Die vorliegende Arbeit behandelt integrierte Hochvolt-Schaltungen für die Ansteuerung elektrostatisch arbeitender Mikroaktoren und Mikroaktorarrays. Im Besonderen wird auf die Gesichtspunkte der Treiberschaltungen von Torsionsspiegelarrays eingegangen. Es werden verschiedene Verstärkerbetriebsarten und Schaltungsvarianten hinsichtlich der Ansteuerung kleiner kapazitiver Lasten beurteilt. Für die hocheffiziente Signalübertragung zwischen Low-Side und High-Side in geschalteten Hochvolt-Verstärkern wird ein neuer dynamischer Level-Shifter vorgestellt. Anhand eines gebondeten Mikroelektronik-Mikromechanik-Aufbaus für ein Hadamard-Transformations-Spektrometer werden die speziellen Aspekte des Elektronikentwurfs für ein System-in-Package aufgezeigt. Als Entwurfsgrundlage wird ein Überblick über die wesentlichen Isolationstechnologien für integrierte Hochvolt-Schaltungen und über die Bauelementemodellierung in einer SOI-Technologie ausgearbeitet. Außerdem werden die Vor- und Nachteile der wichtigsten Antriebsprinzipien von Mikroaktoren zusammengefasst.

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This study presents a novel frequency modulated continuous wave (FMCW) radar system based on sub-harmonic generation, where a 24 GHz frequency divider-by-10 is used as an active reflector tag. A practical prototype is designed and fabricated on a GF45nm-Silicon on Insulator (SOI) technology for the 24 GHz building blocks, while a GF0.18 μm 7WL Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor (BiCMOS) technology was used for the 2.4 GHz receiver and baseband. System measurement results show that as opposed to conventional primary radars, the proposed system is immune to strong multi-path interferences resulting from direct reflections of the interrogating signal. The system achieves a ranging precision of 3.7 mm with loop measurements. Moreover, when measured in an indoor environment, the ranging results show a ranging precision and accuracy of 5.8 and 22.3 cm, respectively, which outperform other FMCW radars in the literature.

The design of a 24 GHz frequency divider-by-10 for accurate indoor localisation systems is presented. It is proposed to use frequency dividers as active reflector tags in a frequency-modulated continuous wave indoor localisation system in order to reduce interferences caused by direct reflections of the interrogating signal. Since frequency dividers are subharmonic generators, this allows achieving conversion gain in the reflected signal. The frequency divider is fabricated using GLOBAL FOUNDRIES 45 nm-silicon-on-insulator technology. It consumes only 5.7 mW from a 1 V supply. It has a wide locking range of 33% and an efficiency of 3.58 GHz/mW. To the best of authors' knowledge, the use of frequency dividers as active reflectors was not studied before.

High speed analog-to-digital converters (ADCs) used in, e.g., read channel and ultra wideband (UWB) applications are often based on a flash topology. The read channel applications is the intended application of this work, where a part of the work covers the design of two different types of 6-bit flash ADCs. Another field of application is UWB receivers. To optimize the performance of the whole system and derive the specifications for the sub-blocks of the system it is often desired to use a topdown design methodology. To facilitate the top-down design methodology the ADCs are modeled on behavioral level. The models are simulated in MATLAB®. The results are used to verify the functionality of the proposed circuit topologies and serve as a base to the circuit design phase. The first flash ADC has a conventional topology. It has a resistor net connected to a number of latched comparators, but its thermometer-tobinary encoder is based on 2-to-1 multiplexers buffered with inverters. This gives a compact encoder with a regular structure and short critical path. The main disadvantage is the code dependent timing difference between the encoder outputs introduced by this topology. The ADC was simulated on schematic level in Cadence® using the foundry provided transistor models. The design obtained a maximum sampling frequency of 1 GHz, an effective resolution bandwidth of 390 MHz, and a power consumption of 170 mW. The purpose of the second ADC is to demonstrate the concept of introducing dynamic element matching (DEM) into the reference net of a flash ADC. This design yields information about the performance improvements the DEM gives, and what the trade-offs are when introducing DEM. Behavioral level simulations indicate that the SFDR is improved by 11 dB when introducing DEM, but the settling time of the reference net with DEM will now limit the conversion speed of the converter. Further, the maximum input frequency is limited by the total resistance in the reference net, which gets increased in this topology. The total resistance is the total switch on-resistance plus the total resistance of the resistors. To increase the conversion speed and the maximum input frequency a new DEM topology is proposed in this work, which reduces the number of switches introduced into the reference net compared with earlier proposed DEM topologies. The transistor level simulations in Cadence® of the flash ADC with DEM indicates that the SFDR improves by 6 dB compared with when not using DEM, and is expected to improve more if more samples are used in the simulation. This was not possible in the current simulations due to the long simulation time. The improved SFDR is however traded for an increased chip area and a reduction of the maximum sampling frequency to 550 MHzfor this converter. The average power consumption is 92 mW. A goal of this work is to evaluate a 130 nm partially depleted silicon-oninsulator (SOI) complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology with respect to analog circuit implementation. The converters are therefore implemented in this technology. When writing this the ADCs are still being manufactured. Since the technology evaluation will be based on the measurement results the final results of the evaluation are not included in this thesis. The conclusions regarding the SOI CMOS technology are therefore based on a literature study of published scientific papers in the SOI area, information extracted during the design phase of the ADCs, and from the transistor level circuit simulations. These inputs indicate that to fully utilize the potential performance advantages of the SOI CMOS technology the partially depleted SOI CMOS technology should be exchanged for a fully depleted SOI CMOS technology. The manufacturing difficulties regarding the control of the thin-film thickness must however first be solved before the exchange can be done. / <p>Report code: LiU-Tek-Lic-2005:68.</p>

