[논문]Multi-Finger MOSFET의 바이어스 종속 S11-파라미터 분석

안자현; 이성현

doi:10.5573/ieie.2016.53.12.015

초록
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매우 큰 사이즈를 가진 multi-finger RF MOSFET의 $S_{11}$-parameter에서 스미스차트의 저항 circle 라인을 벗어나는 kink 현상의 게이트 바이어스 종속 특성이 관찰되었다. 이러한 바이어스 종속성은 $S_{11}$-parameter의 크기와 위상, 입력저항, 입력 커패시턴스의 주파수 응답곡선을 측정하여 최초로 분석되었다. 그 결과 입력 커패시턴스의 크기와 입력저항의 dominant pole과 zero 주파수에 의해 $V_{gs}$ 종속 kink 현상이 크게 변하는 것을 알 수 있다. $V_{gs}=0V$일 때 매우 적은 $S_{11}$-parameter 위상차와 입력저항의 높은 pole 주파수에 의해 고주파영역에서 kink 현상이 나타난다. 하지만 $V_{gs}$가 높아지면 $S_{11}$-parameter 위상차가 크게 증가하고 pole 주파수가 낮아져 저주파영역에서 kink 현상이 발생하게 된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The gate bias dependence of kink phenomenon with a large deviation from the resistance circle in Smith chart is observed in the frequency response of $S_{11}$-parameter for large multi-finger RF MOSFETs. For the first time, this bias dependence is analyzed by measuring magnitude and phase...

The gate bias dependence of kink phenomenon with a large deviation from the resistance circle in Smith chart is observed in the frequency response of $S_{11}$-parameter for large multi-finger RF MOSFETs. For the first time, this bias dependence is analyzed by measuring magnitude and phase of $S_{11}$-parameter, input resistance and input capacitance. As a result, $V_{gs}$ dependent $S_{11}$-parameter is largely changed by the magnitude of input capacitance as well as dominant pole and zero frequencies of input resistance. At $V_{gs}=0V$, the kink phenomenon occurs in the high frequency region because of very small phase difference of $S_{11}$-parameter and high pole frequency of input resistance. However, the kink phenomenon at higher $V_{gs}$ is generated in the low frequency region owing to large phase difference and low pole frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 매우 큰 W_t를 갖는 multi finger MOSFET에서 S₁₁-parameter kink 현상의 전압종속 특성을 발견하였고, S₁₁-parameter의 magnitude, phase, R_IN, 및 C_IN의 주파수 응답 곡선을 통해 최초로 전압 종속 원인을 분석하였다.

제안 방법

매우 큰 W_t를 갖는 multi-finger N-MOSFET에서 S₁₁-parameter kink 현상의 V_gs 종속 특성을 발견하였고, S₁₁-parameter의 magnitude와 phase, R_IN, C_IN의 주파수 응답 곡선을 사용하여 최초로 분석하였다. 분석결과 V_gs=0V일 때 매우 작은 C_IN에 의해 고주파에서 phase(S₁₁)가 증가되며 f_p가 높아 R_IN이 크게 감소하는 고주파영역에서 kink 현상이 나타난다.
본 연구에서는 multi-finger 게이트 형태(단위 게이트 finger 길이 L_g=0.18μm, 단위 게이트 finger 폭 W_u=10μm, 게이트 finger 수 Nf=64)의 N-MOSFET에 다양한 V_gs를 가한 후 on-wafer RF probe로 40GHz까지 S-parameter를 측정하였다.

이론/모형

이렇게 측정된 S-parameter로부터 RF probe 측정용 패드 및 금속 배선 패턴의 기생성분을 제거하기 위하여 정확성이 이미 증명된 open-short de-embedding 방법이 사용되었다^[5]. 이를 통해 MOSFET이 연결되지 않은 open 테스트 패턴을 사용하여 패드의 병렬 어드미턴스 요소들을 제거하고 모든 금속배선들 끝이 단락된 short 테스트 패턴들을 사용하여 금속배선에 존재하는 직렬 임피던스 요소들을 제거하였다.

성능/효과

의 주파수 응답 곡선을 사용하여 최초로 분석하였다. 분석결과 V_gs=0V일 때 매우 작은 C_IN에 의해 고주파에서 phase(S₁₁)가 증가되며 f_p가 높아 R_IN이 크게 감소하는 고주파영역에서 kink 현상이 나타난다. 하지만 V_gs=0.
분석결과 V_gs=0V일 때 매우 작은 C_IN에 의해 고주파에서 phase(S₁₁)가 증가되며 f_p가 높아 R_IN이 크게 감소하는 고주파영역에서 kink 현상이 나타난다. 하지만 V_gs=0.6V∼0.9V로 증가할 때는 매우 커진 C_IN으로 저주파에서 phase(S₁₁)이 크게 증가하고 낮아진 f_p에 의해 R_IN이 크게 감소하는 저주파 영역에서 큰 kink 현상이 발생하게 되고, V_gs=0.9V∼1.5V로 증가할 때는 조금씩 줄어드는 C_IN으로 인해 phase(S₁₁)이 감소하므로 저주파 kink 현상이 조금씩 줄어든다.

