CN106021670B - 一种毫米波fet的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种毫米波FET的建模方法，包括步骤：将毫米波FET划分为无源结构区的输入电极和输出电极，以及有源结构区的栅源漏电极；将有源结构区沿栅宽方向等分为若干一级子单元；计算多端口网络的输入电极S参数、输出电极S参数以及若干一级子单元S参数；将一级子单元等分为与栅指数目相等份数的二级子单元，计算二级子单元的本征参数；基于多端口网络的输入电极S参数、输出电极S参数、若干一级子单元S参数以及二级子单元的本征参数，以矩阵级联方式连接得到毫米波FET的模型。通过上述方式，本发明能够模拟毫米波信号在FET电极中传播时的行波效应的影响，模型精度更高，可用于频率外推，预测器件在更高频率的性能。

Description

一种毫米波FET的建模方法
技术领域
本发明涉及晶体管器件的建模技术领域，特别是涉及一种毫米波FET的建模方法。
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将显得越来越重要，这不仅可以提高电路设计的准确性，减少工艺反复，而且可以降低产品成本，缩短研制周期。
随着场效应晶体管(FET)的特征尺寸减小，其工作频率进入毫米波甚至太赫兹频段，对应的工作波长仅为亚毫米甚至微米量级，此时FET的单指栅宽以及输入输出电极的尺寸已经可以和工作波长相比拟，必须考虑信号传输时的衰减、相位延迟等行波效应的影响。另外，随着器件工作频率的升高，FET输入输出电极以及有源结构区栅源漏电极的寄生效应对器件性能的影响越来越大，在FET建模过程中也不可忽略。传统的等效电路模型采用集中参数网络来模拟FET的外部寄生参数和本征参数，并没有考虑信号在FET电极中传输时的行波效应的影响；而且在毫米波频段，FET的外部寄生参数并不能再等效为简单的寄生电阻、寄生电容和寄生电感组成的寄生参数网络，否则模型在拟合器件高频段的特性时，一些参数将偏离其实际合理的区间范围，从而又导致模型在低频段时精度不能满足要求；若增加寄生参数网络的复杂度来模拟FET的毫米波特性，又将使得参数的提取更加困难。因此，当FET工作频率进入毫米波太赫兹频段后，传统的等效电路模型会产生较大的误差。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种毫米波FET的建模方法，能够模拟毫米波信号在FET电极中传输时的行波效应，同时可以更精确的模拟FET电极的寄生效应影响，从而提高毫米波FET模型的准确度。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种毫米波FET的建模方法，所述方法包括：
将毫米波FET划分为无源结构区和有源结构区，其中所述无源结构区包括输入电极和输出电极，所述有源结构区为输入电极和输出电极之间的器件区域；
将毫米波FET的有源结构区沿栅宽方向等分为若干一级子单元，使得每个所述一级子单元的栅宽小于或等于毫米波FET的工作波长的1/20；
分别计算所述毫米波FET多端口网络的输入电极S参数、输出电极S参数以及所述若干一级子单元的S参数，以下将多端口网络的S参数简称为S参数；
将每个所述一级子单元等分为与所述毫米波FET的栅指数目相等的份数，得到若干二级子单元，计算每个二级子单元的本征参数；
将所述输入电极S参数、所述若干一级子单元S参数以及所述输出电极S参数以矩阵级联方式依序连接得到毫米波FET的模型，其中每两个级联端口之间连接有一个二级子单元本征参数网络。
其中，计算每个二级子单元的本征参数的步骤进一步包括：
对所述毫米波FET的测试电路结构作去嵌处理，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；
根据所述毫米波FET的具体类型选取小信号等效电路拓扑；
在低频段，从所述等效电路拓扑中提取所述毫米波FET的外部寄生参数；
基于所述毫米波FET的外部寄生参数，采用矩阵变换方法，计算得到低频段的所述毫米波FET的本征导纳矩阵，进一步提取所述毫米波FET的本征参数；
基于所述毫米波FET的本征参数和矩阵并联理论，计算得到每个所述二级子单元的本征参数。
