Veri güdümlü metal yarı iletken alan etkili transistörün küçük işaret modellenmesi
Physical parameter based data driven modelling of small signal parameters of a metal semiconductor field effect transistor
Yazar: GÖKHAN SATILMIŞ
Danışman: PROF. DR. FİLİZ GÜNEŞ ; DOÇ. DR. PEYMAN MAHOUTİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
MESFET transistörün küçük işaret modeli savak gerilimi, kapı gerilimi, frekans ve kapı genişliği parametreleri kullanılarak  yapay öğrenme teknikleri yardımıyla modellenmiştir. Veri seti üretmek amacıyla  Silvaco Atlas cihaz simülasyon yazılımı kullanılmıştır. Cihaz simülasyonunun giriş parametreleri olarak materyal tipi, katkılama oranı ve tipi, kontak tipi, kapı uzunluğu, kapı genişliği ve iş fonksiyonu parametreleri kullanılırken, çıkış parametreleri olarak küçük işaret parametreleri alınmıştır. Bu elde edilen veri seti daha sonra en yeni algoritmalar olan Yapay sinir ağları, IBk, Kstar, Bagging ve REPTree kullanılarak bağlanım işlemine tabi tutulmuştur. DataRobot firması tarafından sağlanan yazılım vasıtasıyla sembolik bağlanım işlemi gerçekleştirilmiştir ve bunun sonucunda analitik ifadeler elde edilmiştir. Ortalama mutlak hata kriter alınarak hem üretilen analitik ifadelerin hem de en yeni algoritmaların performansı, cihaz simülasyonun sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Ayrıca, transistörün doğru akım analizi de gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, transistörün kapı uzunluğu ve kapı genişliği parametreleri kullanımda olan transistör yapıları refarans alınmış ve yeni bir veri seti üretilmiştir. Giriş parametresi olarak alınan kapı uzunluğu ve kapı genişliği parametresinin kazanç, kararlılık ve gürültü parametrelerine olan etkisi ayrı ayrı gösterilmiştir. Oluşturulan tüm transistörlerin minumum gürültü ve kazanç eksenlerinde performansı gösterilmiş olup, koşulsuz kararlı örnek bir transistör geometrisi seçilmiştir. Bu geometrik değerlere sahip transistör kullanılarak koşulsuz kararlı doğrusal kuvvetlendirici tasarımı eşlenik olarak mikroşerit hat kullanılarak uyumlaştırılmıştır. Tasarımın kazanç, giriş ve çıkış uyumlaştırma grafikleri de elde edilmiştir.

Abstract:
In this work, physical parameter based modeling of small signal parameters for a metal-semiconductor field effect transistor (MESFET) was carried out as continuous functions of drain voltage, gate voltage, frequency, and gate width. For this purpose, a device simulator was used to generate a big dataset of which the physical device parameters included material type, doping concentration and profile, contact type, gate length, gate width, and work function. Five state-of-the-art algorithms: Multilayer Perceptron, IBk, K*, Bagging, and REPTree were used for creating a regression model. The symbolic regression algorithm was used to obtain analytical expressions of the real and imaginary parts of the scattering parameters using the physics-based generated dataset. The regression performances of all the algorithms and the symbolic regression were compared to references from the device simulator results. The results of the derived equations and the best algorithms were then compared to the device simulator results, with case studies for validation. The DC performance characteristics of the MESFET were also obtained. Lastly, a new dataset is generated by taking gate length into account, and PA design is realized using the new dataset. Complex conjugate matching technique is used for matching circuits and microstrip lines are chosen as transmission lines. Gain, input and output return loss performance of the design circuit are also provided.