FDSOI-teknologian tarjoamat mahdollisuudet tarkkaan ja lämpötilariippumattomaan piirikäyttäytymiseen tulevat erityisen selvästi esiin, kun suunnittelun lähtökohdaksi otetaan virrantiheys eikä porttijännite (VGS) tai VGS–Vt. Transkonduktanssin (gm) ja sen suhteen kanavaleveyteen (gm/W) tai virtaan (gm/IDS) tarkastelu virrantiheyden funktiona paljastaa, että erilaisilla takaportin jännitteillä (VBG) saatujen käyrien päällekkäisyys sekä kyllästys- että ali-kyllästysalueilla tekee suunnittelun huomattavasti vähemmän herkiksi valmistusprosessin variaatioille. Tämä on erityisen tärkeää analogisten ja sekasignaalipiirien (AMS) luotettavuuden kannalta.

Kriittisenä havaintona on myös se, että gm/W ja gm/IDS saavuttavat huippuarvonsa lähes muuttumattomassa virrantiheydessä lämpötila-alueella 2 K – 300 K. Tämä osoittaa, että piirin suunnittelu optimaalista transkonduktanssia kohti voidaan toteuttaa riippumatta käyttöympäristön lämpötilasta, mikä mahdollistaa korkeimman mahdollisen suorituskykyluvun (FoM) säilyttämisen kaikissa olosuhteissa. Lämpötilan laskeminen huoneenlämmöstä kryogeenisiin arvoihin nostaa huipputranskonduktanssia jopa 25–35 %, riippuen siitä, tarkastellaanko p- vai n-tyyppistä MOSFETiä. Tämä parannus on seurausta liikkuvuuden kasvusta, joka kyllästyy noin 70 kelvinin kohdalla.

Erityisen huomionarvoista on, että vaikka gm/W:n huippuarvo muuttuu vain 8–15 % takaportin jännitteen mukana, Jp,gm – virrantiheys, jossa huippu saavutetaan – voidaan kasvattaa jopa 130 %:iin n-MOSFETeillä etukytkemällä takaportti voimakkaasti. Tämä tarkoittaa, että Jp,gm ja ION ovat FDSOI-arkkitehtuurissa säädettävissä ilman transistorikoon muutoksia, toisin kuin perinteisissä bulkki-MOSFETeissä tai FinFETeissä. Takaportin etukytkennän avulla varauskeskiö siirtyy kauemmas portti-kanava-rajapinnasta kohti kanava-BOX-rajapintaa, mikä voidaan havaita erityisenä ”olkapäänä” gm/W–VGS-käyrässä matalissa lämpötiloissa ja korkeilla VBG-arvoilla.

Vaikka voimakas takaportin etukytkentä voi laskea gm:n huippuarvoa 10–15 %, gm pysyy tasaisena laajalla VGS-alueella. Tämä mahdollistaa korkeampaa lineaarisuutta, kaistanleveyttä ja lähtötehoa vaativien piirien suunnittelun, samalla kun suurempi ION parantaa digitaalipiirien nopeutta ilman VDD:n kasvattamista – tärkeä etu matalatehoisessa suunnittelussa.

gm/IDS-suhde on keskeinen suunnittelun avainlukuarvo matalataajuisissa analogisissa piireissä, erityisesti silloin, kun transistori toimii ali-kyllästystilassa. Tässä tilassa virta johtuu diffuusiosta eikä driftistä, jolloin gm/IDS lähestyy bipolaaritransistorin arvoja mutta alemmalla käynnistysjännitteellä. FDSOI-teknologia tuo tähän lisäetuna takaportilla säädettävyyden. Käytännössä gm/IDS saavuttaa arvonsa ≈25–30 V⁻¹ 300 K:ssa ja jopa ≈70–100 V⁻¹ 2 K:ssa – samankaltaisia kuin FinFETeissä ja lähellä SiGe HBT -transistorien arvoja, joissa gm/IC pysyy

Kuinka RF-kytkimen kytkentäaikaa ja lineaarisuutta voidaan mitata ja parantaa?

RF-kytkimien suorituskyvyn arviointi perustuu moniin mittauksiin, joista yksi keskeisimmistä on kytkentäajan mittaus. Tässä mittausjärjestelyssä käytetään 824 MHz:n taajuudella toimivaa jatkuvaa RF-signaalia, jonka teho on 0 dBm. Signaali syötetään shunttiin kytkimeen, ja lähtö yhdistetään spektrianalysaattoriin, joka on asetettu nollakapeaan (zero-span) tilaan. Tämä mahdollistaa signaalin tehon aikatason käyrän tallentamisen. Kytkinkomennon ja signaalin tallennuksen synkronointiin käytetään aaltomuotogeneraattoria, joka käynnistää sekä kytkimen että spektrianalysaattorin samanaikaisesti. Kontrollipiirin reagointiviive, joka on noin 10 nanosekuntia, katsotaan merkityksettömäksi verrattuna kytkimen vaihtoaikaan.

