行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
以四埠量測系統量測射頻電晶體特性並製作其等效電路模
型
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2215-E-009-053- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學電子工程學系 計畫主持人： 張俊彥 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢中 華 民 國 92 年 10 月 31 日
以四埠量測系統量測設頻電晶體特性並製作其
等效電路模型
The Characterization and modeling of RF
MOSFET’s by Four-Port Measurement
計劃編號:NSC91-2215-E009-053
執行期間 : 91/08/01~92/07/31
計劃主持人: 張俊彥教授
交通大學電子研究所
一、 摘要
關鍵字：射頻金氧半電晶體、四埠量 測、射頻元件模型 本計畫主要是研究射頻金氧半電晶體 的高頻量測以及小訊號模型製作，初 期先設計製造射頻金氧半電晶體（RF MOSFET），之後量測其直流以及高 頻特性，其中高頻特性將以四埠量測 （four port measurement）的方式量得 其散射參數（S parameter），並將其 與以傳統雙埠量測所得的結果比較， 最後再分析四埠及雙埠量測資料，根 據這些資料輔以電腦模擬製作出可供 射 頻 電 路 設 計 所 需 之 射 頻 電 晶 體 模 型。 在 這 個 研 究 裡 ， 我 們 以 四 埠 量 測 系 統，得到了比傳統雙埠量測更多的有 效資訊，能更直接的量測出射頻金氧 半 電 晶 體 中 的 雜 散 及 寄 生 元 件 參 數 值，得到更真實的元件本質特性，製 作出更精準的射頻元件模型。Abstract
key word: RF MOSFET, four port measurement, Model
In this project we will design and manufacture RF MOSFETs, and characterize these RF MOSFETs
with DC, two port and four port S parameter measurement, then we will compare the two port measurement data and its four port counterpart. By analyzing these measured two port and four port S parameter and simulating it with computer, we can obtain a RF MOSFET model suitable for RF circuit design.
By executing this project we can extract the parasitic component of RF MOSFET more accurately, and obtain an almost real intrinsic RF characteristics of RF MOSFET, and then, produce a more accurate RF MOSFET model.
二、 計畫源由與目的
要快速且有效率的設計出達到規格要 求 之 射 頻 電 路 ， 準 確 的 元 件 模 型 (device model)是不可缺的，現行建 立元件模型的方式大都以雙埠量測系 統(two port measurement)量測其散 射 參 數 (S parameter) 以 得 到 元 件 的 高頻特性，再分析量得之散射參數， 以萃取出元件模型等效電路中的各電 路成分值[1, 2]。以電晶體為例，以
