CN105205211B - 表面通道型混频肖特基二极管三维电磁仿真模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面通道型混频肖特基二极管三维电磁仿真模型建模方法，首先建立二极管层次结构物理模型；然后根据二极管装配工艺在三维模型仿真软件中模拟安装二极管于传输线上；再然后根据传输线和二极管结构设置传输线端口和各二极管波端口，最后将设置好的模型参数与电路仿真参数结合得到三维电磁仿真模型。本发明方法中每个二极管管芯单独设置一个阳极波端口和一个阴极波端口，使实际二极管，二极管三维电磁仿真模型，二极管电路SPICE参数模型三者保持一致，相较于现有模型更接近实际工作情况；并且本发明建模方法中二极管波端口形状及尺寸能够根据二极管结构进行调整，使得本发明该建模方法适用于200GHz‑500GHz多种表面通道型混频肖特基二极管。

Description

表面通道型混频肖特基二极管三维电磁仿真模型建模方法

技术领域

本发明涉及肖特基二极管三维电磁仿真模型，具体为一种表面通道型混频肖特基二极管三维电磁仿真模型建模方法。

背景技术

1938年德国物理学家Walter H.Schottky首次提出了基于金属-半导体结的多数载流子器件—肖特基势垒结构，后来肖特基二极管便被广泛应用于混频器。

目前，应用于太赫兹频段混频器的肖特基二极管主要有触须接触式肖特基二极管和平面肖特基二极管。触须接触式二极管难以重复制作、可靠性差，但与平面二极管相比寄生参量小；平面肖特基二极管可靠性好、电路设计相对容易；为增加功率容量，可被制作成阵列或者平衡式结构以满足不同电路结构的需要，使用较为广泛。

传统的微波毫米波混频器设计方法中，应用最为广泛的为基于二极管性能提取的二极管线性SPICE参数等效电路模型。在微波毫米波频段，由于二极管的封装尺寸远小于波长，其封装几乎不会影响场分布，因此不同工作频率下二极管提取的SPICE参数未发生剧烈变化，二极管SPICE参数线性等效电路模型可认为是准确的。然而随着频率上升至太赫兹频段，由于频率的急剧升高使得波长骤减，然而由于二极管制作工艺的限制，二极管封装尺寸减小幅度空间有限，远低于工作频率上升的幅度。此时二极管的封装已影响到电路的场分布，传统的二极管SPICE参数等效电路模型在太赫兹频段存在缺陷。于是需要建立二极管三维电磁仿真模型对其SPICE参数在太赫兹频段的缺陷进行弥补。

2004年，B.Thomas等人，开展了反向并联二极管三维建模研究，在模型中考虑了寄生参量的影响，以后的二极管三维模型大都以此为基础。通常计算二极管模型参数时主要关注三维模型中二极管阳极的参数及各物理层的尺寸，由相关理论以及I-V曲线得到二极管等效电路模型，为使二极管等效电路模型与三维电磁仿真模型联系起来，于是在三维模型中放置波端口以连接三维仿真模型与等效电路模型。

目前所用的表面通道型混频肖特基二极管三维电磁仿真模型建立方式是先建立肖特基二极管单管的层次化结构模型，主要确定材料、尺寸、形状等参数，然后使用特定材料模拟与传输线的连接，为模拟能量在二极管三维模型中的流动在静态物理模型的基础上于二极管阳极探针处设置一个波端口，若使用并联二级管对形式，则两个阳极探针与两个传输线端口共同构成一个4端口模型。当此三维模型与电磁场非线性电路仿真结合的时候就出现了三维模型端口数与电路拓扑结构端口数不相等情况，所用的解决方式是引入接地回路，即在电路中使二极管一端连接三维仿真模型阳极处设置的端口，另一端接地。虽然以上设置得到的结果被认为与实物结果较接近，但在实际电路中并不存在接地回路，而二极管三维模型中又缺少了针对二极管阴极设置的端口；所以实际的二极管、二极管三维电磁仿真模型、二极管电路仿真拓扑结构三者不能很好的联系在一起。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术的缺陷提供一种表面通道型混频肖特基二极管三维电磁仿真模型建模方法，包括以下步骤：

步骤1.根据表面通道型平面二极管技术的肖特基二极管经典物理构成模型，并对比真实表面通道型平面二极管结构建立二极管层次结构物理模型；

步骤2.根据二极管装配工艺在三维模型仿真软件中模拟安装二极管于传输线上，采用电磁场仿真软件HFSS建立二极管模型并采取反向倒贴的安装方式将二极管固定于悬置微带线上，形成反向并联封装结构平面肖特基二极管模型；

步骤3.根据传输线和二极管结构设置各波端口，在反向并联封装结构平面肖特基二极管模型两端分别设置传输线端口，并分别设置反向并联封装结构平面肖特基二极管中两个管芯的波端口，每个管芯波端口设置为：阳极波端口设置于阳极结所在平面，波端口封闭并环绕阳极探针，阴极波端口与阳极波端口设置于同一平面，根据二极管形状，选取与二极管阳极探针相邻的欧姆接触面边沿，采用紧贴该边沿的长条带模拟二极管阴极波端口；波端口电场设置为：

阳极波端口电场方向由内径指向外径，阴极波端口电场方向由波端口外边沿指向波端口内边沿；或者，阳极波端口电场方向由外径指向内径，阴极波端口电场方向由波端口内边沿指向波端口外边沿；

步骤4.将步骤3设置好的模型参数与电路仿真参数结合得到三维电磁仿真模型，采用电磁场仿真软件ADS与步骤3中HFSS三维模型相关联，其中，ADS中二极管SPICE参数模型的阳极和阴极与HFSS三维模型中的各二极管阳极和阴极一一对应。

本发明提供一种表面通道型混频肖特基二极管的三维电磁仿真模型建模方法，该方法中每个二极管管芯单独设置一个阳极波端口和一个阴极波端口，这种波端口设置的方式去掉了电路仿真中的二极管接地回路，使实际二极管，二极管三维电磁仿真模型，二极管电路SPI CE参数模型三者保持一致，相较于现有模型更接近实际工作情况；并且本发明建模方法中二极管波端口形状及尺寸能够根据二极管结构进行调整，使得本发明该建模方法适用于200GH z-500GHz多种表面通道型混频肖特基二极管。

附图说明

图1为实施例1中三维电磁仿真模型的传输线端口设置示意图。

图2(a)、2(b)为实施例1中三维电磁仿真模型的二极管波端口设置示意图。

图3为实施例1中三维电磁仿真模型的二极管波端口电场方向示意图。

图4为实施例1中三维电磁仿真模型建模仿真电路图。

图5(a)、5(b)为实施例2中三维电磁仿真模型的二极管波端口设置示意图。

图6(a)、6(b)为实施例3中三维电磁仿真模型的二极管波端口设置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本实施例中提供一种表面通道型混频肖特基二极管的三维电磁仿真模型建模方法，建模步骤及使用方法如下：

步骤1：根据表面通道型平面二极管技术的肖特基二极管经典物理构成模型，并对比电子显微镜得到的表面通道型平面二极管真实结构图片建立二极管层次结构物理模型；一般由下到上分为GaAs基片(用于制作二极管Wafer)、GaAs衬底、n++型GaAs缓冲层、n型GaAs耗尽层、SiO2层、金属焊盘、金属阳极；

步骤2：根据二极管实际装配工艺在三维模型仿真软件中模拟安装二极管于传输线上，本发明中使用电磁场仿真软件HFSS建立二极管模型并采取反向倒贴的安装方式把二极管固定于悬置微带线上；用于太赫兹谐波混频的肖特基二级管常使用反向对管形式封装，所以本实施例同样采用该二极管模型，安装模型一般包括介质基板、金属线、二极管及其封装的三维模型和二极管与传输线之间模拟导电胶的金属块；

步骤3：根据传输线和二极管结构设置各波端口，本发明中使用悬置微带线结构传输线和反向并联封装结构平面肖特基二极管，传输线端口设置如图1所示，两端各有一个端口；单个二极管管芯阴极与阳极端口如图2(a)、2(b)所示，由于反向对管有两个管芯，所以两个管芯波端口要分别设置；由于二极管模型在HFSS三维场仿真软件中不能模拟非线性变化，所以建立二极管波端口时使用PEC材料代替二极管中的高参杂砷化镓层材料，并直接与阳极探针接触形成金属连接；阳极波端口放置在阳极结所在平面，即原高参杂砷化镓层与阳极探针接触表面，波端口封闭并环绕阳极探针，波端口外径略大于内径；阴极波端口与阳极波端口处于同一平面，根据二极管具体形状，选取一段最临近二极管阳极探针的欧姆接触面(金属焊盘与n++GaAs缓冲层接触面)边沿，使用紧贴这段边沿的细长条带来模拟二极管阴极波端口，如图2(a)、2(b)所示的半圆弧状长条带即为二极管阴极波端口；

波端口电场设置为以下两种方式之一：(1)阳极波端口电场方向由内径指向外径，阴极波端口电场方向由波端口外边沿(远离姆接触面的边沿)指向波端口内边沿(紧贴欧姆接触面的)，如图3中箭头所示；(2)阳极波端口电场方向由外径指向内径，阴极波端口电场方向由波端口内边沿指向波端口外边沿；

步骤4：把步骤3中设置好的模型参数与电路仿真参数结合得到整体电路相关结果，本发明中使用电磁场仿真软件ADS与第三步中HFSS仿真得到的结果相关联，如图4所示建立仿真电路图，其中ADS中二极管SPICE参数模型的阳极和阴极与HFSS三维模型中的各二极管阳极和阴极一一对应；此时在电路仿真结构中，包含二极管的这一段传输线对外显示为两个端口，且内部电路符合实际。

实施例2与实施例3分别对不同的结构表面通道型混频肖特基二极管采用实施例1中相同建模方法建立三维电磁仿真模型，其二极管结构及其波端口设置分别如图5(a)、5(b)、图6(a)、6(b)所示。需要说明的是：对比实施例1和实施例2可知，针对两种不同结构的二极管，所以本发明提供建模方法中二极管阳极及阴极波端口设置的形状和位置随二极管结构的不同可以进行修正；对比实施例2和实施例3可知，针对相同结构二极管，其阴极波端口可以设置为不同大小、形状，所以本发明提供建模方法中二极管阴极波端口的大小及形状具有一定可选范围，但需包含距离阳极探针最近的一段欧姆接触边沿。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.表面通道型混频肖特基二极管三维电磁仿真模型建模方法，包括以下步骤：

步骤1.根据表面通道型平面二极管技术的肖特基二极管经典物理构成模型，并对比真实表面通道型平面二极管结构建立二极管层次结构物理模型；

步骤2.根据二极管装配工艺在三维模型仿真软件中模拟安装二极管于传输线上，采用电磁场仿真软件HFSS建立二极管模型并采取反向倒贴的安装方式将二极管固定于悬置微带线上，形成反向并联封装结构平面肖特基二极管模型；

步骤3.根据传输线和二极管结构设置各波端口，在反向并联封装结构平面肖特基二极管模型两端分别设置传输线端口，并分别设置反向并联封装结构平面肖特基二极管中两个管芯的波端口，每个管芯波端口设置为：阳极波端口设置于阳极结所在平面，波端口封闭并环绕阳极探针，阴极波端口与阳极波端口设置于同一平面，根据二极管形状，选取与二极管阳极探针相邻的欧姆接触面边沿，采用紧贴该边沿的长条带模拟二极管阴极波端口；波端口电场设置为：

阳极波端口电场方向由内径指向外径，阴极波端口电场方向由波端口外边沿指向波端口内边沿；或者，阳极波端口电场方向由外径指向内径，阴极波端口电场方向由波端口内边沿指向波端口外边沿；

步骤4.将步骤3设置好的模型参数与电路仿真参数结合得到三维电磁仿真模型，采用电磁场仿真软件ADS与步骤3中三维模型相关联，其中，ADS中二极管SPICE参数模型的阳极和阴极与三维模型中的各二极管阳极和阴极一一对应。