1SLIDE

青木 均

3. RFアナログCMOSモデリング技術

2SLIDE

Agenda

周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは

高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding

BSIM3、BSIM4によるRFモデリング

RF回路検証の重要性

3SLIDE

Ｓパラメータを使用する理由

周波数領域における代表的なパラメータ

YZHは開放、短絡条件のため発振しやすく測定が困難である

概念的に理解しやすい

ベクトルネットワークアナライザにて測定が容易におこなえる

パラメータ変換が容易におこなえる

RF/μW BJT、MESFET、HEMTの設計、解析、評価において実績済

Sパラメータによる効果的な抽出方法が可能

リニアアンプ、低雑音アンプなどの設計、解析、評価に最適

フィルタ、マッチング回路などの設計、解析、評価に最適

自己発熱効果の解析、評価に応用可能

4SLIDE

Ｓパラメータとは？

Scattering Parameter（散乱パラメータ）

a1

b1

b2

a2

反射波

伝送波

伝送波

反射波

入射波

入射波

回路網

50 Ω75 Ω

50 Ω75 Ω

反射係数

伝送係数

Γ =b

a1

1

Γ =b

a2

2 a1 = 0a2 = 0

τ = ba

2

1 a2 = 0τ = b

a1

2 a1 = 0

5SLIDE

Ｓパラメータの関係式

S i ji : 出力ポートj : 入力ポート

b

b

s s

s s

a

a

1

2

11 12

21 22

1

2

⎡

⎣⎢⎤

⎦⎥ =

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥⋅⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

sb

a121

2

=

sb

a212

1

= sb

a222

2

=a2 = 0

a1 = 0

a1 = 0

sb

a111

1

=a2 = 0

6SLIDE

極座標

反射特性 伝送特性

無反射無伝送

全反射 利得＝１

反射係数 伝送係数

位相＝０ 位相＝０

7SLIDE

インピーダンス直交座標

+ R- R

+ jX

- jX

誘導性

容量性

負性抵抗

8SLIDE

スミスチャート

Z - Smith Y - Smith

定抵抗円定コンダクタンス円

定リアクタンス円 定サセプタンンス円

ΓL

L

L

Z

Z=

−

+

501

501

正規化インピーダンス 正規化アドミッタンス

9SLIDE

拡大スミスチャート

反射係数１のスミスチャート

負性抵抗領域

10SLIDE

雑音円（ＮＦ）と電力利得円（ＧA）

( )G

S

S

SS

S S S S

A

S

S

SS

=⋅ −

−− ⋅

− ⋅

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ ⋅ − ⋅

= ⋅ − ⋅

21

2 2

22

11

2

11

2

11 22 12 21

1

11

1

Γ

Δ ΓΓ

Γ

Δ

平面ΓS

GA=13 dB

GA=10 dB

GA=7 dB

( )NF F

Rn S opt

S opt

= +⋅ ⋅ −

− ⋅ +min

4

1 1

2

2 2

Γ Γ

Γ Γ

NF=1 dB

NF=2 dB

NF=3 dB

11SLIDE

ＤＣ測定において発振した経験は？

HP4142 / 4155 / 4156

ＤＣパスにフェライトビーズを入れたら良くなったが何故？

何故、ＤＣ測定なのに発振するのか？

電圧源を電流源に変更したら良くなったが何故？

このデバイスを実際の回路で使用するときには大丈夫なのか？

12SLIDE

安定円（信号源側）

ΓS 平面

反射係数１のスミスチャート

6.1 GHz

5.1 GHz

0.1 GHz

( )Γ

Δ

Δ Δ

Δ

S

S S

S

S S

S

S S S S

−− ⋅

−=

−

= ⋅ − ⋅

11 22

11

2 212 21

11

2 2

11 22 12 21

* *

S11

2 20− >Δ の場合

安定円の外側が絶対安定領域

13SLIDE

Ｓパラメータから求められる他の一般的なパラメータ

( )

( )

