Graphene FET large signal modeling for analog circuit design

This year occurs the 10th anniversary of graphene discovery and giving a quick look to the past the enormous quantity of scientific productions explain why graphene is defined as the material of the 21st century. Thanks to its amazing properties such as high carrier mobility and high saturation velocity, graphene could replace semiconductors in the long term, especially in the RF field. On the other hand, many drawbacks are associated to graphene-based structures,which are affected by parasitics, a typical issue in immature tech- nologies. Nevertheless, many circuits have already been implemented paving the way to the future carbon-based electronics. In this master thesis the state-of-the-art of graphene technology is presented, focusing the attention on graphene field-effect-transistors. Hence the GFET compact modeling state-of-the-art is analyzed and a new compact- model for large-signal circuit-design is presented. The model, based on the drift-diffusion transport, has been implemented in Verilog-A language and carefully characterized in a circuit simulator environment, proving its robustness for different transistor and circuit parameters. The proposed compact- model is well matched to DC-experimental measurements, while the lack of data related to GFET dynamic behavior cannot confirm the simulation results. Furthermore design-oriented characterizations of ring-oscillator (RO) and cascode circuits are presented using both a bottom-up approach to provide the circuits guidelines and a top-down approach to refine GFET models and in turn GFET technology.The transient simulations of 3-cell RO take the operating frequency and the voltage dynamic-range as performance metrics, while the cascode DC-based simulations take the output conductance and the saturation voltage. In the first case a design-space exploration is covered using as input variables the gate-oxide thickness tox and channel-length L.

Quest’anno ricorre il decimo anniversario dalla scoperta del grafene e la grande quantità di ricerca scientifica condotta nel corso di questi anni spiega perché esso è spesso definito come il materiale del 21esimo secolo. Grazie all’elevata mobilità e all'altrettanto elevata velocità di saturazione dei portatori, il grafene è un ottimo candidato per sostituire i comuni semiconduttori in un futuro a lungo termine, specialmente nel campo dell’elettronica a radiofrequenza. Nonostante lo stato dell’arte dei dispositivi a grafene è attualmente limitato dai parassitismi (piú o meno chiari), alcuni circuiti integrati sono stati realizzati aprendo così le porte ad una elettronica futuristica avente come elemento di riferimento il carbonio e non piú il silicio. In questa tesi viene inizialmente presentato lo stato dell’arte della tecnologia a grafene, concentrando lo studio principalmente sui transistori ad effetto di campo, alias GFET. Successivamente viene analizzato lo stato dell’arte del GFET-compact-modeling e viene presentato un nuovo modello a largo segnale. Detto modello, basato sul trasporto dei portatori di tipo diffusivo, è stato implementato in linguaggio Verilog-A, quindi attentamente caratterizzato in un simulatore tipo SPICE. La robustezza e l’affidabilità del modello sono state provate per mezzo di simulazioni sia di tipo transistor-level che di tipo circuit-level. I risultati delle simulazioni transistor-level risultano compatibili con le misure sperimentali estratte in DC, mentre l’assenza sia di misure che di simulazioni fisiche attendibili in AC non permette alcun riscontro modello-misure per ció che riguarda il comportamento dinamico del dispositivo. Infine alcune caratterizzazioni a livello circuitale vengono presentate combinando gli approcci bottom-up, al fine di produrre le linee guida per un oscillatore ad anello ed un amplificatore cascode, e top-down al fine di avere un feedback utile sia per il modeling che per la tecnologia. L’oscillatore ad anello è stato caratterizzato per mezzo della frequenza di oscillazione e del dynamic-range, mentre l’amplificatore cascode è stato caratterizzato per mezzo della conduttanza d’uscita e della tensione di saturazione. Nel caso dell’oscillatore ad anello vengono anche analizzati gli effetti dovuti alla variabilità della lunghezza di canale L e dell’ossido di gate tox .