RF Devices

김 영 석

충북대학교 전자정보대학충북대학교 전자정보대학

2011.3.1

Email: kimys@cbu.ac.kr

전화: 043-261-3137

1전자정보대학 김영석

Contents

RF Diodes

Schottky Diode

PIN Diode

Varactor Diode

IMPATT Diode

Tunnel Diode

TRAPATT, BARRIT, and Gunn Diode

Bipolar Junction Transistorsp

Silicon BJT(Bipolar Junction Transistor)

HBT(Hetero-Junction Bipolar Transistor)

RF Field Effect TransistorsRF Field Effect Transistors

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)

JFET(Junction FET)

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)

MESFET(MEtal Semiconductor FET)

HEMT(High Electron Mobility Transistor)

2전자정보대학 김영석

RF Diodes

용도: 믹서, Phase Shifting, Switching 등

장점(트랜지시터 대비):장점(트랜지시터 대비)

구조, 공정이 간단하여 Yield좋다

구조가 간단하여 RC시정수 작다 => RF특성 우수

Flicker Noise 작다.

면적이 작다.

DC 바이어스 필요 없는 경우 있다DC 바이어스 필요 없는 경우 있다.

따라서 다이오드는 아주 높은 주파수에서 동작 가능.

3전자정보대학 김영석

Schottky Diode

Mixer, Detector, Rectifier 등에 사용

Narrow Schottky Finger / N+ Sublayer – 저항 감소 S y g S y 저항 감소

Recessed Schottky Contact – Surface Charge 영향을 감소

L=2um, Z=40um, W=0.2um인 경우

C=0.08pF/finger, R=3Ohm => RC<1ps (f ~ THz)

4전자정보대학 김영석

PIN Diode

Attenuator, Switching

Modulator, Limiter,

Phase Shifter 등에 사용

I-region을 사용하여 Depletion R i WidRegion Wider

=> Small Junction

CapacitanceCapacitance

=> Microwave Switch

에 적합

5전자정보대학 김영석

Electrical Behavior of PIN Diode

6전자정보대학 김영석

Varactor Diode

Voltage Dependent

Capacitance => VCO

Pulse Generation with a Varactor

Diode

7전자정보대학 김영석

IMPATT(IMPact ionization Avalanche Transit Time) Diode

Millimiter파 대역에서 가장 높은출력이 나옴

단점: I/I이용하기 때문에 잡음이많다. LO에 부 적당.

원리: Avalanche Breakdown원리에 의해 생성된 전자들의 Transit Time Delay에 의해, 전류의Phase Delay가 발생하여Negative Resistance 발생

8전자정보대학 김영석

IMPATT Diode

V=V0 sin wt

I=I0 sin(wt-pi)= -I0 sin wt s ( p ) s

Rac = V/I < 0

9전자정보대학 김영석

Tunnel Diode다음 조건 만족하면다음 2조건 만족하면 Quantum Mechanical Tunneling

Thin Barrier <=

Thin Depletion Layer p

by Higher Doping

한쪽은 filled states,

다른 쪽은 empty states다른 쪽은 empty states

10전자정보대학 김영석

Gunn Diode(Transferred Electron Devices)

반도체에 일정한 전계(Eth)이 인가되면, 자유전자들이 Upper Valley Conduction Valley로 이동. 여기서 전자들은 이동도(mobility)가 감소하여 전류가 발생. 이것이 Negative Differential Resistance 발생.

11전자정보대학 김영석

RF Active Devices: What is the Transistor?

