Análise de Ruídos Intrínsecos em Componentes Semicondutores

O ruído em dispositivos semicondutores refere-se a flutuações espontâneas na corrente ou tensão, influenciadas pelo tipo de dispositivo, processo de fabricação e condições de operação. Este fenômeno é frequentemente considerado um efeito indesejado, mas pode ser útil para avaliar a qualidade e confiabilidade de dispositivos semicondutores.

Fontes de Ruído em Dispositivos Semicondutores

1. Ruído Térmico (Johnson Noise)

   • Ocorre devido ao movimento aleatório de portadores de carga causado pela excitação térmica. É proporcional à resistência e temperatura do condutor e pode ser descrito pela equação de Nyquist:
     [
     V_{text{Johnson}} = sqrt{4kTRB}
     ]
     onde (k) é a constante de Boltzmann, (T) é a temperatura em Kelvin, (R) é a resistência em ohms e (B) é a largura de banda em hertz.

2. Ruído de Shot

   • Relacionado à natureza discreta da carga elétrica e ocorre em dispositivos onde os portadores de carga superam uma barreira de potencial, como em um diodo. A corrente de ruído é dada por:
     [
     I{text{shot}} = sqrt{2qI{text{em}}B}
     ]
     onde (e) é a carga do elétron, (I_{text{em}}) é a corrente de emissão e (B) é a largura de banda.

3. Ruído de Geração-Recombinação

   • Causado pela flutuação no número de portadores devido à existência de centros de geração-recombinação.

4. Ruído 1/f (Ruído de Flicker)

   • Predominante em baixas frequências e está relacionado a falhas no material ou imperfeições no processo de fabricação.

5. Ruído 1/f²

   • Observado principalmente em interconexões metálicas de circuitos integrados, torna-se evidente em conexões muito estreitas devido à eletromigração.

6. Ruído de Burst/RTS

   • Caracterizado por pulsos de amplitude constante, mas com tempos de comutação aleatórios.

7. Ruído de Avalanche

   • Associado a junções polarizadas reversamente, onde a corrente de fuga pode ser multiplicada pelo fenômeno de avalanche.

Ruído em BJTs, JFETs e MOSFETs

1. Ruído em BJTs

   • Inclui ruído térmico da resistência de espalhamento da base, ruído de shot da corrente de polarização da base e da corrente de coletor, além do ruído 1/f da corrente de polarização da base.

2. Ruído em JFETs

   • Compreende o ruído térmico da corrente de dreno, ruído 1/f da corrente de dreno e o ruído de shot da corrente de porta.

3. Ruído em MOSFETs

   • Abrange o ruído térmico da corrente de dreno e o ruído 1/f da corrente de dreno.

Ruído em Dispositivos CMOS

1. Ruído Térmico

   • As flutuações de tensão causadas pelo movimento Browniano aleatório dos elétrons em um meio resistivo. Em MOSFETs em forte inversão, o ruído térmico é dado por:
     [
     I_{text{ntg}}^2 = 4kT left( frac{2g_m}{3} right)
     ]
     onde (g_m) é a transcondutância de pequeno sinal no ponto de polarização.

2. Ruído de Shot

   • Resulta da natureza discreta dos portadores de carga. Em MOSFETs em sub-limiar, é dado por:
     [
     I_{text{nsd}}^2 = 2qI_D
     ]

3. Ruído de Geração-Recombinação

   • Flutuações no número de portadores devido à captura e emissão por centros de armadilha no volume do dispositivo. A densidade espectral da flutuação da resistência é:
     [
     R_n^2 = frac{sigma^2}{N^2} frac{4tau R^2}{1 + omega^2 tau^2}
     ]
     onde (tau) é o tempo de relaxação da armadilha e (sigma^2) é a variância.

4. Ruído de Popcorn

   • Também conhecido como ruído de burst ou RTS, é uma modulação discreta da corrente do canal causada pela captura e emissão de um portador.

5. Ruído kT/C

   • Este não é uma fonte fundamental de ruído, mas sim ruído térmico na presença de um capacitor de filtro. A densidade espectral do ruído térmico do resistor é:
     [
     V{text{nt}}^2 = 4kTR
     ]
     A tensão total de ruído na saída do capacitor é:
     [
     v{text{no}} = sqrt{frac{kT}{C}}
     ]

Simulação de Ruído com Dessis

1. Método do Campo de Impedância Direta

   • Baseado na equação de Langevin usando a abordagem de função de Green, permite a modelagem de pequenas perturbações de sinal do modelo de transporte subjacente e o cálculo das flutuações de tensão e corrente nos terminais em termos de espectros de correlação devido às fontes de ruído locais no dispositivo.

