Hur kan FDSOI MOSFET-teknologi optimeras för kryogena applikationer i kvantprocessorer?

FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) MOSFETs, särskilt de som använder bak-gate spänning (VBG), har visat sig vara mycket lovande för användning i kryogena miljöer, som i kvantprocessorer. Deras prestanda kan justeras genom att variera VBG, vilket ger unika fördelar vid extrema temperaturer som 2 K. Detta gör det möjligt att optimera kontrollkretsarnas funktion i kvantdatorsystem, där temperaturberoende beteenden är särskilt viktiga.

En intressant aspekt hos FDSOI MOSFETs är deras förmåga att justera driftspunkten och undertröskelkarakteristik genom bak-gate spänning. Vid cryogeniska temperaturer kan den maximala drain-source-strömmen (IDS) och subthreshold slope förbättras samtidigt som drain-source-läckströmmen minskar av flera ordningars magnitud. Detta gör att FDSOI MOSFETs kan fungera effektivt i lågtemperaturer, vilket är avgörande för kvantprocessorer där effektiva och stabila transistorer är en förutsättning för att bibehålla koherens i kvantbitar.

När temperaturen minskar från 300 K till 2 K förändras Vt (tröskelspänning) och den maximala drain-source-strömmen (ION) avsevärt, vilket kan observeras i de karakteristiska kurvorna för både 22-nm och 28-nm FDSOI MOSFETs. Detta är ett resultat av förändringar i mobiliteten och temperaturberoende effekter i halvledarmaterialet. För varje bak-gate spänning finns det ett specifikt värde på VGS där drain-strömmen förblir konstant trots temperaturskillnader, vilket gör FDSOI MOSFETs till en idealisk kandidat för användning i kvantkretsar som kräver noggrann temperaturkontroll.

För att förstå de grundläggande ekvationerna som styr denna typ av transistorbeteende, används modeller som beskriver ström- och spänningsförhållanden i MOSFETs i både subthreshold- och saturation-regionerna. Vid låga temperaturer, särskilt under 50 K, observeras även effekter som Coulomb-blockad och kvantiseringseffekter som kan skapa komplexa strömmönster som "buktar" i undertröskelregionen. Detta fenomen uppstår på grund av kvantiserad laddning i kanalens dimensioner, vilket gör att effekterna av små variationer i kanalbredd, längd och dopning kan ha en betydande inverkan på prestandan vid extremt låga temperaturer.

FDSOI MOSFETs har också fördelen att de inte bara kan justeras genom bak-gate spänningen, utan också kan anpassas för att hantera effekterna av Coulomb-blockad och tunneling-strömmar som kan uppstå i nanoskala-transistorer vid låga temperaturer. Detta gör det möjligt att bättre kontrollera fluktuationer i strömmen som kan uppkomma vid extremt låga temperaturer och därmed bibehålla stabiliteten i kvantkretsar, där sådana fluktuationer kan ha förödande konsekvenser för kvantbitar.

Ytterligare forskning på FDSOI MOSFETs kan öppna dörren för ännu bättre prestanda i lågtemperaturmiljöer. Till exempel kan justering av bak-gate spänningen för att minimera läckström och optimera subthreshold slope vid kryogena temperaturer möjliggöra mer effektiva kvantprocessorarkitekturer. En annan aspekt att beakta är den noggranna balansen mellan kanalens geometri, såsom fingerbredd och grindlängd, och hur dessa påverkar transistorns rörlighet och temperaturberoende egenskaper.

Hur mäts spektrala resultat för högfrekventa ADC:er och deras prestanda?

De spektrala resultaten över olika ingångsfrekvenser presenteras i figur 8.23 för en ingångsamplitude justerad till −0.5 dBFS. Mätningarna visar en SNDR (Signal-to-Noise and Distortion Ratio) på bättre än 24,3 dB (ENOB = 3,75 bitar) upp till 37,2 GHz. Analysen av ADC:ns utgångskodintervall över ingångsfrekvensen visar en amplitudförlust eller nedrullning på cirka −1,8 dB vid fin = 37,2 GHz, med ett −3 dB bandbredd över 40 GHz. De uppmätta INL (Integral Nonlinearity) och DNL (Differential Nonlinearity) kurvorna visas i figur 8.24.

