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Characterization and Modeling of SOI RF integrated components
First Edition
De lecture en lecture (de regard en regard), on s'avise qu’il nous est proposé ici une sorte de mise en abyme. Dans les mots de Véronique Wautier et dans les dessins / peintures de Godelieve Vandamme, les uns d’ailleurs appelant les autres – étant appelés par eux. On est à l’abri, on est l’abri, on est le courant et ce que le courant emporte, on est l’instant très doux dans la violence que la douceur habite. On est le poème-abri qui ne pourra que voler en éclats. Et, pourtant, on est cette présence à la vie où tout se tient. Tout, même ce nous que la confiance parfois relie – ce sont les oiseaux qui le disent. Peut-être que les oiseaux savent donner ce qu’ils perdent ? Le cabaner pour nous ?
Paperback
- In French
16.00 €
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- Publisher
- Presses universitaires de Louvain
- Title Part
-
Numéro 15
- Author
- Morin Dehan,
- Collection
- Thèses de l'École polytechnique de Louvain | n° 15
- Language
- English
- Publisher Category
- Applied Sciences > Electricity
- Publisher Category
- Applied Sciences
- BISAC Subject Heading
- TEC000000 TECHNOLOGY & ENGINEERING
- Onix Audience Codes
- 06 Professional and scholarly
- CLIL (Version 2013-2019)
- 3069 TECHNIQUES ET SCIENCES APPLIQUEES
- Type of Work
- Journal Issue
Paperback
- Publication Date
- 01 January 2003
- ISBN-13
- 9782930344393
- Extent
- Main content page count : 232
- Code
- 2930344393
- Dimensions
- 16 x 24 x 1.3 cm
- Weight
- 348 grams
- List Price
- 18.60 €
- ONIX XML
- Version 2.1, Version 3
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Write a commentary
Contents
Scientific publications vi
Introduction x
1 SOI technologies for analog applications 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Comparison of SOI and bulk MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 The SOI materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Structure and properties of the various SOI MOSFET transistors, the influence of the silicon film . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.1 Comparison between the structures of long channel FD and PD transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.2 Properties of FD and PD devices . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.3 Threshold voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 The position of industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Insulators and substrates used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1 Classical SOI substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.2 High Resistivity SOI substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 Silicon-on-Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.4 Silicon-on-Anything . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.5 Silicon-on-Sapphire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Size Does Matter: Evolution of the Microelectronic . . . . . . . . . . . 17
1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 On-wafer microwave measurement methods . . . . . . . 25
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Waves and scattering parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Power waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3 Pseudo waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.4 Scattering Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.4.1 The transmission line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.4.2 The thru line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.5 Transfer Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.6 Immittance Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.7 Change of reference impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.7.1 Scattering Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.7.2 Pseudo scattering matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 The Vector Network Analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.2.1 The transfer function formalism . . . . . . . . . . . . 41
2.3.2.2 General TAN self calibration procedure . . . . . . . . 43
2.3.2.3 Practical applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4 On-wafer measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 Measurement of silicon CMOS devices . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.2.1 Limitations due to CMOS technology . . . . . . . . . . 50
2.4.2.2 Two steps calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.2.3 Alternative to the two step calibration . . . . . . . . . 59
2.4.2.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.3 Optimization of the measurement procedure . . . . . . . . . . 60
2.4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.3.2 TRM Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.3.3 On-wafer TRL Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.3.4 In uence of the power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.3.5 Control of the quality of the calibration . . . . . . . . 65
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 RF modeling and characterization of sub-micron MOSFET 69
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Small signal model of integrated SOI MOSFET . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.1 Useful e ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.2 Quasi-static model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.3 Non-quasi-static model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.4 Extrinsic model and access elements . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.4.1 Extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.4.2 Extrinsic resistances and inductances . . . . . . . . . 75
3.2.4.3 Extrinsic-Extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.4.4 Access parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3 Extraction procedure of the small signal model . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 Parasitic access elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.2 Extrinsic-extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.3 Extrinsic resistances and inductances . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.3.4 Extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3.5 Intrinsic elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3.6 Comparison between FD, PD, and Bulk MOSFET . . . . . . . . 98
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4 Performances of alternative MOSFETs in SOI technologies 103
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Relevant gures of merit for RF applications . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.1 Figures of Merit of integrated transistors . . . . . . . . . . . . 104
4.2.2 Cut-o frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3 The Dynamic Threshold MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.2 Device fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.3 DC characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.4 Frequency behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.4.1 Medium frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3.4.2 High frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4 The Graded Channel MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.2 Device fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.4.3 DC characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.4.3.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.4.3.3 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.4.4 RF properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5 Passive elements on SOI technologies 143
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2 Properties of transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.2 Coplanar waveguide (CPW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.2.3 Thin lm microstrip line (TFMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2.4 Strip line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3 Modeling of integrated inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3.1 Topology under scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3.2 De nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.3.2.1 Equivalent circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.3.2.2 Quality factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.3 Modeling of square spiral inductors . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.3.3.2 Modeling 3-coupled lines on multilayered silicon substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.3.3.3 Modeling of the admittance matrix of n-coupled lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.3.3.4 Modeling of the inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.3.3.5 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.3.3.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.3.4 Prospective design of square spiral inductor. . . . . . . . . . . 181
5.3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.3.4.2 Design rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.3.4.3 Prospecting new technologies . . . . . . . . . . . . . . 186
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6 Conclusion 195
A Relations between scattering and immittance parameters I
B Determination of extrinsic-extrinsic capacitances III
C Alternative uses of the body contacted MOSFET VII
D Modeling of microstrip lines by using variational principle XI
D.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
D.2 Using a variational principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
D.3 Propagation modes determination of 3-coupled microstrip lines . . XIII