초록 ▼

GaAs MMIC 설계를 위해서는 GaAs MESFET에 대한 정확한소자 모델링이 필요하다. 초고주파 소자모델을 추출하기 위해 Vector Network Analyzer를 이용하여 GaAs MESFET의 S-파라메타를 측정하려면 probe를 GaAs MESFET과 연결되어 있는 측정용 패드에 접촉시켜야 한다. 그러므로, GaAs MESFET을 측정한 S-파라메타에는 측정패드 부분의 S-파라메타도 포함되어 있다. 그러나, MMIC는 측정패드가 없는 GaAs MESFET으로 제작되므로 측정용 패드에서 생기

GaAs MMIC 설계를 위해서는 GaAs MESFET에 대한 정확한소자 모델링이 필요하다. 초고주파 소자모델을 추출하기 위해 Vector Network Analyzer를 이용하여 GaAs MESFET의 S-파라메타를 측정하려면 probe를 GaAs MESFET과 연결되어 있는 측정용 패드에 접촉시켜야 한다. 그러므로, GaAs MESFET을 측정한 S-파라메타에는 측정패드 부분의 S-파라메타도 포함되어 있다. 그러나, MMIC는 측정패드가 없는 GaAs MESFET으로 제작되므로 측정용 패드에서 생기는 기생 성분이 제거(de-embedding)된 정확한 초고주파소자의 모델이 요구된다.본 연구의 1차년도에는 패드의 크기가 100㎛×100㎛이고 패드사이의 간격은 50㎛인GSG 측정용 패드의 기생성분을 de-embedding 하기 위해서 게이트 패드와 드레인 패드는각각 한 개의 캐패시턴스로 모델링하였으며, 게이트에 pinch-off 이하 전압을 인가한cold-FET조건에서 측정한 S-파라메타로부터 31.4fF의 패드 캐패시턴스를 추출하였다. 제작된 증폭기의 입출력 GSG 측정용 패드는 CPW (Coplanar Waveguide) 구조로 간주하여한 개의 인덕터와 두 개의 캐패시터로 구성되는 π-결선으로 모델링하여 Libra Simulator로추출하였다. 또한, 정확한 소자 모델파라메타 추출을 위해 게이트전압이 0V인 cold-FET과 pinched-off 바이어스에서 측정한 S-파라메타로부터 기생 저항과 인덕턴스를 추출하는새로운 방법을 제안하였으며, 신뢰성 있는 결과를 얻었다.2차년도에는 GaAs MESFET의 측정용 패드 de-embedding이 MMIC 설계에 미치는효과를 살펴보기 위해서 2단 X-밴드 증폭기를 설계 및 제작하였다. 설계에 사용한 GaAsMESFET은 크기가 0.5㎛×50㎛×2이다. X-밴드 GaAs MMIC 증폭기를 제작하여 측정한결과는 설계에 사용한 GaAs MESFET의 패드 캐패시턴스를 de-embedding하고, 레이아웃에서 소자간에 연결에 사용된 전송선 효과와 수동소자의 공정변화를 고려하여 시뮬레이션한결과와 유사하였다. 그러나 입출력 단의 측정패드는 증폭기 특성에 크게 영향을 미치지않았다. 한편, 서로 다른 크기를 갖는 GaAs MESFET을 이용하여 X-밴드 MMIC 증폭기를 설계하여 본 결과 패드 de-embedding 효과는 GaAs MESFET의 크기가 작을수록 중심주파수가 많이 이동하며 최고 이득의 변화도 커짐을 알 수 있었다. 따라서, 측정용 패드에비하여 크기가 작은 GaAs MESFET으로 X-밴드 MMIC 증폭기를 설계할 때는 반드시 패드를 de-embedding하여 설계해야 한다.이와 같은 연구결과는 초고주파 및 밀리미터파대 MMIC 설계기술과 초고주파 및 밀리미터파 소자의 소신호 파라메타 추출의 기본 기술로 중요할 뿐만 아니라, 대신호 모델 및잡음모델 추출에도 활용이 기대된다.

