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2.RF-MOSFETモデリング
群馬大学 大学院 理工学府 電子情報部門
客員教授 青木 均
2014/6/26
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アウトライン
• RFモデリングで重要なポイント – 直流特性での着目点
– ゲート抵抗
– NQS (Non-Quasi-Static)効果
– Extrinsic容量
– 基板ネットワーク
– 寄生インダクタンス
– RFノイズ
• RFアプリケーションでのデバイスモデリングフロー
• Sパラメータによる効果的な解析
• マルチフィンガーMOSFETのスケーラブルモデル
• BSIM4の主な新機能(BSIM3からの改良内容) – マルチフィンガー構造に対応
– 改良型NQS(Non Quasi Static)モデル
– IIR(Intrinsic Input Resistance)モデル
– 基板抵抗ネットワークモデル
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直流特性での着目点 コンダクタンス特性
• 伝達コンダクタンス(gm)と出力コンダクタンス(gds)を正確にモデリング
• ACのSパラメータ特性を無理に測定データと合わせようとすると,直流特性がずれてしまう?????
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直流特性での着目点 ドレイン電流の高次微分特性BSIM4
short
vg [E+0]
id
.s
[E-3
]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
short
vg [E+0]
gm
.s [E
-3]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0
0.5
1.0
1.5
2.0
short
vg [E+0]
gm
2.s
[E
-3]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-5
0
5
10
15
short
vg [E+0]
gm
3.s
[E
-3]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-150
-100
-50
-0
50
100
short
vg [E+0]
g
m4
.s
[E+
0]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1次
0次
2次
4次
3次 RFアナログでは,
少なくとも3次まで
連続が望ましい
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直流特性での着目点 ドレイン電流の高次微分特性BSIM6
vg [E+0]
id
.s [E
-6]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
50
100
150
200
250
vg [E+0]
gm
.s [E
-6]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
100
200
300
400
vg [E+0]
g
m2
.s [E
-3]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
vg [E+0]
g
m3
.s [E
-3]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-15
-10
-5
0
5
10
15
vg [E+0]
gm
4.s
[E-3
]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-300
-200
-100
-0
100
200
RFアナログでは,
少なくとも3次まで
連続が望ましい
1次 0次 2次
4次 3次
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ゲート抵抗
L
Wf
シングルフィンガー マルチフィンガー
cont
contsh
f
f
N
RR
NL
WRG
Nf : フィンガー数
Rsh : シート抵抗
Rcont : コンタクト抵抗
Ncont : コンタクト数
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NQS(Non-Quasi-Static)効果
Elmore NQSモデル
QSモデル
QS(Quasi-Static)モデルはトランジットタイム(t)を表現していない
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Extrinsic容量
フリンジング容量 オーバーラップ容量
(CGSO, CGDO)
接合容量 オーバーラップ容量
(CGBO)
Masanori Shimasue, Yasuo Kawahara, Takeshi Sano, and Hitoshi Aoki,
"An Accurate Measurement and Extraction Method of Gate to Substrate Overlap Capacitance,"
Proc. IEEE 2004 Int. Conference on Microelectronic Test Structures, pp. 293-296, March 2004.
