Indonesian Journal of  Electrical  Engineer ing and  Computer Science   V o l. 10 , No . 3, Jun e   20 18 , pp . 92 5 ~ 93 ISSN: 2502-4752,  DOI: 10. 11591/ijeecs .v10 .i3.p925-933          9 25     Jo urn a l  h o me pa ge : http://iaescore.c om/jo urnals/index.php/ijeecs  Devel o p m ent of Accurate BSIM 4 Noise Parameters for CMOS  0.13-µm Transi st ors in B e low 3-GHz LNA Application       Asma a Nur  Aqila h Z a ina l  B a dri 1 , No rla ili  Mohd No h 2 S hukri bin  K o r a kk ottil Ku nh i Mohd 3 Asrulniz am Abd Manaf 4 , Arjun a  Marz uki 5 , M o hd  Ta fir Mus t af fa 6 ,   Mohamed F a uz i Packeer  Mohamed 7   1,2,5,6,7 School of  Electrical and  Electron i Engin e ering,  Univ ersiti Sains  Malay s ia, Engineering  C a mpus,   14300 Nibong Tebal, Malay s ia  3,4 Collabor ativ e M i croel ectron i c  Des i gn  Exc e ll en ce  C e ntr e   (CED EC), Univ ersiti   Sains Mala ysi a ,   Sains@USM,   11900 Bay a n  Lepas, Malay s ia       Article Info    A B STRAC Article histo r y:  Received  Ja n 15, 2018  Rev i sed   Mar  12 , 20 18  Accepted  Mar 28, 2018      Accurat e  tr ansistor therm a l no ise m odel  is cruc i a l in IC d e sign  as it al lows  accur a t e  s e le ct i on of trans i s t or s  for s p ecifi c f r equenc appl ic ation .  Th accur a c y  of  the   m odel is  repres e n ted b y   the s i m i l a rit y  b e twe e n th e s i m u late d   and the measured noise parameters (NPs ). This work was based o n  a problem  faced b y  a foun dr y  con cern i ng t h e dis s i m ilarit i e s  between the m eas ured and   si mul a t e d NPs, e s pe ci a lly  mi ni mum noi se  fi gure  (NF min ) for  frequen c ies   below 3 GHz. Hence,  this work looks into the BSIM4 charge-b ased   (TNOIMOD 0)  and holistic (TN O IMOD 1)  thermal noise models of a 0.13- µm  CMOS device  to de term ine   the m o st a ccur a t e  set tings be twe e n th em . As  such, both the simulated and measured da ta for the transistors were retrieved   from four NPs; NF min ,  noise resista n c e  (R N ), | Г opt |  and  Г opt ° .  The  f i ndings   exhibit optimu m  parameters  for  the TN OIMOD 1 at TNOIA=1. 5,  TNOIB=3.5, R NOIB=0.5164 and  RNOIA = 1.477 for best NF min  and   Г opt °,  and RNOIA = 0.577 for best | Г opt |  and R N . M ean while,  as  for  the   TNOIM O 0, th e proposed  setting  is NTNOI=5  (above 4  GHz), NTNOI= 10 (below  3   GHz), and either  5 or 10  for 3  to  4 GHz. On top  o f  that, the noise f i gure (NF)   perform ance  of  a low-no ise a m plifier ( L NA) was chosen  to  verif y   the   transistor’s new NP  settings. A s  a re sult, it was found that for applicatio n   below 3 GHz,  the TNOIMOD  0  at NTNOI= 10 s upe rse d e  t h e  ac cura cy  of t h TNOIMOD 1. K eyw ords :   BSIM4  C h ar ged - based  t h erm a l noi se   m odel ,    C M OS 0. 13 Dual -ba n d L N A   Ho listic th ermal n o i se m o d e l   Copyright ©  201 8 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Norlaili  Mo hd  Noh ,    School  of Elec trical an d  El ect ro ni c E ngi neer i ng,   Un i v ersiti Sains Malaysia,   Eng i n eer i n C a m p u s 143 00  N i bo ng  Teb a l, Malaysia.   Em a il: eela ili @u sm . m y       1.   INTRODUCTION  For any se m i c o nductor foundry, it is of utm o st  i m por tance to provide t r ansist ors with accurate noise  m odels to allow acc urate sel ection  of  trans i stors  during i n tegrated ci rc uit (IC)  desi gn. The  accuracy  of the  n o i se m o d e l is assessed  b y  the clo s en ess of th m easu r ed   with  th e si m u lated  n o i se p a rameters (NPs). In  th is  wo rk , t h e p r o b l e m  st at em ent  i s  concer ni n g  an i ssue  hi ghl i g ht ed  by  a sem i cond uct o r f o un d r y  on  t h e   inaccuracy bet w een t h e m e a s ure d  a nd  simulated m i nim u m noise figure (NF mi n ) o f  an  ex isting  0.13 -µm   C M OS R F  de vi ce f o bel o w  3 G H z f r e que ncy  re gi o n H e nce, t h i s   w o r k  was  f o cuse d  on t h e B S IM 4 n o i s e   m odel i ng o f  t h e m e nt i oned  0. 13 -µm  C M OS R F  de vi ce.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 502 -47 52  In d onesi a n  J  E l ec En g &  C o m p  Sci ,  Vol .  