VSWRS

S

RL S

Z ZS

S

Groupd phaserad S

d

IN O

=+−

= − ⋅

= ⋅+−

= −⋅

1

1

20

1

1

11

11

10 11

11

11

21

log

Delayω

定在波比

リターンロス

入力インピーダンス

群遅延

14SLIDE

Ｓパラメータを測定する測定器

ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）

15SLIDE

Probe Station

Cascade Microtech Inc.提供による

針の先端まで５０オームを実現

16SLIDE

高周波用プローブ

GS ( Ground - Signal ) タイプ

G S

GSG ( Ground - Signal - Ground ) タイプ

G GS

２導体線路構造

コプレーナ線路構造

コプレーナ線路の電磁界解析例

この他には、ＳＧＳ、ＧＳＧＳＧ、ＳＳＧなどが用意

17SLIDE

システムに内在するベクトル誤差要因

順方向シグナルフローグラフ

a1

b1

b2

Sb

aM111

1

=S

b

aM212

1

=

EXF

EDF

ERF

1

ESF

S21A

S12A

S11AS22A ELF

ETF

ポート１基準面

ポート２基準面

EDF : 方向性による誤差ESF : ソースマッチによる誤差ERF : 反射のトラッキングによる誤差

EXF : アイソレーションによる誤差ELF : ロードマッチによる誤差ETF : 伝送のトラッキングによる誤差

逆方向についても同様の誤差が存在するので合計１２タームの誤差

18SLIDE

２ポートキャリブレーションの種類

SOLT ( Short-Open-Load-Thru )

TRL ( Thru-Reflect-Line )

LRM ( Line-Reflect-Match )

LRRM ( Line-Reflect-Reflect-Match )

TRL on Silicon

高周波のウェハ測定の標準的なキャリブレーション

伝統的なキャリブレーション

導波管、高周波のマイクロストリップ系での標準的なキャリブレーション

シリコン基板上でのキャリブレーション

19SLIDE

キャリブレーション・スタンダード

Cascade Microtech Inc.提供による

スタンダード

20SLIDE

抽出システムの一例

21SLIDE

Agenda

周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは

高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding

BSIM3、BSIM4によるRFモデリング

RF回路検証の重要性

22SLIDE

RF測定用に使われるTEGの一例

デバイス基準面

デバイス基準面

デバイスを特性化しやすいGSGパターンの設計が必要

基板GNDにも配慮する必要あり

校正基準面 校正基準面

23SLIDE

De-embeddingとは?

L=0.18um、W=20um

周波数：3GHz-6GHz

測定値 (De-embedding前)

