CN105844059A - 一种微波大功率晶体管建模方法 - Google Patents

一种微波大功率晶体管建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微波大功率晶体管建模方法，包括以下步骤：S1、建立小尺寸单胞晶体管非线性等效电路模型；S2、采用电磁仿真软件模拟大尺寸晶体管无源部分的微波传输特性，得到输入结构的S参数和输出结构的S参数；S3、采用热仿真软件模拟大尺寸晶体管热传输特性，根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络的参数值，得到热电耦合参数网络；S4、将小尺寸单胞晶体管非线性等效电路模型、输入结构的S参数、输出结构的S参数及热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到大尺寸晶体管模型。本发明采用电磁仿真数据来描述大尺寸晶体管的输入输出结构、金丝、隔离电阻等的寄生效应，采用热仿真数据来提取热电耦合参数，模型精度高，参数提取容易。

Description

一种微波大功率晶体管建模方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种微波大功率晶体管建模方法。
背景技术
器件模型在电路设计中起着至关重要的作用，在电路设计和工艺设计之间发挥着桥梁的作用。随着电路工作频率进入微波甚至更高频段，传统的以经验为主的设计方法越来越不能满足电路设计的要求，因而获得精确的器件模型显得越来越重要。拥有精确的器件模型不仅会提高电路设计的准确性，减少工艺反复，而且会降低产品成本，缩短研制周期。
如今，在更高电流和更大功率的应用需求驱使下，半导体晶体管的尺寸在不断的增大，大尺寸晶体管由多个小尺寸单胞晶体管组成。但由于半导体器件测试系统的限制，很难直接获取大尺寸半导体晶体管的完整测试数据，因此不能采用传统的小尺寸晶体管建模方法来直接建立大尺寸晶体管的模型。目前，针对大尺寸晶体管，一般的建模方法是，首先建立其小尺寸单胞晶体管的模型，然后将多个小尺寸单胞晶体管模型以并联的方式得到相应的大尺寸晶体管模型。
然而，对于大尺寸晶体管，由于其功率较大，工作温度较高，因此，大尺寸晶体管建模过程中必须考虑工作温度对器件性能的影响；在小尺寸晶体管建模中，常用“热电耦合模型”来描述这种温度的影响，但在大尺寸晶体管模型中，采用传统基于脉冲测试方法来提取热电耦合参数十分困难，而且不能考虑胞与胞之间的热耦合效应的影响；另外，随着器件工作频率的升高，连接胞与胞之间的传输线、输入输出结构、金丝、隔离电阻等造成的寄生效应对器件性能的影响越来越大，在大尺寸晶体管建模过程中也不可忽略，模型中虽然可以利用寄生参数网络来描述这种寄生效应，但对于多胞大尺寸器件，这些寄生参数值的提取十分困难，而且这种方法的精度也不高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种微波大功率晶体管建模方法，该微波大功率晶体管建模方法可以很好地解决现有技术中大尺寸半导体晶体管建模时，热电耦合参数和寄生参数提取困难、模型精度不高的问题。
为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种微波大功率晶体管建模方法，提供衬底，包括以下步骤：
S1、建立小尺寸单胞晶体管的非线性等效电路模型；
S2、对大尺寸晶体管无源部分的微波传输特性进行电磁仿真，得到输入结构的S参数和输出结构的S参数；
S3、对大尺寸晶体管的热传输特性进行热仿真，并根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络中的参数值，得到热电耦合参数网络；
S4、将小尺寸单胞晶体管的非线性等效电路模型、输入结构的S参数、输出结构的S参数及热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到大尺寸晶体管模型。
与现有技术相比，该微波大功率晶体管建模方法具有的优点如下：
(1)采用电磁仿真数据代替传统的等效电路网络来描述大尺寸晶体管的输入输出结构、金丝、胞间传输线、隔离电阻等的寄生效应，模型精度更高，而且避免了复杂的寄生参数提取；
(2)采用热仿真数据来提取热电耦合参数，提取较容易，而且可以考虑胞与胞之间的热耦合效应的影响；
(3)基于电磁和热仿真数据，在建立的单胞小尺寸器件模型的基础上，可以预测各种尺寸和不同版图布局的大尺寸晶体管性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请一个实施例的流程示意图；
图2为小尺寸单胞晶体管的模型符号示意图；
图3为输入结构S参数和输出结构S参数的结构示意图；
图4为热电耦合参数网络的结构示意图；
图5为热电耦合参数网络内部构成的结构示意图；
图6为大尺寸晶体管模型的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
根据本发明的一个实施例，提供一种微波大功率晶体管建模方法，包括以下步骤：
步骤S1：建立小尺寸单胞晶体管非线性等效电路模型。
本步骤中，采用小尺寸晶体管的建模流程，建立小尺寸单胞晶体管的非线性等效电路模型，图2为本实施例的小尺寸单胞晶体管的模型符号示意图。
优选的，小尺寸单胞晶体管的栅宽一般为1～2mm，它是构成大尺寸晶体管的基本单元；大尺寸晶体管至少由两个小尺寸单胞晶体管组成。
优选的，小尺寸单胞晶体管的建模流程包括以下步骤：
步骤S11：对小尺寸单胞晶体管测试结构做去嵌入处理。
由于在片测试时，校准通常仅能将测试参考面移动到射频探针端面，此时测得的数据包含了测试结构的影响。为了得到实际小尺寸单胞晶体管的性能参数，需要对测试结构做去嵌入处理。常用的去嵌入处理是采用开路结构和短路结构的方法，利用开路结构消除并联电容的影响，利用短路结构消除串联电感和电阻的影响。
步骤S12：根据小尺寸单胞晶体管的晶体管类型选取合适的晶体管等效电路拓扑。
优选的，晶体管的类型包括双极晶体管，如BJT、HBT，和场效应晶体管，如MOSFET、MESFET、HEMT等；晶体管的材料包括GaAs、GaN等；每种类型的晶体管对应的等效电路拓扑和参数表达式均不同。
步骤S13：建立小尺寸单胞晶体管多偏置点下的小信号等效电路模型。
本步骤中，根据步骤S12中确定的晶体管等效电路，采用常规的cold-FET和hot-FET测试方法，在多个偏置条件下，提取小信号等效电路模型中的外部寄生参数和本征参数，这些参数在模型工作频率范围内可以认为是不随频率变化的量，而且外部寄生参数也认为不随偏置条件而变化，而本征参数随偏置条件变化，为下一步骤建立非线性模型做准备。
步骤S14：建立小尺寸单胞晶体管的非线性等效电路模型。
为了模拟晶体管的非线性特性，如增益压缩、效率、谐波等，需建立晶体管的非线性模型。本步骤中，根据步骤S13中提取的本征参数随偏置变化的数值，并结合I-V、C-V的测试数据，可以建立小尺寸晶体管的非线性等效电路模型。
优选的，以GaN HEMT晶体管为例，非线性等效电路模型中最重要的两个非线性参量为漏极非线性电流Ids和栅极非线性电荷Qg，描述这两个非线性参量的模型公式很多，比较常用的如EE-HEMT模型和Angelov模型及基于它们的改进形式。
优选的，非线性等效电路模型的模型参数需包含其与晶体管工作结温Tj的关系，从而使得最终的大尺寸晶体管模型能够描述热效应的影响。
步骤S15：对建立的小尺寸单胞晶体管非线性等效电路模型进行验证。
本步骤中，对小尺寸单胞晶体管进行负载牵引测试，测量其增益、输出功率、效率等性能；同时，将步骤S14中建立的小尺寸单胞晶体管非线性等效电路模型嵌入电路仿真软件(如ADS、AWR等)中进行仿真模拟；通过对比测试数据和模型仿真数据的吻合程度，对建立的小尺寸晶体管非线性等效电路模型进行验证。
步骤S2：对大尺寸晶体管无源部分的微波传输特性进行电磁仿真，得到输入结构的S参数和输出结构的S参数。
本步骤中，采用电磁仿真软件(如HFSS、CST等)，分别模拟大尺寸晶体管的输入和输出无源部分的微波信号传输特性，可以得到两个2*n端口的S参数，分别为输入结构的S参数和输出结构的S参数，其中n是指大尺寸晶体管所包含的单胞数目；图3(a)为本发明实施例的大尺寸晶体管输入无源部分的2*n端口S参数文件符号示意图，图3(b)为输出无源部分的2*n端口S参数文件符号示意图。
优选的，以GaN HEMT晶体管为例，大尺寸晶体管的输入和输出无源部分为除去小尺寸单胞晶体管器件版图以外的无源结构，包括输入输出金丝、测试焊盘、源极接地通孔、胞间连接传输线、胞间隔离电阻等。
步骤S3：对大尺寸晶体管的热传输特性进行热仿真，并根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络中的参数值，得到热电耦合参数网络。
本步骤中，采用热仿真软件(如Ansys、Flotherm等)，模拟大尺寸晶体管的热传输特性，得到每个单胞晶体管的工作温度Tjn与耗散功率Pn的关系，以及工作温度Tjn与环境温度Tc的关系；采用这种软件模拟的方法，可以考虑胞与胞之间的热耦合效应的影响。
优选的，在大尺寸晶体管模型中，采用热电耦合参数网络来描述这种多胞大尺寸晶体管的热电耦合效应，如图4所示，为本发明实施例的大尺寸晶体管热电耦合参数网络的示意图；该热电耦合参数网络的左边一列为该网络的输入Pn，表示各个单胞晶体管的功耗，右边一列为该网络的输出Tjn，表示各个单胞晶体管的工作结温，这样就可以与步骤1中建立的小尺寸单胞晶体管的非线性模型对应起来。
优选的，热电耦合参数网络由多个并联的热阻Rt和热容Ct构成，如图5所示，其中Rtsnm和Ctsnm代表小尺寸单胞晶体管自身的热阻和热容，而Rtpnm和Ctpnm代表胞与胞之间的热耦合效应引起的热阻和热容；下标n代表单胞的个数，下标m代表并联的Rtsnm和Ctsnm的数目，m越大，模型的精度越高，但同时提取难度也越大，一般的，m取1～3。
优选的，在热电耦合参数提取过程中，可以采用稳态的热仿真数据来提取热阻Rt的值，采用瞬态的仿真数据来提取热容Ct的值；在一定功耗条件下，从热稳态仿真得到的各胞工作温度来看，一般中间的单胞晶体管工作温度最高，往两边逐渐降低，这是由于胞之间的热耦合效应造成的。
步骤S4：将小尺寸单胞晶体管的非线性等效电路模型、输入结构的S参数、输出结构的S参数及热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到大尺寸晶体管模型。
本步骤中，将步骤S1得到的小尺寸单胞晶体管非线性等效电路模型、步骤S2得到的大尺寸晶体管输入输出无源部分2*n端口S参数，以及步骤S3得到的大尺寸晶体管热电耦合参数网络，按照端口对应关系进行连接，最终得到大尺寸晶体管的整体模型，其连接方式如图6所示；该模型考虑了高工作频率时大尺寸晶体管输入输出无源部分引入的寄生效应的影响，同时考虑了小尺寸单胞晶体管自身以及胞与胞之间热效应的影响，可以用来模拟大尺寸晶体管在微波甚至更高频段的小信号和非线性特性。
步骤S5：将步骤S4得到的大尺寸晶体管模型仿真数据与测试数据进行对比，验证模型的准确性。
同步骤S15一样，需要对建立的大尺寸晶体管模型进行验证；本步骤中，对大尺寸晶体管进行负载牵引测试，测量其增益、输出功率、效率等性能，但由于大尺寸晶体管输出功率较大，很难直接进行在片测量，因此需要将其装入测试夹具后进行测量，并需要对测试夹具做去嵌入处理；同时，将步骤S4中建立的大尺寸晶体管整体模型嵌入电路仿真软件(如ADS、AWR等)中进行仿真模拟，最后通过对比测试数据和模型仿真数据的吻合程度，对建立的大尺寸晶体管整体模型进行验证。
以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

Claims (8)

1.一种微波大功率晶体管建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立小尺寸单胞晶体管的非线性等效电路模型；
S2、对大尺寸晶体管无源部分的微波传输特性进行电磁仿真，得到输入结构的S参数和输出结构的S参数；
S3、对大尺寸晶体管的热传输特性进行热仿真，并根据热仿真数据，提取热电耦合参数网络中的参数值，得到热电耦合参数网络；
S4、将所述小尺寸单胞晶体管的非线性等效电路模型、输入结构的S参数、输出结构的S参数及热电耦合参数网络按照端口对应关系进行连接，得到大尺寸晶体管模型。
2.根据权利要求1所述的微波大功率晶体管建模方法，其特征在于，还包括步骤S5：对步骤S4中得到的大尺寸晶体管模型进行仿真模拟，并对大尺寸晶体管进行负载牵引测试，将仿真模拟的数据与负载牵引测试的数据进行对比，验证模型的准确性。
3.根据权利要求1所述的微波大功率晶体管建模方法，其特征在于，所述步骤S1具有包括：
步骤S11：对小尺寸单胞晶体管测试结构做去嵌入处理；
步骤S12：根据所述小尺寸单胞晶体管的晶体管类型选取合适的晶体管等效电路拓扑；
步骤S13：根据所述等效电路拓扑，建立小尺寸单胞晶体管多偏置点下的小信号等效电路模型；
步骤S14：根据所述小信号等效电路模型，建立小尺寸单胞晶体管的非线性等效电路模型。
4.根据权利要求1所述的微波大功率晶体管建模方法，其特征在于，所述步骤S11中去嵌入处理采用开路结构方法和短路结构方法，利用开路结构消除并联电容的影响，利用短路结构消除串联电感和电阻的影响。
5.根据权利要求1所述的微波大功率晶体管建模方法，其特征在于，所述步骤S1还包括步骤S15：对步骤S14中得到的非线性等效电路模型进行仿真模拟，并对小尺寸单胞晶体管进行负载牵引测试，将仿真模拟的数据与负载牵引测试的数据进行对比，验证模型的准确性。
6.根据权利要求1所述的微波大功率晶体管建模方法，其特征在于，所述步骤S3中的热仿真数据为每个小尺寸单胞晶体管的工作温度与耗散功率的关系以及工作温度与环境温度的关系。
7.根据权利要求6所述的微波大功率晶体管建模方法，其特征在于，所述步骤S3中的热电参数网络由多个并联的热阻和热容构成。
8.根据权利要求7所述的微波大功率晶体管建模方法，其特征在于，所述步骤S3中提取热电耦合参数网络中的参数值时，采用稳态的热仿真数据提取热阻的值，采用瞬态的仿真数据提取热容的值。
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