I n te r n ati o n al   Jo u r n al   o El e c tr i c a l   an d   C o m p u te r   En gi n e e r i n g   (I JEC E )   V o l .   7 ,   N o .   1 F e b r ua r y   201 7 ,   pp .   1 76 ~ 1 83   IS S N :   2088 - 8708 D O I :   10. 1 1591 / i j e c e . v7 i 1 . pp  176 - 183             176       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i ae s j o ur nal . c om / on l i n e / i nde x . php/ IJ E C E   N o i se   C h a r a c t e r i z a t i o n   i n   In A l A s / I n Ga A s/ In P   p HEM T f o r   L o w   N o i s e   A p p l i c a t i o n s       Z.   A .   D je n n ati ,   K .   G h affo u r   1 E l e c t r o ni c   a nd   E l e c t r i c a l   E ng i ne e r i ng   D e p a r t m e n t ,   U n i v e r s i t y   of   A bu  B e kr   B e l ka i d   T l e m c e n A l g e r i a   R e s e a r c U n i t   o f   M a t e r i a l s   a nd   R e ne w a bl e   E ne r g i e s       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d   J ul   1 0 ,   20 1 6   R e v i s e S e p   2 0 ,   201 6   A c c e pt e O c t   1 3 ,   2 01 6       I t hi s   pa pe r ,   a   no i s e   r e v i s i o n   o f   a I n A l A s / I nG a A s / I nP   ps o e udo m o r phi c   hi g e l e c t r o m o bi l i t y   t r a ns i s t o r   ( pH E M T )   i pr e s e n t e d.   T he   no i s e   pe r f o r m a nc e s   o f   t he   d e v i c e   w e r e   pr e d i c t e o v e r   a   r a ng e   o f   f r e que n c i e s   f r o m   1G H z   t 100G H z .   T he   m i ni m um   no i s e   f i g ur e   ( N F m i n ) ,   t he   no i s e   r e s i s t a nc e   ( R n)   a n o pt i m um   s o ur c e   i m pe da nc e   ( Z o pt )   w e r e   e x t r a c t e us i ng   t w o   a ppr o a c he s .   A   phy s i c a l   m o de l   t ha t   i nc l ude s   d i f f us i o no i s e   a n G - R   no i s e   m o de l s   a nd  a n   a n a l y t i c a l   m o de l   b a s e o a i m pr o v e P R C   no i s e   m o de l   t ha t   c o ns i de r s   t he   f e e dba c c a pa c i t a nc e   C g d .   T he   t w o   a ppr o a c he s   pr e s e n t e d   m a t c he r e s u l t s   a l l o w i ng   a   g oo pr e di c t i o o f   t he   no i s e   be ha v i o ur .   T h e   pH E M T   w a s   u s e t o   de s i g a   s i ng l e   s t a g e   S - ba nd  l o w   no i s e   a m p l i f i e r   ( L N A ) .   T he   L N A   de m o ns t r a t e a   g a i o f   12. 6dB   w i t a   r e t u r l o s s   c o e f f i c i e nt   o f   2. 6dB   a t   t he   i npu t   a nd  g r e a t e r   t h a - 7dB   i t h e   o ut pu t   a n a o v e r a l l   no i s e   f i g ur e   l e s s   t h a n   1dB .   Ke y w or d:   In A l A s / I n G a A s / I n P   L N A   N o i s e   s i m ul a t i o n   pH E M T   P R m o de l   C opy r i gh t   ©   201 7   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e   A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   Z.   A .   D j e nna t i ,   E l e c t r o n i c   a n d   E l e c t ri c a l   E ngi n e e ri n g   D e pa r t m e n t ,   U n i v e r s i t y   of   A b Be kr   B e l ka i d   T l e m c e n ,   22  A b i   A y e A b de l kr i m   R o a d,   T l e m c e n,   13 000 ,   A l ge ri a   E m a i l :   z a ka r y a . dj e nna t i @ m a i l . u n i v - t l e m c e n . dz       1.   I N TR O D U C TI O N   T h e   I n A l A s / I n G a A s / I n P   ps o e udo m o r phi c   hi g h   e l e c t r o m o b i l i t y   t r a n s i s t o r s   (pH E M T ha v e   e xh i b i t e e xc e l l e n t   pe r f o r m a n c e s   i n   t e rm s   of   n o i s e   f i gure   c o m pa r e t o   M O S F E T   de v i c e s   a t   R F   a n d   m i c r o w a v e   f i e l ds   [1].   I n   a dd i t i o n ,   t h e y   a r e   m o s t l y   us e i n   t h e   de s i gn  o f   l ow   n o i s e   a m pl i f i e r s   [ 2 - 4]  a n p r o v e n   t o   b e   m o r e   a dv a n t a ge o us   t h a t   t h e   A l G a A s / I n G a A s   pH E M T s   [5].   A dv a n c e c i r c ui t   de s i g n   t ha t   us e s   pH E M T ,   n e e ds   pr e c i s e   a n a c c ura t e   n o i s e   m o de l s ,   e s pe c i a l l y   fo r   t h e i r   a pp l i c a t i o n   i n   l o w   n o i s e   M M IC.   M a n y   n o i s e   m o d e l s   h a v e   be e n   r e po r t e i n   t h e   l i t e r a t u r e :   t h e   w e l l - kn o w n   F uku i ’s   m o de l   [6],   t h e   e qu i v a l e nt   n o i s e   t e m pe ra t u r e   m o de l   by   P o s pi e s z a l s ki   [7]   a nd  t h e   f l i c ke r   n o i s e   m o de l   fo r   H E M T s   [8] .   M a n y   a ppr o a c h e s   o n   H E M T ’s   n o i s e   pa r a m e t e r s   c ha ra c t e ri z a t i o n   w a r e     i n v e s t i ga t e [ 9 - 11] .   In  1974 ,   R . A .   