2. Fontes de Ruído na Simulação

   • Ruído de Difusão: Devido a flutuações nas velocidades dos portadores causadas por colisões com fônons, impurezas, etc.
   • Ruído de Geração-Recombinação: Flutuações locais nas densidades de portadores devido a processos de recombinação-geração.

3. Figura de Ruído

   • Uma métrica para o ruído de alta frequência de dispositivos de dois terminais. A figura de ruído é definida como a relação entre a potência de ruído na saída com o dispositivo em teste ruidoso e a potência de ruído na saída com o dispositivo em teste ideal.

Ruído em Dispositivos a Baixa Temperatura

1. Ruído em GaAs Lasers

   • O ruído de lasers de GaAs é analisado em baixas temperaturas para minimizar os efeitos de aquecimento e melhorar a precisão das medições de ruído.

2. Ruído em Transistores de Unijunção

   • O ruído em transistores de unijunção pode ser interpretado pela deriva de portadores injetados na região entre os contatos de base, especialmente quando a corrente da base 2 é grande em comparação com a corrente do emissor.

Longevidade dos Componentes Semicondutores

A longevidade dos componentes semicondutores está diretamente relacionada ao seu comportamento em termos de ruído ao longo do tempo. Estudos mostram que o envelhecimento dos dispositivos pode aumentar significativamente os níveis de ruído devido a processos como a degradação dos materiais, a formação de defeitos e a eletromigração.

1. Degradação de Material

   • Com o tempo, os materiais semicondutores sofrem degradação devido à exposição contínua a tensões elétricas e térmicas. Este processo resulta em um aumento dos níveis de ruído térmico e de geração-recombinação.

2. Formação de Defeitos

   • Defeitos na estrutura cristalina do semicondutor podem ser formados durante o uso prolongado, causando um aumento do ruído de flicker (1/f) e do ruído de burst/RTS.

3. Eletromigração

   • A eletromigração, o movimento de átomos metálicos causado pela passagem de corrente elétrica, pode resultar na formação de lacunas e na degradação das interconexões, aumentando o ruído de flicker e 1/f².

Estudos de envelhecimento e durabilidade de semicondutores frequentemente envolvem a análise de como os níveis de ruído mudam ao longo do tempo em condições operacionais específicas. Monitorar o ruído pode fornecer uma indicação precoce de falhas iminentes, permitindo intervenções preventivas e melhorando a confiabilidade dos sistemas eletrônicos.

Conclusão

Compreender as fontes e características do ruído intrínseco em semicondutores é essencial para o desenvolvimento de dispositivos de alta qualidade e confiabilidade. A simulação do ruído com ferramentas como o Dessis permite uma análise detalhada e precisa dos efeitos de ruído, proporcionando insights valiosos para a melhoria dos processos de fabricação e design de dispositivos. Além disso, a análise do comportamento do ruído ao longo do tempo é crucial para avaliar a longevidade e a durabilidade dos componentes semicondutores.

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Referências

1. "Noise in Semiconductor Devices" – K10147 C011
2. "Fundamental Noise and Fundamental Constants" – Desconhecido
3. "Noise Sources in Bulk CMOS" – Kent H. Lundberg
4. "Simulation of Noise in Semiconductor Devices with Dessis – Using the Direct Impedance Field Method" – Desconhecido
5. "STUDY OF NOISE IN SEMICONDUCTOR DEVICES" – VAN DER Ziel, A.
6. "Quantum Mechanics For Scientists and Engineers" – Harish Parthasarathy

Os arquivos citados podem ser obtidos na nossa biblioteca pelo grupo de WhatsApp Biblioteca Arvore dos Saberes no link: Biblioteca Arvore dos Saberes.

Sobre o Autor

Carlos Delfino

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Um Eterno Aprendiz.
Professor de Introdução a Programação, programação com JavaScript, TypeScript, C/C++ e Python
Professor de Eletrônica Básica
Professor de programação de Microcontroladores.

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