För att få en mer detaljerad förståelse av prestandan, undersöktes ADC:n med hjälp av ett 10 MHz sinusvåg-ingångssignal från en Balun-kopplad klocka med en 5-bitars upplösning. De uppmätta resultaten vid denna inställning visade ett ENOB på 4,045 bitar, ett SFDR (Spurious-Free Dynamic Range) på 35,91 dBc, ett SNR (Signal-to-Noise Ratio) på 31,51 dB och en total harmonisk distorsion (THD) på -27,59 dB. Dessa parametrar är avgörande för att förstå ADC:ns beteende vid olika ingångsnivåer och frekvenser.

Vid en Nyquist-frekvens på 9,2 GHz uppmättes också spektrala resultat som presenteras i figur 8.22. Här visar mätningarna att ADC:ns prestanda är stabil och håller sig inom de förväntade parametrarna vid såväl låga som höga frekvenser. Den totala dynamiska prestandan för ADC:n vid Nyquist-frekvensen ger en SFDR på 33,58 dBc och ett ENOB på 3,92 bitar. THD och SNR är också konsekventa, vilket bekräftar den högkvalitativa prestandan hos denna ADC.

För att mäta ADC:ns prestanda över ett bredare spektrum användes en 1024-punkters FFT (Fast Fourier Transform), som möjliggjorde en detaljerad analys av signalens spektrum över en frekvensomfång från låga till höga frekvenser. I figur 8.23 visas resultaten för ADC:n vid olika ingångsfrekvenser, och det noteras att mätningarna inte bara ger information om prestandan vid specifika frekvenser, utan också om ADC:ns förmåga att hantera signaler inom flera Nyquist-zoner.

En viktig aspekt av dessa mätningar är det sätt på vilket resultaten presenteras genom både spektralanalys och mätning av ADC:ns INL/DNL. Dessa två parametrar ger en uppfattning om hur väl ADC:n konverterar de analoga signalerna till digitala utan att introducera oönskade distorsioner eller icke-linjäriteter. Figur 8.24 visar mätningarna av INL/DNL för en ADC som arbetar med en 10,5 MHz sinusvåg, och resultaten indikerar en mycket låg nivå av nonlinjäriteter, vilket är kritiskt för tillämpningar som kräver hög precision och noggrannhet.

Jämförelsen av denna ADC med den senaste teknologin inom området, som ges i tabell 8.2, visar att denna ADC är konkurrenskraftig både vad gäller upplösning och prestanda. Vid en hög frekvens på 18,5 GS/s och med en upplösning på 5 bitar uppnår denna ADC ett ENOB på 3,9 bitar och en SFDR på 35,91 dBc. För att sätta detta i perspektiv kan man jämföra med andra enheter på marknaden, såsom de som presenterats i referenser från EuMIC och JSSCC-konferenserna, där de bästa ADC:erna har liknande eller något högre upplösning men till lägre frekvenser eller med större strömförbrukning.

För att förstå dessa resultat och använda dem effektivt i praktiska tillämpningar är det viktigt att beakta de tekniska aspekterna av ADC:ns design och dess implementation i olika produktionsprocesser. De nyaste ADC:erna använder teknologier som FD-SOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) för att minska strömförbrukningen och öka prestandan vid högre frekvenser. Denna typ av process är särskilt viktig för applikationer inom 5G och andra högfrekventa kommunikationssystem där hög prestanda och låg effektförbrukning är avgörande.

Vidare bör man också tänka på hur dessa mått på prestanda påverkar det praktiska användandet av ADC:erna. För exempelvis högfrekventa RF-system innebär en hög SFDR och ENOB att systemet kan hantera större signaler utan att introducera störningar, vilket är avgörande för att bibehålla signalens integritet i komplexa kommunikationsmiljöer. Det är också viktigt att förstå hur dessa mätningar kan påverkas av faktorer som temperaturvariationer, spänningsfluktuationer eller andra externa störningar som kan påverka ADC:ns prestanda i praktiska tillämpningar.