In this thesis, a spline large-signal FET model was introduced. The model was developed to predict device’s characteristics without regard to the process of the device. The accuracy and robustness of the model was verified in three FET devices; FETs, HEMTs and MOSFETs.
The thermal and trap effects were investigated, and the large signal model including thermal and trap effects was introduced. The model parameters were extracted from bias dependent pulsed I-V’s and S-parameters. The extraction method was very creative in a point that the trap and thermal effects were considered independently. The validity of the model is demonstrated using a commercially available MESFET device. Good agreements were shown in comparing the simulated small-signal S-parameters over wide bias range with measured data. Nonlinear simulation results of the device such as $P_{in}-P_{out}$, IMD3, and PAE were also matched very well with the measurements.
A modified spline FET model was presented. The model was developed to have merits of simplicity in empirical model and accuracy in table-based model. Moreover, the extrapolability of the model was very useful in large power devices. The validity of the model was demonstrated using a commercially available HEMT device. Good agreements were shown in comparing measurements and simulations of pulsed I-V’s and S-parameters at various quiescent bias voltages. Also, the model accurately predicted load-pull measurement results including the output power and PAE.
A spline large signal model for MOSFET devices was presented. A novel approach for the extraction of parasitic resistances is also described. This technique was developed to solve discrepancies between the measured I-V characteristic and the calculated one from integrations of the trans-conductance and the output conductance which were obtained using small signal S-parameters. The intrinsic device of the model represented by a parallel connection of current sources and charge sources and the model parameters were calculated from integrations of corresponding small signal parameters. The validity of the model is demonstrated by comparing the simulated small-signal S-parameters over wide bias range with measurements. Also, the model could accurately predict nonlinear behaviors of MOSFETs such as I-V characteristics and Pin-Pout.
본 논문은 고주파 영역의 무선통신 회로의 능동 소자로 많이 사용되는 전계효과 트랜지스터의 대신호 특성을 예측할 수 있는 모델에 관한 연구이다. 제안한 스플라인 모델은 테이블 모델로써 MESFET, HEMT, CMOS 등 다양한 전계효과를 이용한 트랜지스터에 사용할 수 있도록 개발되었다.
GaAs FET에서는 트랩 효과와 열 효과로 인해 소자의 채널전류 특성이 왜곡된다. 이를 정확히 모델 하기 위해 새로운 채널전류 식이 제안되었다. 또한 펄스 전류 측정을 사용하여, 트랩 효과와 열 효과를 분리하여 각각을 모델 할 수 있는 새로운 방법이 제안되었다. GaAs MESFET소자를 모델링하여 모델의 정확성을 확인하였다. 제안한 모델은 소신호 S-parameter 뿐만 아니라, 대신호 특성인 전압-전류 특성, 출력 전력, 증폭 효율, IMD 특성 등을 잘 예측할 수 있었다.
매우 큰 전력소자의 경우, 고전류 영역을 측정하는 것은 불가능하다. 테이블 모델은 측정값을 기반으로 함으로, 측정할 수 없는 영역을 가지는 소자의 모델에 부적합하다. 이를 개선하기 위해 개선된 스플라인 모델이 제시되었다. 고전력 영역에서의 트랩 효과는 약하므로, 기존의 실험식 모델로 모사가 가능하다. 실험식 모델은 외삽이 가능함으로 저전류 영역에서의 측정을 통해 고전류 영역에서의 전류의 특성을 예측 할 수 있다. 트랩효과와 열 효과가 배재된 기준 전류를 실험식 모델의 일종인 커티스 모델로 모사하고, 복잡한 트랩 모델은 스플라인 모델을 사용함으로써, 실험식 모델의 장점인 간편함과 외삽 그리고 테이블 모델의 장점인 정확성을 가지는 모델을 개발하였다. 고전력용GaAs pHEMT 소자를 모델링하여 모델의 정확성을 확인하였다. 제안한 모델은 소신호 S-parameter 뿐만 아니라, 대신호 특성인 전압-전류, 출력 전력, 증폭 효율, IMD 측정값을 정확히 예측할 수 있었다.
스플라인 모델을 MOSFET 소자의 대신호 모델에 적용해 보았다. 이를 위해 먼저MOSFET의 기생저항을 측정할 수 있는 방법을 개발하였다. MOSFET 소자의 경우, 게이트를 통해 전류를 흘릴 수 없으므로 기생저항을 측정하기가 매우 힘들다. 잘못된 기생저항을 사용할 경우, 소신호에서 얻어진 변환 컨덕턴스와 출력 컨덕턴스를 적분하여 얻어진 전류 특성은 측정값과 다르게 된다. 이를 고려한 기생저항 추출법을 소개하였다. 모델의 정확성을 보이기 위해Si nMOSFET소자를 모델링하였다. 제안한 모델은 소신호 S-parameter 뿐만 아니라, 대신호 특성인 전압-전류 특성, 출력 전력, 증폭 효율 등을 아주 정확히 예측할 수 있었다.
