CN104778307B - 基于GaAs PHEMT MMIC热仿真等效模型 - Google Patents
基于GaAs PHEMT MMIC热仿真等效模型 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于GaAs PHEMT MMIC热仿真等效模型。该等效模型包括等效的PHEMT管芯、等效版图、GaAs基板、金属过孔、背金。其中等效的PHEMT管芯主要根据每个晶体管的结构与热分布特性将其等效为与晶体管具有相同尺寸的栅极、源极、漏极、栅极正下方的一块热源以及相连的左右金属块。本发明实现了在通用软件中准确模拟GaAs PHEMT管芯热特性的功能，可广泛运用于放大器芯片的热仿真中，为整个芯片的电路设计和热设计提供有效快捷的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于GaAs PHEMT MMIC （PHEMT指赝配高电子迁移率晶体管，MMIC指单片微波集成电路 ）热仿真等效模型，特别是一种基于GaAs 工艺的放大器管芯热仿真的等效模型，适合于研究放大器芯片的热特性。
背景技术
基于砷化镓或者氮化镓赝配高电子迁移率晶体管技术的放大器芯片在现代雷达与通讯领域发挥着重要的作用。随着功耗的不断增加与芯片尺寸的不断减小，过高的管芯沟道温度会直接影响芯片及器件的可靠性及性能，因此放大器芯片设计过程中的热设计以及对放大器芯片管芯温度的准确探测是工程应用领域极其重要的一部分。目前放大器芯片沟道温度的直接测量方法是红外热成像技术。红外测量技术成本高且耗费时间，且其无法在芯片的设计阶段提供准确的管芯沟道温度。常用的仿真只针对单个管芯的热特性，没有考虑芯片版图、过孔以及整个芯片结构布局对管芯的影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明了提供一种基于GaAs PHEMT MMIC 热仿真等效模型，可以在芯片设计阶段，在考虑芯片版图及过孔等的影响的基础上，能准确仿真芯片管芯的热特性，达到节约成本与时间，提高设计的效率。
一种基于GaAs PHEMT MMIC 热仿真等效模型，它包括有源区及金属互连层、GaAs基板、金属过孔、背金，其中有源区及金属互连层包括等效PHEMT管芯和等效版图，等效版图分布于等效PHEMT管芯的周围。有源区及金属互连层分布在GaAs基板上表面，金属过孔内置于GaAs基板中，背金紧贴GaAs基板的下表面。等效PHEMT管芯是根据每个晶体管的结构与热分布特性将其等效为与晶体管具有相同尺寸的栅极、源极、漏极、栅极正下方的一块热源以及分布于热源左右的金属块a和金属块b，其中热源、金属块a和金属块b的宽度与栅宽相等,厚度为栅极金属的下表面距离基板中的AlGaAs/InGaAs 二维电子层的距离。热源的长度和栅极的长度相等，热源、金属块a和金属块b的总宽度等于栅极长度和源极、漏极之间的距离总和，等效PHEMT管芯中的材料都为金。
所述的每级中各个晶体管的源极通过空气桥连接在一起。空气桥距有源区及金属互连层的距离为空气桥实际各点到有源区及金属互连层距离的平均值，其自身尺寸为空气桥在芯片中的实际尺寸。每级中各个晶体管的漏极通过其金属条a连接到一起。各个晶体管的栅极通过金属条b连接在一起。金属条a和金属条b的尺寸与其在具体芯片中的尺寸相同。
所述的等效版图是在放大器芯片实际版图的基础上，略去其对热分布影响小于百分之五的细节，从而等效为与实际版图具有相同拓扑结构的金属层，厚度与放大器芯片的有源区及金属互连层相同。
本发明的有益效果在于：第一、整个仿真过程在芯片流片之前，为芯片的设计提供热特性参考，可以节约成本与时间，提高芯片设计的效率。第二、整个建模过程简单方便，可以适用于多款仿真软件。第三、等效的模型能够准确模拟放大器芯片的热特性，从而由管芯的阈值温度精确地估算出放大器芯片的阈值功率，结果准确可靠，节约成本，经济实用。
附图说明
图1 是一种基于GaAs PHEMT MMIC 热仿真等效模型;
图2 是等效PHEMT管芯的主视图；
图3是等效PHEMT管芯的俯视图；
图4 是实施例1 的有源区及金属互连层的示意图；
图5 是实施例2的有源区及金属互连层的示意图；
附图标记说明：1、有源区及金属互连层；2、GaAs基板；3、金属过孔；4、背金；5、等效PHEMT管芯；6、等效版图；7、栅极；8、源极；9、漏极；10、热源；11、金属块a；12、金属块b; 13、空气桥；14、金属条a; 15、金属条b。
实施例1
如图1所示，一种基于GaAs PHEMT MMIC 热仿真等效模型，它包括有源区及金属互连层1、GaAs基板2、金属过孔3、背金4。如图4所示有源区及金属互连层1包括等效PHEMT管芯5和等效版图6，等效版图6分布于等效PHEMT管芯5的周围。有源区及金属互连层1分布在GaAs基板2上表面，金属过孔3内置于GaAs基板2中，背金4紧贴GaAs基板2的下表面。如图2、3所示，等效PHEMT管芯5是根据每个晶体管的结构与热分布特性将其等效为与晶体管具有相同尺寸的栅极7、源极8、漏极9、栅极7正下方的一块热源10以及分布于热源10左右的金属块a11和金属块b12。其中热源10、金属块a11和金属块b12的宽度与栅宽相等，厚度为栅极7金属的下表面距离基板2中的AlGaAs/InGaAs 二维电子层的距离。热源10的长度和栅极7的长度相等，热源10、金属块a11和金属块b12的总宽度等于栅极7长度和源极8、漏极9之间的距离总和，等效PHEMT管芯5中的材料都为金。
