본 논문에서는 2GHz의 패치폭과 그라운드면의 폭이 같은 QMSA의 구조를 설계 및 제작하였고, QMSA의 구조를 변형하여 용량을 장하한 QMSA와 기생소자를 갖는 QMSA를 제안하였다. QMSA의 구조는 한 쪽 끝이 전기적으로 단락된 λ/4의 구조로 설계하였으며, 용량을 갖는 QMSA는 상측 평행 평판과 하측 평행 평판 사이의 용량을 구성시킴으로써 리턴로스와 공진주파수의 변화를 비교 평가하였다. 또한, 기생소자를 갖는 QMSA의 구조는 상측 평행 평판위에 기생소자를 가변함으로써 안테나를 소형화할 수 있었다. QMSA는 2GHz의 중심주파수를 갖고 2%의 대역폭을 갖으며, 용량의 변화와 기생소자의 길이에 따라 공진주파수의 변화를 보였다.
본 논문에서는 기생소자 효과를 이용한 이동단말기용 광대역 안테나를 연구하였다. 기생소자에 관한 효과를 관찰하기 위해 기생소자는 급전이 되지 않는 원통형 도체를 사용하였다. 원통 도체의 외경이 증가함에 따라 두 번째, 세 번째 공진 주파수 특성이 급격히 변함을 알 수 있었다. 4.5 w의 외경을 가지는 원통형 도체 기생소자가 삽입된 경우 normal mode 헬리컬 안테나는 반사손실 -5 dB를 기준으로 900 MHz의 밴드폭을 얻었다.
본 논문은 전술항법장비(Tactical Air Navigation)용 광대역 안테나에 대한 기생소자의 최적화에 대하여 연구하였다. 방위정보를 포함하는 15 Hz와 135 Hz가 합성된 방사 패턴을 생성하고, 규격 MIL-STD-291C에서 요구하는 하모닉 성분 규격을 만족하기 위하여 모터를 이용한 종전의 기계식 회전 안테나 대신 전자적으로 안테나를 회전시키기 위하여 기생소자를 원형 배열로 배치하였다. 기생소자 개수의 최적화에 대하여 전산모의실험을 수행하고, 16개의 15 Hz 기생소자와 63개의 135 Hz 기생소자로 구성된 안테나를 제작하였다. 반사기의 벡터 합성을 이용하여 스텝 수를 증가시킴으로써 하모닉 성분을 줄이고, MIL-STD-291C 규격을 만족한다.
트렌치 게이트 구조를 통해 순방향 전압 강하 손실 없이 기생 사이리스터 래치-업을 억제시키는 새로운 수평형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (LIGBT)를 제안하였다. 제안된 소자의 베이스 션트 저항은 정공의 우회로 인하여 감소하였으며, 이에 따라 기생 사이리스터 래치-업이 억제되었다. 제안된 소자의 순방향 전압강하는 트렌치 구조에 의한 유효 채널 폭 증가로 감소하였다. 제안된 소자의 동작 원리 분석을 위해 ISE-TCAD를 이용한 3차원 시뮬레이션을 수행하였으며, 표준 CMOS 공정을 이용하여 소자를 제작 및 측정하였다. 제안된 소자의 순방향 전압 강하는 기존의 LIGBT에 비해 증가하지 않았으며, 래치-업 용량은 2배로 향상되었다. 제안된 소자의 포화 전류는 감소하였으며, 이로 인하여 소자의 강인성 (ruggedness)이 향상되었다.
다이오드의 소신호 및 대신호 파라미터 추출은 DC 해석, 외부 기생 소자 추출, 마지막으로 5-파라미터에 의한 내부소자 추출로 이루어진다. DC IV-곡선과 S-파라미터의 curve-fitting으로 내부 파라미터를 구하였고 외부 기생소자는 바이어스에 따라 변하지 성질을 이용하였다. 사용된 소자는 Schottky diode는 SIEMENS사의 BAS125를, Varactor diode는 SONY사의 1t362를, PIN diode는 Hitachi사의 HVM14S를 모델로 사용하였다. 실측을 위해 사용된 소자는 각각 HP사의 HSMS-2822, SONY사의 1t362, HP사의 HSMP-3834을 이용하여 측정하였다.
본 논문에서는 간단한 회로구조와 높은 효율을 갖는 스위칭 방식의 E급 주파수 체배기에 대한 연구를 수행하였다. 주파수 체배는 능동소자의 비선형성에 의해 발생하는데 본 논문에서는 FET 능동소자를 간단한 스위치 및 기생소자 성분 모델로 근사하여 특성을 해석하고자 하였다. FET를 입력에 의해 동작하는 스위치 및 기생소자로 모델링하고 E급 주파수 체배기의 정합소자 값을 유도하였다. ADS시뮬레이터를 이용하여 출력 전압과 전류 파형 및 효율을 시뮬레이션하고 기생성분에 따른 변화를 연구하였다. 기생 커패시턴스, 저항, 인덕턴스에 의한 영향을 시뮬레이션하였으며 입력주파수 2.9GHz, 바이어스전압 2V일 때, 출력주파수 5.8GHz에서 기생커패시턴스가 0pF에서 1pF으로 변화함에 따라 드레인효율은 98%에서 28%로 감소하여 기생커패시턴스 CP가 FET의 기생 성분 중 가장 큰 영향을 끼친 것을 확인했다.