P uc e l   p r o po s e a   c ha r ge   c o n t r o l   b a s e a pp r o a c h   f o r   a   n o i s e   m o de l   i n   F E T   de v i c e s ,   t h e   m o de l   i s   kn o w n   a s   t h e   P R n o i s e   m o de l   [12].   L a t e r   i n   19 88 ,   t h e   m o de l   w a s   us e fo r   H E M T   de v i c e s   i n   [13]  a n l a t e r   i m p r o v e by   Z h i   [14 w h e r e   t h e y   i n c l ude d,   i n   t h e   P R m o de l ,   t h e   t e m pe r a t u r e   c o e ff i c i e n t s   i o r de r   t o   c a l c ul a t e   p r e c i s e   n o i s e   pa r a m e t e r s   f o r   H E M T s .     In   t h i s   pa pe r,   w e   t r y   t o   pr e di c t   t h e   n o i s e   pe r f o r m a n c e s   a t   h i gh   f r e que n c y   of   a n   In A l A s / I n G a A s / I n P   pH E M T   by   e xt ra c t i n t h e   b a s i c   n o i s e   pa ra m e t e r s   us i ng   t w o   a ppr o a c h e s :   a   p h y s i c a l   m o de l l i n a n m a t h e m a t i c a l   m o de l l i n g .   T h i s   w o r i s   o r ga n i z e a s   fo l l ow :   f i r s t ,   w e   di s c us s   t h e   di f fe r e n t   s o ur c e s   of  n o i s e   i n   t h e   pH E M T   de v i c e s .   T h e n,   w e   m a ke   us e   of   A T L A S   f r om   S IL V A CO   T CA D   s ui t ,   t o   s i m ul a t e   t h e   n o i s e   b e h a v i o r   of   a   f a b r i c a t e In A l A s / I n G a A s / I n P   25 nm   ga t e   l e n g t h   pH E M T .     N e xt ,   w e   de s c r i b e   t h e   a n a l y t i c a l   m o de l   b a s e o n   t h e   2 - po r t   s m a l l - s i g na l   e qu i v a l e n t   c i r c u i t   o f   t h e   de v i c e   m e n t i o n e b e fo r e   a n d   w e   c a l c ul a t e   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ E CE     IS S N :   2088 - 8708       Noi s e   Char a c t e r i z at i on   i n   In A l A s / InG a A s / InP   pH E MT s   f or   L o w   Noi s e   A p pl i c a t i ons   ( Z .   A .   D j e nnat i )   177   P , R , n o i s e   c o e ff i c i e n t s   i n   o rde r   t o   e xt ra c t   t h e     n o i s e   pa ra m e t e r s .   F i na l l y ,   t h e   m o de l e In A l A s / I n G a A s / I n P   pH E M T   i s   us e t o   de s i g a   s i n g l e   s t a ge   l o w   n o i s e   a m pl i f i e ( L N A fo r   S - b a n d   f r e que n c i e s .       2.   p H EM Ts   2. 1 .   N o i s e   S ou r c e s   i n   p H EM Ts   E v e r y   s e m i c o n duc t o r   de v i c e   e xh i b i t s   t h e   b a s i c   n o i s e   m e c ha n i s m s   i n   a   w a y   t ha t   de pe n ds   o n   i t s   f e a t ur e s   a nd  p h y s i c a l   pr o pe rt i e s .   T h e r e   a r e   f i v e   d o m i na n t   no i s e   m e c h a n i s m   i n   pH E M T s :   (1)  T h e r m a l   n o i s e ,   ge n e ra t e b y   t h e   pa ra s i t i c   r e s i s t a n c e s   o f   ga t e ,   d ra i a nd  s o ur c e ;   (2 D i f f us i o n   n o i s e ,   l o c a t e i t h e   c h a nn e l   w h e n   t h e   pH E M T   i s   o pe r a t i n i n   s a t u ra t i o n   m o de ;   (3)  G - R   n o i s e ,   due   t o   e l e c t r o n - h o l e   pa i r   ge n e ra t e i n   t h e   s pa c e - c h a r ge   o by   i m pa c t   i o ni z a t i o n ;   (4)   S h o t   n o i s e ,   due   t o   t h e   r e v e r s e   b i a s e ga t e   c u rr e n t ;   (5)   T h e   f l i c ke r   n o i s e ,   n e gl e c t e i t hi s   w o r s i n c e   t h e   s t u di e pH E M T   i s   d e di c a t e t o   L N A   a pp l i c a t i o n s .   B ut   s t i l l ,   t h e r e   a r e   a t   l e a s t   t w o   s i t ua t i o n s   w h e r e   t h e   f l i c ke r   n o i s e   a f fe c t s   m i c r o w a v e   c i r c ui t s :   t h e   up - c o n v e r s i o n   i n   m i xe r s   a nd  t h e   pha s e   n o i s e   o f   H E M T   o s c i l l a t o r s   [1 5].     2. 2 .   P h ys i c al   M o d e l l i n g   o No i s e   i n   p H E M T   T h e   e pi t a xi a l   s t r uc t u r e   of   t h e   s t udi e In A l A s /   I n G a A s / I n P   pH E M T   i n   t hi s   pa pe r   i s   s h o w n   i n   T a b l e   1;   i t   i s   c o m pa r a b l e   t o   t h e   f a b r i c a t e pH E M T   f r o m   [16] ,   t h e   ga t e   l e n gt h   i s   250  nm   a n a   t o t a l   ga t e   w i dt h   o f   10 μ m ,   i t s   l a y o ut   c o n s i s t   o f   2x50  μ m   f i nge r s .   T h e   e f f i c a c y   of   t h e   p h y s i c a l   m o de l   of   t h e   s t r uc t u r e   i T a b l e ha s   b e e n   t e s t e i a   p r e v i o us   w o r [17]   t hr o ug h   a   D c ha r a c t e r i z a t i o n   w h e r e   w e   ob t a i n e d,   by   i n v e r s e   m o de l l i ng,   D pe r f o r m a n c e s   m a t c h e t o   da t a   m e a s u r e m e n t s   (I D SS = 56 m A   a t   V DS = 1 . 