Abstract ▼

An accurate device modeling of GaAs MESFET's is requiredfor the GaAs MMIC design. In order to extract device model parameters probesshould be contacted to the probing pad connected to the actual GaAs MESFET to beused as a standard device. Then the measured S-parameters included inevit

An accurate device modeling of GaAs MESFET's is requiredfor the GaAs MMIC design. In order to extract device model parameters probesshould be contacted to the probing pad connected to the actual GaAs MESFET to beused as a standard device. Then the measured S-parameters included inevitably theprobing pads in addition to the MESFET. However, as the MMIC's are fabricatedwith the GaAs MESFET's without the pads,the deembedded parameters are essential forthe MMIC design.In the first year of this research the gate and drain pads of 100㎛×100㎛ and thegap of 50㎛ between pads widely used for S-parameter measurement of GaAsMESFET's are modeled as the pad capacitances Cpg and Cpd, respectively. Theseparasitic capacitances due to the pads were extracted from S-parameters measured atthe pinched-off cold-FET bias condition, then a value of 31.4fF was obtained as the padcapacitances. As the input/output GSG pads of the fabricated are regarded as acoplanar waveguide structure, they are modeled as a π-connection composed of aninductor and two capacitances. The parameters were determined by using the LibraSimulator. In addition, a new method was suggested to extract the extrinsic parasiticresistances and inductances of GaAs MESFET's using the S-parameters measured atboth zero gate bias and pinched-off cold-FET conditions. This method providedreliable results.In the second year a 2-stage X-band pre-amplifier was designed and fabricated toinvestigate pad de-embedding effects on GaAs MESFETs in the MMIC design with thesize of GaAs MESFET 50㎛2 (0.5㎛×50㎛×2). Simulations were carried out to fitmeasured characteristics of the X-band GaAs MMIC amplifier by taking account of thepad de-embedding, transmission lines of the layout, and process variations ofinductances and capacitances. However, the effect of the input/output pads on theMMIC pre-amplifier was not significant. On the other hand X-band MMIC amplifierswere designed using different gate areas of GaAs MESFETs and then simulated inorder to examine the pad de-embedding effects on their characteristics. Thesesimulations showed that the center frequency shift and the gain change due to the padde-embedding increased as the gate area decreased. Therefore, the pad de-embeddingshould be included in the X-band MMIC amplifier design especially with a small gatearea of GaAs MESFETs compared to the probing pad.We expect these results to contribute to the parameter extraction techniques ofmicrowave and millimeter devices for small-signal,large-signal,and noise models andmicrowave and millimeter MIC designs.

목차 Contents

• I. 서론...7
• 1. 연구배경 및 목적...7
• 2. 연구내용 및 범위...7
• II. 연구방법 및 이론...9
• 1. 측정용 패드의 기생성분 추출...9
• 1.1 Dambrine 모델을 이용한 패드 캐패시턴스 추출...10
• 1.2 CPW(Coplanar Waveguide) 구조의 패드 기생성분 추출...11
• 2. open패턴을 이용한 게이트/드레인 인덕턴스 추출방법...12
• 2.1 cold-FET 바이어스 조건에서 추출한 인덕턴스...13
• 2.2 전극이 없는 open패턴모델과 파라메타 추출...13
• 2.3 게이트/드레인 전극이 있는 open패턴모델과 파라메타 추출...14
• 2.4 파라메타 추출결과...17
• 3. 기생성분 추출방법...19
• 3.1 기생 저항과 인덕턴스 추출방법...19
• 3.2 소신호 모델 파라메타 추출결과...21
• 4. 설계 목표 및 능동소자...22
• 4.1 X-밴드 증폭기 설계 목표...22
• 4.2 설계에 사용한 GaAs MESFET...22
• 5. X-밴드 증폭기 설계 및 제작...24
• 5.1 X-밴드 증폭기 설계...24
• 5.2 설계한 X-밴드 증폭기의 패드 deembedding 효과...26
• III. 실험 결과...27
• 1. 측정결과 및 분석...27
• 1.1 GaAs MESFET의 특성이 변하였을 경우...28
• 1.2 수동소자의 특성이 변하였을 경우...28
• 2. GaAs MESFET의 크기에 대한 패드 deembedding 효과...34
• IV. 고찰...37
• V. 결론...39
• VI. 인용문헌...41
• 연구수행관련 논문발표 목록서...42
• 자체평가서...44