MOSFET RF characterization using bulk and SOI CMOS technologies

Abstract

MOSFET radio-frequency characterization and modeling is studied, both with SOI CMOS and bulk CMOS technologies. The network analyzer measurement uncertainties are studied, as is their effect on the small signal parameter extraction of MOS devices. These results can be used as guidelines for designing MOS RF characterization layouts with as small an AC extraction error as possible. The results can also be used in RF model extraction as criteria for required optimization accuracy.

Modifications to the digital CMOS model equivalent circuit are studied to achieve better RF behavior for the MOS model. The benefit of absorbing the drain and source parasitic series resistances into the current description is evaluated. It seems that correct high-frequency behavior is not possible to describe using this technique. The series resistances need to be defined extrinsically. Different bulk network alternatives were evaluated using scalable device models up to 10 GHz. Accurate output impedance behavior of the model requires a bulk resistance network. It seems that good accuracy improvement is achieved with just a single bulk resistor. Additional improvement is achieved by increasing the number of resistors to three. At this used frequency range no further accuracy improvement was achieved by increasing the resistor amount over three. Two modeling approaches describing the distributed gate behavior are also studied with different MOS transistor layouts. Both approaches improve the RF characteristics to some extent but with limited device geometry. Both distributed gate models describe well the high frequency device behavior of devices not commonly used at radio frequencies.

MOSFETin radiotaajuuskarakterisointia ja mallitusta tarkastellaan sekä SOI CMOS että bulk CMOS -teknologioilla. Piirianalysaattorien mittausepävarmuutta tarkastellaan ja niiden vaikutusta MOS-transistorin piensignaaliparametrien ekstraktointiin. Näitä tuloksia voidaan käyttää ohjenuorana RF MOS -karakterisointiin käytettävien piirikuvioiden suunnittelussa, kun halutaan AC-ekstraktoinnin virhe mahdollisimman pieneksi. Tuloksia voidaan käyttää myös RF-mallin ekstraktoinnissa halutun optimointitarkkuuden kriteerinä.

Digitaalisen CMOS-mallin vastinpiirimuunnelmia on tarkasteltu tarkoituksena saada MOS-mallille paremmat radiotaajuusominaisuudet. Kanavan kanssa sarjassa olevien parasiittisten vastusten vaikutusta on tarkasteltu, kun ne ovat joko erillisinä tai suoraan virtayhtälöön sisällytettyinä. Jälkimmäisen tavan hyötyä on arvioitu. Näyttää siltä, että oikeanlaatuisen suurtaajuuskäyttäytymisen kuvaaminen ei onnistu tällä tekniikalla. Kanavan kanssa sarjassa olevat vastukset on määriteltävä ulkoisiksi. Erilaisia substraattivastinpiirien vaihtoehtoja on arvioitu käyttäen skaalautuvia transistorimalleja 10 GHz:n taajuuteen asti. Tarkan ulostuloimpedanssin kuvaaminen edellyttää transistorille substraattivastinpiiriä. Näyttää siltä, että merkittävään mallin tarkkuuden parantumiseen riittää yksi ainoa substraattivastus. Tarkkuus paranee tästäkin lisättäessä vastusten määrää kolmeen. Käytetyllä taajuusvälillä ei saavutettu mallin tarkkuuden lisäparannusta, kun yritettiin nostaa substraattiverkon vastusten määrää yli kolmen. Erilaisilla MOS-transistorin piirikuvioilla tarkasteltiin myös kahta mallitustapaa, joilla voidaan kuvata jakautuneen hilan käyttäytymistä. Kummatkin lähestymistavat parantavat mallin radiotaajuusominaisuuksia johonkin rajaan asti, mutta vain tietyillä transistorigeometrioilla. Molemmat jakautuneen hilan mallit kuvaavat hyvin sellaisten transistoreiden suurtaajuusominaisuuksia, joita ei yleensä käytetä radiotaajuuksilla.