5v   a n d   V GS = 0v ;   g m , m ax = 125  m S / m m ).       T a b l e   1 .   T h e   E pi t a x i a l e   S t r uc t u r e   o f   t h e   a   25 nm   I n G a A s / I nA l A s / I n P   pH E M T   M a t e ri a l   L a y e r   T h i c k n e s s   In 0 . 5 3 Ga 0 . 4 7 As   Ca p   5   n m   In 0 . 5 2 Al 0 . 4 8 As   Ba rri e r   1 5   n m   In 0 . 5 2 Al 0 . 4 8 As   D e l t a   d o p i n g   1 . 2   n m   In 0 . 5 2 Al 0 . 4 8 As   S p a c e 1   1 0   n m   In 0 . 7 Ga 0 . 3 As   Ch a n n e l   1 4   n m   In 0 . 5 2 Al 0 . 4 8 As   S p a c e 2   1 0   n m   In 0 . 5 2 Al 0 . 4 8 As   D e l t a   d o p i n g   1 . 2   n m   In 0 . 5 2 Al 0 . 4 8 As   Bu ffe r   4 5 0   n m   In P   (S . I.   S u b s t ra t e       T h e   p h y s i c a l   m o de l   i A T L A S - S i l v a c o   i s   r e p r e s e n t e a s   a   t w o - p o r t   n o i s e l e s s   de v i c e   w i t h   ra n do m   vo l t a ge   s o ur c e s   a t t a c h e t o   i t s   po rt s .   T h e s e   e xt e rna l   v o l t a ge   s o ur c e   a r e   s m a l l   a nd  ra n do m ,   t h e y   pr o duc e   t h e   s a m e   v o l t a ge   a t   t h e   de v i c e ’s   t e r m i n a l s   a s   t h e   i n t ri n s i c   n o i s e   s o ur c e s   (V 1   a t   t h e   i n put   a n V 2   f o r   t h e   o ut put ,   (s e e   F i gur e   1).           F i gu r e   1 .   B l o c D i a g ra m   o f   t h e   M o de l e N o i s e   S o ur c e s   i n   p H E M T       A T L A S   m o de l s   t h e   n o i s e   i n   t h e   pH E M T ,   b y   c a l c ul a t i ng  t h e   s t a t i s t i c a l   b e h a v i o r   o f   V 1   a n V 2 .   T w t y p e s   of   i n t r i n s i c   n o i s e   w e r e   c o n s i de r e a n de f i n e w i t h   t he i r   pa ra m e t e r s   i n   t h e   s i m ul a t i o n :   D i f f us i o n   n o i s e   a n G - R   n o i s e   c o upl e   w i t i m p a c t   i o n i z a t i o n   n o i s e .   A   di r e c t   A a na l y s i s   w a s   pe r fo r m e b e fo r e   t h e   n o i s e   s i m ul a t i o n ;   t h e   c urr e n t   ga i n   o b t a i n e i s   pr e s e nt e i n   F i gu r e   w h e r e   a   go o m a t c h i ng  w i t h   d a t a   m e a s u r e m e nt s   i s   a c h i e v e d.   W e   b e l i e v e   t ha t   t h e   ph y s i c a l   m o de l   of   t h e   pH E M T   i s   r e l i a b l e   a n c o ul b e   us e d   i n   o r de r   t o   ge t   a n   i n s i g ht   a nd  e s t i m a t i o n   o n   t h e   n o i s e   pe r f o r m a n c e s .   T h e   n o i s e   s i m u l a t i o w a s   pe r f o r m e o n   t h e   pH E M T   p h y s i c a l   m o de l   u n de r   a   b i a s   po i n t   o f   15%I D SS   t ob t a i n   t h e   b e s t   n o i s e   pe r f o r m a n c e s .   T h e   s pe c t r a l   de n s i t i e s   of   t h e   n o i s e   c a l c ul a t e a t   t h e   i nput   (V 1 a n t h e   o ut put   (V 2 o f   t h e   de v i c e   a r e   p r e s e n t e i F i gu r e   3.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   IJ E CE     V o l .   7 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2017   :     1 76     1 83   178       F i gu r e   2 .   C u rr e nt   G a i ( h21)  v s   Fr e que n c y ,   S i m u l a t e A g a i ns t   M e a s u r e a t   V GS = 0v   a n d   V DS = 1. 5v           F i gu r e   3 .   V o l t a ge   S pe c t ra l   D e n s i t y   of :   (1)  D i f f us i o n   n o i s e ;   ( 2 G - R   n o i s e ;   (3)   Im pa c t   Io n i z a t i o n   n o i s e ;   ( 4)  T o t a l   n o i s e       2. 3 .   A n al yti c al   M o d e l i n g   In   T h e   P R a na l y t i c a l   n o i s e   m o de l   i n   t hi s   w o r i s   b a s e d   o n   t h e   2 - po r t   l i n e a r   e qui v a l e n t   c i r c ui t   s h o w n   i n   F i gu r e   4.   A t   t h e   i n pu t ,   a   g a t e   c u rr e nt   n o i s e   s o ur c e   i g i s   i n   p a ra l l e l   w i t h   t h e   o ut put   i m pe d a n c e   c o m pos e of   t h e   c h a nn e l   c ha r ge   r e s i s t a n c e   R i   i n   s e r i e s   w i t h   t h e   ga t e - s o ur c e   c a pa c i t a n c e   C gs w h i l e   i n   t h e   o ut put ,   a   c ha nn e l   n o i s e   c urr e nt   s o ur c e   i d 2   i s   i p a r a l l e l   w i t h   t h e   o ut pu t   r e s i s t a n c e   R ds           F i gu r e   4 .   I nt r i n s i c   n o i s e l e s s   pH E M T   e qui v a l e n t   c i r c ui t   c o upl e w i t i t s   n o i s e   s o ur c e s   (1)   (2)   (3)   (4)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ E CE     IS S N :   2088 - 8708       Noi s e   Char a c t e r i z at i on   i n   In A l A s / InG a A s / InP   pH E MT s   f or   L o w   Noi s e   A p pl i c a t i ons   ( Z .   A .   