计算所述毫米波FET的电极S参数的步骤具体为：采用三维电磁场模拟的方法，分别模拟信号在毫米波FET的输入电极、输出电极以及有源结构区的若干一级子单元的传输特性，计算得到输入电极的传输特性S参数、输出电极的传输特性S参数以及一级子单元的传输特性S参数。
其中，所述毫米波FET的具体类型包括GaAs pHEMT、GaN HEMT以及InP HEMT。
优选地，上述建模方法进一步包括：对所述毫米波FET进行在片测试得到器件的S参数，在电路仿真软件中嵌入建模得到的毫米波FET的模型进行仿真模拟，将在片测试结果和仿真模拟结果进行对比，判断建模得到的毫米波FET模型的精度。
优选地，所述毫米波FET为GaAs pHEMT，栅长为0.1μm、栅宽75μm、栅指数目为2。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
1)通过将FET的有源结构区划分为若干栅宽远小于其工作波长的子单元，使得行波效应在每个子单元中可以忽略，进而可以模拟毫米波信号在FET电极中传播时的行波效应的影响，因此该方法建立的模型精度更高，并且所建立的模型可用于频率外推，预测器件在更高频率的性能；
2)采用三维电磁场仿真的方法，可以更精确模拟电极寄生效应的影响，如接地通孔、电极间的耦合、金属损耗等，而且避免了复杂的寄生参数提取；
3)该方法建立的模型还可用于FET的尺寸扩展，在建立的单个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FET性能。
附图说明
图1为本发明实施例的一种毫米波FET的建模方法的流程示意图；
图2为本发明实例的一种毫米波FET的输入电极传输特性S参数文件示意图；
图3为本发明实例的一种毫米波FET的输出电极传输特性S参数文件示意图；
图4为本发明实例的一种毫米波FET的有源结构区的一级子单元传输特性S参数文件示意图；
图5为本发明实施例的GaAs pHEMT的本征参数等效电路模型拓扑；
图6为本发明实例的一种毫米波FET的有源结构区的二级子单元的本征参数网络符号示意图；
图7为本发明实例的一种毫米波FET的模型内部的连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种毫米波FET的建模方法，本方法实施例的流程示意图如图1所示，该实施例的技术方案适用于毫米波及更高频率的场效应晶体管的建模。该建模方法包括以下步骤：
步骤S1：将毫米波FET划分为无源结构区和有源结构区两部分，其中无源结构区包括输入电极和输出电极，所述输入电极和输出电极包括输入输出金丝、测试焊盘、源极接地通孔以及栅指间连接传输线，有源结构区为输入电极和输出电极之间器件区域，是器件工作的本征区域，包括栅源漏电极；
步骤S2：将毫米波FET的有源结构区沿栅宽方向等分为若干一级子单元。
为模拟毫米波信号在毫米波FET电极中传输时的行波效应的影响，本发明公开的方法是将毫米波FET的有源结构区沿栅宽方向等分为N个小尺寸的一级子单元，分别对每个小尺寸的一级子单元进行建模。理论上，单元个数N的值越大，建立的模型越能模拟行波效应的影响，但模型的复杂度也越高；一般情况，当小尺寸单元的栅宽Ws＝W/N远小于信号工作波长λg时，可以认为行波效应在每个单元中可以忽略，模型的精度可以满足应用要求，并且继续增大N对模型精度的提升也不再明显，其中W表示毫米波FET的栅宽。
优选的，本发明实例中，以栅长为0.1μm、栅宽75μm、栅指数目为2的GaAs pHEMT场效应晶体管为例，其工作频率一般可以至100GHz，对应的信号工作波长λg约为800μm，已经达到了与晶体管单指栅宽相比拟的长度，因此，行波效应的影响不可忽略。优选的，选取等分单元的个数N＝3，使得小尺寸一级子单元的栅宽Ws远小于毫米波FET的工作波长，此时如果继续增大N，模型精度的提升不再明显，而且模型的复杂度将大幅提高。
步骤S3：采用三维电磁场模拟的方法计算信号在毫米波FET电极中的传输特性。
本步骤中，采用三维电磁仿真软件(如HFSS、CST等)，分别模拟FET的输入电极、输出电极以及有源结构区的栅源漏电极上的毫米波信号传输特性。这种采用三维电磁场模拟计算的方法相比于传统等效电路模型中的外部寄生参数表示方法，可以更精确模拟电极寄生效应的影响，如接地通孔、电极间的耦合、金属损耗等，而且避免了复杂的寄生参数提取流程。
