In this dissertation, we have examined a variety of examples of modeling and parameter extraction methods for RF MOSFET’s. Modeling and parameter extraction techniques popular in III-V FET modeling were reviewed and recent efforts to model the RF MOSFET and extract the model parameters were examined in light of the differences between the MOSFET and the III-V FET. We have found that the differences -the lossy silicon substrate and the four-terminal properties of a MOSFET -resulted in major difficulties of RF MOSFET modeling and parameter extraction. We have also discussed several works which attempt to successfully apply the established methodology for III-V FET’s to MOSFET’s with proper modifications, along with the shortcomings and limitations of this three-terminal modeling approach. Four-terminal modeling based on new equivalent circuits to address the high-frequency effects arising in a MOSFET was found to be very complicated and not practical for CAD applications, even without considering the substrate coupling terms. As a temporary alternative, the macro-modeling approach has been examined with various examples.
A new physical small-signal equivalent circuit with very simple and accurate parameter extraction method for a four-terminal RF MOSFET model has been presented. The model is valid in strong inversion operation region. The parameters can be extracted directly from the real and imaginary parts of Y-parameters. It was found that the extracted parameters remain almost constant with frequency, verifying that the method is accurate and reliable. Without any complex fitting or optimization steps, the total modeling error was calculated to be only 0.89 %. We also showed that, without the intrinsic body node in the equivalent circuit, gate bias dependence of the substrate-signal-coupling effects cannot be modeled correctly.
A new accurate four-terminal modeling approach associated with a novel parameter extraction method has been proposed. The model is valid in all regions of device operation and describes both the intrinsic and extrinsic contributions including the non-quasi-static and substrate-signal-coupling effects. The proposed parameter extraction scheme is based on a new Y-parameter decomposition technique and the complete set of parameters could be directly extracted from the measured two-port S-parameters in all operation regions. The gate bias dependence of the decomposed Y-parameter terms and the extracted parameters were investigated. Excellent accuracy of the modeling results were verified with measured data up to 20 GHz and it was shown that the model and the extraction method can be applied at any bias conditions.
We have also suggested the model modifications to extend the application frequency range up to the device cut-off frequency and enhance the accuracy in predicting the four-terminal, or three-port device characteristics. Use of the more complicated substrate network and more accurate source-to-drain capacitance accounting for the short-channel effect was suggested. Improvements of the modified four-terminal model were verified with the device simulation results up to 50 GHz.
본 논문에서 우리는 RF MOSFET을 모델링하고 모델의 파라미터들을 추출하기 위한 방법들을 제시한 각종 연구 사례들을 살펴보았다. III-V FET 소자의 경우에 널리 쓰이는 모델링 기법 및 파라미터 추출 방법들을 살펴보았으며, MOSFET과 III-V FET 간의 여러 가지 차이점들을 짚어 보고 이러한 관점에서 RF MOSFET의 성공적인 모델링과 파라미터 추출을 어렵게 하는 요인들에 관해 언급하였다. 또한 III-V FET 소자의 모델링과 파라미터 추출을 위해 확립된 기법들을 적절히 변형하여 RF MOSFET의 경우에 적용하려고 시도한 각종 3단자 모델링 사례들에 관해 논의하였으며 그 단점과 한계를 제시하였다. 이에 반하여 RF MOSFET을 본래의 특성대로 4단자 소자로 모델링 하기 위한 각종 시도들을 등가 회로에 기반한 방법들과 매크로 모델을 이용한 방법들로 분류하였으며 각각이 가지는 장점과 한계들에 관해 논의하였다. 우리는 매우 간단하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있는 RF MOSFET의 새로운 4단자 등가회로 모델과 그에 따르는 효율적인 파라미터 추출 기법을 제안하였다. 이 모델은 소자가 강반전 영역에서 동작할 때만 유효하다는 한계를 갖지만 매우 간단하고 실용적이라는 장점 또한 가지고 있다. 모든 모델 파라미터들은 측정된 Y 파라미터의 실수부와 허수부로부터 직접 추출 가능하며 추출된 결과가 주파수에 거의 의존하지 않는 특성을 보인다. 이로써 제안된 모델과 추출 기법이 정확하고 신뢰할 수 있다는 것을 입증하였으며, 최적화 단계가 전혀 개입되지 않은 상태에서도 0.89 %의 매우 낮은 모델 에러 수치를 얻을 수 있었다. 또한 등가 회로에 intrinsic body node를 두지 않으면 substrate-signal-coupling 효과의 전압 의존성을 제대로 모델링 할 수 없음을 보였다. 또한, 이 논문에서는 새롭고 혁신적인 파라미터 추출 방법과 함께 매우 정확한 RF MOSFET의 4단자 모델링 기법을 제안하였다. 사용된 모델은 소자의 non-quasi-static 효과와 substrate-signal-coupling 효과를 포함한 각종 intrinsic 현상과 extrinsic 현상을 모두 설명할 수 있으며, 모든 소자 동작 영역에서 적용이 가능하다. 제안된 파라미터 추출 방법은 측정된 Y 파라미터를 intrinsic 성분과 substrate-signal-coupling 성분으로 분해하는 새로운 기법에 기반하고 있으며, 이로부터 모든 모델 파라미터들을 어떤 동작 영역에서도 직접 뽑아낼 수 있었다. 분해된 각각의 Y 파라미터 성분들과 추출된 모델 파라미터들의 전압 의존성을 조사, 연구하였으며, 20 GHz의 주파수 영역까지 매우 정확한 모델링 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 뿐만 아니라, 제안된 4단자 모델의 유효 주파수를 소자의 cut-off 주파수까지 확장하고 소자의 4단자 특성을 더욱 정확히 모델링 할 수 있도록 개선하는 방법들을 제시하였다. 조금 더 복잡한 기판 기생 성분 모델을 이용하고 소스와 드레인 터미널 간의 커패시턴스에 나타나는 단채널 효과를 고려해 줌으로써 개선이 가능하며, 50 GHz의 높은 주파수까지 소자 시뮬레이션을 이용하여 이와 같은 사실을 확인하였다.