1 0 N o 3,  Ju ne   20 1 8  :    x x   –  xx   92 6 Tw o m odes of  t h e B S IM 4 t h erm a l noi se m odel   had  been  em pl oy ed i n  t h i s  w o r k whi c h we re t h e   TN OI MOD  0  an TN OI MOD  1   [1 ],  [ 2 ]. W i th   th at,  in   order to  provi d e a m o re acc urate tra n sistor m odel  device, an L N design  was s e lected as the  te st circu it to v e rify th n e n o ise m o d e l.   In t h i s   w o r k t h e dat a  ha b een o b t a i n e d  f r om  bot h si m u l a t i on a nd m easurem ent  fo r f o u r  n o i s e   param e ters, su ch as NF mi n , noise resistance  (R N ), gam m a opt im u m  i n   m a gni t u de (| Γ opt | )  and  gam m a op t i m u m   i n  pha se ( Г opt °) [ 3 ], [4 ], [5 ],  fo r f r e qu en cies b e tw een  1   G H z to  10 GHz. Next, the  m eas u r ed an d  th e sim u latio resul t s  we re c o m p ared an as such , su g g e s t i ons are  of fe red  base d o n  t h e com p ari s o n s   m a de on t h e  noi se   param e ters, which ha been set based on  fre que ncy appl ication. This e x em plifies the  m o st accurate noise  m odel for the  particula r  fre q u ency  ap p licatio n. Th e accu r acy o f  th e n e n o i se  p a ram e te rs were later tested  on   an i n t e r-st a ge  LNA .  T h LN was t e st ed  w i t h  va ri ed set t i ngs  at   bot h T N OIM O D  0  an TNO I M O 1.     Th is  p a p e r is  o u tlin ed  as fo l l o w s:  Sectio 1  is  on  t h e in t r odu ctio n to th e st u d y   d e scrib e d in  t h is  pape r. N e xt , S ect i on 2 el ab or at es i n  det a i l  the t h eo ry  of t h e t w o B S IM 4 t h erm a l  noi se m odel s  appl i e d  i n  t h i s   stu d y After that, th e m e th o d o l og y em p l o y ed  in  t h is stud y is ex p l ain e d  i n  section  3, wh ile th e resu lts an di scussi o n  are   el abo r at ed i n  s ect i on  4.  Fi nal l y ,  t h e c oncl u si on  i s   depi ct ed  i n  sect i o 5.       2.   THEORETICAL BACKGROUND  Th is sectio n  ex p l ains in  d e t a il th e two  BSIM4  th erm a l noi se m odel s  hi g h l i ght e d  i n  t h i s  st u d y .   M o re ove r,  rel e vant  e q uat i o ns  pert ai ni ng  t o  t h e si g n i f i cant   n o i s param e t e rs i n  t h ese m o d e l s  are  descri b e d.     2.1.  Charge  Base d Thermal  Nois e Model  (TNOIMOD 0)  Th e no ise  cur r en is g i v e n  b y  [ 1 ],  [2 ],   [6 ],  [ 7 ],   [ 8 ];               .NT N O I                             (1)     w h er   is th e b i as- d ep end e n t  ligh tly doped   dr ain ( L DD ) so ur ce to  d r ai n   r e sistan ce,     is t h B o l t z m a n’s c o nst a nt  (  1.38 x  10 -2 3J/K ), T  is  the t h erm a l te m p erature ,   Δ f is  the  freque ncy differe n ce,  L eff   is th e effectiv e len g t h   o f  transisto r μ ef f  is t h e effecti v e m o b ility, Q inv  is th q u a lity fact o r  of th e inpu t stag e,  and the  pa ram e ter NTNOI is introduce d  for  m o re  accurate fitting of short - channel device s.    2 . Ho listic  Therma l No ise Model  (TNOIMOD 1 )   In  t h is th erm a l n o i se m o del, all th e sho r t-ch a nnel e f fects and  velocity saturation effect are   considere d . He nce, it is  nam e d as  “Ho listic Th erm a l No ise Mo del”.  Th no ise vo lt ag e sou r ce  p a rtitio n e d  t o  t h e so urce si d e  is  g i v e n b y   [9 ], [10],       4 .  .   ∆          ( 2 )                                        ( 3 )     whe r e,    is th e n o i se  vo ltag e  is o n e   of th e TNOIMOD  p a rameters,   is the source-drain effective   vol t a ge   is t h e source-drai n curre nt, F is t h noise  factor, F mi n  i s  t h e  m i nim u m  noi se   fact or G opt  is  th e   optim u m  conductance, G s  is  the s o urce c onducta nce, B opt  is th o p tim u m  su scep tan c e and  B s  is t h source  su scep tan ce. In  ad d ition ,   ga mm a o p t i m u m         and  ga mm a source,    Equ a tio n (3 ) ind i cates th at th e m o st in flu e n t i a l p a ram e ter o f  F is F mi n .   