Resonant tunneling diodes (RTDs) are very promising quantum-effect devices for future high-speed electronics. Their unique NDR (Negative Differential Resistance) characteristics and pico-second switching speeds at room temperature make them suitable for the high-speed low-power digital ICs. By using the NDR characteristics of the RTD, it is possible to reduce the number of device count and DC power consumption of high speed digital ICs.
In this thesis, the temperature dependence of InP-based RTDs, HBTs and the associated RTD-based digital IC of CML-MOBILE RZ (Return to Zero) D-flop flop, which is the basic building block of CML MOBILE-based digital ICs, has been investigated.
In chapter 2, the temperature dependent DC/RF characteristics of InP-based RTDs are investigated. The measurements for characterizing the RTDs have been performed in a temperature range between 25℃ and 150℃. For each temperature, DC I-V measurements as well as RF s-parameter measurements have been performed. The valley current and current levels in the PDR2 (Positive Differential Resistance 2) region increase as the temperature is increased. The PVCR (Peak to Valley Current Ratio) is decreased as the increase of valley current. The intrinsic diode capacitance $C_D$ has little temperature dependence from 25℃ to 150℃.
In chapter 3, the temperature dependent DC/RF characteristics of InP-based HBTs are investigated. The measurements for characterizing the HBTs have been performed in a temperature range between 25℃ and 150℃. DC current gain and $V_{BE}$ turn-on voltage are decreased as temperature is increased. The junction capacitance $C_{BC}$ is increased in a temperature range between 25℃ and 150℃. $f_T$ and $f_{Max}$ are decreased by 32 % from 25℃ to 150℃.
In chapter 4, the temperature dependence of InP-based RTD/HBT CML-MOBILE digital ICs has been investigated. The eye height of RZ D-flip flop slightly decreases by 6.45 % from 25℃ to 100℃ and more steeply decreases by 30.51 % from 100℃ to 150℃. These measurement results are characterized using the device measurement results in chapter 3 and 4.
In chapter 5, the new methodologies for enhanced thermal stability are proposed. Firstly, the current source needs to be improved. Secondly, the operation of the HBTs has to be in the active mode to reduce the parasitic load capacitance of MOBILE IC. Moreover, in order to diminish AC current effect, small clock swing is required.
In the appendix, the InP RTD/HBT based frequency divider for multiphase clock generation is proposed. The multiphase clock can reduce the device counts of the 4:1 Multiplexer ICs. The fabricated frequency divider has the lower DC power consumption (98 mW) compared to that of the conventional ECL type frequency divider.
양자효과 소자인 공명터널다이오드는 차세대 초고속 회로용 소자로써 매우 주목 받고 있다. 공명터널다이오드는 독특한 부성미분저항 특성과 매우 빠른 스위칭 속도, 그리고 상온에서의 안정적인 동작이 가능하다는 점 때문에 초고속 저전력 디지털 회로에 적합한 소자이다. 특히, 공명터널다이오드의 부성미분저항 특성을 초고속 디지털 회로에 적용할 경우 소자 수와 DC 전력 소모를 줄이는 것이 가능하다.
본 논문에서는 InP 기반 공명터널다이오드와 이종접합 바이폴라트랜지스터(HBT), 그리고 이 두 소자를 이용하여 제작된 MOBILE 디지털 회로의 핵심 블록인 CML-MOBILE RZ D-flip flop의 온도특성을 분석하였다.
첫 장에서는 연구의 배경과 서론에 대해서 설명하였으며, 2장에서는 공명터널다이오드의 온도에 따른 DC/RF 특성을 25℃ ~ 150℃의 온도범위에서 측정 및 분석하였다. 측정 결과 공명터널다이오드의 Valley 전류와 PDR2(양성 미분 저항 구간 2) 전류가 증가하여 PVCR(Peak 전류와 Valley 전류의 비)이 감소하는 모습을 확인할 수 있었다. 그리고 내부 다이오드 캐패시턴스는 온도에 따른 큰 변화가 없었다.
3장에서는 이종접합 바이폴라트랜지스터의 온도에 따른 DC/RF 특성을 25℃ ~ 150℃의 온도범위에서 측정 및 분석하였다. 이종접합 바이폴라트랜지스터의 경우 온도가 증가하면서 DC 전류 이득과 베이스-에미터 턴 온 전압이 감소하는 모습을 보여 주었다. 그리고 높은 온도에서 베이스와 콜렉터 간의 접합 캐패시턴스가 증가하여 $f_T$와 $f_{Max}$ 또한 32 % 가량 감소하였다.
4장에서는 CML-MOBILE 디지털 회로(RZ D-flip flop) 에 대한 온도특성을 측정 및 분석하였다. 측정 결과 디지털 회로의 출력 파형 크기가 25℃ ~ 100℃ 에서 6.45 %, 100℃ ~ 150℃에서 30.51 %로 감소함을 알 수 있었으며 이 결과를 2,3장에서 수행한 소자의 온도특성 측정 결과를 바탕으로 분석하였다.
5장에서는 CML-MOBILE 디지털 회로의 열적 안정도를 높이기 위한 방법들을 제시하였다. 첫째로 온도에 영향을 덜 받는 전류원을 사용하여야 하며, 둘째로 회로내의 모든 트랜지스터가 Active mode로 동작하게 하여 MOBILE의 부하 캐패시턴스를 작게 하여야 한다. 마지막으로 AC 전류 효과를 줄이기 위해 회로에 사용되는 clock의 크기를 가능한 작게 하여야 한다.
마지막으로 Appendix에서는 4:1 Multiplexer의 clock 분배 단에 적용 될 경우 전체 IC의 소자 수를 감소시킬 수 있는 다양한 phase의 clock 발생이 가능한 frequency divider를 공명터널 다이오드를 사용하여 제적하였다. 제작된 frequency divider의 DC 전력 소모는 98 mW로 기존의 ECL 구조의 frequency divider보다 작은 값을 보였다.
