Engenharia Elétrica
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Dissertação Simulação e caracterização elétrica de diodos de ultra baixa potência implementados em tecnologia SOI(2013) Mora, L. P.Os dispositivos SOI CMOS estão entre os transistores planares de melhor desempenho, graças à presença de uma camada de óxido enterrado abaixo da região ativa da lâmina, que minimiza os efeitos causados pela redução das dimensões (escalamento), aumenta a densidade de integração em lâminas de silício propiciando um menor custo de fabricação e permite uma menor capacitância parasitária associada aos dispositivos, que resulta na redução de dissipação de potência. Devido ao princípio construtivo da tecnologia SOI, é possível obter baixo consumo de potência, sem comprometer o funcionamento do dispositivo, pois o mesmo garante a manutenção da corrente direta enquanto diminui a corrente reversa e corrente de fuga, em comparação à tecnologia MOS. Nesta tecnologia, é possível implementar diodos de ultra baixa potência (Ultra Low Power – ULP). O diodo ULP consiste em uma associação série de transistores SOI, um nMOS com o dreno conectado à porta de um pMOS, e este último com a porta conectada à fonte do nMOS. Este trabalho tem como objetivo realizar a simulação e caracterização elétrica de diodos implementados utilizando transistores construídos em tecnologia SOI, sejam eles diodos MOS padrão ou diodos de ultra baixa potência. Ao longo do trabalho foram estudados diodos com diferentes concentrações de dopantes e, consequentemente, com diferentes tensões de limiar. Foram utilizados como figura de mérito, a corrente direta e reversa, relação entre correntes de condução e desligamento (ION/IOFF), e inclinação de sublimiar para avaliar o comportamento elétrico dos diodos ULP, obtidos através da combinação de transistores implementados na tecnologia de fabricação da Universidade Católica de Louvain (UCL). Verificou-se que os transistores que compõem o diodo ULP atuam de diferentes formas, sendo o nMOS responsável pela condução em corrente direta e o pMOS responsável pela condução em corrente de fuga/reversa, e que a tensão de limiar do dispositivo ULP é próxima a do transistor nMOS. Em comparação ao MOS convencional, o diodo ULP possui menor corrente de condução e menor corrente de desligamento, o que influencia diretamente no consumo de potência. Observou-se também que, existem casos em que o diodo ULP se comporta como um MOS convencional, situação esta indesejável, visto que o comportamento do dispositivo é o mesmo de um diodo composto por um único transistor com porta e dreno curto-circuitados, porém com a desvantagem de ocupar um maior espaço dentro da lâmina de silício. Isto ocorre, para valores de tensão de limiar do transistor nMOS muito altos e também para valores de tensão de limiar para transistor pMOS muito baixos.- Estudo de diodos PIN fabricados em substratos SOI operando como células solares(2018) Silva, F. O. S.O trabalho apresentado demonstra o uso de diodos PIN fabricados no substrato de lâminas de tecnologia SOI, operando como células solares, visando à conversão de energia solar em eletricidade. A implementação de tais dispositivos no substrato das lâminas tem como objetivo a construção de sistemas autônomos, em que os diodos PIN possam prover energia suficiente para os circuitos na parte ativa da lâmina. O foco da pesquisa atual sobre o dispositivo acima mencionado consiste na relação do comprimento de sua região com dopagem intrínseca com os resultados em termos de rendimento e fator de forma, dados fundamentais na caracterização de uma célula solar. A célula apresentada aqui demonstra resultados com rendimento variando entre 7 e 8% e fator de forma com média da ordem de 80%. A princípio foram utilizados dispositivos PIN sem porta e foram feitas simulações com a ferramenta Sentaurus com fonte de luz monocromática e um espectro solar completo em seguida. Na sequência, foi implementada uma porta à estrutura do dispositivo e aplicada, a esta, diferentes polarizações (0 e 5 V) para comparar seus resultados aos dos dispositivos sem porta. Por fim, foram consideradas diferentes temperaturas de operação, visando obter resultados mais próximos das situações reais de funcionamento.
- Projeto e caracterização de diodos PIn laterais-topologias, características e proposta de uma nova configuração(2017) Novo, C.A exploração científica e tecnológica no campo da óptica é atualmente limitada pela capacidade de detecção do sensor utilizado. Basicamente, estes fotodetectores são compostos por elementos sensíveis à radiação eletromagnética, que deveriam converter, com grande eficiência, um sinal óptico em um sinal elétrico. Entretanto, ainda existem lacunas de conhecimento no que diz respeito ao funcionamento dos detectores ópticos. Este trabalho consiste na análise profunda das características dos diodos PIN de silício em diferentes tecnologias, os quais são largamente utilizados como detectores ópticos em escala comercial pela indústria de semicondutores. Os diodos PIN laterais são compostos por uma região P+ e uma região N+, intercaladas por uma região intrínseca e são utilizados principalmente em sistemas de imagem em geral, sistemas de comunicações ópticas e sistemas para aplicações especiais, tais como indústria médica, indústria do meio ambiente, indústria de petróleo e gás, indústria de segurança, indústria automotiva, indústria espacial e bélica, entre outras. Além disso, também podem ser utilizados para determinar o comprimento de onda e a intensidade da radiação eletromagnética incidente em um sistema óptico. Para o bom uso nessas aplicações, é importante a análise mais profunda dos detectores de radiação eletromagnética PIN, operando em ambientes hostis, tais como temperaturas extremas e a utilização de terminais de controle para melhorar o seu desempenho. O foco deste trabalho é a análise da eficiência quântica, responsividade e relação sinal-ruído dos detectores sujeitos à variação de tecnologias de fabricação. Para que isto seja possível, alguns fotodiodos foram desenvolvidos integralmente para este trabalho, desde a elaboração do leiaute, até a sua fabricação e caracterização experimental através da emissão óptica de LEDs (Light Emiting Diodes), utilizando um microespectômetro que opera na faixa de 350 a 800nm. A análise foi dividida pelo tipo de aplicação requerida, já que o processo tecnológico envolvido é diferente para cada aplicação. Para os sensores de imagem foi demonstrado que a maior responsividade alcançada foi de 0,45 A/W para o vermelho e 0,035 A/W para o azul em temperatura ambiente. Já em altas temperaturas (T=500K), o dispositivo atingiu 0,77 e 0,052 A/W para o vermelho e azul, respectivamente. Já para o caso de aplicações especiais, a utilização da tecnologia SOI (Silicon On Insulator) apresentou-se como alternativa muito favorável, pois fornece a possibilidade de utilização do back-gate (porta traseira), cuja análise em conjunto com a variação da temperatura, foi inovadora na comunidade científica. No caso de baixas temperaturas (T=100K), a melhor condição de polarização é no modo de inversão, chegando a atingir 37,5% de eficiência com VBG de +6V. No caso de temperaturas superiores a 300K, a melhor condição é no modo acumulação, chegando a uma eficiência de 61,9% para T=300K e 84,52% para T=500K (ambas com VBG=-2V). Através de toda a análise desenvolvida, foi possível propor um projeto de dispositivo inovador, o qual foi chamado de diodo PG-PIN (Partially-Gated PIN Diode), que consiste em um diodo PIN lateral com porta parcial adjacente à região N+. A polarização do terminal de porta funciona como um sinal de controle capaz de alterar a resposta do dispositivo, resultando na determinação do comprimento e intensidade da radiação eletromagnética incidente. Este dispositivo é capaz de substituir a utilização de filtros de cor em um sistema óptico, fazendo com que o sistema seja mais vantajoso economicamente e com melhor desempenho.