B o t h   noi se  par a m e t e rs, i . e. m i nim u m  noi se f i gu re,  NF mi n , and R N , a r e de ri ved  bel o w t o  c o m p rehe nd   th e effects  u pon   h o listic th ermal n o i se [11 ] , [1 2 ]     1 2 Г                         (4)      ∆           (5)     Whe r e,  Г opt  and  Γ s  are th e ratio  o f  th e in cid e n t  to  th e refl ected wave along a transm is sion line, and  G m  is  tran sco ndu ctance. Su bstitu tin g  eq u a tion   (5 ) i n to  equ a tion  (4),  we  h a v e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In d onesi a n  J  E l ec En g &  C o m p  Sci    ISS N :  2 5 0 2 - 47 52       Developme nt  of Accur a te B S IM4 N o ise P a r a meters  for CM OS … (Asmaa  Nur A q ilah Zai nal  Badri)  92 7   1 2  ∆            (6)    Eq uat i on  (6 ) s h o w s t h at   NF mi n  is d i rectly p r o portio n a l to  i d 2 . M eanw h i l e Eq uat i on  (2 ) c a n be si m p l i f i e d an expresse d i n  te rm s of R N  as  [ 1 3 ]   4  ∆                              (7)    Hen c e, it is  n o t ed  th at   is  d i rectly p r opo rtion a l to  R N .   O n  t h e  ot he ha nd , t h e n o i s e c u r r ent   i s  ex presse d a s    4                                (8)    whe r e,  β tnoi  i s  one  o f  t h TN OIM OD  par a m e t e rs, G ds  i s   drai n t o  s o urce  co nd uct a nce  a n d  G mb s  is th e b o d y  t o   source tranc onducta nce.  To determine    in  Eq u a tion   (2 ) and    in   Equ a tion  (8 ), th fo llo wi n g  p a ram e ters  are defi ne d as  [ 1 ] ,       . 1 .  .                        (9)    and      . 1 .  .                        (10)      whe r e, V g s t e ff   i s  th g a te-so u rce effectiv e thresho l d   v o ltag e , E sat  is the c r itical electrical field.  β tnoi   is  one o f   th e TNOIMOD  1   p a ram e ters wh ile RNOIA an d RNOIB ar e m o d e l p a ram e ters with   th d e fau lt v a l u es  of  0. 57 7 a n 0. 51 64 respect i v el y .  These  de fa ul t  val u es   fo r th e m o d e l p a ram e ters were set  by th e fou n d r y.    2 . 3 Lo w- No ise  Amplif ier  ( L NA)  LNA is a typ e  o f  am p lifier th at is ex t r em el y sen s itiv e to   n o i se  (as i n d i cated  v i v i d l y in its n a m e  –   “Lo w  N o i s e A m pli f i e r”). I n  f act , one  of t h e   m o st  im por tan t  p e rform a n ce  m e tric o f  th e LNA is th e NF [14 ] Th us, t h e L N A  ha been  o p t e d as  t h e t e st  ci r c ui t  t o   veri fy  t h new  n o i s m odel .    As a test circu it, a si m p le LNA will b e  favo rab l e. If a m o re co m p lex  circu it is ch o s en , it wou l d  m ean  th e effects of p a rasitic an d  i n tegrated  co m p on en ts mig h t  in flu e n ce th NF p e rfo r m a nce  m o re rath er th an  th transistor’s  noi se  m odel. He nce, the chosen  LNA  for th i s  wo rk  has a d u a l - st age t o p o l o gy  [1 5] , [1 6] , [ 17]  as  sho w n i n  Fi gu r e  1.           Fi gu re  1.  Sc he m a t i c  of a  dual - st age  na rr ow b a nd  L N A .  [ 1 5] , [ 1 6] , [ 1 7]       3.   METHO D OL OGY   For T N OIM O D 0, the  defa ul t value fo r NT NO I was  5 ,  wh ile in  TNOIM OD  1 ,  th e d e fau lt v a lu e fo th e p a r a m e ter s  w e r e  TNO I A   = 1 . 5 ,  TNO I = 3 . 5 ,  RNOI A   = 0 . 5 7 7 ,  and  R N OI B = 0.5164 . Th d e f a u lt v a lu es  w e r e  ob tain ed   f r o m  th e f oun dr y. In  t h is  w o rk , t h ese  p a ram e ters were  v a ri ed  to ob tain opti m u m  sett in g s     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 502 -47 52  In d onesi a n  J  E l ec En g &  C o m p  Sci ,  Vol .  1 0 N o 3,  Ju ne   20 1 8  :    x x   –  xx   92 8 3 . BSIM4   Therma l No ise Model  CM OS 0 . 1 3 - µ m   transistors  ( DUT were  fa bricated  and  c h aracterize d . Next ,   t h e NPs obt ai ne d fr om   the m easured  DUT  we re com p ared to the  NPs  obtai ne d  fr om  t h e HSPIC E  si m u l a t i on  usi n g t h B S IM 4   TNOIMOD  0   an d TNOIMOD  1  th erm a l n o i se  m o d e ls. This  co m p ariso n   will d e term in e wh ich   n o i se m o d e l is  m o re accurate  in m odeling the transist or.    3 . 