고 이득 방사 특성을 위한 기생 및 반사 소자를 갖는 WLAN 이중 대역 다이폴 안테나를 제안하였다. WLAN 이중 대역에서 실용적인 고 이득 방사 특성을 위해 기생 소자를 사용하였다. 제안된 안테나는 3개의 층으로 구현되었으며, 전체 체적은 $74mm{\times}40 mm{\times}31.4mm$ 이다. 측정 결과 제안된 안테나의 임피던스 대역폭은 1035 MHz (2.031-3.066 GHz)와 1119 MHz (5.008-6.127 GHz)를 만족하였으며, 각 WLAN 대역에서 최대 이득은 6.69 dBi와 7.81 dBi로 측정되었다.
본 논문에서는 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)를 따라 스케일 다운된 FinFET 소자의 디지털 및 아날로그 회로의 성능을 예측했다. 회로 성능의 정확한 예측을 위해 기생 커패시턴스와 기생 저항 모델을 개발해 3D Technology CAD 해석 결과와 비교해 오차를 2 % 미만으로 달성했다. 기생 커패시턴스 모델은 conformal mapping 방식을 기반으로 모델링 되었으며, 기생 저항 모델은 BSIM-CMG에 내장된 기생 저항 모델을 핀 확장 영역 구조 변수($L_{ext}$) 변화에 따른 기생 저항 성분 변화를 반영 할 수 있도록 개선했다. 또한, 공정 단위 변화에 대해 소자의 전압전류의 DC 특성을 반영하기 위해 BSIM-CMG 모델의 DC 피팅을 진행하는 알고리즘을 개발했다. BSIM-CMG에 내장된 기생 모델을 본 연구에서 개발한 저항과 커패시턴스 모델로 대체해 압축 모델 내부에 구현하여, SPICE 시뮬레이션을 통해 스케일 다운된 FinFET 소자의 $f_T$, $f_{MAX}$, 그리고 링 오실레이터와 공통 소스 증폭기의 기생 성분으로 인한 특성변화를 분석했다. 정확한 기생 성분 모델을 적용해 5 nm FinFET 소자까지 회로 특성을 정량적으로 제시했다. 공정 단위가 감소함에 따라 소자의 DC 특성이 개선될 뿐만 아니라 기생 성분의 영향이 감소하여, 회로 특성이 향상됨을 예측했다.
전력 전자 시스템 내의 전도성 노이즈는 반도체 스위칭 소자의 고속 동작에 큰 영향을 받는다. 특히 실리콘 카바이드 (SiC) 등의 신소재 반도체 소자 (wide band-gap device, WBG device) 특유의 고속 dv/dt 특성이 전력전자모듈 (power electronics module, PEM) 내의 기생 용량 (parasitic capacitance)에 인가될 경우 상당한 전도성 노이즈의 원인이 되므로 이를 해결할 필요가 있다. 본 논문에서는 유전율이 낮은 재료를 PEM 내부에 사용함으로써 기생 용량을 줄이고, 따라서 공통 모드 전류의 발생 또한 최소화할 수 있는 설계를 제안한다. 제안된 PEM 설계 기법은 외부 필터를 필요로 하지 않으며, PEM 내의 스위칭 소자-방열 소자간 열저항 (thermal resistance)를 증가시키지 않으면서도 기생 용량을 최소화하여 노이즈를 억제한다. 제안된 방법으로 제작된 PEM을 1 kW 출력 100 kHz 스위칭 주파수의 강압형 dc-dc 컨버터에 적용하여 공통모드 전도성 전류가 줄어듬을 증명하였다.
최근, WBG 반도체 소자에 대한 연구가 활발히 진행됨에 따라 고속 스위칭으로부터 발생되는 문제점들을 해결하기 위한 여러 방안들이 제시되고 있다. WBG 반도체 소자의 안정적인 고속 스위칭을 실현하기 위해서는 게이트 드라이버 내에 존재하는 기생 인덕턴스를 최소화하는 것이 가장 중요하다. 본 논문에서는 layout의 최적화 설계를 통해 GaN FET 구동용 게이트 드라이버 내의 기생 인덕턴스를 최소화할 수 있는 방안을 제시하고 설계를 통해 만들어진 게이트 드라이버를 실험을 통해 스위칭 특성을 분석하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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