Modelo do descasamento (mismatch) entre transistores MOS

Abstract

Diversos modelos teóricos para o descasamento entre dispositivos na tecnologia MOS foram propostos desde a década de ’80, sendo que geralmente estes pecam ou pela simplicidade, sendo válidos apenas sob condições de operação específicas, ou por resultarem em expressões muito complexas, o que torna necessário o uso de pesados recursos computacionais. Esta tese propõe uma abordagem inovadora para a modelagem do descasamento dos transistores de efeito de campo de porta isolada (MOSFETs), chegando a resultados melhores e mais abrangentes que outras propostas já publicadas. Para tanto, as variações microscópicas na corrente que flui pelo dispositivo, resultado das flutuações na concentração de dopantes na região ativa, são contabilizadas levando-se em conta a natureza não-linear do transistor. O resultado é um modelo compacto que prevê o descasamento com grande exatidão e de forma contínua, em todas as condições de operação do transistor, da inversão fraca à forte, e da região linear à saturação, necessitando apenas dois parâmetros de ajuste. Duas versões de circuitos de teste foram desenvolvidas e implementadas em diversas tecnologias, como forma de se obter suporte experimental para o modelo. A versão mais avançada possibilita a caracterização elétrica, de forma totalmente automática, de um grande número de dispositivos. O uso deste modelo substitui com vantagens a tradicional simulação Monte Carlo, que exige grandes recursos computacionais e consome muito tempo, além de oferecer uma excelente ferramenta de projeto manual, como é demonstrado através do desenvolvimento de um conversor digitalanalógico, cujo resultado experimental corroborou a metodologia empregada.

Many mismatch models were proposed for the MOS devices since the ‘80s, but they use either too simple approaches, being restricted to specific operating conditions, or too complex expressions, only useful through hard computational resources. This thesis proposes a new approach for MOSFETs mismatch modeling, presenting better and more general results than that found in preceding articles. In this approach, the microscopic variations of the drain current, caused by random doping fluctuation inside the channel region, are integrated along the channel, considering the main transistor nonlinearities. It results in a compact model that accurately predicts mismatch, continuously over any transistor operating condition, from weak to strong inversion, and from linear to saturation region, and only needing two fitting parameters. Two versions of a test chip were developed and fabricated in many technologies to give experimental support to this model. The most advanced of them makes the automated electrical characterization possible for a huge number of devices. This model can surpass the traditional Monte Carlo simulation method with advantages, and can also be used as a hand-design tool, as demonstrated here through the design of a digital-to-analog converter.