2 Lo No ise  Amplif ier  Fi gu re  2 s h ow s t h e l a y o u t   of  t h dual - st age  na rr ow ba nd  L N A  t h at   was  f a bri cat ed  an use d  as t h e   test circuit to verify the  accuracy of t h e T N OIM OD  0 a n d TNOIMOD  1 therm a l noise m odels in  m o deling  the tra n sistors.          Fi gu re  2.  The  l a y out   of  t h d u a l - st age  nar r o w ba n d  L N us ed i n  t h i s   w o r k       4.   RESULTS  A N D  DI SC US S I ON   Sect i on 4 . de scri bes t h e res u l t s  obt ai ne d f o r al l  NPs u n d e r vari e d  par a m e t e rs for TN OIM OD 0 a n d   TNO I M O 1.  Sect i on  4. 2 d i spl a y s  t h e res u l t s  achi e ve d f o NF mi n  and  NF f o r t h e i n t e r-st a ge LN un de r   vari e d   NTN O I   fo r T N O I M O D  0 a n d t h e  res u l t s achi e ve fo NF  u nde vari e d  R N O I A  f o r   TNO I M O 1.     4 . BSIM4   Therma l No ise Model  Thi s  sect i on s h o w  an d de scr i be t h e resul t s  whe n  t h e de v i ce was un der  di ffe rent  NT NO I f o r t h e   TNO I M O 0 t h erm a l  noi se m odel .  The N T NO I wa s va r i ed at  1, 5,  1 0  and  15 . Fo r t h e TN OIM O D  1, t h RNOIA was varied   wh ile th e o t h e r t h ree  p a ra m e ters were at th eir  d e fau lt valu es.      4. 1. Noise  parame ters  ob taine d   for  TNO I MO D =  under  variou s c o nditi o ns   Fi gu re 3 s h o w s t h e resul t s  r e t r i e ved f r o m   t h e fo ur  noi se  param e t e rs t h at  had bee n  s e t  at  vari ed   NTN O I , i . e.  N T NO 1,  5, 1 0  and  1 5 . T h e g r ap hs  pl ot t e p o i n t  o u t  t h va ri ances  bet w ee n t h e si m u l a t e d an d   the  m easured results. Observa tion reco rde d   f r om  Fi gu re  3 a r e as  f o l l o ws:   (i)  As the NT NOI increases, NF mi n , R N , and | Γ opt | increase as well.  Γ opt ° do es sh ow similar tren d  bu t at   N T NOI  =  5 ,  10  an d 15 , th dif f e r e n ce is i n sig n i f i can t (ii) Si m u lated   R N  and | Γ opt | at NT NO I =  1,  o f f e near  sim ilar  va l u es t o  t h ose  of  m easured  dat a (iii)   NF mi n  si m u lat e d  resu lts are clo s est to  the  m easu r ed  re sults when  NTNOI =  5 (for freque ncies   exceedi n g 4 GHz) and  NT NOI =  10  for fre que ncies  below  GHz (iv)    Γ opt ° at   NTN O I  =  5,  1 0  a n 1 5   di spl a y   64%   t o  7 9 %  o f  t h e   m easured  val u e w h i l e   Γ opt °   a t  NT NO I =  is showi n g 54% to  75%  of the m easured  val u e.  (v   Fi gu re  3, i n   ge neral ,   p o rt ray s   t h at  t h e best   va l u e t o  set  t h p a ram e t e rs unde r TN O I M O = 0 f o r  2 - 3   G H z   op er ation is N T N O I  =  1 0 . A lthou gh   N T NOI  =  1  sh ow b e tter  r e su lts fo r  R N  a nd | Γ op t|, th NF mi n  is th e p a ram e ter th at  m o stl y  a ffected the NF.  At NTNOI = 10, NF mi n  displays the closest   resul t s  t o  t h ose  o f  m easured  at  t h i s  f r e que ncy  ra nge .   (vi )     In  gene ral ,  NT NO I sh o u l d  be  set  at  5 for fre que nci e s ab o v e  4 GHz a nd at  10  fo r fre q u en ci es bel o w   3   G H z A s   f o r   3   to  4 GH f r e quen c y r a ng e, t h e N T N O I  can   be set at eith er 5 or   1 0     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In d onesi a n  J  E l ec En g &  C o m p  Sci    ISS N :  2 5 0 2 - 47 52       Developme nt  of Accur a te B S IM4 N o ise P a r a meters  for CM OS … (Asmaa  Nur A q ilah Zai nal  Badri)  92 9 4. 1. Noise  parame ters  ob taine d   for  TNO I MO D =  under  variou s c o nditi ons.   For t h i s  e xpe ri m e nt , i t  was f o u n d  t h at  t h e vari at i o n of T N O I A ,  TN OI B  and R N O I B  di d n o t   m a ke   si gni fi ca nt  c h a nge s t o  t h N P s. T h gr ap h s  sh o w i n g t h e s e res u l t s  are   not  i n cl u d ed  h e re  due  t o  t h e  pa ge  l i m i t a t i on. The  va ri at i on i n  R N O I A ,   on  t h e   ot he han d ,  di d  sh ow  s o m e  change s t o  t h N P s.          Fi gu re  3.  Si m u l a t i on v s  m easure d   res u l t s  f o r  al l  noi se  pa ra m e t e rs whe n   N T NO I i s   va ri ed  f o TN OIM O D =  0                                                       Fi gu re  4.  