Die Einführung des millimeter-Wellen-Bandes eröffnet neue Perspektiven für die Radio Frequency Identification (RFID) Kommunikationssysteme. Der Enwurf des Systems im 60-GHz-Band ermöglicht die Implementierung der On-Chip Antenne und darüber hinaus die Implementierung eines RFID-Tags auf einem einzigen Chip. Dennoch ist es aufgrund der gesetzlichen Beschränkung der effektiven isotropen Strahlungsleistung (EIRP) des Lesegeräts und der erhöhten Freiraum-Dielektrikumsverluste eine Herausforderung, eine zuverlässige Kommunikationsreichweite von mehreren Millimetern zu erreichen. Neue Lösungen sind für jeden Block sowohl im Lesegerät als auch im Single-Chip-Tag erforderlich. Obwohl das Lesegerät batteriebetrieben ist, ist es immer noch eine Herausforderung, die maximal zulässigen 20 dBm IERP des Lesersenders energieeffizient zu erzeugen. Darüber hinaus sollte der Empfänger einen ausreichenden Dynamikbereich haben, um das vom Tag kommende Signal zu erkennen. Auf der Tag-Seite sind die Hauptherausforderungen das Co-Design der effizienten On-Chip-Antennen-Implementierung, die hochempfindliche Gleichrichter-Implementierung und das Rückkommunikationskonzept. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Machbarkeitsstudie des Single-Chip-RFID-Tags und die Implementierung im Millimeterwellenbereich. Es werden zwei Rückkommunikationskonzepte untersucht - Backscattering-Rückkommunikation und eine Kommunikation unter Verwendung von Ultra-Low-Power (ULP) Radios. Beide werden in einem 22 nm FDSOI Prozess auf einem Substrat mit geringem Widerstand implementiert. Beide Tags arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 0,4 V, um die Kommunikationsreichweite zu maximieren. Die Link-Budgets sind so ausgelegt, dass sie die regulatorischen Beschränkungen einhalten. Die Auswahl des Technologieknotens wird begründet. Verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit der Technologie werden diskutiert, wie z. B. Geräteleistung, passiver Qualitätsfaktor, Leistungsdichte der Kondensatoren. Der Backscattering RFID-Tag wird zuerst entworfen, da er eine relativ einfachere Topologie hat. Die Probleme der Gleichrichterempfindlichkeit im Rahmen des analogen Frontends, der On-Chip-Antenneneffizienz und der konjugierten Anpassung beider werden untersucht. Eine Kommunikationsreichweite von 5 mm wird angestrebt und realisiert. Um die Kommunikationsreichweite weiter zu erhöhen, wird in der zweiten Phase ein Tag mit einer aktiven Rückkommunikation implementiert. Hier wird die Gleichrichterempfindlichkeit weiter verbessert. Es wird ein 0,4V ULP Radio entworfen, das sich die Antenne mit dem Gleichrichter über einen Single-Pole- Double-Through (SPDT) Schalter teilt. Ein Abstand von 2 cm erwies sich als realisierbar, wobei die gesetzlichen Bestimmungen eingehalten und der dynamische Bereich des Leseempfängers nicht überschritten wurde. Es wird die höchste normalisierte Kommunikationsreichweite pro Leser-EIRP erreicht. Weitere Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert.

