A elevada integração de transistores MOS em um único chip é tendência da indústria que investe cada vez mais na miniaturização de dispositivos e componentes semicondutores. Transistores MOS são blocos básicos para a construção de circuitos integrados de alto valor agregado, cujo desenvolvimento e fabricação não é viável na maioria dos países, inclusive no Brasil, já que sua modelagem em situações limítrofes não é disponibilizada por fabricantes globais, por razões estratégicas. Além de não integralmente descritos (não implementam efeitos adicionais relativos a condições físicas extremas), os modelos disponíveis utilizam adaptações estatísticas para o ajuste de curvas dos circuitos, perdendo a correlação com efeitos físicos, o que impossibilita adaptações/modificação das equações dos efeitos pré-modelados, induzindo a erros na extração de parâmetros e simulação de dispositivo quando fora da faixa modelada.
Um dos principais desafios para o domínio da tecnologia de Circuitos Integrados que operem em ambientes extremos é o desenvolvimento de ferramentas de simulação adequadas a cada ambiente de operação, sobretudo a temperaturas criogênicas, o que permite superar restrições de desempenho advindos da miniaturização de semicondutores e obter resultados dificilmente alcançáveis em temperatura ambiente. Em temperatura criogênica, os circuitos podem operar em velocidade mais elevada – já que há melhora nas propriedades de transporte – além de atingir aumento na mobilidade de portadores e nas velocidades de saturação.
A modelagem de transistores MOS a temperaturas criogênicas (77 K) foi o tema da tese de doutorado do Tenente-Coronel Aviador Lester de Abreu Faria, no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Eletrônica e Computação, na área de Dispositivos e Sistemas Eletrônicos do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), sob a orientação de Roberto D´Amore.
O trabalho de Faria, intitulado "Desenvolvimento de Modelos de Simulação para Transistores MOS a Temperaturas Criogênicas", obteve o 1º lugar no Terceiro Concurso de Teses de Doutorado e Dissertações de Mestrado da Sociedade Brasileira de Microeletrônica (SBMicro) / CEITEC S.A, na categoria "Tecnologia e Processo de Fabricação de Semicondutores". O estudo teve a colaboração do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) e do Programa de Pós-Graduação em Aplicações Operacionais (PPGAO) do ITA.
Lester desenvolveu duas ferramentas computacionais open-source – Simulation Tool in PYTHON (SimulPy) e Parameter Extraction Tool in PYTHON (PExPy) – baseadas no modelo EKV2.6 para a implementação de um método físico inovador de criação de bibliotecas de simulação, que apresentaram, respectivamente, erros relativos menores que 1,1 e 7,0%. A SimulPy permite não apenas a simulação dos transistores com uma ampla variedade de opções gráficas, mas também uma percepção das equações que são calculadas no background da simulação, possibilitando alterações nos modelos desenvolvidos. Já a PExPy, que funciona como um extrator de parâmetros de dispositivos semicondutores, gera uma biblioteca (netlist) com interface com SimulPy (ou com qualquer outro software comercial que utilize EKV2.6), permitindo simular os dispositivos desejados. “O SimulPy, na verdade, funciona como um módulo no núcleo do PExPy”, explica Lester.
O modelo EKV 2.6 foi gerado a partir de teste de três tecnologias e em seis situações distintas, tendo sido escolhido por tratar-se de um modelo escalável, compacto e eficaz em todas as regiões de funcionamento do transmissor, e por demandar o uso de apenas 18 parâmetros para modelagem do comportamento do transmissor. O trabalho adapta o modelo EKV 2.6 às condições de temperatura 77 K, sendo capaz de reproduzir o comportamento de dispositivos semicondutores a esta temperatura. “Um dos resultados do uso dessas duas ferramentas é a extração de bibliotecas criogênicas para transistores grandes, com dimensões do canal acima de 10λ”, sublinha Lester.
Em seu trabalho, ele também ampliou o modelo de transistores grandes para incluir efeitos de canal curto – atributo que não está presente no modelo EKV2.6 a temperaturas criogênicas –, utilizando novas equações que adaptam esse modelo para o funcionamento a tais temperaturas para um amplo espectro de geometrias e dimensões.
Para simplificar a representação do comportamento criogênico, o trabalho propõe uma única equação para corrigir o efeito do canal curto em relação à transcondutância variável. Uma segunda equação acrescenta ao modelo a resistência em série decorrente das estruturas LDD (Low dopped drain), efeito ainda não modelado no EKV tradicional. Essa modificações favorecem a implementação de uma macrocélula SPICE que torna as diferenças de comportamento criogênico transparentes ao usuário, permitindo o seu uso em ferramentas de código fechado SPICE-like e facilitando assim o projeto de circuitos integrados mistos.
A ideia do projeto de pesquisa de doutorado surgiu quando ele desenvolvia um dispositivo de imagiamento infravermelho para operar a temperaturas criogênicas. “Estas lacuna motivou a pesquisa de métodos para levantamento de parâmetros com modelos disponíveis na literatura, bem como a proposta de aprimoramento em um dos modelos disponíveis, o EKV2.6, para uma melhor modelagem dos dispositivos”, disse.
“O método atualiza e melhora os modelos existentes, não demandando a utilização de aproximações estatísticas e utilizando um número mínimo de medidas e arranjos experimentais”, diz.
Notícia relacionada: Instrutor do ITA recebe o prêmio de melhor tese de doutorado em Microeletrônica (set/2015)