R e sul t s fr om  sim u l a ti on a n d m easur em ent  whe n   T N O I M O D =  1 ,  wi t h  R N OI vari e d  a n d   TNOIA, T N OIB and RNOIB  rem a ined co nst a nt  at  t h ei r  de f a ul t  val u es                 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 502 -47 52  In d onesi a n  J  E l ec En g &  C o m p  Sci ,  Vol .  1 0 N o 3,  Ju ne   20 1 8  :    x x   –  xx   93 0 Fi gu re 4 di s p l a y s  t h e noi se pa ram e t e rs for B S IM 4 C M OS t r ansi st or,  whe n  o n l y  R NOI A  was vari e d   and t h ot he r p a ram e t e rs’ set t i ngs we re m a de const a nt  at  t h ei r defa ul t  val u es. R N O I wa s vari ed f r o m   0. 57 7   to  1.577   For NF mi n , the increase in R N OIA  ha d inc r eased  NF m i n.  W h e n  R N OI A = 1. 4 77 a n d 1 . 5 7 7 , t h e   NF mi n  had  bee n  cl osest  t o  t h e   m easured  dat a .    For | Γ opt |, the  RN OI A at 0.57 7 or   0 . 67 7 was th n e ar es t t o  the  m easure d   data at  fre quency bel o GHz . M e a n w h i l e  at  fre que nc y  abo v G H z ,  R N OI A at   0. 8 7 7  ga ve t h e cl o s est  di s p l a y .     As fo r param e ter  R N , in crem e n t in  R N OIA  had  in creased  the R N  an d m ove d i t  f u rt her  u p   away  f r om   the m easured  data.  As a n  exa m ple, for RNOIA =  1.477,  R N  was  2 0     as com p are d  t o  the  m easure d    at  fre que ncy  2 G H z.   For  Γ opt °, th e in crease in  R N OIA will in crease th e p h a se  an d  m o v e d  it clo s er to  th e m e a s u r ed  resu lts.  The R N O I A at  1. 3 7 7  t o 1. 57 had  bee n   t h nearest to t h e m easure d   data.    From  the above m e ntioned  results and observatio ns, the   m o st accurate  RNOIA settings for the  specific NP are as follows:-  NF mi n  :  R NOIA = 1. 5 77  (< 7  GHz ) an d 1 . 4 77  (> 7  GHz ),  | Γ opt | : RN O I A   = 0 . 577  or 0. 6 77 (< 7   GHz a nd 0. 87 7 (>  7 G H z ) R N  : RNO I A  = 0.577  and   Γ opt ° :  R N O I A =  1. 3 77 t o  1. 57 7.   Howev e r, fo p r acticality an d  to   b e  im p l e m en ted  du ri n g  IC sim u lat i o n ,  RNOIA can   be set at 1 . 477  fo r m o st   accurate NF mi n  and  Γ opt ° a nd  at  0. 57 fo r m o st  acc urat e | Γ opt |  a n d  R N . Fo r ci rcu it lik LNA, the desig n  m i g h t   be targeting for very good  NF perfor m a nce and thus, the  accuracy of the NF mi n  becomes critical. This has   been  hi ghl i ght ed  by  eq uat i o (3 ).  Fo r s u c h  a  desi g n ,  R N OI A ca be set  at   1. 47 7.     4 . 2 Lo No ise  Amplif ier  The dual - stage   LNA, designe d   for  op eration at 2 . 5  GHz,  was si m u lated  with  v a riation  in th e BSIM th erm a l n o i se m o d e l p a ram e t e rs. In itially, TNOIMOD  0  was  u s ed  with   NTNOI  v a ried  at 1 ,   5 ,   1 0  and  15 . Th evaluate d NF a n d NF mi n  are illustrated in  Figure  5.  (i )   The si m u l a t e NF at  NT NO I = 10 i s  ve ry  cl ose t o  t h e m e asure d  N F  f o r f r eq ue nci e s bet w een  1 t o   3   GHz. Th is co rrespo n d s   well  with  th e ob serv atio n in   4 . 1 . 1 .   (ii)      As  NT NO I inc r eases,  b o th  N F  an NF mi n  d i sp lay in crem ent as well.  (iii)  Th e LNA  was d e sign ed   fo a 2 . 5  GHz op eratio n, exp l ainin g  th e cl o s est  resem b lan ce b e tween  th si m u lated  NF an d NF mi n  (at NTNOI = 10) wi th  th e m easu r ed   d a ta at th is  freq u e n c y.          Fi gu re  5.  N F  a n d  N F mi n  o f  th e du al-stag e  LNA at  v a ried   NTNOI  v a lu es, in  co m p ariso n  to   th o s e ob tain ed   from  m easurement      Fi gu re  6 s h o w s  t h e N F  t r e n d   whe n  T N OIM OD  was a p pl i e d.  W i t h  re fer e nce t o   Fi g u re   4, t h ere i s   n o   o n e  R N OIA that can  prov id e clo s est sim u la tio n  to  m easu r ed  d a ta  for all NPs. No   d oub t th at th e closest t o   measured NF mi n  dat a  was ge nerat e d by  R N OI A = 1. 4 77  or  1. 57 7,  but  t h ese val u es w e re al so t h e o n e s t h at   gave t h e furt hest from  the measured R N Due t o  this, i n  orde r to c o m p are the LNA’s m easure d  vers us  sim u l a t e d NF,  R N O I A = 1 . 