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基板ネットワーク
(a) (b) (c)
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寄生インダクタンス
S D
G
Sub
ポート1 ポート2
ゲート基準面 ゲートリング
シールドグランド シールドグランド M1 M1
M2 ドレイン基準面
寄生インダクタンス
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RFノイズモデル
Correlation
Channel Noise
Induced Gate Noise
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RFノイズ特性
Induced Gate Noise 特性
Channel Noise 特性 Noise Correlation 特性
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RFアプリケーションでの デバイスモデリングフロー
モデリング用
TEG設計
モデリング用
TEG測定、評価
DC, CV測定
モデリング
Sパラメータ測定
De-embedding
小信号
ACモデリング
大信号
測定、評価 NG
DC, CV, AC
モデリング
OK
終了
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Sパラメータによる効果的な解析
デバイス測定 De-embedding用
TEG測定
De-embedding
処理
デバイスのみの
Sパラメータ
マトリクス
変換
•トランジスタ動作時の高周波容量
•順方向拡散容量
•トランジットタイム
•相互コンダクタンス
•入力インピーダンス
•出力インピーダンス
•寄生抵抗
•基板抵抗
•自己発熱効果など
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WR
eff
SbseffSgsteff
DS
W
VPRWBVPRWGRDSWR
610
1
DSR
gsteffV
1
WR
eff
SbseffS
gsteff
DS
W
VPRWBVPRWG
RDSWRDSWMINI
R
610
1
1
BSIM3
BSIM4
rdsMod=0
Vgsteffに比例関係
Vgsteffに反比例関係
DSR
gsteffV
高周波RDSモデリング精度
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マルチフィンガーMOSFETの
構造と等価回路
M1:シールドGND
M2:ゲートリング
S
G
D
G
S
G
D
G
S
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マルチフィンガーMOSFETのチャネル長
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マルチフィンガーMOSFETの
スケーラブルモデル
.SUBCKT multi 11=D 22=G
RG 21 2 (-100.0m / finger^2) + (441.4 / finger) + (5.108)
RDS 31 3 ((49.23K / finger^2) + (7.692K / finger) + (115.5)) * 0.2e-6 / 0.18e-6
RSUB 4 0 1E-3
CGD 22 11 ( 1.00001E-019 * finger^2) + ( 1.091f * finger) + ( 1.00000E-019)
CGS 22 3 ((-2.544a * finger^2) + ( 1.251f * finger) + (-1.102f)) * 0.2e-6 / 0.18e-6
CDS 1 31 ((-5.053a * finger^2) + ( 3.172f * finger) + (-10.00f)) * 0.18e-6 / 0.2e-6
LG 22 21 1E-012
LS 0 3 1E-13
LD 11 1 (-1.9291E-014 * finger) + (3.90408E-011)
M0 1 2 3 4 FingerDependency L=0.2e-6 W=2.5E-006 AD=1E-012 AS=2E-012 PD=3.3E-006 PS=6.6E-006
M1 1 2 3 4 FingerDependency L=0.2e-6 W=2.5E-006 AD=1E-012 AS=1E-012 PD=3.3E-006 PS=3.3E-006
M2 1 2 3 4 FingerDependency L=0.2e-6 W=2.5E-006 AD=1E-012 AS=1E-012 PD=3.3E-006 PS=3.3E-006
M3 1 2 3 4 FingerDependency L=0.2e-6 W=2.5E-006 AD=1E-012 AS=1E-012 PD=3.3E-006 PS=3.3E-006
M4 1 2 3 4 FingerDependency L=0.2e-6 W=2.5E-006 AD=1E-012 AS=1E-012 PD=3.3E-006 PS=3.3E-006
M5 1 2 3 4 FingerDependency L=0.2e-6 W=2.5E-006 AD=1E-012 AS=1E-012 PD=3.3E-006 PS=3.3E-006
M6 1 2 3 4 FingerDependency L=0.2e-6 W=2.5E-006 AD=1E-012 AS=1E-012 PD=3.3E-006 PS=3.3E-006
M7 1 2 3 4 FingerDependency L=0.2e-6 W=2.5E-006 AD=1E-012 AS=2E-012 PD=3.3E-006 PS=6.6E-006
.ENDS
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H21モデリング結果
Vd = 1 V
Vg = 0.6 ~ 1.4 V
32フィンガー
64フィンガー
Measured Modeled
8フィンガー
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BSIM4の主な新機能 (BSIM3からの改良内容)
ストレスモデル
Well近接効果(Proximity Effect)モデル
酸化膜厚(<3nm)以下のゲート・トンネル電流モデル
Gate Induced D/S Leak(GIDL/GISL)電流モデル
HaloドープまたはポケットインプラントによるDITS(Drain Induced Threshold Shift)モデル
高誘電体ゲート絶縁膜構造
新モビリティモデル
D/S非対称抵抗モデル
D/S非対称接合ダイオード・モデル
チャネル熱雑音モデルの改良
マルチフィンガー構造に対応
改良型NQS(Non Quasi Static)モデル
IIR(Intrinsic Input Resistance)モデル
基板抵抗ネットワークモデル