此方法量測需先將電晶體設定為雙埠 電路組態，得到的量測資料為電晶體 內部各物理效應所共同呈現出之總和 效 應 ， 分 離 各 種 效 應 是 件 繁 複 的 工 作，且需先假設出模型等效電路中之 各元件值，再將各元件值調變使得電 晶體模型的特性趨近量測到的特性， 過程中因假設值不當，常造成模型與 實際電晶體的電性存在相當的誤差。 誤差的產生有相當多原因，例如等效 電路模型架構不正確，但除去這類模 型先天架構的問題，另有一主要原因 是量測方式所造成的，MOS 電晶體是 四端點元件，將其設定成雙埠電路組 態 需 將 其 中 二 端 點 合 併 為 接 地 端 (ground)，因此將導致此二端之間的 效應無法直接由量測數據顯示，必須 以假設的方法來猜測此二端點間的效 應，因此必然造成誤差，而且此誤差 的大小甚至無法評估。 本計畫的目的在於將 MOS 電晶體設定 為四埠電路組態，以四埠量測系統(4 port measurement) 量 測 之 。 四 埠 量 測系統一般是應用於高頻多埠被動元 件 的 量 測 上 ， 如 高 頻 變 壓 器 （ transformer ） 、 藕 合 器 （ coupler ） 、 傳 輸 線 （transmission line ），另外也可 以 將 四 個 單 端 埠 （ single ended port ） 組 成 兩 個 差 動 模 式 （ different mode ） 的 平 衡 埠 （balance port），藉以量測差動雙 埠電路[3]。本計畫中是將四埠量測 系統的四個單端埠連接到電晶體的四 個端點，量測出一組具 16 個散射參 數之散射矩陣，此 4x4 散射矩陣完整 包含了 MOS 電晶體操作在射頻範圍時 四端點彼此之間互動的關係，將不會 有前述以雙埠組態量測出現的問題發 生，而四埠量測所得到的資料量將為 雙埠量測的四倍，更能清楚的分離電 晶體中存在各端點間的元件值，在四 埠量測資料中即可提供足夠之資訊而 直接萃取出來，等於完整探視電晶體 內部的狀況，這對於高頻元件的參數 萃取，模型製作有極大的幫助，連帶 的使高頻電路設計更為經濟迅速。
三、 實驗步驟與結果
本計畫的執行有三個階段： 第 一 階 段 為 射 頻 電 晶 體 的 設 計 與 製 作：這部分我們設計了兩種不同尺寸 的高頻金氧半電晶體，分別搭配了雙 埠以及四埠的測試結構，電晶體部分 主要是採用 0.25 微米的製程技術，在 閘 極 結 構 上 採 指 狀 結 構 (multi-finger)，其中每一 finger length 為 10 微米，finger number 為 21 與 41 根， 總寬度分別為 210 與 410 微米。而在 測 試 結 構 部 分 ， 雙 埠 是 採 用 傳 統 的 GSG 雙埠測試結構，加上去除寄生效 應用的開路與短路空結構(open, short dummy pad)，在四埠方面的結構如圖 一 ， 再 加 上 四 埠 的 開 路 與 短 路 空 結 構。 第二階段為射頻電晶體直流與散射參 數量測：量測直流特性主要是為了初 步判定電晶體是否正常，並估計其高 頻運作能力，而其數據如表一。而雙 埠 sample 的散射參數是採用量測頻率 可達 20GHz 的雙埠系統量測，其量測 結果如圖二。四埠電晶體受限於目前 的設備，頻率僅能到 6GHz，而其量 測到的數據必須經過分析運算後才有 意義，故不列出。 第三階段為參數萃取與射頻電晶體等 效 電 路 模 型 的 建 立 ： 由 網 路 分 析 儀 (network analyzer)量出 的資料皆為散 射 參 數 ， 直 接 用 此 參 數 並 不 容 易 處 理，所以一般都會先將此參數轉為導 納參數(y-parameters)，其所代表的電 路意義必較明顯，本研究中所採用的 等效電路模型如圖二所示，其中的參 數可從經由四埠量測資料轉換出的 y 參數萃取而出，電路中各元件萃取值 如表二，而該將等效電路以 HSPICE 模擬，模擬結果與量測結果的比較如 圖四。四、 結論與討論
在本研究中，我們以四埠量測所的資 料建立了一完整的小訊號等效電路模 型，並根據此電路架構推導其中各元 件 的 萃 取 方 式 ， 並 萃 取 出 各 元 件 的 值，而雖然四埠量測設備量測頻率僅 達到 6GHz，但模擬出的結果相當接 近實際雙埠量測到 20GHz 的接果，表 示本研究所建立的等效電路可以有效 模擬實際元件的特性，對於未來建立 更準確的模型有相當的助益。五、 參考文獻
1. Apolinar R.H., et al.,IEEE Trans. OnMicrowave Theory Vol.44, No.12 P.2625 Dec. 1996 2. Steve H.M., et al., IEEE
Trans. On Electron Device Vol. 46, No.11 P.2217 Nov. 1999
3. Agilent Application Note 1373-6 “Balanced
Measurement Example: Baluns”
表一
210µm
VG=VD 0.9V 1V 1.1V 1.2V 1.3V 1.4V ID 12.2mA 17.2mA 23.8mA 30.2mA 36.8mA 43.5mA 表二