정의 및 종류

증폭작용 및 스위칭작용을 할 수 있는 반도체소자증폭작용 및 스위칭작용을 할 수 있는 반도체소자

바이폴라 트랜지스터: BJT, HBT

FET: JFET, MOSFET, MESFET, HEMT

VCC

RLvout

vin Transistor

12전자정보대학 김영석

Transistor

TRANSISTOR = TRANsferred + reSISTOR

Transferred=넘어서 혹은 다른쪽으로, Resistor=저항s 넘어서 혹은 다른쪽으로, s s 저항

Transresistance(rt) = 1/Transconductance(gm)

i=v/r i= vc/rt = gm v

v

+ i=v/r + i= vc/rt = gm v

vc

-

Resistor Trans-Resistor=Transistor

-

+

트랜지스터소신호등가회로

-

i=gm vcvc rc트랜지스터소신호등가회로

13전자정보대학 김영석

트랜지스터역할

LNA: 트랜지스터의 증폭작용이용, 소신호전압이득= -gm*RL.

(Square-Law) 믹서: 트랜지스터의 Nonlinear(Square) 성질 이용.(Sq ) 믹서 트랜지스터의 (Sq ) 성질 이용

(Gilbert) 믹서: 트랜지스터의 증폭작용, 스위칭작용 이용.

VCO: 트랜지스터를 이용하여 Negative Resistance를 만들어 줌.

논리회로: 트랜지스터의 스위칭작용 이용.

14전자정보대학 김영석

RF Transistors

BJT

Bipolar Operationp p

Low Noise

Linear Power Amplification

Power Applications

GaAs FET(MESFET)

Monopolar OperationMonopolar Operation

Very Low Noise

Low Power

HEMT

Electron Gas

Very High Frequency(f > 20GHz)

15전자정보대학 김영석

BJT: 구조 및 동작

콜렉터전류

N+에미터전자들의 베이스주입

Diffusion하여 콜렉터로 이동

IC=I0*exp(VBE/VT)

베이스전류베이스전류

P베이스정공들의 에미터주입

(Back Injection)(Back Injection)

IB=IC/beta

16전자정보대학 김영석

BJT 레이아웃

BJT Noise

IB/IC Shot Noise

RB Thermal Noise

How to Reduce the BJT Noise?

Decrease IB/ICDecrease IB/IC

Decrease RB

Finger Structure gives

Low RB

Reduce Current Density

=> Low Noise s

17전자정보대학 김영석

Gummel-Poon Model(1)

가장 많이 사용하는 BJT/HBT 모델

모델 특징:모델 특징

저전류 전류이득 감소 모델

Base-Width Modulation

High-Level Injection

RB(IB)

CJCi=XCJC*CJCCJCi=XCJC*CJC

CJCx=(1-XCJC)*CJC

),( BCCFF VIfunction=τ

총 40개 변수(DC18, CV11,AC6,기타5)

),( BCCFF f

18전자정보대학 김영석

Gummel-Poon Model(2): Large-Signal Model

Active영역에서동작할때

)1()1( //// '''' VTNEVVTNFV EBEB ISEISI +

)1(//1

)1()1(

//

////

'' VTNFVC

VTNEVVTNFVB

EB

EBEB

eVAFVVARV

ISI

eISEeBF

I

−++

=

−+−=

/)/24(/14411

),tan

tan)((3

//1

2

2

2'

''''

B

Bbb

CBEB

IRBIIRBI

zzz

zzRBMRBRBMr

VAFVVARV

++−=

−−+=

++

ππ

)/1(

)(

''MJE

EBJE

B

VJEVCJEC

−=

])(1[

)(

/441/2

''''

VTFVCC

EB

CCFF

EB

DEDE

IXTFTF

dVId

dVdQC ==

τ

])(1[ /44.1/2 '' VTFV

CC

CCFF

CBeITFI

IXTFTF+

+=τ

19전자정보대학 김영석

Gummel-Poon Model(3): Small-Signal Model

Transconductance:

IVIIVVIiIi )/(]/)[(

2nd Order Effects:

bemCbeTCCTbeBEcCC vgIvVIIVvVIiIi +=+≈+=+= )/(]/)exp[(0

+B C

ic

Cmu

ivrivr

CCEo

BBE

∂∂=∂∂=π

//

-

rovbe rpi gm vbeCpi

CapBCJunctionCvivQC BEFFCBEn

=∂∂=∂∂=

μ

π τ /)(/

E

20전자정보대학 김영석

Gummel-Poon Model(4): 주파수 특성

Cutoff Frequency(fT): Short Circuit Current Gain =1인 주파수

1/2πfT=RC 시정수+ Transit Time + Miller Capacitance 시정수2πfT 시정수 p 시정수

JCVTFV

CC

CC

m

JCJE

T

CRCREeITFI

IXTFTFg

CCf

CB )(])(1[2

1 /44.1/2 '' +++

+++

=π

Transit Time=(Emitter Delay)

+(Emitter Base Space Charge Region Delay)

CCmT gf

+(Emitter-Base Space Charge Region Delay)

+(Base Transit Time) + (Base-Collector Space Charge Region Delay)

Maximum Oscillation Frequency:

Power Gain=1인 주파수

fT

C 2

VTF

XTF

μπ Crffbb

T

'max 8

=

ICVCE1

VCE2ITF

21

IC

전자정보대학 김영석

Si BJT 주파수 특성 향상 방법

1/2πfT=RC 시정수+ Transit Time

Si BJT의 동작주파수를 증가시키기 위해서는

(1) RC 시정수 감소

(2) Transit Time 감소

⇒전자의 베이스 통과시간을 감소시켜야 함

즉 베이스 폭을 감소시켜야함⇒즉, 베이스 폭을 감소시켜야함

⇒PunchThrough 쉽게 발생

⇒베이스 도핑 증가시켜야 함⇒베이스 도핑 증가시켜야 함

⇒Back Injection 발생

⇒ IB 증가, 전류 이득 감소

⇒이 문제를 HBT에서 해결

22전자정보대학 김영석

HBT(Hetero Junction Bipolar Transistor)

HBT는 에미터와 베이스의 Eg가 다름.

⇒베이스폭 감소⇒베이스폭 감소

⇒베이스도핑 증가

⇒에미터의 Eg가 커서

Back Injection Barrier 증가

⇒ IB는 증가치 않음.

전류이득 일정 유지⇒전류이득 일정 유지.

=>HBT의 ft는 보통 50-100GHz임

(Si BJT의 ft는 보통20GHz 정도임)( 의 는 보통 정도임)

용도: LNA(SiGe HBT),

Power Amp(InGaP AlGaAs)Power Amp(InGaP,AlGaAs)

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MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET): 구조 및 동작

게이트 전압에 의해(수직전계) 채널전자 형성

드레인 전압에 의해(수평전계) 전자는드레인으로 Drift함

VDS>VDSat(Saturation Region)VDS>VDSat(Saturation Region)이면 드레인 근처는 높은 수평전계 형성=> 전자는 Velocity Saturation 하여 전류 포화됨하여 전류 포화됨.

])(2[21 2

DSDStGSoxnD VVVVLWCI −−= μ tGSDS VVV −≤

2 L

2][21

tGSoxnD VVLWCI −= μ VVV GSDS −>

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MOSFET: BSIM3v3 Model

Berkeley 대학에서 개발된 Submicron 소자를 위한 모델

Noise/Temperature 효과를 고려. 약 120 개 변수s p 효과를 고려 약 개 변수

드레인 전류 및 미분치가 모두 연속성을 가짐.

