteristics of the device and its potential for use in advanced integrated circuits for the next decade were studied. The analysis was performed by extracting and studying the devices main parameters, such as subthreshold swing, transconductance (gm), output conductance (gd), intrinsic voltage gain (AV) and transistor efficiency. The experimental measurements were compared with the results obtained by simulation. Utilizing different simulation fitting parameters and models, the device behavior (observed in the experimental measurements) was understood and explained. During the execution of this work, either the influence of the source material on the device performance, as the impact of the nanowire diameter on the transistor main analog parameters, were studied. The devices with SiGe source presented higher values of gm and gd than those with silicon source. The percentual difference among the values of transconductance for the different source materials varied from 43% to 96%, being dependent on the method utilized for the comparison, and the percentual difference among the values of output conductance varied from 38% to 91%. A degradation of AV was also observed with the nanowire diameter reduction. The gain calculated from the experimental measurements for the device with 50 nm of diameter is approximately 57% lower than the gain corresponding to the diameter of 110 nm. Furthermore, the impact of the diameter considering different gate biases (VG) was analysed. It was concluded that TFETs show improved performance for lower values of VG (a reduction of approximately 88% of AV was observed for an increase of the gate voltage from 1.25 V to 1.9 V). The gate/source overlap length and the dopant profile at the tunneling junction were also analyzed in order to understand which combination of this features would result in a better performance of the device. It was observed that the best results were related to an alignment between the gate electrode and the source/channel junction and to an abrupt dopant profile at the junction. Finally, the MOS technology was compared with TFET, resulting in a higher AV (higher than 40 dB) for the TFET.

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O projeto e o desenvolvimento de circuitos integrados é um dos mais importantes e aquecidos segmentos da indústria eletrônica da atualidade. Neste cenário, ferramentas de automação têm possibilitado aos projetistas manipular uma elevada quantidade de transistores em circuitos cada vez mais complexos, diminuindo, assim, o tempo de projeto. Em especial, ferramentas de síntese lógica têm contribuído significativamente para reduzir o ciclo de desenvolvimento. Na metodologia de projeto full-custom, cada bloco funcional tem sua geração realizada de forma manual, desde a implementação das redes de transistores até a geração do leiaute. Entretanto, esta tarefa é extremamente custosa em tempo de projeto. Neste contexto, torna-se confortável ter a disposição algoritmos dedicados para derivar redes de transistores automaticamente. Diversos tipos de arranjos de transistores são encontrados na literatura. Estas diferentes redes de transistores apresentam diferentes comportamentos em termos de consumo de área, consumo de potência e velocidade. Desta forma, não apenas a geração automática de redes de transistores é importante, mas também técnicas automatizadas para avaliar e comparar estas distintas redes de chaves é de fundamental importância para guiar o projetista que deseja alcançar implementações de circuitos eficientes. Estas avaliações não precisam ser necessariamente processos custosos de caracterização elétrica. Elas podem ser realizadas através de estimativas capazes de fornecer informações acuradas sobre o comportamento das redes. Esta idéia pode ser utilizada por projetistas que desejam gerar e avaliar potenciais soluções em redes de transistores para alimentar fluxos standard-cell (utilizando bibliotecas de células), ou por aqueles que utilizam a abordagem de mapeamento tecnológico library-free (fazendo uso de geradores de células). Neste contexto, este trabalho apresenta um gerador automático de redes de transistores capaz de fornecer diferentes tipos de redes em diversos estilos lógicos. Para comparar as redes geradas, algumas técnicas de estimativa são empregadas. Comparações são realizadas sobre conjuntos distintos de funções Booleanas, demonstrando as vantagens da utilização de lógicas alternativas em relação ao difundido padrão CMOS. / Currently, VLSI design has established a dominant role in the electronics industry. Automated tools have enabled designers to manipulate more transistors on a design project and shorten the design cycle. In particular, logic synthesis tools have contributed significantly to reduce the design cycle time. In full-custom designs, manual generation of transistor netlists for each functional block is performed, but this is an extremely time-consuming task. In this sense, it becomes comfortable to have efficient algorithms to derive transistor networks automatically. There are several kinds of transistor networks arrangements. These different networks present different behaviors in terms of area, delay and power consumption. Thus, not only automatic transistor networks generation is important, but also an automated technique to evaluate and to compare the distinct switch networks is fundamental to guide designers that need to achieve efficient circuit implementations. This evaluation not necessarily needs to be an expensive electrical characterization process. It can be obtained through estimation processes capable of delivering good information about the logic cells behavior. This idea is useful for those designers that desire to generate and to evaluate potential transistor network implementations to feed standard-cell flow designs (using cell libraries), or for those designers who target the use of library-free technology mapping concept (using automatic cells generators). In this context, this work presents an automated transistor network generator able to delivery different kinds of networks in several logic styles. In order to compare the obtained networks, some estimation techniques are employed. A comparison is done over a set of Boolean function benchmarks, showing the advantages of using alternative logic styles over the traditional Complementary Series-Parallel CMOS (CSP CMOS).