D j e nnat i )   179   T h e   e l e m e nt s   o f   t h e   s m a l l - s i g na l   e qu i v a l e nt   c i r c ui t   w e r e   c a l c ul a t e a na l y t i c a l l y   f r o m   m e a s u r e S - pa r a m e t e r s   c h a rt s ,   t h e i v a l ue s   a r e   p r e s e n t e d   i T a b l e   2.       T a b l e   2 .   S m a l l - S i g na l   E qui v a l e nt   C i r c ui t   P a ra m e t e r s   a t   T = 3 0 0k  w i t h   15%I D SS   a n d   V DS = 1v   R gd )   R i )   R ds )   C gd ( fF )   C ds ( f F )   C gs ( f F )   g m ( m S )   τ (p S e c )   11   0 . 4   4 1 4 . 7 6   32   1 9 . 4   164   65   0 . 3 5   R g   )   R s   )   R d   )   L g   ( p H )   L s   ( p H )   L d   ( p H )   C pg ( fF )   C pd ( fF )   1 . 4 9   0 . 6 0   0 . 6 7   3 5 . 7   3 . 0   9 2 . 4   1 1 . 2   3 6 . 7       T h e   P R t e r m s   i n   t h i s   m o de l   a r e   di m e n s i o n l e s s   n o i s e   c o e ff i c i e n t s   r e l a t e t o   t h e   m a g n i t ude   o f   t h e   c urr e n t   n o i s e   s o ur c e s   ( i g 2   a n d   i d 2 ),   a n t o   t h e   c o rr e l a t i o n   b e t w e e n   t h e m .   P   i s   r e f e rr e t o   a s   t h e   c h a nn e l   n o i s e   c oe ff i c i e n t ;   R   i s   t h e   ga t e   n o i s e   c oe ff i c i e n t   a n l a s t ;   C   i s   t he   c o r r e l a t i o n   c o e ff i c i e n t   b e t w e e n   t h e   ga t e   n o i s e   c urr e n t   a n t h e   d r a i n   n o i s e   c urr e n t .   It   s h o ul d   b e   n o t e t ha t   t h e   c o r r e l a t i o n   c o e ff i c i e n t   C   i s   a   pu r e   c o m pl e pa r a m e t e r   d ue   t o   t h e   e xi s t e n c e   of   t h e   c o upl i n c a p a c i t a n c e   be t w e e n   t h e   ga t e   a n t h e   d r a i n   C g d .   T h e   P R C   c oe ff i c i e n t s   a r e   o b t a i n e by   [12]:                                                                                           (               )     (1)     T h e   P R c o e ff i c i e n t s   w e r e   c a l c ul a t e us i ng  e qua t i o n s   i n   (1)   by   c o n s i de r i ng  t h e   v a l ue s   o t h e   s m a l l - s i g n a l   e qui v a l e n t   c i r c ui t   pa ra m e t e r s   i n   T a b l e . w i t t h e   v a l ue s   of   i g2  a n d   i d2   t ha t   w e r e   e xt ra c t e f r o m   t h e   s i m ul a t i o c ur v e s   i F i gu r e   ( i g2   i s   r e l a t e t o   V 1   a nd  i d2  r e l a t e t o   V 2).   T h e   r e s ul t s   a r e   s h o w n   i F i gu r e   5 .           F i gu r e   5 .   V a l ue s   o f   P   , R   a nd  C   Co e ff i c i e n t s   V e r s us   F r e que n c y   of   t h e   2 50 nm   I n G a A s / I n A l A s / I n P   pH E M T       T h e   c ur v e s   i F i gu r e   a r e   d ra w n   i t e n de n c y   l i n e s   due   t o   t h e   u n c e rt a i n t y   i n   t h e   c a l c ul a t i o n   o f   t h e   ga t e   n o i s e   a t   a   v e r y   l ow   dr a i n   c urr e nt   v a l ue .   F i gu r e   5(a s h o w s   a   f r e que n c y   i n de pe n de nt   d r a i n   n o i s e   c oe ff i c i e n t   P   due   t o   t h e   h o t   e l e c t r o n   e f fe c t   i n   t h e   c h a nn e l .   O n   t h e   o t h e r   h a nd,   t h e   ga t e   n o i s e   c oe f f i c i e n t   R   i s   f r e que n c y   de pe n de nt   f o r   t h e   r e l a t i v e l y   l ow   f r e que n c i e s   r e gi o n   (< 7G H z ):   a   r e s ul t   o f   a i n c r e a s i n g   i n   t h e   ga t e   l e a ka ge   c urr e nt .   Co n c e rn i ng  t h e   c o r r e l a t i o n   c o e ff i c i e n t   s h o w n   i n   F i gu r e   5(b ),   t h i s   pa ra m e t e r   s t r o n gl y   de pe n ds   o t h e   g a t e ’s   l e n g t h   L g .   W e   b e l i e ve   t ha t   t h e   f r e qu e n c y   de pe n de n c e   o f   t h e   c o e ff i c i e n t s   R   a n d   i s   m a i n l y   l i n ke t o   t h e   s h o t   n o i s e   c a us e by   t h e   r e v e r s e ga t e   c urr e nt .   I n   a d di t i o n   t o   t h e   P R c oe ff i c i e n t s ,   t hr e e   o t h e p a r a m e t e r s   w e r e   de s c r i b e by   P uc e l :                                     (         )                                                    (2)           ( a )   (b)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   IJ E CE     V o l .   7 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2017   :     1 76     1 83   180   T h e   c o e ff i c i e n t s   i n   ( 2)  a l l o w   us   t o   c a l c ul a t e   t h e   m a i n o i s e   pa r a m e t e r s :     {                                                      (                          )                         (                )                 |     |                        (                       )    (        )                        (        )               (3)     T h e   m o de l   a b ov e   d o e s   n o t   i n c l ude   t h e   f e e d b a c c a pa c i t a n c e   C gd ,   t h e   c ha r ge s   h e l b y   t h i s   c a pa c i t a n c e   a r e   r e s po n s i b l e   f o r   t h e   v o l t a ge   d r o i n   d ra i r e gi o n .   