Ce travail de recherche a été principalement motivé par les avantages importants apportés par la technologie UTBB FDSOI aux applications analogiques et RF de faible puissance. L'objectif principal est d'étudier le comportement dynamique du transistor MOSFET du type UTBB FDSOI et de proposer des modèles prédictifs et des recommandations pour la conception de circuits intégrés RF, en mettant un accent particulier sur le régime d'inversion modérée. Après une brève analyse des progrès réalisés au niveau des architectures du transistor MOSFET, un état de l’art de la modélisation du transistor MOSFET UTBB FDSOI est établi. Les principaux effets physiques impliqués dans le transistor à double grille avec une épaisseur du film de 7 nm sont passés en revue, en particulier l’impact de la grille arrière, à l’aide de mesures et de simulations TCAD. La caractéristique gm/ID en basse fréquence et la caractéristique ym/ID proposée pour la haute fréquence sont étudiées et utilisées dans une conception analogique efficace. Enfin, le modèle NQS haute fréquence proposé reproduit les mesures dans toutes les conditions de polarisation y compris l’inversion modérée jusqu’à 110 GHz. / This research work has been motivated primarily by the significant advantages brought about by the UTBB FDSOI technology to the Low power Analog and RF applications. The main goal is to study the dynamic behavior of the UTBB FDSOI MOSFET in light of the recent technology advances and to propose predictive models and useful recommendations for RF IC design with particular emphasis on Moderate Inversion regime. After a brief review of progress in MOSFET architectures introduced in the semiconductor industry, a state-of-the-art UTBB FDSOI MOSFET modeling status is compiled. The main physical effects involved in the double gate transistor with a 7 nm thick film are reviewed, particularly the back gate impact, using measurements and TCAD. For better insight into the Weak Inversion and Moderate Inversion operations, both the low frequency gm/ID FoM and the proposed high frequency ym/ID FoM are studied and also used in an efficient first-cut analog design. Finally, a high frequency NQS model is developed and compared to DC and S-parameters measurements. The results show excellent agreement across all modes of operation including very low bias conditions and up to 110 GHz.

Dans le domaine aéronautique, les systèmes électriques remplacement progressivement les systèmes de contrôle mécaniques ou hydrauliques. Les bénéfices immédiats sont la réduction de la masse embarquée et des performances accrues à condition que l’électronique supporte l’absence de système de refroidissement. Si la haute température de fonctionnement n’empêche pas d’atteindre une fiabilité suffisante, il y aura réduction des coûts opérationnels. Des étapes clefs ont été franchies en introduisant des systèmes à commande électriques dans les aéronefs en lieu et place de systèmes conventionnels : freins électriques, inverseur de poussée, vérins électriques de commandes de vol… Toutes ces avancées se sont accélérées ces dernières années grâce entre autre à l’utilisation de nouveaux matériaux semiconducteurs, dit à grand gap (SiC, GaN…), opérant à haute température et palliant ainsi une faiblesse des dispositifs classiques en silicium (Si). Des composants de puissance haute température, diode Schottky ou transistor JFET SiC, sont ainsi disponibles commercialement et peuvent supporter des ambiantes de plus de 220°C. Des modules de puissances (onduleur) à base de transistor JFET SiC ont été réalisés et validés à haute température. Finalement la partie « commande » de ces modules de puissance reste à concevoir pour les environnements sévères pour permettre leur introduction dans le module de puissance. C’est dans ce contexte de faiblesse concernant l’étage de commande rapprochée qu’a été construit le projet FNRAE COTECH, et où s’inscrivent les travaux de cette thèse, Dans un premier temps, un état de l’art sur les drivers et leurs technologies nous a permis de souligner le lien complexe entre électronique et température ainsi que le potentiel de la technologie CMOS sur Silicium sur Isolant (SOI) pour des applications hautes températures. La caractérisation en température de drivers SOI disponibles dans le commerce nous a fourni des données d’entrée sur le comportement de tels dispositifs. Ces caractérisations sont essentielles pour visualiser et interpréter l’effet de la température sur les caractéristiques du dispositif. Ces mesures mettent aussi en avant les limites pratiques des technologies employées. La partie principale de cette thèse concerne la conception et la caractérisation de blocs ou IPs pour le cœur d’un driver haute température de JFET SiC. Elle est articulée autour de deux runs SOI (TFSmart1). Les blocs développés incluent entre autres des étages de sortie et leurs buffers associés et des fonctions de protection. Les drivers ainsi constitués ont été testés sur un intervalle de température allant de -50°C à plus de 250°C sans défaillance constatée. Une fonction originale de protection des JFETs contre les courts-circuits a été démontrée. Cette fonction permet de surmonter la principale limitation de ces transistors normalement passant (Normaly-ON). Finalement, un module de bras d’onduleur a été conçu pour tester ces driver in-situ. / In aeronautics, electrical systems progressively replace mechanical and hydraulic control systems. If the electronics can stand the absence of cooling, the immediate advantages will be the reduction of mass, increased performances, admissible reliability and thus reduction of costs. In aircraft, some important steps have already been performed successfully when substituting standard systems by electrical control system such as electrical brakes, thrust reverser, electrical actuators for flight control… Large band gap semiconductors (SiC, GaN…) have eased the operation in high temperature over the last decade and let overcome a weakness of conventional silicon systems (Si). High temperature power components such as Schottky diodes or JFET transistors, are already commercially available for a use up to 220°C, limited by package. Moreover inverters based on SiC JFET transistors have been realized and characterized at high temperature. Finally the control part of these power systems needs to be designed for harsh environment. It is in this context of lack of integrated control part that the FNRAE COTECH project and my doctoral research have been built. Based on a state of the art about drivers, the complex link between electronic and temperature and the potentialities of CMOS Silicon-On-Insulator technology (SOI) for high temperature applications have been underlined. The characterization of commercial SOI drivers gives essential data on these systems and their behavior at high temperature. These measurements also highlight the practical limitations of SOI technologies. The main part of this manuscript concerns the design and characterization of functions or IPs for high temperature JFET SiC driver. Two SOI runs in TFSmart1 have been realized. The developed functions include the driver output stage, associated buffers and protection functions. The drivers have been tested from -50°C up to 250°C without failure under short time-range. Moreover, an original protection function has been demonstrated against the short-circuit of an inverter leg. This function allows overcoming the main limitation of the normally on JFET transistor. Finally, an inverter module has been built for in-situ test of these new drivers.

