Opis
Time- and Frequency-Domain Quasi-2D Small-Signal MOSFET Models
autorzy: Kordalski Wiesław, Stefański Tomasz, Trofimowicz Damian
Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej
W książce przedstawiono nowe podejście do modelowania małosygnałowej pracy tranzystora MOS. Jego rezultatem są opracowania dwóch quasi-dwuwymiarowych, nie-quasi-statycznych, czterokońcówkowych modeli małosygnałowych MOSFET-a w dziedzinie czasu i częstotliwości. Opracowany quasi-dwuwymiarowy model w dziedzinie czasu stanowi podstawę matematyczno-fizyczną do wyprowadzenia quasi-dwuwymiarowego, nie-quasi-statycznego, czterokońcówkowego modelu małosygnałowego MOSFET-a w dziedzinie częstotliwości, uwzględniającego efekt DIBL (Drain-Induced Barrier Lowering).
Z przeprowadzonej analizy wynika, że dwa typy fal mogą propagować się w kanale tranzystora MOS: podłużna fala zaburzeń koncentracji nośników i poprzeczna fala zaburzeń grubości kanału. Wykazano, że moduły zespolonych transadmitancji bramki i podłoża są malejącymi funkcjami częstotliwości. Nowy małosygnałowy model MOSFET-a w dziedzinie częstotliwości został pozytywnie zweryfikowany eksperymentalnie aż do częstotliwości 30 GHz. Parametry modelu przyjmują realistyczne wartości. Małosygnałowy model częstotliwościowy może być stosowany od zera Hz do częstotliwości kilkakrotnie większej od fT. Każdy parametr modelu opisuje jakieś zjawisko fizyczne. Obydwa nowe modele małosygnałowe mogą być użyte do analizy scalonych układów mikroelektronicznych o dowolnej topologii, a także mogą być zaimplementowane w komercyjnych symulatorach układów elektronicznych. Jesteśmy przekonani, że zaproponowane nowe modele pozwalają głębiej wniknąć w zasadę działania tranzystora MOS.
Słowa kluczowe: validation of the frequency-domain model, quasi-2D representation of the MOSFET, frequency-domain model, time-domain model
CONTENTS
Selected list of symbols and acronyms ……………………………………………………………….. 5
1.Introduction (W. Ko r d a l s k i) …………………………………………………………………………… 9
2. Quasi-2D representation of the MOSFET (W. Ko r d a l s k i) ………………………………. 16
2.1. Introduction ………………………………………………………………………………………….. 16
2.2. 2D–into–quasi-2D transformation of the MOSFET ………………………………….. 16
2.2.1. Quasi-2D representation of the channel …………………………………………… 16
2.2.2. Modified 2D dc MOSFET representation ……………………………………….. 26
2.2.3. Quasi-2D dc MOSFET representation …………………………………………….. 32
2.3. Conclusion ……………………………………………………………………………………………. 33
3. Time-domain model (W. Ko r d a l s k i) ………………………………………………………………. 35
3.1. Introduction ………………………………………………………………………………………….. 35
3.2. MOSFET under small excitation …………………………………………………………….. 35
3.3. Quasi-2D continuity equation …………………………………………………………………. 38
3.3.1. Basic equations …………………………………………………………………………….. 38
3.3.2. Some simplifications …………………………………………………………………….. 41
3.4. Quasi-2D Poisson’s equations …………………………………………………………………. 44
3.4.1. Equations for steady-state (dc) and small-signal conditions ……………….. 44
3.4.2. Simplified equations ……………………………………………………………………… 46
3.5. Transport equation ………………………………………………………………………………… 47
3.6. Terminal currents ………………………………………………………………………………….. 49
3.6.1. Capacitive currents ……………………………………………………………………….. 49
3.6.2. Drain- and source-terminal non-capacitive currents …………………………. 51
3.7. Gate-to-body capacitance Cgb………………………………………………………………….. 53
3.7.1. Preliminary remarks ……………………………………………………………………… 53
3.7.2. Quasi-static gate-to-channel capacitance Cgc ……………………………………. 55
3.7.3. Quasi-static body-to-channel capacitance Cbc …………………………………… 57
3.7.4. Gate-to-body capacitance Cgb …………………………………………………………. 59
3.8. Supplementary equations and rules …………………………………………………………. 61
3.9. Conclusion ……………………………………………………………………………………………. 63
4. Frequency-domain model (W. Ko r d a l s k i) ………………………………… 65
4.1. Introduction ………………………………………………………………………………………….. 65
4.2. Formulation of time-domain equations ……………………………………………………. 65
4.2.1. Continuity equation ………………………………………………………………………. 66
4.2.2. Transport equation ……………………………………………………………………….. 66
4.2.3. Poisson’s equation ………………………………………………………………………… 68
4.3. Quasi-2D frequency-domain analysis ……………………………………………………… 70
4.3.1. Frequency-domain equations …………………………………………………………. 70
4.3.2. Solution for p1(ξ, jω) ……………………………………………………………………… 71
4.3.3. Wave phenomena in the channel …………………………………………………….. 72
4.3.4. The electric fieldE1(ξ, jω) ……………………………………………………………… 73
4.4. DIBL-included model ……………………………………………………………………………. 73
4.4.1. Non-capacitive terminal currents ……………………………………………………. 73
4.4.2. Four-terminal equivalent circuit for an idealized MOSFET ………………. 87
4.4.3. Four-terminal equivalent circuit for the real MOSFET ……………………… 88
4.5. Long-channel MOSFET model ……………………………………………………………….. 89
4.6. Conclusion ……………………………………………………………………………………………. 89
5. Validation of the frequency-domain model (W. Kordalski, T. Stefański, D. Trofimowicz) … 91
5.1. Introduction ………………………………………………………………………………………….. 91
5.2. Layout of the measured MOSFETs ………………………………………………………….. 91
5.3. Small-signal model of the measured MOSFETs ………………………………………… 92
5.4. De-embedding procedure ………………………………………………………………………. 93
5.5. Results of the verification up to fT …………………………………………………………… 94
5.6. Results of the verification in the range of up to thirteen timesfT ………………… 102
5.7. Conclusion ……………………………………………………………………………………………. 106
Summary in English …………………………………………………………………………………………… 107
Summary in Polish …………………………………………………………………………………………….. 109
Appendix A. Derivation of quasi-2D continuity equation (W. Ko r d a l s k i) …………….. 111
Appendix B. Derivation of quasi-2D Poisson’s equation (W. Ko r d a l s k i) ……………….. 114
Appendix C. Quasi-static small-signal conductance gds (W. Ko r d a l s k i) ………………… 117
Appendix D. Finding the hole concentration p1(ξ, jω) (W. Ko r d a l s k i) …………………… 120
Appendix E. Finding the electric field E1(ξ, jω) (W. Ko r d a l s k i) ……………………………. 121
Opinie
Na razie nie ma opinii o produkcie.