Devido às dimensões cada vez mais reduzidas dos transistores e a utilização de novos materiais com baixa condutividade térmica, o desempenho de transistores avançados é afetado pelo autoaquecimento. Dispositivos sob os efeitos de autoaquecimento sofrem um aumento da sua temperatura, fazendo com que a mobilidade seja reduzida, além de comprometer a confiabilidade e gerar atrasos de sinal, trazendo impactos na eficiência de circuitos analógicos, bem como afetando o desempenho de circuitos digitais. Apesar da relevância do fenômeno, muitos estudos não o levam em consideração devido à dificuldade de sua verificação, uma vez que os métodos utilizados para transistores avançados requerem estruturas ou equipamentos especiais, que são raramente disponíveis. Dessa forma, três novas técnicas são desenvolvidas neste trabalho com o objetivo de viabilizar o estudo do efeito utilizando estruturas convencionais e medidas em corrente contínua: (i) a condutância de saída média; (ii) o método da assinatura na eficiência do transistor; (iii) a estimativa da resistência térmica utilizando somente medidas em corrente contínua. Os dois primeiros métodos são focados em uma análise qualitativa do autoaquecimento, permitindo uma verificação preliminar eficiente da presença e relevância do efeito, enquanto o terceiro método permite a extração da resistência térmica a partir do inverso da eficiência do transistor utilizando um processo iterativo, consequentemente possibilitando a obtenção do aumento da temperatura do canal devido ao autoaquecimento, com boa precisão e maior simplicidade em relação aos métodos disponíveis na literatura (com erro máximo menor que 6% para transistores de múltiplas portas em relação ao método de medidas pulsadas). Com essas técnicas, são feitas comparações da elevação de temperatura do canal entre transistores de múltiplas portas (também chamados de FinFET ou transistores 3D) e transistores de silício sobre isolante com camada de silício e óxido enterrado extremamente finos (SOI UTBB), usando simulações tridimensionais para obter condições similares de potência. Em dispositivos com menores comprimentos de canal, os FinFETs apresentaram temperaturas cerca de 60 K acima dos UTBBs. / Due to the reduction of devices\' dimensions and the use of new materials with low thermal conductivity, self-heating affects the performances of advanced transistors. Devices under self-heating effects suffer an increase of their temperature, causing mobility reduction, besides compromising reliability and generating signal delays, bringing impacts to the efficiency of analog circuits, and affecting the performance of digital circuits. Despite the relevance of the phenomenon, many studies do not consider it, given the difficulty to assess it, since the methods used for advanced transistors require special structures or equipment, which are rarely available. Hence, three new techniques are developed in this work, with the objective of permitting the study of the effect utilizing conventional structures and direct current measurements: (i) the mean output conductance method; (ii) the signature in the transistor efficiency method; (iii) the thermal resistance estimative using only direct current measurements. The first two methods are focused on a qualitative analysis of the self-heating, allowing an efficient preliminary verification of the presence and relevance of the effect, while the last allows the extraction of the thermal resistance from the inverse of the transistor efficiency through an iterative process, consequently making it possible to obtain the temperature rise in the channel due to the self-heating with a good precision and greater simplicity when compared to other methods available in the literature (with maximum error smaller than 6% for multiple gate transistors when compared to the pulsed method). With these techniques, comparisons between multiple gate transistors (also known as FinFET or 3D transistors) and silicon-on-oxide with ultra-thin body and buried oxide (SOI UTBB) are performed, utilizing three-dimensional simulations to obtain similar power conditions. In devices with smaller channel length, FinFETs presented temperatures approximately 60 K above the UTBBs.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-04052018-103903 |
| Date | 09 February 2018 |
| Creators | Mori, Carlos Augusto Bergfeld |
| Contributors | Agopian, Paula Ghedini Der, Martino, João Antonio |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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