T h e s e   c ha r ge s   a l s o   gi v e   a   r i s e   t o   ga t e   l e a ka ge   c urr e n t   c o m po n e nt   a nd  t h e r e f o r e   c o n t r i b ut e   t o   t h e   n o i s e   be h a v i o ur   of   t h e   de v i c e .   W h e n   c o n s i de ri n t h e   e ffe c t   of   C gd ,   t h e   e xp r e s s i o n s   o f   a na l y t i c a l   m o de l   b e c a m e   a s   e xp r e s s e i n   (4).   T h e   f e e db a c c a pa c i t a n c e   C gd   a d de t o   t h e   m o de l   i n   (4)  c o n s t i t u t e s   a   m a j o r   i n f l ue n c e   i n   t h e   n o i s e   f i gur e :   t h e   c o upl i n c a p a c i t a n c e   m a ke   t h e   d ra i n o i s e   c urr e nt   f r e que n c y   de pe n de n t   r e s ul t i n t o   a   r i s e   i n   n o i s e   f i gu r e   f o r   f r e que n c i e s   b e y o n f t   [18] .     {                            (             )                     (             )                                     (             )   (                   )              (        )               (             )                      (        )                      (4)       3.   R ES U LTS   A N D   D I S C U S S I O N S   F o r   a   p r e c i s e   pr e di c t i o n   o f   t h e   de v i c e ’s   n o i s e   pe r fo r m a n c e s ,   a   p r e c i s e   n o i s e   m o de l   i s   n e e de d.   I n   t h i s   s e c t i o n ,   w e   e xt r a c t   a nd  c o m pa r e   t h e   m a i i m po rt a nt   n o i s e   pa r a m e t e r s :   t h e   m i n i m u m   n o i s e   f i gur e   N F m i n,   t h e   e qui v a l e n t   n o i s e   r e s i s t a n c e   R n   a n t h e   o pt i m um   s o ur c e   i m pe da n c e   Z o pt .   T h e   c u r v e s   of   t h e   m a t h e m a t i c a l   m o de l   i l l us t r a t e   a   go o m a t c hi n w i t h i t h e   p r e di c t e ra n g e   by   T CA D   s i m ul a t i o n.   W h i l e   b o t h   m o de l   a n d   T CA D   c u r v e s   a r e   m a t c h e i n   N F M IN   a n Z o pt ,   a n   a v e r a ge   m a t c hi n w a s   a c h i e v e i R n,   n e v e r t h e l e s s ,   t h e   de c r e a s i n s l o w a s   c o r r e c t l y   pr e di c t e d.   A T L A S - S IL V A CO   us e s   t h e   i m pe da n c e   f i e l m e t h o d,   t o   de t e r m i n e   t h e   i nt e rna l   n o i s e   pa ra m e t e r s   i F i g u r e   6,   by   c h a ra c t e ri z i n g   t h e   e n t i r e   de v i c e ’s   be h a v i o ur   b a s e o t h e   f l uc t ua t i o n   o t h e   t w c o r r e l a t e e qui v a l e nt   n o i s e   s o ur c e s .   F i gur e   6(a s h o w s   a   f r e que n c y   de p e n de n c e   of  N F M IN   a t   15%ID S S .   A n   i n c r e a s e   f r o m   0. dB   t o   1. dB  i s   ob s e r ve fo r   f r e que n c i e s   l e s s   t h a n   10  G H z ,   t h e s e   v a l ue s   a r e   w e l l   k n o w n   f o r   de v i c e s   w i t h   a   g a t e   w i dt h   o f   100  μ m .   I n   F i g u r e   6(b ),   a   c o n s i de r a b l e   de c r e a s e   o f   t h e   n o i s e   r e s i s t a n c e   m a i nl y   due   t t h e   c o m b i n e e f fe c t   of   a   h i gh e r   t ra n s c o n duc t a n c e   a n a   r e duc e ga t e   n o i s e   c oe ff i c i e n t .     H ow e ve r ,   t h e   s h e e t   c a rri e r   de n s i t y   v a l ue s ,   t h e   di f f us i o n   c oe f f i c i e n t s   a nd  t h e   G e n e r a t i o n - R e c o m b i n a t i o p a r a m e t e r s   n e e de t o   b e   a dj us t e i o r de r   t o   a c hi e v e   a   go o m a t c hi n g   o f   t h e   pH E M T ’s   n o i s e   pa r a m e t e r s .   T h e   p h y s i c a l   m o de l l i ng  o ffe r s   a   b e t t e r   i n s i g ht   o n   t h e   p h y s i c a l   m e c h a ni s m s   c o n t r o l l i ng  t h e   n o i s e .   M e a n w hi l e ,   t h e   m a t h e m a t i c a l   m o de l   de pe n ds   o n   t h e   s m a l l - s i g na l   e qu i v a l e nt   c i r c ui t   e l e m e nt s ,   w h i c h   i s   a dv a n t a ge o us   f o r   pH E M T ’s   o pt i m i z a t i o n   a nd  i m p r o v e m e n t s   fo r   i t s   i m pl e m e n t a t i o n   i n   m i c r o w a v e   c i r c ui t s   s uc h   a s   L N A s   (l o w   n o i s e   a m p l i f i e r s ) .   