Junctionless Multiple-Gate Transistors for Analog Applications

This paper presents the evaluation of the analog properties of nMOS junctionless (JL) multigate transistors, comparing their performance with those exhibited by inversion-mode (IM) trigate devices of similar dimensions. The study has been performed for devices operating in saturation as single-transistor amplifiers, and we have considered the dependence of the analog properties on fin width W(fin) and temperature T. Furthermore, this paper aims at providing a physical insight into the analog parameters of JL transistors. For that, in addition to device characterization, 3-D device simulations were performed. It is shown that, depending on gate voltage, JL devices can present both larger Early voltage V(EA) and larger intrinsic voltage gain A(V) than IM devices of similar dimensions. In addition, V(EA) and A(V) are always improved in JL devices when the temperature is increased, whereas they present a maximum value around room temperature for IM transistors.

Advantages of graded-channel SOI nMOSFETs for application as source-follower analog buffer

In this work the performance of graded-channel (CC) SOI MOSFETs operating as source-follower buffers is presented. The experimental analysis is performed by comparing the gain and linearity of buffers implemented with CC and standard SOI MOS devices considering the same mask dimensions. It is shown that by using CC devices, buffer gain very close to the theoretical limit can be achieved, with improved linearity, while for standard devices the gain departs from the theoretical value depending on the inversion level imposed by the bias current and input voltage. Two-dimensional numerical simulations were performed in order to confirm some hypotheses proposed to explain the gain behavior observed in the experimental data. By using numerical simulations the channel length has been varied, showing that the gain of buffers implemented with CC devices remains close to the theoretical limit even when short-channel devices are adopted. It has also been shown that the length of a source-follower buffer using CC devices can be reduced by a factor of 5, in comparison with a standard Sol MOSFET, without gain loss or linearity degradation. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Harmonic distortion analysis of double gate graded-channel MOSFETs operating in saturation

In this work we present an analysis of harmonic distortion (HD) in graded-channel (GC) gate-all-a round (GAA) devices operating in saturation region for analog applications. The study has been performed through device characterization and two-dimensional process and device simulations. The overall study has been done on the total and third order HDs. When applied in the saturation regime as an amplifier, the GC outperforms conventional GAA transistors presenting simultaneously higher transconductance, lower drain output conductance and more than 15 dB improved linearity. The influence of channel length reduction on the H D is also analyzed. Although slight linearity degradation is observed in both the conventional and the GC devices when reducing the channel length, the HD presented by the GC transistor is significantly lower than the one showed by conventional device for any Studied channel length. This allows AC input signal amplitude up to 20 times higher than the conventional GAA for a same specified distortion level. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Single-spin measurement using single-electron transistors to probe two-electron systems

We present a method for measuring single spins embedded in a solid by probing two-electron systems with a single-electron transistor (SET). Restrictions imposed by the Pauli principle on allowed two-electron states mean that the spin state of such systems has a profound impact on the orbital states (positions) of the electrons, a parameter which SET's are extremely well suited to measure. We focus on a particular system capable of being fabricated with current technology: a Te double donor in Si adjacent to a Si/SiO2, interface and lying directly beneath the SET island electrode, and we outline a measurement strategy capable of resolving single-electron and nuclear spins in this system. We discuss the limitations of the measurement imposed by spin scattering arising from fluctuations emanating from the SET and from lattice phonons. We conclude that measurement of single spins, a necessary requirement for several proposed quantum computer architectures, is feasible in Si using this strategy.

Measuring the decoherence rate in a semiconductor charge qubit

We describe a method by which the decoherence time of a solid-state qubit may be measured. The qubit is coded in the orbital degree of freedom of a single electron bound to a pair of donor impurities in a semiconductor host. The qubit is manipulated by adiabatically varying an external electric field. We show that by measuring the total probability of a successful qubit rotation as a function of the control field parameters, the decoherence rate may be determined. We estimate various system parameters, including the decoherence rates due to electromagnetic fluctuations and acoustic phonons. We find that, for reasonable physical parameters, the experiment is possible with existing technology. In particular, the use of adiabatic control fields implies that the experiment can be performed with control electronics with a time resolution of tens of nanoseconds.

Parity measurement of one- and two-electron double well systems

We outline a scheme to accomplish measurements of a solid state double well system (DWS) with both one and two electrons in nonlocalized bases. We show that, for a single particle, measuring the local charge distribution at the midpoint of a DWS using a SET as a sensitive electrometer amounts to performing a projective measurement in the parity (symmetric/antisymmetric) eigenbasis. For two-electrons in a DWS, a similar configuration of SET results in close-to-projective measurement in the singlet/triplet basis. We analyze the sensitivity of the scheme to asymmetry in the SET position for some experimentally relevant parameter, and show that it is experimentally realizable.

