초록 ▼

본 연구의 목표는 실리콘 RF CMOS의 손실 substrate 기생성분들을 GHz 영역에
서 정확히 모델링 함으로써, 이동통신 시스템용 RF IC를 정확히 설계하는데 적용할
수 있는 새로운 scalable 비선형 RF MOSFET 모델을 구축하는데 있다.
실리콘 RF CMOS소자를 사용한 RF IC의 신뢰도 있는 설계를 위해서는 복잡한
RF 기판 특성을 정확히 예측할 수 있는 RF 기판모델의 연구가 필수적이다. 하지만
기존의 SPICE 모델은 단순한 lumped 기판 회로를 사용하여 GHz 출력특성을 정

본 연구의 목표는 실리콘 RF CMOS의 손실 substrate 기생성분들을 GHz 영역에
서 정확히 모델링 함으로써, 이동통신 시스템용 RF IC를 정확히 설계하는데 적용할
수 있는 새로운 scalable 비선형 RF MOSFET 모델을 구축하는데 있다.
실리콘 RF CMOS소자를 사용한 RF IC의 신뢰도 있는 설계를 위해서는 복잡한
RF 기판 특성을 정확히 예측할 수 있는 RF 기판모델의 연구가 필수적이다. 하지만
기존의 SPICE 모델은 단순한 lumped 기판 회로를 사용하여 GHz 출력특성을 정
확히 모델화하기는 역부족이다. 따라서, 기존의 SPICE 모델을 수정 개선하려는 노
력이 최근에 활발해지고 있지만, 여전히 큰 오차가 발생되고 있는 실정이다. 따라
서, 본 과제에서는 이러한 오차를 줄이기 위하여 다음과 같은 연구내용을 수행하였
다.
본 연구에서는 측정된 S-파라미터로부터 RF 기판 특성을 분리하기 위하여
saturation 영역의 유효 출력 admittance 데이터를 사용하였다. 이러한 기판 특성데이
터를 바탕으로 RF MOSFET을 위한 물리적인 기판 등가회로가 제안되었고 모델 파
라미터들을 직접 추출하는 새로운 방법이 개발되었다. 이 방법은 복잡한
curve-fitting과정 없이 외부 저항, 인덕턴스 및 전체 기판회로 파라미터들을 직접 추
출할 수 있으므로 기존방법들 보다 훨씬 간단하다. 새로운 추출방법의 정확도는 비교
적 주파수에 무관한 소자 intrinsic 파라미터들을 추출함으로써 증명되었다. 이와 같이
추출된 파라미터들을 대입하여 시뮬레이션된 모델 S-파라미터는 측정데이터와 잘 일
치하였으며, 이는 새로운 추출방법의 정확도를 직접적으로 증명하고 있다. 위의 새로
운 방법을 이용하여 RF 비선형 기판모델 구축을 위해서 필요한 기판 파라미터들의
bias 종속 데이터를 추출하였다. 이와 같이 추출된 기판 파라미터 데이터를 기초로,
단위 소자 cell을 위한 scalable 기판모델을 구축하였다. 그 후에 이러한 각 단위 cell
모델들에 substrate network block들을 서로 병렬로 연결하는 새로운 RF distributed
substrate 모델을 개발하였으며, 전체 RF MOSFET 모델을 상업 CAD 소프트웨어인
HSPICE에 구축하였다. 이러한 RF MOSFET 모델에 적합한 파라미터 추출 알고리듬
을 구축하기 위하여 기판모델 외의 MOSFET 모델 파라미터들을 측정된 S-파라미터
로부터 정확히 결정할 수 있는 추출방법을 연구하였다. 측정된 S-파라미터 set들과
모델된 시뮬레이션 데이터가 잘 일치됨을 관찰함으로써 RF distributed 기판 모델의
정확도가 검증되었다. 끝으로, 개발된 대신호 RF MOSFET 모델을 사용하여 동작주
파수 2GHz대역의 RF double-balanced mixer를 설계하였다.
본 연구에서는 정확히 추출된 기판 파라미터 데이터를 기초로 새로운 RF CMOS
substrate 모델을 개발하였다. 이와 같은 새로운 substrate 모델은 이동통신 시스템용
RF IC 제조에 필요한 세계적 설계 기술을 구축하는데 활용될 수 있다. 또한, 상업적
TCAD 설계 시뮬레이터 및 변수추출 소프트웨어들의 제품성능을 크게 향상시키는데
기여할 수 있다.

Abstract ▼

The purpose of this research is to develop a new scalable RF MOSFET
model applicable for the reliable design of RF IC chips in mobile communications
systems, by modeling the lossy substrate parasitics of silicon RF CMOS in the
GHz range accurately.
For the reliable design of RF IC's usin

The purpose of this research is to develop a new scalable RF MOSFET
model applicable for the reliable design of RF IC chips in mobile communications
systems, by modeling the lossy substrate parasitics of silicon RF CMOS in the
GHz range accurately.
For the reliable design of RF IC's using RF CMOS devices, it is necessary
to investigate a RF substrate model predicting RF substrate effects accurately.
However, it is very difficult to model accurately RF output characteristics in the
GHz range using a conventional SPICE model. Recently, a lot of efforts have
been concentrated on the improvement and modification of the SPICE model, but
large errors still occur. Therefore, to reduce the modeling errors, the following
contents of research was performed in this project.
The effective output admittance in the saturation region has been used to
separate RF substrate characteristics from the measured S-parameters data. Based
on the substrate data, a physical substrate model for a RF MOSFET is proposed
and a new technique has been developed to extract the model parameters. This
new technique does not require any curve-fitting process to extract extrinsic
resistances and inductances, and all substrate circuit parameters, thus yielding
much simpler than the previous extraction methods. The validity of the new
methods is proven by extracting frequency-independent intrinsic parameters. The
simulated S-parameters obtained from the extracted parameters show good
agreements with measured ones, verifying the accuracy of the new extraction
technique. Using the extraction technique, bias-dependent data of substrate
parameters have been accurately extracted for constructing a RF large-signal
substrate model. Based on extracted data of substrate parameters, a scalable
substrate model for the unit device cell is constructed. A RF distributed substrate
model connecting substrate network blocks to each unit device model in parallel is
developed and implemented in the commercial HSPICE software. In order to
acquire an appropriate parameter extraction technique for the RF MOSFET model,
the accurate method has been studied to determine all MOSFET model
parameters except for substrate parameters using measured S-parameters. The
accuracy of the RF distributed substrate model is demonstrated by observing
good agreement between the measured and modeled S-parameters characteristics.
Finally, a RF double-balanced mixer operating at 2GHz was designed by using
the new distributed MOSFET model.
In this project, a scalable RF MOSFET model with a new distributed
substrate network is developed based on accurately extracted data of substrate
parameters. The new substrate model can be practically applied to construct
world-level design technologies for fabricating RF ICs in mobile communication
system. The use of the new RF substrate model makes a great contribution to
improving the product quality of the commercial TCAD circuit design simulator
and parameter extraction software.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...8
• 3. 결과 및 고찰...13
• 4. 결론...19
• 5. 인용문헌...20