如图3所示，每级中各个晶体管的源极8通过空气桥13连接在一起。空气桥13距有源区及金属互连层1的距离为空气桥13实际各点到有源区及金属互连层1距离的平均值，其自身尺寸为空气桥13在芯片中的实际尺寸。每级中各个晶体管的漏极9通过其金属条a14连接到一起。各个晶体管的栅极7通过金属条b15连接在一起。金属条a14和金属条b15的尺寸与其在具体芯片中的尺寸相同。
如图4所示，等效版图6是在放大器芯片实际版图的基础上，略去其对热分布影响小于百分之五的细节，从而等效为与实际版图具有相同拓扑结构的金属层，厚度与放大器芯片的有源区及金属互连层1相同。
根据0.1瓦K波段的三阶功放芯片的仿真结果图得知，其温度最高处位于第三级管芯处，因为第三级管芯的功耗最大。其最高温度为97.13℃。通过红外热成像技术的实测温度为97.86℃，仿真与实测的误差为0.75％，远小于传统仿真的误差10％。
实施例2
如图1所示，一种基于GaAs PHEMT MMIC 热仿真等效模型，它包括有源区及金属互连层1、GaAs基板2、金属过孔3、背金4。如图5所示有源区及金属互连层1包括等效PHEMT管芯5和等效版图6，等效版图6分布于等效PHEMT管芯5的周围。有源区及金属互连层1分布在GaAs基板2上表面，金属过孔3内置于GaAs基板（2）中，背金4紧贴GaAs基板2的下表面。如图2、3所示，等效PHEMT管芯5是根据每个晶体管的结构与热分布特性将其等效为与晶体管具有相同尺寸的栅极7、源极8、漏极9、栅极7正下方的一块热源10以及分布于热源10左右的金属块a11和金属块b12。其中热源10、金属块a11和金属块b12的宽度与栅宽相等厚度为栅极7金属的下表面距离基板2中的AlGaAs/InGaAs 二维电子层的距离。热源10的长度和栅极7的长度相等，热源10、金属块a11和金属块b12的总宽度等于栅极7长度和源极8、漏极9之间的距离总和，等效PHEMT管芯5中的材料都为金。
如图3所示，每级中各个晶体管的源极8通过空气桥13连接在一起。空气桥13距有源区及金属互连层1的距离为空气桥13实际各点到有源区及金属互连层1距离的平均值，其自身尺寸为空气桥13在芯片中的实际尺寸。各个晶体管的栅极7通过金属条b15连接在一起。金属条a14和金属条b15的尺寸与其在具体芯片中的尺寸相同。
如图4所示，等效版图6是在放大器芯片实际版图的基础上，略去其对热分布影响小于百分之五的细节，从而等效为与实际版图具有相同拓扑结构的金属层，厚度与放大器芯片的有源区及金属互连层1相同。
根据0.1瓦K波段的三阶功放芯片的仿真结果图得知，其温度最高处位于第三级管芯处，因为第三级管芯的功耗最大。其最高温度为118.85℃。通过红外热成像技术的实测温度为119.23℃，仿真与实测的误差为0.31％，远小于传统仿真的误差10％。
Claims (2)
1.一种基于GaAs PHEMT MMIC 热仿真等效模型装置，其特征在于，它包括有源区及金属互连层（1）、GaAs基板（2）、金属过孔（3）、背金（4），其中有源区及金属互连层（1）包括等效PHEMT管芯（5）和等效版图（6），等效版图（6）分布于等效PHEMT管芯（5）的周围，有源区及金属互连层（1）分布在GaAs基板（2）上表面，金属过孔（3）内置于GaAs基板（2）中，背金（4）紧贴GaAs基板（2）的下表面，等效PHEMT管芯(5)是根据每个晶体管的结构与热分布特性将其等效为与晶体管具有相同尺寸的栅极（7）、源极（8）、漏极（9）、位于栅极（7）正下方的热源（10），以及分布于热源（10）左边的金属块a（11）和右边的金属块b（12），其中热源（10）、金属块a（11）和金属块b（12）的宽度与栅宽相等,厚度为栅极（7）金属的下表面距离基板（2）中的AlGaAs/InGaAs 二维电子层的距离，热源(10)的长度和栅极（7）的长度相等，热源（10）、金属块a（11）和金属块b（12）的总宽度等于栅极（7）长度和源极（8）、漏极（9）之间的距离总和，等效PHEMT管芯（5）中的材料都为金；所述的等效版图（6）是在放大器芯片实际版图的基础上，略去其对热分布影响小于百分之五的细节，从而等效为与实际版图具有相同拓扑结构的金属层，厚度与放大器芯片的有源区及金属互连层（1）相同。
2.如权利要求1所述的基于GaAs PHEMT MMIC 热仿真等效模型装置，其特征在于，同级中的每个晶体管的源极（8）通过空气桥（13）连接在一起，空气桥（13）距有源区及金属互连层（1）的距离为空气桥（13）实际各点到有源区及金属互连层（1）距离的平均值，其自身尺寸为空气桥（13）在芯片中的实际尺寸，每级中各个晶体管的漏极（9）通过其金属条a（14）连接到一起，各个晶体管的栅极（7）通过金属条b（15）连接在一起，金属条a（14）和金属条b(15)的尺寸根据具体芯片而定。
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