1 7 7  was ch ose n   as i t  shows m oderat e  pe rf orm a nce f o r t h e N F mi n  and R N . Besides  R N O I A  =  1. 17 7, t h NF  o f  t h e LN was al s o  si m u l a t e d at  R N O I A  =  0. 57 7, i . e .  t h e  de fa ul t  val u e .   At  R N O I A =  1. 17 7 an d ot he r param e t e rs at  t h ei r defa ul t  v a l u es (i .e. T N OI A = 1. 5, T N O I B  = 3. 5,  R N O I B  = 0. 51 64 ), t h e si m u l a t e d dat a  ga ve t h e res u l t s  cl osest  t o  t h m easure d  dat a On t h e ot he r ha n d whe n   all p a ram e ters were  set at th eir d e fau lt  v a lues (i.e. R N OIA =  0 . 5 77), the resu lts sho w ed  th at t h e si m u la ted   data gave the  results furthe st away from  the m easur ed data. These fi ndi ngs conf irm th at  th e h i gh er th RNOIA, th e clo s er is th e simu lated   t o  the   measured NF.  Referri ng to Fi gure  4, where  increm ent of RNOIA  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In d onesi a n  J  E l ec En g &  C o m p  Sci    ISS N :  2 5 0 2 - 47 52       Developme nt  of Accur a te B S IM4 N o ise P a r a meters  for CM OS … (Asmaa  Nur A q ilah Zai nal  Badri)  93 1 h a d a l s o  in cr ea s e d   N F mi n  (movi ng close r  t o  m easured da ta) and i n creas ed R N    (m ovin g   fu rthe r a w ay  fr om   measured data ), these  findin gs  also  prove that  the  NF mi n  affe cts NF m o re t h an R N       Fig u r e   6 .  NF  of  th e du al- s tage LNA  at  v a r i ed  TN OI MOD   0  an d TN OI M O D 1 p a r a m e te r s  co m p ar ed   with   those  of m easurem ent      5.  CO NCL USI O N   As a co ncl u si o n , t h fi n d i n gs  obt ai ne fr om  t h e sim u l a t i o n  of t h e r m a l  B S IM noi se m odel  p o rt ray   ch ang e with  v a riation  in  the n o i se p a rameters. For  inst ance, as for T N OIMOD  = 0, th e v a lu e of  NTNOI  sho u l d  be  set  a t  val u 5 f o r a ppl i cat i o n o f   fr eque ncy   a b o v e  4  GHz  an va l u e 1 0   fo r a ppl i cat i on o f  f r e q uency   b e low 3   GHz.  It is also  sugg ested  th at th b e st v a lu es to   set th e p a ram e ter s  for TNOIMOD = 1  are TNOIA =  1.5, TNOIB = 3.5, RNOIB = 0.5164  and RNOIA = 1.477 for m o st accurate NF mi n , R N OI A = 0. 57 7 f o r m o st   accurate | Γ opt |, RNOIA =  0.577 for m o st accurate R N  a n d R N OIA =  1.477 for m o st accurate  Γ opt °. He nc e,  the   ch o i ce  o f  RNOIA will b e  b a sed  on  th e ap plicatio n  an d   focu s of th e desig n e d  circu it u tilizin g  th e d e v i ce.  For  t h e desi gn  an d  sim u l a t i on o f   ci rcui t s  l i k e t h e LN A w h e r NF m i ght  be t h e f o c u se d m e t r i c , t h e IC   de si gne m i ght  wa nt  t o   set  t h e R N O I A  t o   1. 47 si nce  NF mi n  will b e  t h e m o st affecti n g p a ram e ter.  Oth e r th an  t h at, th du al-stage LNA, wh ich h a d   b e en  selected  to test th e n e no ise m o d e l settin gs  fo r TN OIM O D 0 an d T N O I M OD 1 ,  co nfi r m e d t h at  t h e pe rform a nce exerted by the  NF was indeed t h e m o st  accurate,  when the pa ram e ter s  were  set at the suggeste d   va lues. It  was als o  found th at for  applications bel o GHz , T N OI M OD  0  at N T NO I =  1 0  h a been  the  closes t to th e NF m easu r ed data, in  co m p ariso n  t o   TN OI MOD   1   w ith  th e suggested  p a r a m e t e r  v a l u es. Th i s  mig h t  b e  insin u a ting  t h at th e ho listic  mo d e l i s   o v e restim at in g th e th erm a l n o ise o f  th d e v i ce.       ACKNOWLE DGE M ENTS  Th is  work was co m p letely su p ported   b y  Un i v ersiti  Sains M a laysia u n d e Research Un iversity Gran N o . 1 001 /PELECT/8 142 49 .       REFERE NC ES    [1]   W .  L i u ,  X . J . ,  J .   C h e n ,  M - C .  J e n g ,  Z .   L i u ,  Y .  C h e n g ,  K .  C h e n ,   M .  C h a n ,  K .  H u i ,  J .  H u a n g ,  R .   T u ,  P . K .  K o  a n d   Chenming Hu, B S IM4v4.7 MOSFET Model -User' s Manu al , E.E.a.C.S. Team, Ed ito r. 2011: Berkeley ,CA.  [2]   Bhuiy a n, A., An aly s is and design of low po wer  CMOS u ltra wideband receiver. 2009, Un iversity  of Nevada Las   Ve ga s: La s Ve ga s.  [3]   Z. A .  Djenn a t i ,  K.G.,  Nois Charac teri za tion  in In AlAs/InG aAs/InP pHEMTs fo r Low  Nois e Appli cat io ns International Jo urnal of  Electrical  and Computer Engin eering  ( I JECE) , 2017.  7 (1 ): p. 176-183.  [4]   Ibrahim A. B,  H . M. N. ,  Othman  A. R,  Johal. M. S, Low No ise Am plifier a t  5.8G Hz with Cascod e and C a scade d   Techn i ques Using T-Matching  Netw ork for  Wireless Applications.  International Journal of Electrica l  and   Computer Engin eering ( I JEC E ) 2011. 1(1): 1-8 .   [5]   Asmaa Nur Aqi l ah Zainal Badri, N.M.N., Shukr i bin Ko rakkottil Kunhi Mohd, Asruln izam Abd Manaf, Arjun a   Marzuki, Mohd  Tafir Mustaff a Lay out Eff e cts on Hi gh Frequency  and Noise Pa r a meters in MOSFETs.  Indonesia n   Journal of Electrical   Engineerin g and Computer   Scien c e ( I JEECS ) , 2017. 6(1) : 88 -96.  [6]   Lu, D . D., Compact Models for  Future  Gen e ration  CMOS. 2011, U n iversity   of  C a lifornia B e rkeley Berkeley Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 502 -47 52  In d onesi a n  J  E l ec En g &  C o m p  Sci ,  Vol .  1 0 N o 3,  Ju ne   20 1 8  :    x x   –  xx   93 2 [7]   S. Khandelwal,  Y.S. C., S. Venu gopalan ,  M. A.   Ul Karim, A. B. Sachid , B. Y.  N g u y en , O. Rozeau, O. Fay n o t , Ali  M.  Niknejad,  C.  C.  Hu,  BSIM -IMG: A Co mp act Mode l for  Ultrathin - Bod y   SOI MOSFETs W ith Back-Gat e   Control.  IEEE T r ansactions  on E l ec tr on Devi ces ,   2012. 59(8): p. 2 019-2026.  [8]   Y.  S.  Chauhan,   S. V. ,  M.  A.  Chalkiadaki,  M .  A.   Ul Karim,  H.  A g arwal, S.  Kh an delwal , N. P a yd avos i, J .  P .  Du ar te,  C. C. Enz, Ali M. Niknejad,  C. Hu, BSIM6:  Analog and RF Co mpact Model for Bulk MOSFET.  IEEE  Transactions on  Electron Devices , 2014. 61(2): p .  234-244 [9]   Y. Sahu, P.K.,  A. Dasgupta, C. Hu,  and Y. S. Chauhan, Comp act Modeling of Drain Current  Thermal Noise in  FDSOI  MO SFE T s  Inc l uding Bac k -Bia s E ffec t .   IEEE Transactio ns on Microwave Theory and Techniqu es,  2017.  65(8): p. 2261-2 270.  [10]   Shimomura, H., A stud y  on   High-Frequency Performan ce  in MOSFETs Scaling. 2011 , Tok y o Institute  of  Techno log y [11]   Dunleav y ,  L., Understanding  Noise Parameter M eas urement. Microwave Jour nal,  2009. 52: p. 92- 100.  [12]   T. Ytterd al, Y.C . a.T. F., Device  Modeling for  An alog  and RF CM OS  Circuit Press. 2003: John Wiley  and  Sons.  [13]   Lee, T.H., The Design  of  CMOS  Radi o-Frequen c y  Integrated C i r c uits.  2004: Cambridge Univ ersity  Pr ess.  [14]   Friss, H.T. Noise Figures of  Rad i o Re ceiv e rs.  in  Proceedings of  I R E. 1944 [15]   F. Eshghabadi,  H.A.E., N. M.  N oh, M. T. Mustaffa , A.  A .  Manaf and O. Sidek .   A low Pow e r High-Gain 2.45-GHz  CMOS Dual-Stage LNA with  Linearity  Enhancement in IE EE I n terna tiona l Con f erenc e  on C i rc uits and S y s t em (ICCAS 2012).  2012. Kuala  Lu mput, Malay s ia.  [16]   F. Eshghabadi,  F.B., N. M. Noh, M. T.  Mustaffa and A. A. Ma naf, Post-Process Die-leve l Electroma gnetic Field  Anal y s is on Mi crowave CMOS Low-Noise Amplif ie r for First- Pass Silicon Fa brica tion Succ es Integration, th VLSI Journal, 2 015.  52: p. 1-11.  [17]   Eshghabadi, F.,  Design of Integr ated R econfigu r rable RF CMOS Low-Noise Amplifiers  for Cellular and WIreless  S y stems. 2016,  University  Sains Malay s ia.      BIOGRAP HI ES  OF AUTH ORS        Asmaa Nur Aqilah  Z a inal Badri  graduated with B.Eng .  (Ele ctronic Eng i neering)(Honours)   from  Universiti Sains Mala y s i a  a nd currentl y  pur su ing MSc. with the sam e  universit y. Her field  of resear ch is  in dev i ce  the r m a l noise m odelling .  She  ca n be con t a c ted  b y   em ail  a t   anazb15_ eee043 @student.usm.my        A s s o c. Prof . I r D r . N o r l ail i  Mo h d  N o h  graduated with  B.Eng.  