Characterization and Modeling of SOI RF integrated components
Première édition
Les progrès réalisés dans la fabrication de matériaux piézoélectriques ont permis, depuis le début des années 80, le développement d'un nouveau type d'actionneurs : les moteurs piézoélectriques à onde progressive. Leur principe de fonctionnement consiste à générer, au niveau du stator, une onde progressive qui permet d’entraîner par friction le rotor.
Dans le cas des moteurs rotatifs dont le stator est annulaire, la génération de l’onde progressive est aisée. En effet, cette onde y est simplement créée à partir de la superposition de deux ondes de flexion stationnaires sinusoïdales de même fréquence et de même amplitude décalées temporellement d’un quart de période et produites par deux excitateurs décalés spatialement d’un quart de longueur d’onde.
Dans le cas des moteurs linéaires, la génération d’une onde progressive basée sur une technique similaire est beaucoup plus complexe à mettre en oeuvre et ne permet pas de créer une onde de flexion exempte d’une composante stationnaire qui, elle, est dépourvue de propriété d’entraînement.
Nous avons dès lors développé des modèles analytique et numérique qui ont permis de déterminer les conditions d’excitation (la fréquence et la position des excitateurs) qui maximisent la proportion d’onde progressive par un processus d’optimisation basé sur un critère original d’analyse de la qualité de l’onde de flexion. Nous avons, ensuite, validé expérimentalement ce critère sur un prototype de stator de moteur linéaire à onde progressive.
Nous avons, par ailleurs, utilisé les compétences du CEREM en matière de modélisation de systèmes multi-physiques par une approche multicorps pour construire un modèle complet du moteur car, outre les avantages qu’elle offre en matière de rapidité de calcul, cette approche se prête particulièrement bien à la modélisation de mécanismes d’entraînement par friction et à l’intégration des excitateurs piézoélectriques dans le modèle.
Livre broché
- En anglais
18,60 €
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Spécifications
- Éditeur
- Presses universitaires de Louvain
- Partie du titre
-
Numéro 15
- Auteur
- Morin Dehan,
- Collection
- Thèses de l'École polytechnique de Louvain | n° 15
- Langue
- anglais
- Catégorie (éditeur)
- Sciences appliquées > Electricité
- Catégorie (éditeur)
- Sciences appliquées
- BISAC Subject Heading
- TEC000000 TECHNOLOGY & ENGINEERING
- Code publique Onix
- 06 Professionnel et académique
- CLIL (Version 2013-2019 )
- 3069 TECHNIQUES ET SCIENCES APPLIQUEES
- Description public visé
- Ingénieurs électromécaniciens
- Date de première publication du titre
- 01 décembre 2010
- Subject Scheme Identifier Code
- Classification thématique Thema: Technologie, ingénierie et agriculture, procédés industriels
- Type d'ouvrage
- Thèse
Livre broché
- Date de publication
- 01 janvier 2003
- ISBN-13
- 978-2-93034-439-3
- Ampleur
- Nombre de pages de contenu principal : 232
- Format
- 16 x 24 x 1,3 cm
- Poids
- 380 grammes
- Prix
- 18,60 €
- ONIX XML
- Version 2.1, Version 3
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Sommaire
Scientific publications vi
Introduction x
1 SOI technologies for analog applications 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Comparison of SOI and bulk MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 The SOI materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Structure and properties of the various SOI MOSFET transistors, the influence of the silicon film . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.1 Comparison between the structures of long channel FD and PD transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.2 Properties of FD and PD devices . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.3 Threshold voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 The position of industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Insulators and substrates used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1 Classical SOI substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.2 High Resistivity SOI substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 Silicon-on-Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.4 Silicon-on-Anything . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.5 Silicon-on-Sapphire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Size Does Matter: Evolution of the Microelectronic . . . . . . . . . . . 17
1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 On-wafer microwave measurement methods . . . . . . . 25
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Waves and scattering parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Power waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3 Pseudo waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.4 Scattering Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.4.1 The transmission line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.4.2 The thru line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.5 Transfer Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.6 Immittance Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.7 Change of reference impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.7.1 Scattering Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.7.2 Pseudo scattering matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 The Vector Network Analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.2.1 The transfer function formalism . . . . . . . . . . . . 41
2.3.2.2 General TAN self calibration procedure . . . . . . . . 43
2.3.2.3 Practical applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4 On-wafer measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 Measurement of silicon CMOS devices . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.2.1 Limitations due to CMOS technology . . . . . . . . . . 50
2.4.2.2 Two steps calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.2.3 Alternative to the two step calibration . . . . . . . . . 59
2.4.2.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.3 Optimization of the measurement procedure . . . . . . . . . . 60
2.4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.3.2 TRM Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.3.3 On-wafer TRL Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.3.4 In uence of the power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.3.5 Control of the quality of the calibration . . . . . . . . 65
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 RF modeling and characterization of sub-micron MOSFET 69
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Small signal model of integrated SOI MOSFET . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.1 Useful e ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.2 Quasi-static model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.3 Non-quasi-static model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.4 Extrinsic model and access elements . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.4.1 Extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.4.2 Extrinsic resistances and inductances . . . . . . . . . 75
3.2.4.3 Extrinsic-Extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.4.4 Access parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3 Extraction procedure of the small signal model . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 Parasitic access elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.2 Extrinsic-extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.3 Extrinsic resistances and inductances . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.3.4 Extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3.5 Intrinsic elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3.6 Comparison between FD, PD, and Bulk MOSFET . . . . . . . . 98
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4 Performances of alternative MOSFETs in SOI technologies 103
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Relevant gures of merit for RF applications . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.1 Figures of Merit of integrated transistors . . . . . . . . . . . . 104
4.2.2 Cut-o frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3 The Dynamic Threshold MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.2 Device fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.3 DC characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.4 Frequency behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.4.1 Medium frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3.4.2 High frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4 The Graded Channel MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.2 Device fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.4.3 DC characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.4.3.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.4.3.3 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.4.4 RF properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5 Passive elements on SOI technologies 143
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2 Properties of transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.2 Coplanar waveguide (CPW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.2.3 Thin lm microstrip line (TFMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2.4 Strip line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3 Modeling of integrated inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3.1 Topology under scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3.2 De nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.3.2.1 Equivalent circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.3.2.2 Quality factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.3 Modeling of square spiral inductors . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.3.3.2 Modeling 3-coupled lines on multilayered silicon substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.3.3.3 Modeling of the admittance matrix of n-coupled lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.3.3.4 Modeling of the inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.3.3.5 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.3.3.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.3.4 Prospective design of square spiral inductor. . . . . . . . . . . 181
5.3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.3.4.2 Design rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.3.4.3 Prospecting new technologies . . . . . . . . . . . . . . 186
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6 Conclusion 195
A Relations between scattering and immittance parameters I
B Determination of extrinsic-extrinsic capacitances III
C Alternative uses of the body contacted MOSFET VII
D Modeling of microstrip lines by using variational principle XI
D.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
D.2 Using a variational principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
D.3 Propagation modes determination of 3-coupled microstrip lines . . XIII