Ein Beitrag zur Modellierung von MOSFETs für Hochfrequenzanwendungen

Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel drei Themenblöcke der Modellierung von MOS-Feldeffekt-Transistoren (MOSFETs) zu untersuchen. Zum ersten sollte das kapazitive Verhalten detailliert herausgearbeitet werden, zum zweiten wurde auf das DC Modell eingegangen und zum dritten wurde die HF-Modellierung dieser Bauelemente behandelt.

Für die Untersuchung des kapazitiven Verhaltens eines MOSFETs wurden die geeigneten Teststrukturen betrachtet und deren CV-Modell herausgearbeitet. Die möglichen Parameterextraktionsmethoden für das CV-Modell wurden diskutiert und einige effiziente Extraktionsroutinen dazu vorgestellt. Da die CV-Messergebnisse von der Messfrequenz abhängig sind, wurde ein neues Dualfrequenz-Messdatenverarbeitungsverfahren eingeführt, welches hilft, die Genauigkeit der Messergebnisse zu verbessern.

Für die DC-Charakterisierung eines MOSFETs wurden die Parameterextraktionsmethode und die geeigneten Extraktionsroutinen basierend auf der Vorstellung der aktuellen Modellgleichungen des BSIM4.4 DC-Modells entwickelt. Mittels der kommerziellen Software IC-CAP wurden diese Routinen und die dazu benötigten Datenverarbeitungsverfahren realisiert. Die Parameterextraktion bedient sich eines Messprogramms, eines Datenverwaltungsprogramms sowie eines Werkzeugprogramms. Diese im Rahmen der Arbeit neu erstellten Programmteile erlauben die Messungen nach Wunsch auszuführen und die Messdaten in geeigneter Form zu erfassen, die Messdaten aller Teststrukturen für die Extraktionsroutinen richtig zu ordnen und stellen ein anwenderfreundliches Bedienungsinterface bereit. Insbesondere helfen die implementierten Direktextraktionsroutinen die Modellparameter mit physikalisch sinnvollen Werten zu extrahieren und somit die Startpunkte für eine eventuell nachfolgende Optimierung bereitstellen zu können. Um die extrahierten Modelle für n-MOSFETs und p-MOSFETs auf Schaltungsebene zu verifizieren, wurde ein 19-stufiger Ringoszillator verwendet. Mittels eines Beispiels wurde das Verifikationsverfahren durchgeführt, was zeigt, wie die extrahierten Modelle verifiziert und eventuell verbessert werden können.

Für die HF-Charakterisierung eines MOSFETs wurde ein vom BSIM Modell unabhängiges Modell basierend auf einem verbesserten Kleinsignalersatzschaltbild generiert. Zur Bestimmung der Modellparameter bzw. der Ersatzschaltbildelemente wurden die Extraktionsroutinen basierend auf dem bekannten Kleinsignal-Parameterextraktionsverfahren weiterentwickelt. Dieses Modell kann das HF-Verhalten eines einzelnen Transistors im Frequenzbereich von bis zu 20 GHz simulieren, ist jedoch aufgrund der ungenügenden Skalierbarkeit nur für die Schaltkreise mit gleich dimensionierten Transistoren geeignet. Mittels der Implementierung der Modellgleichungen für Gatewiderstand und Substratnetzwerk wurde die Genauigkeit des BSIM Modells hinsichtlich der Modellierung des HF-Verhaltens deutlich verbessert. In der vorliegenden Arbeit wurde die Parameterextraktionsmethode diskutiert und geeignete Parameterextraktionsroutinen für die praxisnahe Anwendung wurden vorgeschlagen.