Quantum measurement of coherent tunnelling between quantum dots

We describe the conditional and unconditional dynamics of two coupled quantum dots when one dot is subjected to a measurement of its occupation number by coupling it to a third readout dot via the Coulomb interaction. The readout dot is coupled to source and drain leads under weak bias, and a tunnel current flows through a single bound state when energetically allowed. The occupation of the quantum dot near the readout dot shifts the bound state of the readout dot from a low conducting state to a high conducting state. The measurement is made by continuously monitoring the tunnel current through the readout dot. We show that there is a difference between the time scale for the measurement-induced decoherence between the localized states of the dots, and the time scale on which the system becomes localized due to the measurement.

A Ku-band active transmit-array module with a horn or patch array as a signal launching/receiving device

This paper is concerned with the design of a Ku-band active transmit-array module of transistor amplifiers excited by either a pyramidal horn or a patch array Optimal distances between the active transmit array and the signal-launching:receiving device, which is either a passive corporate-fed array or a horn, are determined to maximise the power gain at a design frequency: Having established these conditions, the complete structure is investigated in terms of operational bandwidth and near-field and far-field distributions measured at the output side of the transmit array, The experimental results show that the use of a corporate-fed array as an illuminating/receiving device gives higher gain and significantly larger operational bandwidth, An explanation for this behavior is sought.

A new method of threshold voltage extraction via MOSFET gate-to-substrate capacitance measurement

A new method to extract MOSFET's threshold voltage VT by measurement of the gate-to-substrate capacitance C-gb of the transistor is presented. Unlike existing extraction methods based on I-V data, the measurement of C-gb does not require de drain current to now between drain and source thus eliminating the effects of source and drain series resistance R-S/D, and at the same time, retains a symmetrical potential profile across the channel. Experimental and simulation results on devices with different sizes are presented to justify the proposed method.

Temperature dependence of polaronic transport through single molecules and quantum dots

Motivated by recent experiments on electric transport through single molecules and quantum dots, we investigate a model for transport that allows for significant coupling between the electrons and a boson mode isolated on the molecule or dot. We focus our attention on the temperature-dependent properties of the transport. In the Holstein picture for polaronic transport in molecular crystals the temperature dependence of the conductivity exhibits a crossover from coherent (band) to incoherent (hopping) transport. Here, the temperature dependence of the differential conductance on resonance does not show such a crossover, but is mostly determined by the lifetime of the resonant level on the molecule or dot.

Field effect and light-assisted a-Si:H sensors for detection of ions in solution

In this paper we present an amorphous silicon device that can be used in two operation modes to measure the concentration of ions in solution. While crystalline devices present a higher sensitivity, their amorphous counterpart present a much lower fabrication cost, thus enabling the production of cheap disposable sensors for use, for example, in the food industry. The devices were fabricated on glass substrates by the PECVD technique in the top gate configuration, where the metallic gate is replaced by an electrolytic solution with an immersed Ag/AgCl reference electrode. Silicon nitride is used as gate dielectric enhancing the sensitivity and passivation layer used to avoid leakage and electrochemical reactions. In this article we report on the semiconductor unit, showing that the device can be operated in a light-assisted mode, where changes in the pH produce changes on the measured ac photocurrent. In alternative the device can be operated as a conventional ion selective field effect device where changes in the pH induce changes in the transistor's threshold voltage.

Implementação de WDM com dispositivos semicondutores

Este trabalho utiliza uma estrutura pin empilhada, baseada numa liga de siliceto de carbono amorfo hidrogenado (a-Si:H e/ou a-SiC:H), que funciona como filtro óptico na zona visível do espectro electromagnético. Pretende-se utilizar este dispositivo para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reconhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal. O objectivo desta tese visa implementar um algoritmo que permita o reconhecimento autónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura da fotocorrente fornecida pelo dispositivo. O tema deste trabalho resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM. Neste trabalho foram utilizados três canais de transmissão (Azul – 470 nm, Verde – 525 nm e Vermelho – 626 nm) e vários tipos de radiação de fundo. Foram realizadas medidas da resposta espectral e da resposta temporal da fotocorrente do dispositivo, em diferentes condições experimentais. Variou-se o comprimento de onda do canal e o comprimento de onda do fundo aplicado, mantendo-se constante a intensidade do canal e a frequência de transmissão. Os resultados obtidos permitiram aferir sobre a influência da presença da radiação de fundo e da tensão aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Verificou-se, que sob polarização inversa, a radiação de fundo vermelho amplifica os valores de fotocorrente do canal azul e a radiação de fundo azul amplifica o canal vermelho e verde. Para polarização directa, apenas a radiação de fundo azul amplifica os valores de fotocorrente do canal vermelho. Enquanto para ambas as polarizações, a radiação de fundo verde, não tem uma grande influência nos restantes canais. Foram implementados dois algoritmos para proceder ao reconhecimento da informação de cada canal. Na primeira abordagem usou-se a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa e directa. Pela comparação das duas medidas desenvolveu-se e testou-se um algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais. Numa segunda abordagem procedeu-se ao reconhecimento da informação de cada canal mas com aplicação de radiação de fundo, tendo-se usado a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa sem aplicação de radiação de fundo com a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa com aplicação de radiação de fundo. Pela comparação destas duas medidas desenvolveu-se e testou-se o segundo algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais com base na aplicação de radiação de fundo.

