叉式晶体管在运算跨导放大器中的应用

《Solid-State Electronics》：Application of forksheet transistor in operational transconductance amplifier

叉板晶体管首次应用于OTA设计，实验表明提高跨导效率（gm/I_D）从5到11 V?1可使电压增益提升14 dB至63 dB，总功耗降低75%至129 μW，但增益带宽积（GBW）下降42%至196 MHz。研究揭示了跨导效率与增益、功耗、带宽的权衡关系，为纳米片技术驱动下的模拟电路设计提供新思路。

　　

若昂·安东尼奥·马蒂诺（Joao Antonio Martino）| 尤利乌斯·安德雷蒂·佩索托·皮雷斯·德·保拉（Julius Andretti Peixoto Pires de Paula）| 保拉·盖迪尼·德·阿戈皮安（Paula Ghedini Der Agopian）| 罗曼·里岑塔勒（Romain Ritzenthaler）| 汉斯·梅尔滕斯（Hans Mertens）| 阿娜贝拉·维洛索（Anabela Veloso）| 直人·霍里古奇（Naoto Horiguchi）

LSI/PSI/USP，圣保罗大学，巴西圣保罗

摘要

本文首次提供了关于用于运算跨导放大器（OTA）设计的叉片晶体管的实验数据，强调了其在模拟电路中的应用潜力。所设计的OTA针对三种不同的晶体管效率进行了优化：gm/I_D分别为5、8和11 V^?1。本研究中使用的n型叉片晶体管的片层厚度为H_FS = 7 nm，片层宽度为W_FS = 23 nm，晶体管通道长度为L_G = 70 nm。当gm/I_D从5增加到11 V^?1时，漏电流和跨导降低，从而将OTA的电压增益（Av ∝ gm/I_D）从49 dB提高到63 dB，总功耗（Power ∝ I_D）也从528 μW降低到129 μW，但增益带宽积（GBW）从343 MHz下降到196 MHz（GBW ∝ gm）。根据具体应用需求，需要适当设置OTA的偏置条件，因为Av和GBW之间存在权衡。实验结果表明，叉片晶体管可用于模拟电路，例如OTA，以及采用该技术的混合信号集成电路。

引言

MOSFET技术的进步已经从平面体器件发展到复杂的三维架构，旨在在密集缩放过程中保持静电控制。向高k值栅极材料/金属栅极堆栈和FinFET结构的转变使得性能持续提升，超越了22 nm节点的限制。当前的技术前沿包括全环绕栅极的纳米片和纳米线晶体管[1]、[2]、[3]，其中包括叉片晶体管和互补FET（CFET）概念——这些技术提供了更好的静电性能、更高的驱动电流和更高的集成密度。叉片晶体管通过在相邻的P型和N型器件之间插入介电墙“叉”结构来扩展纳米片概念（如图1所示），从而实现更紧密的间距、更好的隔离效果以及增强的静电控制，同时不降低迁移率[4]。这种接近性减少了寄生电容，改善了频率响应，并允许更高的晶体管密度。CFET器件通过将互补的n型和p型纳米片垂直堆叠在真正的3D结构中，进一步推动了这一概念的发展，从而克服了FinFET和传统GAA结构的横向缩放限制。叉片晶体管和CFET架构代表了在未来亚3 nm CMOS节点中维持逻辑密度、性能和功耗效率的最有前景的途径。

为了评估叉片晶体管作为模拟电路构建块的性能，设计了一个运算跨导放大器（OTA），并在不同的偏置条件下对其进行了测试。选择OTA是因为它在模拟和混合信号电路中有广泛的应用，能够全面了解器件和电路的特性。

作为对[5]、[6]、[7]中研究的补充，本文首次将叉片晶体管的实验数据应用于针对不同偏置条件设计的双级运算跨导放大器中。

设备特性

叉片晶体管是在imec（比利时）制造的，具体细节见[5]、[6]。叉片晶体管的原理图结构和TEM图像如图1所示。栅极堆栈基于HfO₂（高k值）和TiAl（电子宽度层），EOT约为1.1 nm。本研究中使用的n型叉片晶体管的硅片层厚度为H_FS = 7 nm，硅片层宽度为W_FS = 23 nm，有两个片层/鳍结构，每个鳍的宽度为W_eff ? 212 nm（2W_FS + H_FS），布局栅极长度为L_G = 70 nm。

叉片晶体管建模

叉片晶体管的建模使用Verilog-A语言和基于实验数据查找表（LUT）的方法进行。LUT是使用B1500A半导体分析仪[8]根据特定的测量设置创建的。对于n型叉片晶体管，漏电流是在V_GS从?0.5 V到1 V的变化范围内以10 mV的步长，以及V_DS从0 V到1 V的变化范围内以50 mV的步长获得的。器件电容也通过LUT添加到模型中。

电路设计与分析

OTA电路（图6）是在Cadence Virtuoso环境中使用Spectre/APS工具进行仿真的，采用了实验中叉片晶体管的LUT数据。本研究设计了三种OTA，其晶体管效率（gm/I_D）分别为5 V^?1、8 V^?1和11 V^?1，分别对应M₁-M₄和M₆叉片晶体管。这些值代表晶体管处于强反相区，即理论上晶体管效率为gm/I_D = 2/(V_GS-V_T)的区域。因此，通过设置gm/I_D来调整栅极电压

结论

通过实现基于实验数据的运算跨导放大器（OTA），对叉片晶体管在模拟设计中的性能进行了评估。结果表明，将gm/I_D比率从5 V^?1提高到11 V^?1后，OTA的电压增益从49 dB提高到63 dB，而增益带宽积（GBW）则从343 MHz下降到

CRediT作者贡献声明

若昂·安东尼奥·马蒂诺（Joao Antonio Martino）：撰写原文、方法论研究。 尤利乌斯·安德雷蒂·佩索托·皮雷斯·德·保拉（Julius Andretti Peixoto Pires de Paula）：软件开发、数据整理。 保拉·盖迪尼·德·阿戈皮安（Paula Ghedini Der Agopian）：撰写、审稿与编辑、验证、研究。 罗曼·里岑塔勒（Romain Ritzenthaler）：研究。 汉斯·梅尔滕斯（Hans Mertens）：研究。 阿娜贝拉·维洛索（Anabela Veloso）：研究。 直人·霍里古奇（Naoto Horiguchi）：指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

巴西作者感谢CNPq（INCT NanoQuantSS 408596/2024-4）、CAPES（巴西高等教育人员培训协调委员会 - 财务代码001）和圣保罗研究基金会（FAPESP）（资助编号#2020/04867-2）提供的财务支持。同时感谢imec CMOS技术项目团队和amsimec测试实验室的支持。