Neste trabalho, são discutidas as características de transistores de filmes finos (TFTs) nos quais nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) são empregadas como material ativo na camada semicondutora. O crescimento contínuo do interesse por este componente está associado à busca pelo desenvolvimento da tecnologia de dispositivos eletrônicos flexíveis, transparentes e de baixo custo. TFTs integrados com nanopartículas de ZnO são apresentados, e uma extensa rotina de caracterização elétrica transiente é realizada para avaliar como estes dispositivos se comportam e degradam ao longo do tempo. Foram medidas, ao total, 80 amostras de transistores integrados em duas configurações distintas: inverted staggered e inverted coplanar. A partir das medidas analisadas foram identificados dois grupos de comportamentos elétricos dominantes, os quais foram classificados em: efeitos abruptos e efeitos de memória. A partir dos dados coletados, foram formuladas hipóteses para modelar o comportamento típico observado. Para tanto, utiliza-se dos mecanismos de atividade de traps, de interação da camada semicondutora com o meio ambiente, de polarização de dipolos e difusão de cargas móveis no dielétrico, de formação de caminhos percolados paralelos pelas nanopartículas e de difusão de vacâncias de oxigênio e íons metálicos que podem estar associados ao comportamento elétrico observado. / In this work, the characteristics of thin-film transistors (TFTs) employing nanoparticulated zinc oxide (ZnO) as the active semiconductor channel layer are discussed. The growing interest in this component is associated to the development of low-cost, flexible and transparent electronic devices. The TFTs integrated with ZnO nanoparticles are presented and an extensive transient electrical characterization campaign was performed in order to evaluate how these devices behave and degrade over time. The measurement was performed for 80 samples of two different integration setups: inverted staggered and inverted coplanar. In the performed tests two main disturbances were identified, which were classified as abrupt and memory effects. From the collected data, hypothesis to model the observed typical behavior are formulated. Trapping activity, ambient interaction, dielectric dipoles, mobile charges, formed parallel-paths, oxygen vacancies and metallic ions diffusion are mechanisms that may be associated to the observed behavior.

Nesta dissertação é apresentado o estudo dos transistores de porta flutuante (Floating Gate Transistor - FG Transistor), sua modelagem, e a análise do efeito da dose de ionização total (Total Ionizing Dose- TID) sobre os transistores FG. Para isto foi procurado e implementado um modelo de simulação elétrica do transistor FG em condições de leitura (análise DC), baseado no cálculo quantitativo da tensão na porta flutuante em função das tensões nos terminais do transistor, no valor de carga armazenado na porta flutuante e nos coeficientes de acoplamento capacitivo que apresentam este tipo de dispositivos. Para a análise do efeito TID, a tensão limiar do transistor MOS foi variada usando o método de simulação Monte Carlo, tendo em conta as variações da tensão limiar que apresentam os transistores FG submetidos na radiação ionizante. O estudo obteve como resultado a confirmação da perda de carga do FG à medida que é incrementada a dose de radiação, o que implica uma alteração na característica de retenção de carga que caracteriza as células de memórias não voláteis (Non Volatile Memory - NVM). / In this dissertation work, a study of the the floating gate Transistor (FG transistor) performed. The focus in the electrical modeling, and the analysis of the impact of the Total Ionizing Dose (TID) on the electrical performance of the device. Aiming electrical level simulation, different electric simulation models for the FG transistor in read conditions (DC analysis) were evaluated and the model best suited for implementation into the simulation tool was selected. The selected model is based on Floating Gate voltage calculation as a function of polarization voltage of the FG transistor terminals, the stored charge value in the Floating Gate and the capacitive coupling coefficient presented by this device. For the TID analysis the threshold voltage of the MOS transistor was shifted by means of a Monte Carlo simulation method, considering the threshold voltage variations when the FG transistor is subjected to the ionizing radiation.The analysis lead to the confirmation that the loss charge stored in the FG increases with the radiation dose, affecting the retention characteristics of the memory cells.