Ele c tri cal  Eng i n eering   (Honours) from Universiti Tekno logi  Malay s ia,  and both MS c. in   Electrical  and  Electron i Eng.  and Ph.D  in Integrated  Circu i t Design from Univ ersiti  Sains Mal a ysia . She  is  curr entl an   As s o ciate P r ofes s o r with th e S c h ool of  El ectr i ca and E l ec troni E ngineer ing,  Univ ers iti  S a ins   M a la y s ia . Her  s p eci ali zat ion  is  in   Analog RF IC  D e sign. She is  als o  a pro f essional  engineer  regis t er ed wit h  t h e Board  of  Eng i neers  M a la ys i a   and a  Char ter e Engine er r e gis t e r ed with  UK  Engineering Cou n cil. She can  be  contac ted  b y   telephone at  +60459 96023 or email  at  eel ail i @us m .m y         Shu kr i B. K o r a kkottil K unhi M o hd  graduated  with B .   Eng (M echatronic)  (Hon ours) and M.  Sc. Degr ees fro m  Universiti Sa i n s Mala ysia  (USM ), and  curr entl pursuing Ph.D  degree  with   the s a m e  univers it y.  He  is  curr ent l y  a  s t aff  at  Col l a borat ive M i cro e le ctroni c Des i g n  Exc e ll enc e   Centre (CEDEC ) USM. For more informati on, h e  can b e   cont a c t e d b y   em ail  a t   shukri.mohd@usm.my .         Assoc.  Prof.  Dr. Asrulni z am Ab d M a naf  gradu a ted with B . Eng  and M.  Eng. Sc.  Degrees from  To y o h a shi Univ ersity  of  Techno log y , Jap a and  Eng.D deg r ee  fr om  Keio Univer s i t y ,J apan . He   is  curren t l y   an  As s o ciate  P r ofes s o r with Co llabor ativ e M i cro e l ect ronic Des i gn  Ex cel lenc Centre (CEDEC ) USM. For more informati on, h e  can b e   contacted b y  phon at +6045996013  or em ail  a t   eeas r u lniz am @us m . m y       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In d onesi a n  J  E l ec En g &  C o m p  Sci    ISS N :  2 5 0 2 - 47 52       Developme nt  of Accur a te B S IM4 N o ise P a r a meters  for CM OS … (Asmaa  Nur A q ilah Zai nal  Badri)  93 3   Assoc .  P r of. Ir . Dr .  Ar juna Mar z uki  graduated with B.Eng.  in Electronic En gineer ing from  Universit y  of S h effie l d, MSc. from  Univer siti Sains Mala y s i a  and PhD from  Universiti  Mala y s ia Pe rlis.  He is curr entl an Associat e  Professor with the Schoo l of  Ele c tr ica l  an d   Ele c troni c Eng i n eering ,  Univers i t i  S a ins  M a l a y s i a  an s p ec ial i s e d i n  analog  IC des i gn. He is   als o   a profes s i onal e ngineer reg i s t er ed with the  Board of Engineer s  M a la y s ia and  a Chartered   Engineer reg i stered with th UK Engineer in Council. For  more information, h e  can be  contacted  b y  ph one at  +6045996 021  or email  at ee marzuki@usm.my .           Moh d  Tafir Mu s t affa  graduated with B.Eng. in  Electronic Eng i neering   from  Universiti Sains  Malay s ia, M. En g. Sc. and PhD  degrees from Vict oria University, Melbourne. He is currently  a  senior lec t urer  with the Schoo l of Elec tri cal  and Ele c troni Engine ering, U n iversiti Sa ins  M a la y s ia and hi s  area of res earc h  is  RF IC,  An alog Design and  RF MEMS. Dr  Tafir is also a  Senior Member IEEE. For more information,  h e   can be  contacted  b y  phone  at  +6 045996029 or   em ail at   taf i r@u s m . m y .           Moh a med  Fauz i Pack ee r Moh a med   receiv e d t h e B.Eng. degr e e  in ele c tri cal  a nd elec tronics   engine ering (wit h distinct ion) fr om  the Univ ersiti T e nag a  Nasi onal (UNITEN)  Mala ysia  in   2002, the M.Sc. degree in  elect r onics s y stem   d e sign engineerin g from  the Universiti Sains  Malay s ia (USM), in 2010, and Ph.D. degree in  electr i cal and el ectronics engin eer ing from The  University  of Manchester (UoM)  in 2015. In  2015, he joined  the School of  Electrical and   Ele c troni cs Engi neering ,  Universiti Sains Mala y s i a  (USM), as a  Senior Le cturer . He has 7 y e ars  industrial exp e r i ences back fro m 2002 to 20 09  in semicon ductor waf e r f a brication  an d   packag ing prior  joining th e univers it y as  l e c t urer. His  curr e n t res ear ch int e res t s  include   simulation, d e sign, fabrication  and characterization of high RF  an d high power devices based  on   compound semi conductor mater i als.   For more information, he  can be con t acted b y  phone at  +6045996097 or  email at f a uzi.p ackeer@usm.my .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.