Mittausdatan perusteella kytkimen off-tilan tehon tasoksi on määritetty −0,75 dBm, joka selittyy signaalin tappiolla piirikortin läpi menevässä linjassa sekä väärän sovituksen aiheuttamina häviöinä. Off-tilan lopullinen teho on −19 dBm, mikä johtuu shunttikytkimen maahan kytkemästä läpimenon voimakkaasta vaimennuksesta. Kytkimen tila on off, kun signaali on pudonnut 1 dB alle off-tilan tasapainotehon (−1,75 dBm). Vastaavasti kytkin on on-tilassa, kun teho on noussut 3 dB yli tasapainotetun tehon, eli −16 dBm. Näiden referenssipisteiden avulla määritetään kytkentäaika.

Perinteisen rakenteen kytkin tarvitsee noin 19,2 mikrosekuntia siirtyäkseen off-tilasta on-tilaan, kun taas kiihdytetyn kytkimen vastaava aika on vain 1,6 mikrosekuntia. Tämä tarkoittaa lähes 12-kertaista nopeutusta. On-tilasta off-tilaan siirryttäessä kiihdytetty kytkin saavuttaa off-tilan 0,2 mikrosekunnissa, mikä on kolminkertainen nopeus verrattuna perinteisen kytkimen 0,6 mikrosekuntiin. Tämä nopeutuksen lisäys parantaa kytkimen toimintatehoa merkittävästi ja mahdollistaa nopeammat vaihtotilanteet RF-järjestelmissä.

Lineaarisuuden kannalta kytkinten kolmannen harmonisen särön mittaus osoittaa, ettei kiihdytyspiirin lisääminen vaikuta negatiivisesti kytkimen lineaarisuuteen. Kolmannen harmonisen teho mitattiin 900 MHz:n signaalilla, jonka tehot vaihtelivat 20–48 dBm:iin. Kytkimen kuormitusimpedanssi oli 50 ohmia, ja 48 dBm vastasi noin 80 V:n huippujännitettä. Tulokset osoittavat, että kiihdytyspiirin lisääminen ei heikennä kytkimen harmonista säröä, vaan mittaustulokset ovat lähes identtisiä perinteisen rakenteen kanssa.

Pienoisvahvistimen ominaisuudet, kuten inserttihäviö off-tilassa, ovat molemmilla kytkimillä lähes identtiset. Kiihdytetyn kytkimen inserttihäviö on kuitenkin hieman pienempi korkeilla taajuuksilla, mikä johtuu osittain shunttikytkimen biasointipiirin lisäämästä kokonaisvastuksesta. On-tilassa molemmat kytkimet toimivat identtisesti, ja niillä on matala resistanssi noin 2,15 ohmia alhaisilla taajuuksilla.

On tärkeää ymmärtää, että kytkentäajan nopeuttaminen ei saa heikentää kytkimen muita keskeisiä ominaisuuksia kuten lineaarisuutta tai häviöitä, sillä nämä ominaisuudet vaikuttavat suoraan RF-järjestelmän suorituskykyyn ja signaalin laatuun. Lisäksi mittausjärjestelmän synkronointi ja kontrollipiirin viiveiden huomioiminen ovat olennaisia tarkkojen tulosten saavuttamiseksi. Kehittyneet CMOS FDSOI -prosessit mahdollistavat tällaiset parannukset integroiduissa RF-kytkimissä, mikä tukee nykyaikaisten mobiiliverkkojen ja 5G-sovellusten vaatimuksia.

Lisäksi lukijan on hyvä ymmärtää, että kytkinten käyttäytymiseen vaikuttavat myös piirikorttisuunnittelu, impedance-sovitus sekä käyttöympäristön sähköiset ominaisuudet. Näiden tekijöiden hallinta on välttämätöntä, jotta kytkimen toimintaa voidaan optimoida niin käytännön sovelluksissa kuin tuotekehityksessäkin.

Miten ydinvoiman käyttö voi ratkaista vesipuuteongelmia ja edistää kestävämpää energian tuotantoa?
Kuinka käsitellä tietokantatransaktioita ja rinnakkaiskäsittelyä tehokkaasti
Mikä on epätarkkojen joukkojen logiikka ja miten se vaikuttaa matemaattiseen mallintamiseen?
Miten optimoida sähköajoneuvojen lataus ja jakelu uusiutuvien energianlähteiden tukemana?