Rudolph, MatthiasKämpfe, ThomasAngelov, IltchoLe, Quang HuyQuang HuyLe2025-02-262025-02-262024-08-29https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/48427510.26127/BTUOpen-6807In recent years, the deployment of the 5th generation (5G) telecommunications network has fuelled growing interest in low-power and low-cost wireless transceivers in the radio frequency integrated circuits (RFIC) market. With silicon-based complementary- metal-oxide-semiconductor (CMOS) technologies, the digital circuitries and the RF front-end can be implemented monolithically as a single system-on-chip (SoC). In such scenario, advanced fully depleted silicon-on-insulator (FDSOI) technology has emerged as a potential candidate to meet the market demand. In particular, the industry’s 22-nm FDSOI technology has been continuously matured in accordance with the development roadmap for 5G mm-wave applications. Research in transistor device modeling is of high importance to support the technology development process. Moreover, a large-signal model that accurately captures and reflects the transistor’s nonlinear behaviour is essential for circuit design and reliability analysis. Hence, this thesis deals with measurement-based approach, i.e., empirical modeling, to develop a suitable large-signal model for the mm-wave transistors in 22-nm FDSOI technology platform. A versatile and efficient large-signal model based on the Angelov (Chalmers) model is proposed in this work. Besides, artificial neural network (ANN) is utilized to model the gate charge of the transistors. Moreover, the systematic modeling procedure addresses many important issues to ensure good model-to-hardware correlation. The proposed model is well validated for small-signal operation up to 110 GHz. Furthermore, by means of non- 50-Ω large-signal measurements, the excellent model validity to predict the nonlinear distortions of the FDSOI transistors is also comprehensively demonstrated. Finally, to evaluate the model applicability in RF circuit design, the proposed model is implemented in a commercial circuit simulator for the design of a wideband 22-nm FDSOI power amplifier.In den letzten Jahren hat die Einführung des Telekommunikationsnetzes der 5. Generation (5G) das Interesse an stromsparenden und kostengünstigen drahtlosen Transceivern auf dem Markt für integrierte Hochfrequenzschaltungen (RFIC) geschürt. Mit siliziumbasierten Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)-Technologien können die digitalen Schaltkreise und das HF-Front-End monolithisch als ein einziges System-on-Chip (SoC) implementiert werden. In einem solchen Szenario hat sich die fortschrittliche Fully-Depleted-Silicon-On-Insulator (FDSOI) als potenzieller Kandidat herausgestellt, um die Marktnachfrage zu erfüllen. Insbesondere die 22-nm-FDSOI-Technologie der Industrie wurde gemäß der Entwicklungs-Roadmap für 5G-mm-Wellen-Anwendungen kontinuierlich weiterentwickelt. Forschung im Bereich der Transistor-Bauelementemodellierung ist von großer Bedeutung, um den Technologieentwicklungsprozess zu unterstützen. Darüber hinaus ist ein Großsignalmodell, welches das nichtlineare Verhalten des Transistors genau erfasst und widerspiegelt, für das Schaltungsdesign und die Zuverlässigkeitsanalyse unerlässlich. Daher befasst sich diese Arbeit mit einem messbasierten Ansatz, d. h. empirischer Modellierung, um ein geeignetes Großsignalmodell für die mm-Wellen-Transistoren in der 22-nm-FDSOI-Technologieplattform zu entwickeln. In dieser Arbeit wird ein vielseitiges und effizientes Großsignalmodell auf der Grundlage des Angelov (Chalmers)-Modells vorgeschlagen. Außerdem wird ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN) verwendet, um die Gate-Ladung der Transistoren zu modellieren. Darüber hinaus spricht das systematische Modellierungsverfahren viele wichtige Punkte an, um eine gute Korrelation zwischen Modell und Hardware sicherzustellen. Das vorgeschlagene Modell ist für den Kleinsignalbetrieb bis 110 GHz gut validiert. Darüber hinaus wird anhand von Nicht-50-Ω-Großsignalmessungen die hervorragende Modellvalidität zur Vorhersage der nichtlinearen Verzerrungen der FDSOI-Transistoren umfassend demonstriert. Um schließlich die Anwendbarkeit des Modells im HF-Schaltungsdesign zu bewerten, wird das vorgeschlagene Modell in einem kommerziellen Schaltungssimulator für den Entwurf eines Breitband-22-nm-FDSOI-Leistungsverstärkers implementiert.enGroßsignalmodellKNNmm-Wellen 22-nmANNCMOSFDSOILarge-signal modelmm-waveModellierungGroßsignalverhaltenTransistorSOI-TechnikCMOS-SchaltungMilimeterwelle5Gdoctoral thesis