De-embedding後

24SLIDE

De-embeddingの難しさ

負性抵抗

過剰de-embedding

25SLIDE

Agenda

周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは

高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding

BSIM3、BSIM4によるRFモデリング

RF回路検証の重要性

26SLIDE

BSIM3 RFモデリングにおいて考慮すべき問題点

Gate Drain

Source Backgate

Gate-Drain間の配線容量

Poly-Si Gate抵抗

基板抵抗

27SLIDE

BSIM3 RF入力反射特性（ゲート抵抗の有無）

S11特性（ゲート抵抗有り）

de-embed後の測定値

シミュレーション値

S11特性（ゲート抵抗無し）

拡大図

シミュレーション値

de-embed後の測定値

周波数：100MHz - 20.1GHzGate : 1.5 V固定Drain : 1, 1.25, 1.5 V

28SLIDE

BSIM3 RF伝送特性（ゲート抵抗の有無）

S21振幅特性（ゲート抵抗有り）

de-embed後の測定値

シミュレーション値

S21振幅特性（ゲート抵抗無し）

周波数：100MHz - 20.1GHzGate : 1.5 V固定Drain : 1, 1.25, 1.5 V

29SLIDE

BSIM3 RF出力反射特性（基板抵抗の有無）

de-embed後の測定値

シミュレーション値

周波数：100MHz - 20.1GHzGate : 1.5 V固定Drain : 1, 1.25, 1.5 V

S22特性（基板抵抗有り） S22特性（基板抵抗無し）

30SLIDE

Large/Narrowのidvg特性

Large Narrow

測定値

シミュレーション値

Vg=0-5V , Vb=Vs=0V , Vd=0.1V

31SLIDE

Shortのidvg/gm_vs_vg特性

idvg gm_vs_vg

Vg=0-5V , Vb=Vs=0V , Vd=0.1V

Gmd id

d vg=

⋅⋅

32SLIDE

Shortのidvd/rout_vs_vd特性

Vg=1-3V , Vb=Vs=0V , Vd=0-5V

idvd rout_vs_vd

Routd vd

d id=

⋅⋅

Vg=1V

Vg=2V

Vg=3VVg=1V

Vg=2V

Vg=3V

33SLIDE

接合容量特性

[S] [Y] [C]

Vg=Vb=Vs=0V , Vd=-0.2~2V , Freq=350MHz

34SLIDE

ゲート-ソース間容量特性

[S] [Y] [C]

Vd=Vb=Vs=0V , Vg=-4~4V , Freq=350MHz

反転領域

蓄積領域

35SLIDE

ShortのＳパラメータ特性

S21

Vb=Vs=0V , Vg=1.5V , Vd=1~2V , Freq=50MHz~5.05GHz

Vd=1V

Vd=2V

S11

36SLIDE

Large/NarrowのＳ21特性

Vb=Vs=0V , Vg=1.5V , Vd=-1~2V , Freq=50MHz~5.05GHz

Large Narrow

37SLIDE

BSIM4ネットリスト例

デザインテクノロジーによって組み込まれたシミュレータ

Spice3e2

Spice3f5

38SLIDE

今回使用したBSIM4の内部モデル

BSIM4で新しく追加されたモビリティモデル

新LDD抵抗モデル

ゲート漏れ電流モデルOFF

新Charge Thickness Capacitanceモデル

新ジオメトリ依存型ゲート抵抗モデル

新基板抵抗モデル

RGATEMODを使用するためNQSモデルOFF

BSIM3と同等のダイオードモデル

新ジオメトリ依存型Perimeterモデル

デバイスに対応したジオメトリ構造

拡散抵抗モデルON

39SLIDE

BSIM4のモデリング例（DC特性）

Short

Small

40SLIDE

BSIM4のモデリング例（容量特性）

ゲート容量

接合容量

41SLIDE

BSIM4のモデリング例（S-Parameters特性@1 finger）

S21dB

S11

S22

42SLIDE

BSIM4のモデリング例（S-Parameters特性@20finger）

S21dB

S11

S22

43SLIDE

Agenda

周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは

高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding

BSIM3、BSIM4によるRFモデリング

RF回路検証の重要性

44SLIDE

RF回路検証の重要性

パラメータのコンビネーション

物理的、電気的にReasonableなパラメータ値

De-embedの精度

シミュレーション収束性

等を確認するために回路検証が重要。

45SLIDE

RF回路の検証法

検証方法1)デバイス･モデリング2)オンウェハで回路検証(単純回路)を行い、デバイス・モデリングの検証を行う。その後3)Interconnectモデリング4)パッケージ・モデリング5)評価ボード・モデリング6)SMT部品モデリングというように、step-by-stepで回路検証を行う。

注意する点オンウェハ検証用の回路は複雑にしない。デバイス以外にdominantな成分がない回路にする。

46SLIDE

RF回路の検証法ーフローチャート

Device modeling

RF回路の検証

Wafer上での回路検証

Interconnect modeling

Package modeling

評価ボード modeling

SMT部品 modeling

NG!

正しいSolution

47SLIDE

パッシブ部品、パッケージのモデリング例

48SLIDE

評価ボード・モデリングの例

Point Port

49SLIDE

まとめ

周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは

⇒高周波では周波数領域の解析が必要で、Sパラメータが便利

高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding

⇒de-embeddingの精度はTEGに100%依存

BSIM3、BSIM4によるRFモデリング

⇒モデル等価回路とデバイス構造を理解した上でモデルを選ぶ

RF回路検証の重要性

⇒一気に複雑な回路で検証するのではなく、単純な回路でオンウェハ検証してから、徐々に複雑にしていく。