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Title
ESD experiments and simulations on RF CMOS switches / von Matteo Rigato
AuthorRigato, Matteo
CensorPogany, Dionyz
PublishedWien, 2018
Descriptionx, 141 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Dissertation, 2018
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (EN)RF switch in bulk CMOS technology / stacked nMOSFETs / electrostatic discharge protection / circuit simulation / electric breakdown / parasitic bipolar transistor / transmission line pulser technique / optical probing
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-117226 Persistent Identifier (URN)
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ESD experiments and simulations on RF CMOS switches [13.95 mb]
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Abstract (German)

Modernste Bulk-Silizium-HF-Antennenschalter werden aus Multi-Finger N-Kanal-MOSFET-Transistoren in gestapelter Konguration aufgebaut, d.h. die Transistorblöcke sind in Reihe geschaltet. Aufgrund der kritischen Position dieser Schalter im HF-Antennen-Frontend werden Selbstschutzschaltungen gegen elektrostatische Entladungen (ESD) eingesetzt um die HF-Leistung nicht zu reduzieren. Diese Tatsache impliziert, dass die gestapelten Transistoren in einem großen Operationsbereich untersucht werden müssen, um mögliche Ursachen von Schwachstellen wie hohem Leckstrom und niedrige ESD-Robustheit zu erkennen. In dieser Arbeit wird das ESD-Verhalten von gestapelten Multi-Finger-Transistoren für HF-Antennenschalteranwendungen in 0.13um Bulk-Silizium-Technologie mittels einer Kombination aus Experimenten und Simulationen untersucht. Für diese Untersuchungen werden mehrere Messtechniken eingesetzt, wie die Transmission Line Pulse (TLP)-Technik, das transiente interferometrische Mapping (TIM) und die Emissionsmikroskopie (EMMI). Aufgrund der Komplexität der gestapelten Bauelemente werden SPICE-Simulationen verwendet, um ein tieferes Verständnis der transienten Entwicklung aller Transistoren zu erhalten welche zur gestapelten Konguration von CMOS-Blöcken gehören. Die Ursachen für schwache Leistungsfähigkeit werden sowohl an Einzeltransistoren als auch an der gestapelten Konguration untersucht. Spezielle Messungen werden zur Erstellung präziser Modelle präsentiert, die einen großen Arbeitsbereich unter ESD Bedingungen abdecken können und die zur Kalibration von TIM-Messungen dienen. Darauf basierend präsentieren wir Ihnen einzigartige TLP-Wellenformen und den Leistungsverbrauch von gestapelten Transistoren, und leiten den Einuss und die Interaktion zwischen CMOS Blöcken über deren Substrat her.

Abstract (English)

State-of-the-art bulk silicon RF antenna switches are built by multi-nger nMOSFET transistors connected in stacked conguration, i.e. the transistor blocks are connected in series. Due to the critical location in the RF antenna front-end, an electrostatic-discharge (ESD) self-protection approach is the normal choice to not degrade the RF performance. This fact implies that the stacked devices must be studied in a broad bias operations to detect possible causes of weaknesses, high leakage and low ESD robustness. In this thesis work, the ESD behavior of stacked multi-nger transistors for RF an-tenna switch applications for 0.13 m bulk silicon technology is analyzed by means of a combinations of experiments and simulations. Several measurements technique are exploited for the investigation, like transmission line pulse (TLP) technique, transient interferometric mapping (TIM) technique and emission microscopy (EMMI) technique. Moreover, due to the complexity of the stacked devices, SPICE simulations are used to have deeper understanding of the transient evolution of all transistors belonging to the stacked conguration of CMOS blocks. The reasons of weak product device performances are investigated on both single transistor device and stacked transistor test structures. Dedicated measurements are presented for creation of accurate models able to cover a wide operation range under ESD conditions and for calibration of TIM measurements. Thanks to all of this, we explain unique TLP waveforms and power dissipation on stacked devices discovering the impact of the interaction of the CMOS blocks via substrate.

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