The present work is dedicated to the development of high performance integrated circuits for wireless communications, by acting of three different levels: technologies, devices, and circuits. Silicon-on-Insulator (SOI) CMOS technology is used in the frame of this work. Micromachining technologies are also investigated for the fabrication of three-dimensional tunable capacitors. The reliability of micromachined thin-film devices is improved by the coating of silanes in both liquid- and vapor-phases. Since in telecommunication applications, distortion is responsible for the generation of spurious frequency bands, the linearity behavior of different SOI transistors is analyzed. The validity range of the existing low-frequency nonlinear characterization methods is discussed. New simple techniques valid at both low- and high-frequencies, are provided, based on the integral function method and on the Volterra series. Finally, the design of a crucial nonlinear circuit, the voltage-controlled oscillator, is introduced. The describing function formalism is used to evaluate the oscillation amplitude and is embedded in a design methodology. The frequency tuning by SOI varactors is analyzed in both small- and large-signal regimes.

Cette thèse est consacrée à la caractérisation et la modélisation du transport électronique dans des matériaux et dispositifs SOI avancés pour la microélectronique. Tous les matériaux innovants étudiés(ex: SOI fortement dopé, plaques obtenues par collage etc.) et les dispositifs SOI sont des solutions possibles aux défis technologiques liés à la réduction de taille et à l'intégration. Dans ce contexte,l'extraction des paramètres électriques clés, comme la mobilité, la tension de seuil et les courants de fuite est importante. Tout d'abord, la caractérisation classique pseudo-MOSFET a été étendue aux plaques SOI fortement dopées et un modèle adapté pour l'extraction de paramètres a été proposé. Nous avons également développé une méthode électrique pour estimer la qualité de l'interface de collage pour des plaquettes métalliques. Nous avons montré l'effet bipolaire parasite dans des MOSFET SOI totalement désertés. Il est induit par l’effet tunnel bande-à-bande et peut être entièrement supprimé par une polarisation arrière. Sur cette base, une nouvelle méthode a été développée pour extraire le gain bipolaire. Enfin, nous avons étudié l'effet de couplage dans le FinFET SOI double grille, en mode d’inversion. Un modèle analytique a été proposé et a été ensuite adapté aux FinFETs sans jonction(junctionless). Nous avons mis au point un modèle compact pour le profil des porteurs et des techniques d’extraction de paramètres. / This thesis is dedicated to the electrical characterization and transport modeling in advanced SOImaterials and devices for ultimate micro-nano-electronics. SOI technology is an efficient solution tothe technical challenges facing further downscaling and integration. Our goal was to developappropriate characterization methods and determine the key parameters. Firstly, the conventionalpseudo-MOSFET characterization was extended to heavily-doped SOI wafers and an adapted modelfor parameters extraction was proposed. We developed a nondestructive electrical method to estimatethe quality of bonding interface in metal-bonded wafers for 3D integration. In ultra-thin fully-depletedSOI MOSFETs, we evidenced the parasitic bipolar effect induced by band-to-band tunneling, andproposed new methods to extract the bipolar gain. We investigated multiple-gate transistors byfocusing on the coupling effect in inversion-mode vertical double-gate SOI FinFETs. An analyticalmodel was proposed and subsequently adapted to the full depletion region of junctionless SOI FinFETs.We also proposed a compact model of carrier profile and adequate parameter extraction techniques forjunctionless nanowires.