Modelo de transistor mono-elétron utilizando identificação de sistemas

Abstract

Resumo: Diante da necessidade de dispositivos eletrônicos cada vez menores e com maior capacidade de processamento de dados, a nanoeletrônica surge como uma alternativa aos dispositivos tradicionais. Dentre os dispositivos mono-elétron já propostos, o transistor mono-elétron, SET, ocupa lugar de destaque. Entre os principais desafios que dificultam a ampla aplicação do SET na indústria eletrônica encontram-se a falta de técnicas de fabricação consolidadas e a dificuldade que estes dispositivos apresentam para operar em temperatura ambiente. Para que estes e outros desafios sejam vencidos, são necessárias ferramentas de simulação adequadas e modelos precisos. Sendo assim, o objetivo deste trabalho consiste em aplicar conhecimentos relativos à Identificação de Sistemas para efetuar a modelagem caixa preta do transistor mono-elétron. Modelos caixa preta baseiam-se exclusivamente em dados de entrada e saída coletados do sistema a ser modelado. Estes modelos são conhecidos por se adequar com bastante precisão à dinâmica do sistema. Modelos já propostos para o SET baseiam-se em modelagem analítica e requerem conhecimento prévio sobre o sistema. Neste trabalho, foram coletados dados de entrada e saída do transistor mono-elétron por meio de simulações efetuadas com o SIMON, uma das plataformas de simulação de circuitos nanoeletrônicos mais difundidas na literatura. Aplicou-se um sinal persistentemente excitante como tensão de porta do transistor e coletou-se a corrente entre dreno e fonte. De posse destes dados, foram testadas as seguintes classes de modelos: NARX, Hammerstein, Wiener e Hammerstein-Wiener. Como métricas para realizar a comparação entre essas classes, foram utilizados o Erro Médio Quadrático e o tempo médio de simulação, computado para 50 execuções do experimento de validação dos modelos. Além disso, a simplicidade da estrutura matemática foi determinante na escolha da classe de modelos. A classe de Hammerstein-Wiener obteve o melhor desempenho. Deste modo, foram construídos modelos de Hammerstein-Wiener para o SET operando em diferentes condições. Os resultados comprovam a adequação desta representação matemática para a modelagem do transistor. Palavras-chave: Modelagem Caixa Preta. SET. Eletrônica Mono-Elétron. Identificação de Sistemas. Modelos de Hammerstein-Wiener.

Abstract: Given the need for smaller electronic devices with great data processing capability, nanoelectronics appears as an alternative to traditional devices. Among the singleelectron devices already proposed, the Single-Electron Transistor, SET, has a prominent place. Among the main challenges that prevent SET from being widely applied in the electronics industry are the lack of consolidated manufacturing techniques and the difficulty these devices present to operate at room temperature. In order to overcome these and other challenges, appropriate simulation tools and precise models are needed. Thus, the goal of this work is the black box modeling of the SET. Black box models are based exclusively on input and output data collected from the system being modeled. These models are known to fit very accurately to the dynamics of the system. Models already proposed for SET are based on analytical modeling and require prior knowledge about the system. In this work, the input and output data of the single-electron transistor were collected through simulations performed with SIMON, one of the most widespread nanoelectronic circuit simulation platforms. A persistently exciting signal was applied as the gate voltage of the transistor and the current was collected between drain and source. With these data, the following classes of models were tested: NARX, Hammerstein, Wiener and Hammerstein-Wiener. As metrics to perform the comparison between these classes of models, the MSE and the mean simulation time, computed for 50 runs of the validation experiment of the models, were used. In addition, the simplicity of the mathematical structure of the model was decisive in the choice of the mathematic representation. The Hammerstein-Wiener class achieved the best performance. In this way, Hammerstein-Wiener models were constructed for SET operating under different conditions. The results prove the adequacy of this mathematical representation for modeling the transistor. Keywords: Black Box Modeling. SET. Single-Electron Electronics. System Identification. Hammerstein-Wiener Models.