I n   a dd i t i o n ,   i t h e   l ow - n o i s e   a ppl i c a t i o n ,   t h e   pH E M T   i s   ge n e r a l l y   e m b e dde i n   t h e   c i r c ui t   a nd  t h e   v a l ue s   o f   t h e   p a r a s i t i c   c a pa c i t a n c e s   i n   t h e   e qui v a l e n t   c i r c ui t   w i l l   di f f e r   f r o m   t h e   di s c r e t e   e l e m e n t s   us e i n   t h i s   c ha r a c t e r i z a t i o n,   b ut   t h e   i nt r i n s i c   e l e m e nt s   s t i l l   r e m a i n   t h e   s a m e .   A l s o ,   t h e   a c c e s s   r e s i s t a n c e s   e s pe c i a l l y   t h e   i nput   a c c e s s   r e s i s t a n c e   R g ,   w i l l   o bv i o us l y   g e n e ra t e   t h e rm a l   n o i s e   c o n t ri b ut i n t o   t h e   o v e r a l l   n o i s e   f i gur e .   S o   f r o m   t h e   l ow   n o i s e   c i r c ui t   de s i g n i ng  pe r s pe c t i v e ,   i t   w i l l   b e   m o r e   us e f ul   t pr o v i de   t h e   w h o l e   m o de l   i n c l udi n t h e   e ff e c t   of  a c c e s s   r e s i s t a n c e s .   H ow e v e r   w e   b e l i e v e   t ha t   t h e   pr e s e nt e a n a l y t i c a l   m o de l   i s   s t r a i g ht f o r w a r s o l ut i o n   t o   pre di c t   t h e   n o i s e   b e h a v i o r   of   p H E M T s   dur i ng  i t s   de s i gn  p r o c e s s .     F o l l ow i n t h e   n o i s e   m o de l i n g,   t h e   pa r a m e t e r s   o t h e   s m a l l - s i g n a l   e qu i v a l e nt   c i r c ui t s   o f   t h e   250nm   2x50 μ m   pH E M T   w e r e   t o   de s i gn  a   s i n gl e   s t a ge   L N A   fo r   S - b a n a ppl i c a t i o n s .   T h e   p u r po s e   w a s   t de m o n s t r a t e   t h e   po t e nt i a l   o f   I n A l A s / I n G a A s / I n P   pH E M T   i l o w   n o i s e   a ppl i c a t i o n s .   T h e   c o rr e s po n di n g   s i n g l e   s t a ge   L N A   s c h e m a t i c   a l o n g   w i t h   t h e   v a l ue s   o f   t h e   p a s s i v e   c o m p o n e nt s   a nd   t h e   b i a s i n g   c o n di t i o n s   a r e   i l l us t r a t e i F i gu r e   7.   It   i s   de s i g ne t o   o pe r a t e   i a   f r e que n c y   r a nge   o f   2. G H z   t o   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ E CE     IS S N :   2088 - 8708       Noi s e   Char a c t e r i z at i on   i n   In A l A s / InG a A s / InP   pH E MT s   f or   L o w   Noi s e   A p pl i c a t i ons   ( Z .   A .   D j e nnat i )   181   4. G H z   i n   5   s y s t e m .   T h e   c o m m o s o ur c e   c o n f i gura t i o o f   t h e   L N A   i s   ha s   a   n o i s e   f i gu r e   c l o s e   t o   t h e   t r a n s i s t o r ’s   m i ni m um   n o i s e   f i g u r e   [19 ] , [ 20 a n d   i t   i s   l e s s   p r o n e   t o   o s c i l l a t i o n s   t h a o t h e r   t o po l o gi e s .   A   hi g h   ga t e   r e s i s t a n c e   w a s   us e t o   a t   t h e   i n pu t   t e rm i na l   o f   t h e   t ra n s i s t o r   t o   pr e v e n t   l a rge   c urr e n t   f l ow i n t o   t h e   i n p ut   a nd  h e n c e   a n   o pt i m um   g a t e   v o l t a ge   i n j e c t i o n   i s   a c hi e v e d.   T h e   s e r i e s   c a pa c i t o r s   C in   a n d   C o u t   i s o l a t e   t h e   D b i a s   s o ur c e s   fo r   t h e   R F   i n put   a n R F   o ut put   r e s pe c t i v e l y .   T h e   dra i n   c a pa c i t o r   C D   i m p r o v e s   t h e   i n pu t   r e t u rn   l o s s   a n p r o v i de s   a n   o ut put   m a t c h i n g   f o r   t h e   L N A .   T h e   r e s i s t o r   R D1   i s   us e t o   p r e v e n t   o s c i l l a t i o n s ;   h o w e ve r ,   i t   c a n   r e duc e   t h e   o v e r a l l   ga i n   t o   t h e   a m pl i f i e r   a n n e e ds   t o   b e   m i n i m i z e d.   L D   a n R D2   pr o v i de   a n   a de qua t e   o ut pu t   m a t c h   n e t w o r a n e n s u r e   t h e   s t a b i l i t y   o f   t h e   a m p l i f i e r .   T h e   L N A   h a s   b e e n   i m p l e m e nt e i n   t h e   F E T   l i n e a l   m o de l   f r o m   A D S   A gi l e nt .   T he   pe r f o r m a n c e s   o b t a i n e a r e   s h o w n   i F i gu r e   8.   T h e   a m pl i f i e r   s h o w n   i n   F i g u r e   8(a ) ,   e x h i b i t e a   g a i n   a r o u n d   12. 6dB   a t   t h e   f r e que n c y   of   3G H z ,   w i t a   r e t u rn  l o s s   c oe ff i c i e n t   a t   t h e   i n pu t   - 2 . 4dB   a n d   g ra t e r   t ha t   - 7 dB   a t   t h e   o ut p ut   a s   i l l us t r a t e i F i gu r e   8(c ) .   T h e   mi ni m u m   n o i s e   f i gur e   a n t h e   n o i s e   f a c t o r   i n   F i gu r e   8(b ),   a re   l e s s   t h a n   1dB   fo r   a l l   t h e   o pe r a t i n f r e que n c i e s   a s   pr e di c t e by   t h e   n o i s e   c h a ra c t e ri z a t i o n   i n   F i gu r e   6(a ) .   