As estruturas metal-óxido-semicondutor (MOS) são o coração dos transistores de efeito de campo. O estudo e caracterização físico-química desses dispositivos foram a chave para o avanço da tecnologia do Si na indústria microeletrônica. Hoje, a ciência busca novos materiais para a produção de dispositivos de alta mobilidade. Um dos materiais visados é o Ge, pois apresenta mobilidade de cargas superior ao Si (duas vezes para elétrons e quatro vezes para lacunas). Porém, a interface Ge/GeO2 é de natureza reativa, limitando seu uso na construção de tais dispositivos. Muitos esforços têm sido feitos para superar as limitações. Entre eles, encontram-se a passivação da superfície do Ge a partir de solução aquosa de (NH4)2S, previamente a deposição do dielétrico. Outra etapa do processamento desse material na indústria a ser investigada são os tratamentos térmicos posteriores à deposição: a caracterização de estruturas MOS de Pt/HfO2/Ge submetidas a tratamentos térmicos levaram a melhoria das propriedades elétricas. Nesse sentido, o trabalho tem como objetivos investigar o papel da passivação sulfídrica em estruturas dielétrico/Ge e a influência do eletrodo de Pt nas estruturas Pt/HfO2/Ge quando submetidas a tratamentos térmicos. / The heart of field effect transistors is the metal-oxide-semiconductor (MOS) structure. Physico-chemical characterization of the materials employed in such structures enabled the development of Si technology. Nowadays, in order to build high mobility devices, new material are needed. Ge is an alternative material, since its carrier mobilities are higher than those of Si (almost two times for electrons and four times higher for holes). However, the GeO2/Ge interface is not thermally stable, which is a problem for its use on electronic devices. Many attempts to enhance this stability were already investigated. Among them, sulfur passivation of the Ge surface was employed using (NH4)2S aqueous solution prior to the deposition of dielectric layers. Another important step in the fabrication of MOS structures is post-deposition annealing. Pt/HfO2/Ge MOS structures presented improved electrical characteristics following post deposition annealing. The main objectives of this work are to investigate the role of sulfur passivation on dielectric/Ge structures and the influence of Pt electrode in Pt/HfO2/Ge structures submitted to post deposition annealing.

Nesta dissertação é apresentado o estudo da célula SRAM estática de 6 transistores, com tecnologia CMOS, sendo utilizada em ambiente exposto à radiação. Foi verificado, através de simulação com o Hspice (HSPICE, 2009; KIME, 1998) e com a análise de Monte Carlo, o seu comportamento com relação à dose de ionização total (Total Ionization Dose, TID), a qual altera a tensão de limiar (threshold voltage, Vth) e a corrente de fuga, não sendo utilizada nenhuma técnica de fabricação especial para tolerância à radiação. Na simulação foi observado o comportamento da célula com relação ao tempo de atraso de escrita, à margem de ruído de leitura e ao consumo de energia. As simulações incluem as tecnologias de 130nm e 350nm sendo, portanto, possível comparar os efeitos de radiação citados em ambas, para verificar qual é a mais naturalmente resistente a radiação, verificando se está coerente com resultados divulgados na literatura. Para simular o efeito de dose, altera-se a tensão de limiar (threshold voltage, Vth) com a análise de Monte Carlo e, para a corrente de fuga, adiciona-se uma fonte de corrente entre o dreno e fonte de cada transistor. Os valores de Vth e corrente de fuga foram obtidos nas referências (HAUGERUD, 2005) para a tecnologia 130nm e (LACOE, 1998) para a tecnologia 350 nm. As simulações mostram que o comportamento foi coerente com resultados já conhecidos, em que a tecnologia mais antiga (350nm) tem alterações mais significativas do que a tecnologia mais atual, em relação à TID. / This work presents the study of the static RAM (SRAM) cell with 6 transistor, using CMOS technology, under radiation environment. The electrical behavior of the cell is evaluated using SPICE simulation (HSPICE, 2009; KIME, 1998) and applying Monte Carlo analysis. The effect of total ionization dose is analyzed through the modeling of threshold voltage shifts and leakage currents. The case study processes of this work do not use any special fabrication steps to make the circuit tolerant to radiation. The behavior of the cell related to write propagation time, read noise margin and energy consumption is evaluated through scripts written to support the simulation campaign. The simulations were performed for both 130nm and 350nm technologies, making possible to compare which one is more resistant to radiation. To further explore the dose effect in the case where the radiation does not affect all transistors in exactly the same way, the threshold voltage (Vth) of the transistors is varied randomly in the Monte Carlo analysis. To consider the leakage current, it is added a current source between drain and source of each transistor. The values of Vth and leakage current were obtained in reference (HAUGERUD, 2005) for the 130nm and in reference (LACOE, 1998) for the 350nm technology. The simulations show that the behavior was consistent with results already known, in which the older technology (350nm) is more significant changes then the most current technology, for the TID.