Threshold Voltage:

K1/K2: Vertical Nonuniform Doping Effect K1: Lateral

])(2[)11()( 1210 DSsbiLseff

LXSBsSBsTHNTHN VV

LNKVKVKVV +−−−+++−++= φθφφφ

K1/K2: Vertical Nonuniform Doping Effect, K1: Lateral Nonuniform Doping Effect, θL: Short-Channel Effect

Drain Current:

]1)[( ,,

'

A

satDSTHNDSsatDSTHNGSoxsatD V

VVVVVVCvWI

−−+−−⋅⋅=

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MOSFET: Small-Signal Model

Transconductance:

vgIvVVKIVvVKiIi +=+≈+=+= )](2[)( 2

2nd Order Effects:

gsmDgstGSDtgsGSdDD vgIvVVKIVvVKiIi +=−+≈−+=+= )](2[)(

Channel Length Modulation:

Gate-Source Cap:

Gate Drain Cap: Overlap Cap

)1()( 2DStGSD VVVKI λ+−= Do Ir //1 λ=

WLCC oxGS 32

=

G DCGD

Gate-Drain Cap: Overlap Cap 3

+

vgs gm vgs ro

id

CGS

-

g

S

g gCGS

26

S

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MOSFET: RF 특성

주파수 특성: MOS의 경우 fT가

fmax가 높다.가 높다

)(2 gdgs

mT CC

gf+

=π gs

oT

RRRff+

=2max

그림에서, 0.5um경우 fT=20GHz,

0.35um경우 fT=40GHz,

0 18um경우 f =90GHz로 RF 특성은0.18um경우 fT=90GHz로 RF 특성은

BJT, HBT, MESFET보다 우수하다.

2-10GHz 대역의 RF 회로는 전혀 문제가 없다. 대역의 회로는 전혀 문제가 없다

단점:

Si 기판의 RF손실이 심하다.

수동소자, 즉 High–Q 인덕터 구현이 힘들다.

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MOSFET: RF Modeling(BSIM4)

기판 저항(Rsub): RF에서는 기판저항을 고려하여야 함. 출력저항에 영향을 미침. Substrate Coupling 일어남. Body Potential Fluctuation.

Channel Charging Resistance(Rch): NQS Effect (Non Quasi Static;Effect (Non-Quasi-Static; 게이트 전압 변화에 따라 즉각채널 전하가 변화 못함) 고려.

Gate Resistance(Rg): Gate Delay. Input Impedance/NF 에 영향 미침.p 에 영향 미침

Intrinsic Cap: 정확한 모델 필요.

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MESFET(MEtal Semiconductor FET): 구조 및 동작원리

동작: Metal Schottky Junction 게이트로 전류흐름 제어(JFET과 유사)

VT ~ -1.7V

High-Frequency 가능:

GaAs μn=6000cm2/Vsec(1450 for Si)

Gate Length=Short, e.g. 0.5μm,

Region II/III: Velocity Saturation Region

VGS>0

VGS<0

29전자정보대학 김영석

MESFET 장점 및 단점

장점

High Electron Mobilityg y

Schottky Junction 이용: Low Input Cap ~ 0.2pF, Cgd<0.02pF(10%)

fmax ~ 5*fT (fT=20GHz, fmax=100GHz)

단점

oT

RRRRff++

=2max

mT C

gfπ2

=단점

High Flicker Corner Frequency(10MHz-100MHz)

due to Lack of Surface Passivation(SiN instead of SiO2 for Si)

gsi RRR ++2gcCπ2

( )

Higher Output Conductance (100 – 500Ohm) (~Kohm for BJT)

Low-Noise Mixer or Oscillator 등에 부적합

30전자정보대학 김영석

HEMT(High Electron Mobility Transistor)

2DEG(Dimension Electron Gas) 형성: N-AlGaAs의 Donor들은 Binding Energy~0.01eV로 상온에서 모두 Ionize=>전자들 GaAs로 이동Space Charge 고려하면 Triangular Potential Well 형성(깊이 100Α)

No Ionized Impurity Scattering(Doping 거의 없음)

n=7000cm2/Vsec(2500 for Doped Material): High Electronμn=7000cm2/Vsec(2500 for Doped Material): High Electron Mobility

게이트 전압(<0) 인가: N-AlGaAs Depletion 시킴, 더욱 증가하면 2-DEG도Depletion 시킴 -> 전류 차단.

장점: low NF (~0.85dB at10GHz)

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