CN106354951A - 一种超宽带氮化镓器件小信号模型及其参数提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带氮化镓器件小信号模型及其参数提取方法，该小信号模型在栅、源、漏端分别采用三个互联电容和级联电感网络结构形式，包括18个寄生参数和10个本征参数；寄生参数包括外层寄生电容Cpgi1、Cpdi1、Cgdi1等，寄生电感Lgi1、Ldi1、Lsi1等，寄生电阻Rg、Rd、Rs；本征参数包括本征电容Cgd、Cgs、Cds，本征电阻Rgs、Rgd、Rds，本征电流源Ids＝ViGme‑jωta中的参量Gm及ta。该模型可以准确描述高频器件特性，从而使得模型具有更宽的应用频带，最高能够适用于W频段；该参数提取方法可以实现模型参数在0.2‑110GHz的频率范围内具有良好稳定性。

Description

一种超宽带氮化镓器件小信号模型及其参数提取方法
技术领域
本发明涉及微波器件技术领域，特别是涉及一种超宽带氮化镓器件小信号模型及其参数提取方法。
背景技术
氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)由于其高频、高功率等特性，在微波电路中的应用日益广泛。由于GaN HEMT需工作于高温、高功率条件下，因此大信号等效电路模型是使用GaN HEMT进行微波电路设计的基础。在自下而上(bottomup)的建模方法中，准确的小信号模型是建立大信号模型的前提，因此小信号模型是器件建模过程中的重要环节。由于GaN HEMT器件工作机理不同，因此第一代半导体(硅)和第二代半导体(砷化镓、磷化铟等)器件的小信号模型并不能直接应用于GaN HEMT器件。
参见图1所示，Jarndal等人提出一种小信号等效电路模型，该模型较准确的描述了0.2GHZ-60GHz GaN HEMT小信号特性。该小信号模型包括22个元素，其中有12个寄生参数：Cpgi、Cpdi、Cgdi、Cpga、Cpda、Cgda、Lg、Ld、Ls、Rg、Rd、Rs，10个本征参数：Cgd、Cgs、Cds、Rgs、Rgd、Rds、Gm、Ggsf、Ggdf。其中Cpga、Cpda、Cgda描述了由金属PAD引起的寄生电容，Cpgi、Cpdi、Cgdi、Lg、Ld、Ls描述了由栅、漏、源金属电极引起的寄生电容和寄生电感，Rd、Rs描述了金属电极和半导体之间的欧姆接触和沟道电阻，Rg描述了金属肖特基势垒寄生电阻，可以看出该小信号等效电路模型充分考虑了HEMT器件物理结构特性，同时兼顾了器件电学特性，该小信号等效电路模型在描述低频频段能较好的拟合实测数据，该小信号等效电路模型的缺点就是，采用的分布网络太简单，无法应用于更高频段。
Nguyen等人使用的模型如图2，该小信号模型是由18个元素组成，其中有12个寄生参数：Cpgi、Cpdi、Cpgdi、Cpga、Cpda、Cpgda、Lg、Ld、Ls、Rg、Rd、Rs，6个本征参数：Cgd、Cgs、Cds、Ri、gm、gs。其中Cpga、Cpda、Cgda描述了由金属PAD引起的寄生电容，Cpgi、Cpdi、Cgdi、Lg、Ld、Ls描述了由栅、漏、源金属电极引起的寄生电容和寄生电感，Rd、Rs描述了金属电极和半导体之间的欧姆接触和沟道电阻，Rg描述了金属肖特基势垒电阻，该等效电路模型设计者将其应用到W波段，提出了一种较为合理参数提取方法，即完全去除过度结构共面波导(CPW)的影响，仅在HEMT零偏和夹断情况下提取寄生参数，不需要任何优化算法即可得到所有寄生参数，但是在描述小信号特性时没有很好的解决器件的分布效应，进而在描述W频段HEMT小信号S参数时得到的误差较大。
综上所述，Jarndal等人提出的小信号等效电路模型，由于寄生参数网络过于简单不适合用于W频段，Nguyen等人提出的等效电路模型应用到，侧重在剥离测试时共面波导影响，对器件的高频效应仍采用较为简单的寄生参数网络因此精度差，即现有技术中的氮化镓高电子迁移率晶体管小信号电路模型存在不适用于W波段的技术缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种超宽带氮化镓器件小信号模型，以解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种超宽带氮化镓器件小信号模型，该小信号模型在栅、源、漏端分别采用三个互联式电容-和级联电感网络结构形式，包括18个寄生参数和10个本征参数；