O projeto e o desenvolvimento de circuitos integrados é um dos mais importantes e aquecidos segmentos da indústria eletrônica da atualidade. Neste cenário, ferramentas de automação têm possibilitado aos projetistas manipular uma elevada quantidade de transistores em circuitos cada vez mais complexos, diminuindo, assim, o tempo de projeto. Em especial, ferramentas de síntese lógica têm contribuído significativamente para reduzir o ciclo de desenvolvimento. Na metodologia de projeto full-custom, cada bloco funcional tem sua geração realizada de forma manual, desde a implementação das redes de transistores até a geração do leiaute. Entretanto, esta tarefa é extremamente custosa em tempo de projeto. Neste contexto, torna-se confortável ter a disposição algoritmos dedicados para derivar redes de transistores automaticamente. Diversos tipos de arranjos de transistores são encontrados na literatura. Estas diferentes redes de transistores apresentam diferentes comportamentos em termos de consumo de área, consumo de potência e velocidade. Desta forma, não apenas a geração automática de redes de transistores é importante, mas também técnicas automatizadas para avaliar e comparar estas distintas redes de chaves é de fundamental importância para guiar o projetista que deseja alcançar implementações de circuitos eficientes. Estas avaliações não precisam ser necessariamente processos custosos de caracterização elétrica. Elas podem ser realizadas através de estimativas capazes de fornecer informações acuradas sobre o comportamento das redes. Esta idéia pode ser utilizada por projetistas que desejam gerar e avaliar potenciais soluções em redes de transistores para alimentar fluxos standard-cell (utilizando bibliotecas de células), ou por aqueles que utilizam a abordagem de mapeamento tecnológico library-free (fazendo uso de geradores de células). Neste contexto, este trabalho apresenta um gerador automático de redes de transistores capaz de fornecer diferentes tipos de redes em diversos estilos lógicos. Para comparar as redes geradas, algumas técnicas de estimativa são empregadas. Comparações são realizadas sobre conjuntos distintos de funções Booleanas, demonstrando as vantagens da utilização de lógicas alternativas em relação ao difundido padrão CMOS. / Currently, VLSI design has established a dominant role in the electronics industry. Automated tools have enabled designers to manipulate more transistors on a design project and shorten the design cycle. In particular, logic synthesis tools have contributed significantly to reduce the design cycle time. In full-custom designs, manual generation of transistor netlists for each functional block is performed, but this is an extremely time-consuming task. In this sense, it becomes comfortable to have efficient algorithms to derive transistor networks automatically. There are several kinds of transistor networks arrangements. These different networks present different behaviors in terms of area, delay and power consumption. Thus, not only automatic transistor networks generation is important, but also an automated technique to evaluate and to compare the distinct switch networks is fundamental to guide designers that need to achieve efficient circuit implementations. This evaluation not necessarily needs to be an expensive electrical characterization process. It can be obtained through estimation processes capable of delivering good information about the logic cells behavior. This idea is useful for those designers that desire to generate and to evaluate potential transistor network implementations to feed standard-cell flow designs (using cell libraries), or for those designers who target the use of library-free technology mapping concept (using automatic cells generators). In this context, this work presents an automated transistor network generator able to delivery different kinds of networks in several logic styles. In order to compare the obtained networks, some estimation techniques are employed. A comparison is done over a set of Boolean function benchmarks, showing the advantages of using alternative logic styles over the traditional Complementary Series-Parallel CMOS (CSP CMOS).

Nesta dissertação é apresentado o estudo dos transistores de porta flutuante (Floating Gate Transistor - FG Transistor), sua modelagem, e a análise do efeito da dose de ionização total (Total Ionizing Dose- TID) sobre os transistores FG. Para isto foi procurado e implementado um modelo de simulação elétrica do transistor FG em condições de leitura (análise DC), baseado no cálculo quantitativo da tensão na porta flutuante em função das tensões nos terminais do transistor, no valor de carga armazenado na porta flutuante e nos coeficientes de acoplamento capacitivo que apresentam este tipo de dispositivos. Para a análise do efeito TID, a tensão limiar do transistor MOS foi variada usando o método de simulação Monte Carlo, tendo em conta as variações da tensão limiar que apresentam os transistores FG submetidos na radiação ionizante. O estudo obteve como resultado a confirmação da perda de carga do FG à medida que é incrementada a dose de radiação, o que implica uma alteração na característica de retenção de carga que caracteriza as células de memórias não voláteis (Non Volatile Memory - NVM). / In this dissertation work, a study of the the floating gate Transistor (FG transistor) performed. The focus in the electrical modeling, and the analysis of the impact of the Total Ionizing Dose (TID) on the electrical performance of the device. Aiming electrical level simulation, different electric simulation models for the FG transistor in read conditions (DC analysis) were evaluated and the model best suited for implementation into the simulation tool was selected. The selected model is based on Floating Gate voltage calculation as a function of polarization voltage of the FG transistor terminals, the stored charge value in the Floating Gate and the capacitive coupling coefficient presented by this device. For the TID analysis the threshold voltage of the MOS transistor was shifted by means of a Monte Carlo simulation method, considering the threshold voltage variations when the FG transistor is subjected to the ionizing radiation.The analysis lead to the confirmation that the loss charge stored in the FG increases with the radiation dose, affecting the retention characteristics of the memory cells.