A 15-Gb/s Limiting Amplifier Using Independent-Gate-Mode Double-Gate MOSFETs and its Application

Abstract

집적회로의 동작속도와 집적도 향상에 따라 MOSFET의 크기는 점차 축소되고 있으나, 소자 크기의 축소화에 따른 SCE(Short Channel Effect)로 인해 채널 제어능력의 한계를 가져오게 되었다. 이를 극복하기 위한 소자측면에서의 연구 중 multiple-gate를 사용한 채널 제어능력의 향상방법이 높은 적용 가능성을 평가 받고 있다. 그 중에서도 Independent-Gate-Mode Double-Gate(IGM-DG) MOSFET은 기존의 bulk-MOSFET에 비해 향상된 채널 제어능력을 가지며, front-gate와 back-gate를 서로 다른 전압으로 구동 가능하다는 이점을 가진다. 따라서, 이를 이용한 회로설계는 4-terminal의 자유도를 이용함으로써 회로성능의 향상뿐 아니라 집적도 향상을 기대할 수 있다. 본 논문에서는 IGM-DG MOSFET소자의 전기적 특성을 예측할 수 있는 SPICE 모델을 통해 소자의 특성을 예측하고, 위에서 언급한 IGM-DG MOSFET의 장점을 이용하여 feedforward 방식의 제한 증폭기(LA)를 설계하고 그 응용으로 TIA, feedforward LA, 및 OB로 구성된 15Gb/s 광수신기를 설계하였다. 특히 IGM-DG MOSFET을 이용한 feedforward LA의 설계 시 transistor의 개수를 줄여 집적도가 향상된 회로를 설계할 수 있으며 HSPICE 시뮬레이션을 통한 회로성능 검증 및 외부환경과 소자의 특성변화에 따른 안정성을 검증하였다.;An Independent-Gate-Mode Double-Gate (IGM-DG) MOSFET overcomes the limitations of bulk MOSFET channel controllability and enables independent control of front and back gate voltages. Circuit designs using the proposed IGM-DG MOSFETs have the advantages of controlling 4–terminals properly, thereby achieving improved performance and larger scale integration. An optimized IGM-DG device is developed using SPICE model. In addition, a 15 Gb/s optical receiver with a 1.0 V power supply voltage is designed, which consists of a transimpedance amplifier (TIA), a feedforward-limiting amplifier (LA), and an output buffer. HSPICE simulations are conducted to confirm the circuit performance and to verify circuit stability issues that could occur from variations in process and supply voltage. This study demonstrates the potential for low voltage and low power circuits, and high integration level characteristics, through the advantages of four-terminal devices that transcend conventional circuits in BiCMOS or CMOS technologies.