후속연구

13μm, W_u=10μm, Nf=64인 소자에서도 똑같이 관찰되었다. 본 연구에서 최초로 행해진 multi-finger MOSFET에 대한 전압 종속 kink 현상의 분석 결과는 S₁₁-parameter의 전압 종속 특성을 정확히 예측할 수 있기 때문에 RF MOSFET 대신호 모델링 연구에 매우 효과적으로 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MOSFET의 장점은?	MOSFET은 공정상 안정도가 높고 고집적화가 가능하며 가격 경쟁력이 탁월하여 RF IC 설계에 기본 소자로 널리 사용되고 있다. 이러한 MOSFET의 등가회로 모델을 구축하고 RF IC 설계를 하는데 S-parameter 데이터가 주로 사용되지만 스미스차트의 주파수 응답 특성과 전압 종속성을 분석하는 것은 매우 어렵다.
	MOSFET의 등가회로 모델을 구축하고 RF IC 설계를 하는데 사용되는 S-parameter의 단점은?	MOSFET은 공정상 안정도가 높고 고집적화가 가능하며 가격 경쟁력이 탁월하여 RF IC 설계에 기본 소자로 널리 사용되고 있다. 이러한 MOSFET의 등가회로 모델을 구축하고 RF IC 설계를 하는데 S-parameter 데이터가 주로 사용되지만 스미스차트의 주파수 응답 특성과 전압 종속성을 분석하는 것은 매우 어렵다. 특히, 대신호 RF 모델링을 위해서는 S-parameter의 전압 종속성에 대한 물리적 분석이 매우 중요하다.
	CMOS 공정을 사용한 게이트 길이 Lg가 0.18μm이고 전체 게이트 finger 폭 Wt가 640μm인 multi-finger RF N-MOSFET에서 1GHz의 저주파 영역에서 S11-parameter의 kink 현상이 일어나는 이유는?	18μm이고 전체 게이트 finger 폭 Wt가 640μm인 multi-finger RF N-MOSFET에서 1GHz의 저주파 영역에서 S11-parameter의 kink 현상이 최초로 관찰되었다[3]. 이는 저주파에서 입력저항 RIN의 감소에 의해 발생되며 큰 입력 커패시턴스 CIN에 의해 급격히 위상이 증가하여 스미스차트의 저항 circle 라인 사이의 간격이 넓어지기 때문에 생기는 현상임이 밝혀졌다[3].

참고문헌 (10)

Y. Lin and S. Lu, "An analysis of small-signal source body resistance effect on RF MOSFETs for low-cost system-on-chip (SoC) applications, " IEEE Trans. Electron Devices, vol. 52, pp. 1442-1451, 2005.

상세보기
Y. Lin and S. Lu, "An analysis of small-signal gate-drain resistance effect on RF power MOSFETs, " IEEE Trans. Electron Devices, vol. 50, pp. 525-528, 2003.

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J. Ahn and S. Lee, "Analysis of kink phenomenon in S11-parameter of standard MOSFETs, " Electronics Letters, vol. 51, no. 18, pp. 1453-1455, 2015.

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S.-S. Lu, C. Meng, T.-W. Chen and H.-C. Chen, "The origin of the kink phenomenon of transistor scattering parameter S22," IEEE Transaction on Microwave Theory Techniques, vol. 49, no. 2, pp. 333-340, February 2001.

상세보기
S. Lee, "Effect of pad and interconnection parasitics on forword transit time in HBTs" IEEE Trans. Electron Device, vol. 46, p. 275-280, 1999.

상세보기
H. Lee and S. Lee, "Accurate non-quasi-static gate-source impedance model of RF MOSFETs, " J. Semicond. Technol. Sci., vol. 13, no. 6, pp. 569-575, 2013

원문보기 상세보기
S. Hong and S. Lee, "Physical origin of gate voltage-dependent drain-source capacitance in short-channel MOSFETs, " Electronics Letters, vol. 50, no. 24, pp. 1879-1881, Nov. 2014.

상세보기
S. Hong and S. Lee, "Improved high-frequency output equivalent circuit modelling for MOSFETs, " Electronics Letters, vol. 51, no. 24, pp. 2045-2047, 2015.

상세보기
Y. Lee, M. Choi, J. Koo, and S. Lee, "Bias and gate-length dependent data extraction of substrate circuit parameters for deep submicron MOSFETs," Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea-Semiconductor and Devices, vol. 41, no. 12, pp. 27-34, 2004.
J. Kim, Y. Lee, M. Choi, J. Koo, and S. Lee, "Gate-length dependent cutoff frequency extraction for nano-scale MOSFET," Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea-Semiconductor and Devices, vol. 42, no. 12, pp. 1-8, 2005.

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