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BSIM4 NQSモデル
•Elmore NQSモデル
BSIM3 v3.2 NQS Model改良版
NQSMOD
•IIRモデル
BSIM4で新しく追加
RGATEMOD (0~3)
TRNQSMOD (ON,OFF)
ACNQSMOD (ON, OFF)
どちらもNQS効果を表 現するため同時には使えない
マルチフィンガー対応
tj
tQtQ
qs
nqs
1
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BSIM4 IIRモデル(1)
ゲート抵抗無し
(RGATEMOD:OFF)
ジオメトリ依存型
ゲート抵抗モデル
IIR(Intrinsic Input Resistance)
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BSIM4 IIRモデル(2)
ジオメトリ、バイアス依存型
ゲート抵抗モデル
ジオメトリ、バイアス依存
ノード分離型
ゲート抵抗モデル
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BSIM4 基板ネットワークモデル
RBODYMOD=0 (OFF)
RBODYMOD=1 (ON)
フィンガー依存無し
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BSIM4 D/S抵抗モデル
Rs(V) Rd(V)
Rds(V)
RDSMOD=0 (Internal Rdsモード)
RDSMOD=1 (External Rd, Rsモード)
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BSIM4 接合ダイオードモデル
CV, IVモデル共、個別にパラメータ定義可能
•CVモデル
マルチフィンガー対応以外はBSIM3と同じ
•IVモデル
ブレークダウンモデルが追加
DIOMOD=1(BSIM3と同じ、収束性が良い)
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BSIM4 チャネル雑音モデル
TNOIMOD=0
BSIM3と近似
TNOIMOD=1
Holistic Model
Induced Gate Noise同様,
部分的にチャネルノイズと相関
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演習問題
MOSFET
Cg
Ls
Rs
Cd
LdRdLg Rg
各寄生コンポーネントの値が既知で,全体のSパラメータが測定されたとき,
回路図中にある“MOSFET”のYパラメータを求めよう.ただしS<->Y<->Zの
変換は単にZ->Yのように表現する.
11 12
21 22
S S
S S
測定したSパラメータ
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追加資料
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マルチフィンガーMOSFETの
BSIM3モデリングフロー
CMOS用1フィンガー
BSIM3モデリング
マルチフィンガー
スケーリング処理
マルチフィンガー用
マクロモデルによる
最適化処理
•マクロモデルではトランジスタの並列ネットリスト以外にゲート抵抗などRF特性に必要な素子を含む
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高周波容量成分解析例 ( Vg=0-1V, Vd=2V)
CGS
CDS
CGD
周波数:100MHz(L = 0.18mm、Wtot = 200mm)
出力コンダクタンス解析例 ( Vd=0-2V, Vg=0.6V)
相互コンダクタンス解析例 ( Vd=0-1V, Vd=0.1V)
Sパラメータによる効果的な解析例(1)
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C12モデリング結果(128フィンガー)
周波数特性劣化
Vg = 1.5 V
Vd = 0.2 ~ 1.5 V
Measured
Modeled
高精度等価回路 一般的な等価回路
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Measured
Modeled
RDS RG
マルチフィンガーMOSFETの
寄生抵抗スケーリング
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CGD
Measured
Modeled
CDS
CGS
マルチフィンガーMOSFETの
寄生容量スケーリング
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出力抵抗R22モデリング結果
64フィンガー
32フィンガー
8フィンガー
Vg = 1.5 V
Vd = 0.2 ~ 1.5 V
Measured
Modeled
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S21モデリング結果
Vd = 1 V
Vg = 0.6 ~ 1.4 V
32フィンガー
64フィンガー
8フィンガー
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GAmaxモデリング結果
64フィンガー Vg = 1.5 V
Vd = 0.2 ~ 1.5 V
32フィンガー
8フィンガー
Measured Modeled
S12位相測定誤差
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8フィンガーSパラメータモデリング結果
S11 S12
S21 S22
Measured
Modeled
Vd = 1 V
Vg = 0.6 ~ 1.4 V
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16フィンガーSパラメータモデリング結果
S12
S22
S11
S21
Measured
Modeled
Vd = 1 V
Vg = 0.6 ~ 1.4 V
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32フィンガーSパラメータモデリング結果
Measured
Modeled
S12
S22
Vd = 1 V
Vg = 0.6 ~ 1.4 V
S11
S21
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64フィンガーSパラメータモデリング結果
Measured
Modeled
S12
S22
Vd = 1 V
Vg = 0.6 ~ 1.4 V
S11
S21
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128フィンガーSパラメータモデリング結果
Measured
Modeled
S12
S22
Vd = 1 V
Vg = 0.6 ~ 1.4 V
S11
S21