I n   m us t   b e   n o t e t h a t   t h e   pa s s i v e   c o m po n e nt s   of   t h e   L N A   a r e   c o n s i de r e i de a l .   T h e   r e s ul t s   o b t a i n e c a b e   us e fo r   a c c u r a t e   de s i g w i t r e a l   p r o c e s s   de s i gn  ki t .                                                             F i gu r e   6 .   P l o t s   o f   N F mi n   v s .   f r e que n c y   (a );   R n   v s .   f r e que n c y   (b a n Z o p t   c h a rt   (c )   o f   t h e   25 0 n m   In A l A s / I n G a A s / I n P   pH E M T           F i gu r e   7 .   S c h e m a t i c   C i r c ui t   of  S i ngl e   S t a ge   S - b a n d   L ow   N o i s e   A m pl i f i e r   (a )   (b )   (c )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   IJ E CE     V o l .   7 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2017   :     1 76     1 83   182       F i gu r e   8 .   P e r f o r m a n c e s   o f   S i n g l e   S t a ge   L N A :   ( a ga i n ;   (b N o i s e   f i gur e ;   (c R e t u rn  L o s s   Coe f f i c i e n t s       4.   C O N C LU S I O N   In   t h i s   w o r k,   a   n o i s e   c h a ra c t e r i z a t i o n   w a s   pe r f o r m e o n   I n A l A s / I n G a A s / I n P   pH E M T   us i ng  t w a pp r o a c h e s :   P uc e l ’s   P R m o de l   b a s e o n   a na l y t i c a l   e qua t i o n s   a n a   p h y s i c a l   m o de l l i n b y   s i m ul a t i o n   o A t l a s - S i l v a c o .   W e   ob s e r ve t h a t   b o t h   m a t h e m a t i c a l   a n d   p h y s i c a l   m o de l   c a n   p r e di c t   t h e   n o i s e   pe r f o r m a n c e s   of  In A l A s / I n G a A s / I n P   pH E M T s .   T h e   i m p r o v e a na l y t i c a l   m o de l   a nd  t h e   p h y s i c a l   m o de l   w a r e   a dj us t e t ob t a i n   m a t c h i n g   r e s ul t s   b e t w e e n   t h e   m a i n o i s e ’s   pa ra m e t e rs   (N F m i n ,R n   a nd  Z o p t )   i a   w i de   f r e que n c y   r a n ge   (1 - 100G H z ).   A   s i ngl e   s t a ge   S - b a n L N A   w a s   s i m ul a t e f r o m   t h e   s m a l l   s i g na l   e qu i v a l e nt   c i r c ui t .   T h e   L N A   de m o n s t r a t e a   ga i n   o f   12. 6dB   a n a   n o i s e   f i gur e   l e s s   t h a t   1dB   a s   pr e di c t e d.   F ut u r e   w o r w i l l   be   d e vo t e d   t m o de l   t h e   t h e rm a l   n o i s e   by   i n c l udi ng  t e m pe r a t u r e   v a r i a t i o n   i n   o r de r   t o   ha v e   a   f ul l   i n s i g h t   o n   t h e   n o i s e   pe r f o r m a n c e s   o f   In A l A s / I n G a A s / I n P   pH E M T .         A C K N O WL ED G E M EN TS     T h e   a u t h o r s   w i s h   t o   t ha n k   P r o fe s s o r   M . M i s s o us   f r o m   t he   s c h o o l   of   E l e c t r i c a l   a nd  E l e c t r o n i c   E n gi n e e r i n a t   M a n c h e s t e r ’s   U n i v e r s i t y ,   f o r   pr o v i di n t h e   p H E M T   s t r uc t u r e   a n d a t a   m e a s u r e m e n t s   us e fo r   t h i s   w o r k .       R EF ER EN C ES   [ 1]   F .   D a nn e v i l l e ,   M i c r o w a v e   no i s e   a n F E T   de v i c e s ,   I E E E   M i c r ow . M ag . ,   v o l / i s s u e :   11 ( 6 ) ,   p p.   53 60 ,   2010 .   [ 2]   D .   H .   K i m   a nd  J .   A .   D .   A l a m o ,   30 - nm   I n A s   ps e udo m o r phi c   H E M T s   o a I nP   s ubs t r a t e   w i t a   c ur r e n t g a i c ut o f f   f r e que nc y   o f   628  G H z , ”  E l e c t r on   D e v i c e   L e t t e r s ,   I E E E ,   v o l .   29 ,   pp .   830 - 83 3,   20 08 .   [ 3]   F .   P a c ke e r ,   e t   a l . ,   F a br i c a t i o a nd  c ha r a c t e r i z a t i o o f   t e ns i l e   I n A l A s   ba r r i e r   a nd  c o m pr e s s i v e   I nG a A s   c ha nne l   pH E M T s   ha v i ng   e xt r e m e l y   l o w   g a t e   l e a k a g e   f o r   l o w - no i s e   a p pl i c a t i o ns , ”  J.   P hy s .   D:   A pp l .   P hy s ,   v o l .   4 9,   pp .   1 - 3 ,   2013 .   [ 4]   H .   W a ng ,   e t   a l . ,   F u l l y   pa s s i v a t e W - ba n I nA l A s / I nG a A s / I nP   m ono l i t hi c   l o w   no i s e   a m pl i f i e r s ,   I E E   P r oc e e di ng s   -   M i c r ow av e s ,   A n t e nna s   a nd   P r opaga t i on ,   1996 .   [ 5]   S .   A r s h a d ,   e t   a l . ,   M o de l l i ng   o f   t he   K i n E f f e c t   i n   S t r a i n e I nG a A s / I n A l A s   pH E M T s ,   pp .   55 - 58 ,   2008 .   [ 6]   H .   F uku i ,   O p t i m a l   no i s e   f i g ur e   o f   m i c r o w a v e   G a A s   M E S F E T ' s ,   I E E E   T r an s ac t i ons   on  E l e c t r on  D e v i c e s ,   v o l .   