寄生参数包括第一至第九外层寄生电容Cpgi1、Cpdi1、Cgdi1、Cpgi2、Cpdi2、Cgdi2、Cpga、Cpda、Cgda，第一至第六寄生电感Lgi1、Ldi1、Lsi1、Lgi2、Ldi2、Lsi2，第一至第三寄生电阻Rg、Rd、Rs；
本征参数包括第一至第三本征电容Cgd、Cgs、Cds，第一至第三本征电阻Rgs、Rgd、Rds，本征电流源Ids＝ViGme-jωta中的参量Gm及ta；
第一外层寄生电容Cpgi1和第四外层寄生电容Cpgi2用于描述栅极金属与金属基板之间的寄生电容效应；
第二外层寄生电容Cpdi1和第五外层寄生电容Cpdi2用于描述漏极金属与金属基板之间的寄生电容效应；
第三外层寄生电容Cgdi1和第六外层寄生电容Cgdi2用于描述栅极金属与漏极金属之间的寄生电容效应；
第七外层寄生电容Cpga用于描述栅极PAD与金属基板之间的寄生电容效应，第八外层寄生电容Cpda用于描述栅极PAD与金属基板之间的寄生电容效应，第九外层寄生电容Cgda用于描述栅极PAD与漏极金属PAD之间的寄生电容效应。
其中，第一寄生电感Lgi1和第四寄生电感Lgi2用于描述栅极金属自身寄生电感效应，第二寄生电感Ldi1和第五寄生电感Ldi2用于描述漏极金属自身寄生电感效应，第三寄生电感Lsi1和第六寄生电感Lsi2用于描述源极金属自身寄生电感效应。
其中，第二寄生电阻Rd和第三寄生电阻Rs分别用于描述漏极金属和源极金属与半导体之间的金属欧姆接触寄生电阻、接入沟道电阻和金属电极寄生电阻之和；
第一寄生电阻Rg用于描述金属肖特基势垒电阻和栅极金属寄生电阻之和。
其中，第一本征电容Cgd、第二本征电容Cgs和第三本征电容Cds分别用于描述在射频信号下有源层中栅漏电容、栅源电容、漏源电容；
第一本征电阻Rgs用于描述在射频信号下有源层中栅源电阻，第二本征电阻Rgd用于描述在射频信号下有源层中栅漏电阻，第三本征电阻Rds用于描述在有源层中沟道电阻；
Gm用于描述漏源之间的跨导，ta用于描述沟道延迟。
本发明还提供一种超宽带氮化镓器件小信号模型参数提取方法，针对如前所述的超宽带氮化镓器件小信号模型进行提取，包括步骤：
步骤A，判断“冷管”是处于夹断偏置条件下还是前向偏置条件下，夹断偏置则执行步骤B，前向偏置条件下则执行步骤C；
步骤B，在低频频段提取出电容参数；结合低频频段提取出的电容参数，确定电感参数；
步骤C，依次去除外层电容电感参量，进而确定电阻参数。
其中，步骤B包括步骤：
步骤B1，对寄生电容进行估值，并设置初值；
步骤B2，去除外层金属PAD电容，依次分层提取出各层寄生电感和寄生电容，确定该偏置条件下寄生电阻；
步骤B3，计算仿真S参数与实测S参数的误差，并建立误差数据向量；
步骤B4，扫描当前电容值，并判断电容值是否扫描完成，是则进入步骤B5，否，则返回步骤B2；
步骤B5，输出误差最小的寄生电感值和寄生电容值的初值。
其中，步骤C包括步骤：
步骤C1，根据误差最小的寄生电感值和寄生电容值的初值，去除寄生电感值和寄生电容值，确定寄生电阻值；
步骤C2，输出所有寄生参数值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种超宽带氮化镓器件小信号模型及其参数提取方法，该模型设置了18个寄生参数和10个本征参数，在器件源、栅、漏端采用分布式LC级联网络描述高频寄生效应，可以准确描述高频器件特性，从而使得模型具有更宽的应用频带，能够适用于W频段；该参数提取方法在寄生参数提取过程结合了“冷管”夹断偏置条件和“冷管”前向偏置条件下，采用分频段对应的寄生参数网络分层依次准确地提取寄生参数，比较简单，便于操作，可以实现模型参数在0.2-110GHz的频率范围内具有良好稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为Jarndal等人提出的22元素小信号等效电路模型的示意图；
图2为Nguyen等人提出的18元素小信号模型示意图；
图3为本发明实施例的一种超宽带氮化镓器件小信号模型的示意图；
图4为本发明实施例的一种超宽带氮化镓器件小信号模型参数提取的技术构思流程图；
图5为本发明实施例的26个元素小信号等效电路模型寄生参数提取方法流程图；
