A small-signal MOS transistor analysis : contribution to new extraction and modelling methodologies for RF applications
Analyse du comportement petit signal du transistor MOS : contribution à une nouvelle approche d'extraction et de modélisation pour des applications RF
Abstract
Because of the increase in wireless and high bitrate communications during the last fifteen years, semiconductor industry is getting more and more interested in analog and RF integrated circuits manufacturing. The electrical performances of CMOS devices are now interesting for RF circuits design. Yet, most available device models are not suitable for RF applications and thus can't be used as they are for RF design. In order to improve the knowledge and the modeling of the MOSFET for this kind of circuit, we have developed methodologies for a more accurate analysis of the extrinsic part of the MOS transistor. These methods are based on s-parameters measurements, and using our knowledge of the MOS theory and technology. Using them, extrinsic elements are isolated so that they can be analyzed and their effects can be highlighted. Gate resistance and substrate network, which are shown to have a first-order impact on the device's RF behaviour, can then be properly extracted and modelled. Thanks to these methods, second-order effects of the extrinsic part have been emphasized, and the increasing impact of parasitics on RF performances of the device is also shown.
L'explosion des moyens de communication sans fil durant les quinze dernières années, ainsi que les services nécessitant des communications à haut débit ont conduit l'industrie du semiconducteur à s'intéresser de plus en plus au circuit intégré pour des applications analogiques radio-fréquences. Les dispositifs réalisés en technologie CMOS présentent aujourd'hui des performances les rendant intéressants pour la conception de circuits RF. Or, la plupart des modèles disponibles actuellement ne sont pas adaptés aux besoins des applications RF, et ne peuvent donc pas être utilisés tels quels pour la conception de tels circuits. Afin d'améliorer la connaissance et la modélisation du MOSFET pour ce type d'applications, nous avons développé, au cours de ces travaux de thèse, de nouvelles méthodes d'analyse de la partie extrinsèque du transistor MOS, basées sur la mesure de paramètres S, et sur une connaissance approfondie de la théorie du MOSFET et de sa technologie. Ces méthodes consistent à isoler les éléments extrinsèques pour les étudier et connaître leurs effets. Elles permettent une extraction et une modélisation rigoureuses de composantes telles que la résistance de grille ou le réseau substrat, dont l'influence au premier ordre sur le comportement RF du transistor a été mise en évidence. Elles ont également conduit à montrer l'existence d'effets haute fréquence de second ordre induits par ces éléments parasites du dispositif, et montrent l'évolution grandissante de leur impact, au fil des générations technologiques, sur les performances RF du composant.
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