26 ,   pp.   10 32 - 1037 ,   197 9 .   [ 7]   M .   W .   P o s pi e s z a l s k i ,   e t   al . ,     I nt e r pr e t i ng   T r a n s i s t o r   N o i s e ,   M i c r o w .   M a g . ,   2010 .     (b)   (a)   (c)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ E CE     IS S N :   2088 - 8708       Noi s e   Char a c t e r i z at i on   i n   In A l A s / InG a A s / InP   pH E MT s   f or   L o w   Noi s e   A p pl i c a t i ons   ( Z .   A .   D j e nnat i )   183   [ 8]   A .   v a de r   Z i e l ,   1/ f   N o i s e   i H E M T   t y pe   G a A s   F E T s   a t   l o w   dr a i bi a s ,   So l i S t a t e   E l e c t r on ,   v o l / i s s ue :   26 ( 5 ) ,   pp .   385 3 86,   1 983 .   [ 9]   A .   N a l l i ,   e t   al . ,   G a N   H E M T   no i s e   m o de l   ba s e o e l e c t r o m a g ne t i c   s i m u l a t i o ns ,   I E E E   T r an s   on  M i c r ow av e   T he or y   and   T e c hn i que ,   v o l .   4 ,   pp .   2498 250 8,   2 015 .     [ 10]   Z .   K o ur di ,   e t   al . ,   S i de   E f f e c t s   i a   H E M T   P e r f o r m a nc e   w i t I n A l N / G a N ,   T E L K O M N I K A   I n done s i an  J o ur na l   of   E l e c t r i c al   E ng i ne e r i ng ,   v o l / i s s ue :   15 ( 2 ) ,   pp .   249 258 ,   2015   [ 11]   S .   C o l a ng e l i ,   e t   a l . ,   P o l y n o m i a l   no i s e   m o de l l i ng   o f   s i l i c o ba s e G a N   H E M T s ,   I nt .   J .   N um e r .   M ode l .   E l e c t r o n.   N e t w .   D e v i c e s   F i e l ds ,   v o l / i s s ue :   27 ( 5 6 ) ,   p p.   81 2 82 1,   20 13 .     [ 12]   R .   A .   P uc e l ,   e t   al . ,   S i g na l   a nd  no i s e   pr o pe r t i e s   o f   g a l l i um   a r s e ni d e   m i c r o w a v e   f i e l e f f e c t   t r a ns i s t o r s ,   A d v .   E l e c t r on .   E l e c t r on   P hy s . ,   v o l .   3 8,   pp .   195 265 ,   197 5 .   [ 13]   A .   C a pp y ,   N o i s e   m o de l l i ng   a nd  m e a s u r e m e n t   t e c hn i qu e s ,   I E E E   T r ans .   M i c r ow av e   T he or y   T e c h .,   vol / i s s ue :   36 ( 1 ) pp.   1 10,   1 988 .     [ 14]   Z .   H .   L i u ,   e t   al . ,   A na l y t i c a l   M o de l i ng   o f   H i g h - F r e que nc y   N o i s e   I n c l udi ng   T e m p e r a t ur e   E f f e c t s   i G a N   H E M T s   o n   H i g h - R e s i s t i v i t y   S i   S u bs t r a t e s , ”  I E E E   T r ans .   E l e c t r o D e v i c e s ,   v o l / i s s ue :   57 ( 7 ) ,   pp.   1 486 - 149 1,   20 10.     [ 15]   T .   F e l g e nt r e f f   a nd  G .   R .   O l br i c h,   M o de l l i ng   of   l o w   f r e que nc y   n oi s e   s o ur c e s   i H E M T s ,   i pr o c e e di ng  of   I E E E   M T T - I n t e r na t i o na l   M i c r ow av e   Sy m po s i um   D i ge s t ,   1996 .   [ 16]   K.   I a n,   e t   a l . ,   T he r m a l l y   s t a bl e   I nG a A s / I nA l A s   pH E M T s   us i ng   t he r m a l l y   e v a po r a t e p a l l a di um   g a t e   m e t a l l i z a t i o n ,   Se m i c ond .   Sc i . T e c h nol ,   v o l .   29 ,   pp .   1 - 5,   20 14.     [ 17]   Z.   A .   D j e nna t i ,   e t   a l . ,   2 - D   P hy s i c a l   M o de l i ng   a nd  D C   O pt i m i z a t i o o f   a   do ubl e   de l t a   do pe d   In 0 . 7 G a 0 . 3 A s / I n 0 . 5 2 Al 0 . 4 8 A s / I nP   pH E M T , ”  i P r oc .   A d v an c e t op i c s   i e l e c t r i c al   e ng i ne e r i ng .   Sy m p . ,   B uc h ar e s t ,   R om ani a ,   pp .   889 - 90 1,   20 15 .     [ 18]   V .   G ur u ,   e t   al . ,   A na l y t i c a l   no i s e   m o de l   o f   a   hi g h - e l e c t r o n - m o bi l i t y   t r a n s i s t o r   f o r   m i c r o w a v e - f r e que nc y   a ppl i c a t i o n,   M i c r ow .   O pt oe l e c t r .   T e c hno l .   L e t t . ,   v o l / i s s ue :   40 ( 5 ) ,   p p.   410 417 ,   200 4.     [ 19]   A.   B .   I br a hi m ,   e t   al . ,   L o w   N o i s e   A m pl i f i e r   a t   5 . 8G H z   w i t C a s c o de   a nd  C a s c a de d   T e c hn i qu e s   U s i ng   T - M a t c hi ng   N e t w o r f o r   W i r e l e s s   A ppl i c a t i o ns , ”  I nt e r nat i on al   J o ur n al   of   E l e c t r i c al   an C om put e r   E ng i ne e r i n g,   vol / i s s ue :   1 ( 1 ) ,   pp .   1 - 8,   20 11.   [ 20]   K .   P o ng o t ,   e t   al . ,   D e s i g a nd  A na l y s i s   H i g G a i P H E M T   L N A   f o r   W i r e l e s s   A ppl i c a t i o a t   5. 8   G H z ,   I nt e r n at i on al   J o ur n al   o f   E l e c t r i c al   a nd  C om pu t e r   E n gi ne e r i n g ,   v ol / i s s ue :   5 ( 3 ) p p.   61 1 - 620 ,   2 015 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.