图6a至图6d为不同参数设置下的小信号等效电路模型仿真和实测数据的比较效果图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明的目的是提供一种超宽带氮化镓器件小信号模型。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供的超宽带(0.2GHz-110GHz)氮化镓高电子迁移率晶体管小信号等效电路模型，参见图3所示。
该模型为26元素小信号等效电路模型，由18个寄生参数和10个本征参数组成，所述寄生参数包括第一至第九外层寄生电容Cpgi1、Cpdi1、Cgdi1、Cpgi2、Cpdi2、Cgdi2、Cpga、Cpda、Cgda，第一至第六寄生电感Lgi1、Ldi1、Lsi1、Lgi2、Ldi2、Lsi2，第一至第三寄生电阻Rg、Rd、Rs，所述本征电路包括第一至第三本征电容Cgd、Cgs、Cds，第一至第三本征电阻Rgs、Rgd、Rds，本征电流源Ids＝ViGme-jωta中的参量Gm及ta。其中Vi为Cgs两端的电压。
第一至第九外层寄生电容Cpgi1、Cpdi1、Cgdi1、Cpgi2、Cpdi2、Cgdi2、Cpga、Cpda、Cgda，指的是第一外层寄生电容Cpgi1、第二外层寄生电容Cpdi1、第三外层寄生电容Cgdi1、第四外层寄生电容Cpgi2、第五外层寄生电容Cpdi2、第六外层寄生电容Cgdi2、第七外层寄生电容Cpga、第八外层寄生电容Cpda和第九外层寄生电容Cgda；第一至第六寄生电感、第一至第三寄生电阻、第一至第三本征电容和第一至第三本征电阻与外层寄生电容类似，不再赘述。
其中Cpgi1、Cpgi2描述栅极金属与金属基板之间寄生电容效应，Cpdi1、Cpdi2描述漏极金属与金属基板之间寄生电容效应，Cgdi1、Cgdi2描述栅极金属与漏极金属之间寄生电容效应，Cpga描述栅极PAD与金属基板之间寄生电容效应，Cpda描述栅极PAD与金属基板之间寄生电容效应，Cgda描述栅极PAD与漏极金属PAD之间寄生电容效应，Lgi1、Lgi2描述栅极金属自身寄生电感效应，Ldi1、Ldi2描述漏极金属自身寄生电感效应，Lsi1、Lsi2描述源极金属自身寄生电感效应，电阻Rd、Rs分别描述了漏极金属和源极金属与半导体之间的金属欧姆接触表现出的寄生电阻效应、接入沟道电阻和金属寄生电阻之和，电阻Rg描述了金属肖特基势垒电阻和栅极金属寄生电阻之和。
对于本征参数部分，本征电容Cgd、Cgs、Cds分别描述了在射频信号下有源层中栅漏电容、栅源电容、漏源电容，Rgs描述在射频信号下有源层中栅源电阻，Rgd描述在射频信号下有源层中栅漏电阻，Rds描述在有源层中沟道电阻，Gm描述了漏源之间的跨导，ta描述了沟道延迟。
在图3所示的小信号模型中，本征参数Rgs、Rgd、Rds、Cgd、Cgs、Cds、Gm、ta描述半导体内部特性。由于等效电路模型要用到W频段，为了解决分布参数效应，我们的寄生参数网络采取分层处理，共分为3层，其中最外层描述了金属PAD所带来的寄生参数效应，N＝2层对器件高频特性影响较为明显，N＝1层对器件低频特性影响较为明显分，在这里考虑到金属电阻较小，所以等效电路中的分层寄生参数元件都是用的电抗性集总元件。当电极金属接触到半导体时会有两种情况，一个是半导体重参杂下的欧姆接触，另外一个是相对来说半导体轻参杂下的肖特基势垒。表现在等效电路中就是Rs、Rd、Rg，当然这里的Rs、Rd还包括了接入沟道电阻和金属电极寄生电阻，也就是说Rs、Rd是金属欧姆接触、接入沟道电阻和金属电极寄生电阻之和。电阻Rg描述了金属肖特基势垒电阻和栅极金属寄生电阻之和。
本发明实施例还提供一种超宽带氮化镓器件小信号模型参数提取方法，针对本发明的小信号等效电路模型提出。参数提取技术构思参见图4所示，包括步骤：
步骤S110，判断“冷管”是处于夹断偏置条件下还是前向偏置条件下，夹断偏置则执行步骤S111，前向偏置条件下则执行步骤S113。
步骤S111，在“冷管”夹断偏置条件下，低频频段提取出电容参数。
步骤S112，在“冷管”夹断偏置条件下，结合低频频段提取出的电容参数，确定电感参数。
步骤S113，在“冷管”前向偏置条件下，依次去除外层电容电感参量，进而确定电阻参数。