优选的，以GaAs pHEMT器件为例，所述FET的输入电极和输出电极为除去FET有源结构区以外的无源结构，包括输入输出金丝、测试焊盘、源极接地通孔、栅指间连接传输线等。通过三维电磁场模拟计算，可以分别得到输入电极和输出电极的(K+1)端口S参数。图2和图3分别为本发明实例的毫米波FET的输入电极和输出电极的(K+1)端口S参数的文件符号示意图。
取所述FET有源结构区的栅源漏电极的整个栅宽的1/N长度，即对上述一级子单元进行三维电磁场模拟计算，得到一个2*K端口S参数文件，其符号示意图如图4所示。
步骤S4：在低频段建立毫米波FET的等效电路模型，提取二级子单元的本征参数。
本步骤中，将提取二级子单元的本征参数，为步骤S5建立毫米波FET的模型做准备。
FET的本征参数可认为不随频率变化，因此，本发明公开的方法是在低频段建立FET的等效电路模型，提取模型整体的本征参数，然后根据矩阵级联理论，得到每个二级子单元的本征参数。
优选的，所述二级子单元的本征参数的提取流程可以包括以下步骤：
步骤S41：对毫米波FET的测试电路结构做去嵌入处理。
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，测得的数据包含了测试结构的影响；为了得到实际毫米波FET自身的性能参数，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S42：根据毫米波FET的具体类型选取小信号等效电路拓扑。
优选的，所述毫米波晶体管的类型包括GaAs pHEMT、GaN HEMT、InP HEMT等；每种类型的FET对应的等效电路拓扑和参数表达式略有区别。
优选的，以GaAs pHEMT器件为实例，选取含18个参数的小信号等效电路拓扑，其中有9个寄生参数和9个本征参数。9个寄生参数为FET常规的寄生参数网络，包括栅极、漏极和源极的寄生电感、电容和电阻。毫米波FET的本征参数网络的等效电路如图5所示，其中Crf用来模拟FET的RF和DC的色散效应。
步骤S43：从上述等效电路拓扑中提取低频段的毫米波FET的外部寄生参数。
本步骤中，根据步骤S42中确定的等效电路拓扑，采用常规的cold-FET测试方法，在低频段提取晶体管的外部寄生参数，此时可以忽略行波效应的影响。
优选的，以GaAs pHEMT器件为实例，在0.1～20GHz频率范围内提取毫米波FET的外部寄生参数。
步骤S44：在低频段提取毫米波FET的本征参数。
本步骤中，对毫米波FET进行hot-FET测试，并根据步骤S43中提取的外部寄生参数值，采用矩阵变换理论，得到其本征导纳参数矩阵[Yij]，其中各个导纳参数与FET的本征参数的关系如下式：
根据得到的本征导纳参数矩阵，进一步得到毫米波FET小信号等效电路模型中的本征参数，所述FET的本征参数在模型工作频率范围内可以认为是不随频率变化的。
步骤S45：在一级子单元的基础上划分二级子单元，计算二级子单元的本征参数。
优选的，在不考虑外部寄生参数的情况下，将FET的本征部分视为N个小尺寸的一级子单元的并联，根据矩阵并联理论，可以得到每个一级子单元的本征参数；由于本实施例的步骤5建立毫米波FET模型时需要每根栅指对应的有源单元的本征参数，因此需要将N个小尺寸的一级子单元再等分为K份得到K*N个二级子单元，其中K表示毫米波FET的栅指数目，本实施例中取K＝2；因此，最终K*N个二级子单元的本征参数与毫米波FET的各个本征参数的关系如表1所示，可以根据步骤S44得到的毫米波FET的各个本征参数进一步计算得到每个二级子单元的本征参数，二级子单元的本征参数网络符号示意图如图6所示。
表1二级子单元与毫米波FET的本征参数关系
毫米波FET本征参数 二级子单元本征参数
Cgs Cgs/(N*K)
Cgd Cgd/(N*K)
Cds Cds/(N*K)
Crf Crf/(N*K)
Rds Rds*N*K
Ri Ri*N*K
Rgd Rgd*N*K
gm gm/(N*K)
τ τ
步骤S5：建立毫米波FET的模型。
本步骤中，将步骤S3得到的K*N个二级子单元的本征参数网络和步骤S4得到的FET电极传输特性S参数文件，按照端口对应关系进行连接，最终得到毫米波FET的整体模型，其中K＝2、N＝3时对应的连接方式如图7所示。该模型考虑了毫米波信号在FET电极中传输时的行波效应的的影响，同时采用三维电磁场计算的方法更精确的模拟了电极间的寄生效应，可以用来模拟FET在毫米波甚至更高频段的器件特性。
可选的，步骤S6：将建立的毫米波FET模型的仿真数据与测试数据进行对比，验证模型的准确性。
本步骤中，对毫米波FET进行小信号在片测试，得到器件的S参数，然后将步骤S1～S5中建立的毫米波FET模型嵌入电路仿真软件(如ADS、AWR等)中进行仿真模拟，对比模型仿真结果与测试结果的吻合程度，来判断模型精度是否满足要求。
可选的，在基于某一尺寸完成毫米波FET建模后，可进行各种FET不同尺寸和不同版图布局的模型扩展。具体方法为，保持上述二级子单元本征参数不变，采用三维电磁场模拟的方法计算新尺寸的FET电极中的传输特性，最后根据步骤5中的连接方法组成新尺寸的FET模型，可用于器件性能预测以及版图优化布局。
由于本发明提供的建模方法精度高，而且能够模拟行波效应的影响，因此，该方法建立的模型可以用于预测FET在测试数据以外的器件性能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种毫米波FET的建模方法，其特征在于，所述方法包括：
将毫米波FET划分为无源结构区和有源结构区，其中所述无源结构区包括输入电极和输出电极，所述有源结构区为输入电极和输出电极之间的器件区域；
将毫米波FET的有源结构区沿栅宽方向等分为若干一级子单元，使得每个所述一级子单元的栅宽小于或等于毫米波FET的工作波长的1/20；
分别计算所述毫米波FET多端口网络的输入电极S参数、输出电极S参数以及所述若干一级子单元的S参数；
将每个所述一级子单元等分为与所述毫米波FET的栅指数目相等的份数，得到若干二级子单元，计算每个二级子单元的本征参数；
将所述多端口网络的输入电极S参数、所述若干一级子单元S参数以及所述输出电极S参数以矩阵级联方式依序连接得到毫米波FET的模型，其中每两个级联端口之间连接有一个二级子单元本征参数网络。
2.根据权利要求1所述的毫米波FET的建模方法，其特征在于，计算每个二级子单元的本征参数的步骤进一步包括：
对所述毫米波FET的测试电路结构作去嵌处理，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；
根据所述毫米波FET的具体类型选取小信号等效电路拓扑；
在低频段，从所述等效电路拓扑中提取所述毫米波FET的外部寄生参数；
基于所述毫米波FET的外部寄生参数，采用矩阵变换方法，计算得到低频段的所述毫米波FET的本征导纳矩阵，进一步提取所述毫米波FET的本征参数；
基于所述毫米波FET的本征参数和矩阵并联理论，计算得到每个所述二级子单元的本征参数。
3.根据权利要求1所述的毫米波FET的建模方法，其特征在于，计算毫米波FET电极的多端口网络的S参数的步骤具体为：采用三维电磁场模拟的方法，分别模拟信号在毫米波FET的输入电极、输出电极以及有源结构区的若干一级子单元的传输特性，计算得到毫米波FET多端口网络的输入电极的传输特性S参数、输出电极的传输特性S参数以及一级子单元的传输特性S参数。
4.根据权利要求2所述的毫米波FET的建模方法，其特征在于，所述毫米波FET的具体类型包括GaAs pHEMT、GaN HEMT以及InP HEMT。
5.根据权利要求1所述的毫米波FET的建模方法，其特征在于，所述建模方法进一步包括：对所述毫米波FET进行在片测试得到器件的多端口网络的S参数，在电路仿真软件中嵌入建模得到的毫米波FET的模型进行仿真模拟，将在片测试结果和仿真模拟结果进行对比，判断建模得到的毫米波FET模型的精度。
6.根据权利要求1所述的毫米波FET的建模方法，其特征在于，所述毫米波FET为GaAspHEMT，栅长为0.1μm、栅宽75μm、栅指数目为2。
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