Fotodetector e dispositivo WDM integrados

Ao longo deste trabalho é apresentada a caracterização optoelectrónica de uma estrutura semicondutora empilhada de fotodíodos PIN (Positive-Intrinsic-Negative), baseados em silício amorfo hidrogenado (a-Si:H - Hydrogenated Amorphous Silicon) e siliceto de carbono amorfo hi-drogenado (a-SiC:H - Hydrogenated Amorphous Silicon Carbide), em que ambos funcionam como filtros ópticos na zona visível do espectro electromagnético e cuja sensibilidade espectral na região do visível é modulada pelo sinal de tensão eléctrico aplicado e pela presença de polarização óptica adicional (radiação de fundo). Pretende-se utilizar a característica de sensor de cor destes dispositivos semicondutores para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reco-nhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal, tendo em vista a utilização de vários ca-nais para a transmissão de sinais a curta distância. A transmissão destes sinais deverá ser suportada no meio de transmissão fibra óptica, que constituirá uma importante mais-valia na optimização do sistema WDM (Wavelength Division Mul-tiplexing), permitindo optimizar a transmissão de sinais. Pelas suas capacidades intrínsecas, as fi-bras ópticas de plástico (POF - Plastic Optical Fibers) são uma solução adequada para a transmis-são de sinais no domínio visível do espectro electromagnético a curtas distâncias. Foi realizada uma sucinta caracterização optoelectrónica da estrutura semicondutora sob diferentes condições de iluminação, variando o comprimento de onda e a iluminação de fundo que influencia a resposta espectral do dispositivo semicondutor, variando as cores dos fundos inciden-tes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora, variando a intensidade des-ses mesmos fundos incidentes e também variando a frequência do sinal de dados. Para a transmissão dos sinais de dados foram utilizados três dispositivos LED (Light-Emitting Diode) com as cores vermelho (626nm), verde (525nm) e azul (470nm) a emitir os respec-tivos sinais de dados sobre a estrutura semicondutora e onde foram aplicadas diversas configurações de radiação de fundo incidente, variando as cores dos fundos incidentes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora e variando também a intensidade desses mesmos fundos incidentes. Com base nos resultados obtidos ao longo deste trabalho, foi possível aferir sobre a influên-cia da presença da radiação de fundo aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Sob polarização inversa, e com a aplicação de um fundo incidente no lado frontal da estrutura semicondutora os valores de fotocorrente gerada são amplificados face aos valores no escuro, sendo que os valores mais altos foram encontrados com a aplicação do fundo de cor violeta, contribuindo para tal, o facto do sinal do canal vermelho e canal verde serem bastan-te amplificados com a aplicação deste fundo. Por outro lado, com a aplicação dos fundos incidentes no lado posterior da estrutura semi-condutora, o sinal gerado não é amplificado com nenhuma cor, no entanto, a aplicação do fundo de cor azul proporciona a distinção do sinal proveniente do canal azul e do canal vermelho, sendo que quando está presente um sinal do canal vermelho, o sinal é fortemente atenuado e com a presença do sinal do canal azul o sinal gerado aproxima-se mais do valor de fotocorrente gerada com a estru-tura no escuro. O algoritmo implementado ao longo deste trabalho, permite efectuar o reconhecimento au-tónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura do sinal da fotocorrente forne-cida pelo dispositivo quando sujeito a uma radiação de fundo incidente violeta no lado frontal e uma radiação de fundo incidente azul no lado posterior. Este algoritmo para a descodificação dos sinais WDM utiliza uma aplicação gráfica desenvolvida em Matlab que com base em cálculos e compara-ções de sinal permite determinar a sequência de sinal dos três canais ópticos incidentes. O trabalho proposto nesta tese é um módulo que se enquadra no desenvolvimento de um sistema integrado de comunicação óptica a curta distância, que tem sido alvo de estudo e que resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM den-tro do domínio do espectro visível e utilizando as POF como meio de transmissão.

Membrane selectivity versus sensor response in hydrogenated amorphous silicon CHEMFETs using a semi-empirical model

Toxic amides, such as acrylamide, are potentially harmful to Human health, so there is great interest in the fabrication of compact and economical devices to measure their concentration in food products and effluents. The CHEmically Modified Field Effect Transistor (CHEMFET) based onamorphous silicon technology is a candidate for this type of application due to its low fabrication cost. In this article we have used a semi-empirical modelof the device to predict its performance in a solution of interfering ions. The actual semiconductor unit of the sensor was fabricated by the PECVD technique in the top gate configuration. The CHEMFET simulation was performed based on the experimental current voltage curves of the semiconductor unit and on an empirical model of the polymeric membrane. Results presented here are useful for selection and design of CHEMFET membranes and provide an idea of the limitations of the amorphous CHEMFET device. In addition to the economical advantage, the small size of this prototype means it is appropriate for in situ operation and integration in a sensor array.

Implementação de WDM com 4 canais no espetro do visível

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações