Tecnología ED02AH de OMMIC

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1 Anexo I Tecnología ED0AH de OMMIC I.1 Introducción Para este estudio se hace uso de un transistor HEMT de la foundry Philips Microwave Limeil. OMMIC S.A. es un miembro del grupo de empresas Philips. La tecnología utilizada se conoce como proceso ED0AH [13. El proceso OMMIC ED0AH fue desarrollado específicamente para aplicaciones de microondas hasta longitudes de onda milimétricas, y para circuitos digitales de alta velocidad para enlaces ópticos. El significado de las siglas ED0AH es el siguiente: E : transistor modo enriquecimiento (OFF). D : transistor modo deplexión (ON). 0 : longitud de puerta de 0.µm (en realidad 0.18µm). A : proceso OMMIC tipo A. H : Capa HEMT pseudomórfica. Las principales características de esta tecnología pueden resumirse así: Uso de una capa activa pseudomórfica (InAsGa). Se ofrecen transistores phemts con tensiones umbrales distintas, una positiva y otra negativa, disponibles simultáneamente en el mismo chip. Los valores de esas tensiones umbrales son: Vt=0.5V (OFF) ó 0.9V (ON). 115

2 Hay tipos de diodos (0.18µm "GM" y 3µm "BE"), que se usan para mezcladores, desplazadores de nivel o varactores. Resistencias implementadas mediante capa activa de AsGa. Resistencias implementadas mediante una capa fina de metal (NiCr). Protección total con Si 3 N 4, lo que asegura una gran fiabilidad. tipos de condesandores, según se use la capa Si 3 N 4 o la capa Si 3 N 4 + SiO. SiO /Si 3 N 4 + aislamiento por puentes de aire, para reducir las capacidades parásitas.. Metalización de oro de gran pureza de espesor 1.5µm para las interconexiones e inductancias en espiral. Las conexiones a tierra se realizan a través de un substrato de espesor 100µm para reducir las inductancias parásitas a tierra. Para circuitos digitales como multiplexores o demultiplexores a 40Gb/s, se dispone de puertas de 0.13µm en vez de las de 0.18µm (opción ED01AH). Estos aumenta el valor de Ftextr hasta más o menos 75GHz o más. Este efecto es tenido en cuenta en los modelos a través del parámetro Lgate. I. Características DC del FET Para un FET ON: Nombre Definición Unidad Escalado Valor Vt Idss Vbrgss Vleak gm Tensión umbral: Vgs para Ids=1mA/mm a Vds=3V Corriente drenador fuente a Vgs=0V y Vds=3V Tensión drenador + fuente a puerta para Ig=1mA/mm (drenador y fuente cortocircuitados) Tensión drenador + fuente a puerta para Ig=10µA/mm (drenador y fuente cortocircuitados) Transconductancia DC a Vgs=0V y Vds=3V V 0.9 ma/mm xw 50 V V 440 ms/mm xw Tabla I.1: Características DC de un FET ON. 116

3 Y para el FET OFF: Nombre Definición Unidad Escalado Valor Vt Idss Vbrgss Vleak gm Tensión umbral: Vgs para Ids=1mA/mm a Vds=3V Corriente drenador fuente a Vgs=0.7V y Vds=3V Tensión drenador + fuente a puerta para Ig=1mA/mm (drenador y fuente cortocircuitados) Tensión drenador + fuente a puerta para Ig=10µA/mm (drenador y fuente cortocircuitados) Transconductancia DC a Vgs=0.7V y Vds=3V V ma/mm xw +0.5 ó ó 170 V 8.0 V ms/mm xw ó 50 Tabla I.: Características DC de un FET OFF. I.3 Modelo de pequeña señal del FET El circuito equivalente propuesto por OMMIC ED0AH para la simulación de pequeña señal de un phemt de AsGa es el siguiente: Los parámetros de este modelo son: Figura I.1: Circuito de pequeña señal del phemt W: anchura total de puerta, en mm. 117

4 Nbd: Número de dedos de puerta. Wu: Anchura de los dedos, en mm (Wu=W/Nbd). Aunque Wu puede llegar a ser de hasta 300 o incluso 400µm, excepto para el diseño de circuitos como interruptores o amplificadores de baja frecuencia y alta potencia, se recomienda mantener esta anchura por debajo de 50µm, para así reducir pérdidas en la puerta e incrementar la máxima ganancia disponible. Vgs: Tensión de polarización puerta a fuente. Vgd: Tensión de polarización puerta a drenador. Definición de elementos del circuito equivalente: Cg, Cd, Cs, Lg, Ld, Ls son capacidades e inductancias parásitas externas del p HEMT. Rg, Rs, Rd son las resistencias de acceso del phemt. Cgs, Cgd, Cds, Rds, Rgs, gm y td son los elementos del circuito equivalente del phemt de AsGa clásico. Ggd (conductancia puerta drenador), Ggs (conductancia puerta fuente) y Rgd (resistencia serie puerta drenador) son elementos adicionales, útiles para una mejor exactitud en las siguientes condiciones: Ggd(mS) cuando el diodo puerta drenador está polarizado en directa (Vgd>>0.V) o polarizado en inversa muy fuerte (Vgd<<Vt). Ggs(mS) cuando el diodo puerta fuente está polarizado en directa (Vgs>>0.V) o polarizado en inversa muy fuerte (Vgs<<Vt). Rgd(Ohms) es muy útil para tener un modelo simétrico en la región óhmica (Vds<1.5V). Fuera de esas condiciones, Ggd, Ggs y Rgd pueden despreciarse (ponerse a 0) por simplicidad. I.4 Modelo no lineal del FET Para el diseño de circuitos con simuladores no lineales, OMMIC propone un modelo basado en ecuaciones propietarias que describen la corriente y capacidades no lineales de un FET. El modelo completo del ED0AH FET se representa en la Figura I.: 118

5 Figura I.: Modelo no lineal ED0AH FET on y FET off de OMMIC. Este modelo da muy buenos resultados. En particular, da una representación mucho mejor de Gm, Gd y las variaciones de carga que la mayoría de modelos que suelen estar disponibles de en los simuladores. Puede ser implementado en cualquier simulador no lineal que permita al usuario definir ecuaciones y modelos, como son ADS o ARW, o algunas versiones de SPICE. Los parámetros de entrada para el modelo no lineal OMMIC son: Descripción del parámetro Nombre FET ON FET OFF Número de dedos de puerta Nbd 6 6 Anchura de los dedos Wu 15µm 15µm Parámetro de sensibilidad usado para simular dispositivos con diferente Vt Parámetro de sensibilidad usado para simular dispositivos con diferentes valores de Idss para un Vt dado Parámetro de sensibilidad usado para simular dispositivos con diferentes longitudes de puerta Parámetro de sensibilidad usado para simular dispositivos con diferentes tensiones de ruptura Resistencia térmica usada para cálculos de autocalentamiento Vtpcm 0.9V +0.5V Kidss 1 1 Lgate0 0.µm (0.15µm para ED01AH) Vbrgss 8V 8V 0.µm (0.15µm para ED01AH) Rth 0 C/Watt 0 C/Watt 119

6 Punto de funcionamento DC, para cálculos de autocalentamiento Punto de funcionamento DC, para cálculos de autocalentamiento Vdsbias 0 V 0 V Idsbias 0 A 0 A Tabla I.3: Parámetros de entrada del modelo no lineal OMMIC. Centrándonos en los elementos no lineales, en este modelo hay básicamente hay 3 tipos de estos elementos: las corrientes drenadorfuente (IdsDC e IdsRF). las cargas puertafuente, puertadrenador y drenadorfuente (Qgs, Qgd y Qds). las corrientes directa e inversa de los diodos puertadrenador y puertafuente (Igs e Igd). Los elementos no lineales a los que nos ceñiremos en nuestro trabajo son la corriente drenadorfuente y las cargas puertafuente y puertadrenador, por lo que el modelo anterior se quedará simplificado. Añadiéndole la excitación, la carga, circuitos de adatación a la entrada y a la salida, y algunas simplificaciones, obtenemos el modelo de la Figura I.3, que es el modelo base sobre el que se centra este proyecto. Figura I.3: Modelo no lineal ED0AH FET simplificado. Para el cálculo de Ri, Rg, Rs, Rd, Lg, Ls y Ld se siguen las siguientes fórmulas: Rgso W Rgs( Ri) =, Rg Rg W = o Nbd, Rso Rs =, W Rdo Rd = (I.1) W 10

7 donde: Rgs o =0.1Ohms/mm (FET ON) ó 0.4 (FET OFF) Rg =0Ohms/mm (FET ON y OFF) o o Rs =0.54Ohm/mm (FET ON) ó 0.65 Ohm/mm (FET OFF) Rd =0.54Ohm/mm (FET ON) ó 0.65 Ohm/mm (FET OFF) o 39.6 Lg( ph ) = Wu Nbd (I.) 39.6 Ld( ph ) = Wu Nbd (I.3) W Nbd 3 Ls( ph ) = Nbd Nbd 0... eoc (I.4) Y para las cargas y corriente no lineales veremos a continuación sus modelos. I.4.1 Fuente de corriente no lineal Ids Debido a algunos efectos de relajación en el GaAs (aunque muy pequeños para phemts) y al autocalentamiento, la corriente Ids del phemt varía con la frecuencia. El modelo ED0AH de fuente de corriente de drenador está así constituido por dos fuentes de corriente: I1=IdsRF, que está activa a todas las frecuencias. I=IdsDCIdsRF, que está activa sólo a bajas frecuencias. Así, IdsRF sólo es vista a altas frecuencias e IdsDC sólo a bajas frecuencias. La separación se obtiene por una red RL donde R es la resistencia equivalente de la fuente de corriente, y L es el elemento del modelo Lrf. La frecuencia Ftr a la cual se alcanza el valor de RF se obtiene a partir de la inductancia Lrf: Ftr Rds π Lrf 10 (I.5) donde Rds es el valor de RF de la conductancia de salida del FET. Lrf tiene un valor H.mm resultante a una Ftr de 50Khz para Rds=180Ohms.mm. Dependiendo del tipo de circuito diseñado, es posible cambiar este valor usando Lrf. Decrementar Lrf reducirá probablemente el tiempo de análisis (acortando las constantes de tiempo), pero puede afectar el comportamiento de la simulación si Ftr es muy alta. 11

8 Para mejorar la convergencia en algunos casos particulares, se añade una capacidad Crf en paralelo a la fuente de corriente I. Pero esto crea, especialmente cuando Rds es alta, un efecto de resonancia en la frecuencia: 1 Fres π Lrf Crf (I.6) Valores de los parámetros: Descripción del parámetro Nombre FET ON FET OFF Escalado (W en mm) Inductancia paso de baja Lrf 0.006H 0.006H /W Capacidad paso de alta Crf 1µF 1µF Tabla I.4: Valores de Lrf y Crf. Las ecuaciones que se usan son: Ids Ids RF DC = = Kidss CorrIdss Id [ Kt ( Ids1 + Ids) [ 1 gdf tanh( Kgdf Vd ( Vds Vdsf )) IdsRF (I.7) donde: Ids1 = Beta 1 Ids = Beta VT = VT 0 Gamma Q [ Vt ( Vg ( Vgs Vtpcm + Vtpcm0) VT1) [ Vt ( Vg ( Vgs Vtpcm + Vtpcm0) VT ) 1+ Kisat 1 Kisat Kt = tanh( K Vds) VT1 = VT 01 Gamma1 Veff ( V, Va, Vb, Sigma) = tanh ( Vds Vdsisat) [ 1 ( 1 eta1) tanh( Kds1 Vds) Vds ShiftVds0 [ 1 tanh( KVds0 Vds) [ 1 ( 1 eta) tanh( Kds Vds) Vds ShiftVds0 [ 1 tanh( KVds0 Vds) ( V Va) + Sigma ( V Vb) + Sigma + Va + Vb 1 Q Vg Vt Vd Id ( X ) = Veff ( X, 5.0,0.6, SigmaVgs) ( X ) = Veff ( X,0.0,1.5, SigmaVgs) ( X ) = Veff ( X,0.0,3.0, SigmaVgs) ( X ) = Veff ( X,0.0,0.8,10 6 ) (I.8) 1

9 Valores de los parámetros: Descripción del parámetro Nombre FET ON FET OFF Escalado (W en mm) Coeficiente ganancia corriente Beta xw Coeficiente ganancia corriente Beta xw Coeficiente de Umbral Vtpcm Exponente de corriente Q1 Exponente de corriente Q Coeficiente de saturación K Coeficiente de saturación Kisat Coeficiente de saturación Vdisat Correlación Idss Vt CorrIdss Coeficiente de umbral VT Coeficiente de umbral VT Coeficiente Gd Gamma Coeficiente Gd Gamma Coeficiente Gd Eta Coeficiente Gd Eta Coeficiente Gd Kds Coeficiente Gd Kds Coeficiente Gd ShiftVds Coeficiente Gd KVds0 0 0 Coeficiente de corriente DC gdf Coeficiente de corriente DC Kgdf Coeficiente de corriente DC Vdsf Coeficiente de alisado SigmaVgs Coeficiente de alisado SigmaVds Tabla I.5: Parámetros relacionados con la corriente no lineal. 13

10 I.4. Cargas no lineales Qgs y Qgd Aunque el modelo OMMIC representa las no linealidades de las capacidades mediante 3 cargas no lineales: Qgs(Vgs,Vgd),Qgd(Vgs,Vgd), Qds(Vgs,Vgd), en nuestro modelo simplificado consideramos constante la capacidad Cds y por tanto, sólo tenemos en cuenta las cargas no lineales Qgs y Qgd. Las ecuaciones usadas por el modelo OMMIC para estas capacidades son: Qgs donde: Lgate Lgate0 ( Vgscap, Vgdcap) = [ Qgs1( Vgscap, Vgdcap) + Qgs( Vgscap Vgdcap) Vbc Qgs1( V1, V ) = Cgs0 N Qgs( V1) = Cds0 V1 [ 1 + Lgd + Veff 3( V ) ( 1 Alphads V1) ( Vtpcm Vtpcm0) Shiftgd V VgsCcap( V1, V ) = V1 Qgd( Vgscap, Vgdcap) = Qgs( Vgdcap, Vgscap) Qds( Vgscap, Vgdcap) = Lds ( V, Vbrgss,0,0.1) Veff 1 ( VgsCcap( V1, V ) ) Vbc [ Qgd( Vgscap, Vgdcap) Qgs( Vgscap, Vgdcap) Vs Vs Vs Veff ( V ) = Veff V, + Dvtc, + Vbc, SigmaC Veff 3( V ) = Veff (I.9) N (I.10) Valores de los parámetros: Descripción del parámetro Nombre FET ON FET OFF Coeficiente puertafuente Cgs fF 5.73fF xw Coeficiente drenadorfuente Cds0 17fF 17fF xw Factor de forma de capacidad Vbc Factor de forma de capacidad N Factor de forma de capacidad Lgd Factor de forma de capacidad Lds Coeficiente de saturación DVtc Coeficiente de saturación Vs Coeficiente de saturación SigmaC Coeficiente de saturación Alphads Coeficiente de saturación Shiftgd Tabla I.6: Parámetros relacionados con las cargas no lineales. Escalado (W en mm) 14