优选地，作为一种可实施方式，参见图5所示，对于本发明的26元素小信号模型进行寄生参数提取的步骤具体包括：
“冷管”夹断偏置条件下，对寄生电容进行估值，并设置初值；
去除外层金属PAD电容，依次分层提取出各层寄生电感和寄生电容，确定该偏置条件下寄生电阻；
计算仿真S参数与实测S参数的误差，并建立误差数据向量；
扫描当前电容值，并判断电容值是否扫描完成，否，则返回去除外层金属PAD电容的步骤，继续执行去除外层金属PAD电容以及后续步骤；是则根据误差数据向量，输出误差最小的寄生电感值和寄生电容值的初值；
在“冷管”前向偏置条件下，去除寄生电感值和寄生电容值，确定寄生电阻值；
输出所有寄生参数值。
本领域技术人员可以参照上述步骤对应提取本征参数，对于本征参数的提取流程不再赘述。
图6a至图6d为小信号等效电路模型仿真和实测数据的比较效果图，其中图6a中Vgs＝0V,Vds＝20V，图6b中Vgs＝-1V,Vds＝15V，图6c中Vgs＝-1V,Vds＝10V，图6d中Vgs＝-1V,Vds＝5V。从图6a至图6d中可以看到本发明实施例的小信号模型在0.2-110GHz范围内具有高的精度。
本发明提供的超宽带氮化镓器件小信号模型及其参数提取方法，具有如下技术效果：
随着频率的升高，器件的高频寄生效应变得更为明显，该效应可以通过分布式传输线网络准确描述，但是复杂的传输线模型不利于参数提取，因此本发明提出的多级分布式等效电路网络，从而可以简化模型的基础上，具有更高的精度；
本发明提出的按频段依次提取寄生参数的方法，比较简单，便于操作，可以实现模型参数在0.2-110GHz的频率范围内具有良好稳定性；
本发明的小信号等效电路模型拓扑和算法，能够满足工程技术人员较简单的提取参数的要求；
本发明可以通过变换系数，可用于不同结构的器件，适用面广，可移植性好。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种超宽带氮化镓器件小信号模型，其特征在于，该小信号模型在栅、源、漏端分别采用三个互联电容和级联电感网络结构形式，包括18个寄生参数和10个本征参数；
所述寄生参数包括第一至第九外层寄生电容Cpgi1、Cpdi1、Cgdi1、Cpgi2、Cpdi2、Cgdi2、Cpga、Cpda、Cgda，第一至第六寄生电感Lgi1、Ldi1、Lsi1、Lgi2、Ldi2、Lsi2，第一至第三寄生电阻Rg、Rd、Rs；
所述本征参数包括第一至第三本征电容Cgd、Cgs、Cds，第一至第三本征电阻Rgs、Rgd、Rds，本征电流源Ids＝ViGme-jωta中的参量Gm及ta，其中Vi为Cgs两端的电压；
第一外层寄生电容Cpgi1和第四外层寄生电容Cpgi2用于描述栅极金属与金属基板之间的寄生电容效应；
第二外层寄生电容Cpdi1和第五外层寄生电容Cpdi2用于描述漏极金属与金属基板之间的寄生电容效应；
第三外层寄生电容Cgdi1和第六外层寄生电容Cgdi2用于描述栅极金属与漏极金属之间的寄生电容效应；
第七外层寄生电容Cpga用于描述栅极PAD与金属基板之间的寄生电容效应，第八外层寄生电容Cpda用于描述栅极PAD与金属基板之间的寄生电容效应，第九外层寄生电容Cgda用于描述栅极PAD与漏极金属PAD之间的寄生电容效应。
2.根据权利要求1所述的超宽带氮化镓器件小信号模型，其特征在于：
第一寄生电感Lgi1和第四寄生电感Lgi2用于描述栅极金属自身寄生电感效应，第二寄生电感Ldi1和第五寄生电感Ldi2用于描述漏极金属自身寄生电感效应，第三寄生电感Lsi1和第六寄生电感Lsi2用于描述源极金属自身寄生电感效应。
3.根据权利要求2所述的超宽带氮化镓器件小信号模型，其特征在于：
第二寄生电阻Rd和第三寄生电阻Rs分别用于描述漏极金属和源极金属与半导体之间的金属欧姆接触寄生电阻、接入沟道电阻和金属电极寄生电阻之和；
第一寄生电阻Rg用于描述金属肖特基势垒电阻和栅极金属寄生电阻之和。
4.根据权利要求3所述的超宽带氮化镓器件小信号模型，其特征在于：
第一本征电容Cgd、第二本征电容Cgs和第三本征电容Cds分别用于描述在射频信号下有源层中栅漏电容、栅源电容、漏源电容；
第一本征电阻Rgs用于描述在射频信号下有源层中栅源电阻，第二本征电阻Rgd用于描述在射频信号下有源层中栅漏电阻，第三本征电阻Rds用于描述在有源层中沟道电阻；
Gm用于描述漏源之间的跨导，ta用于描述沟道延迟。
5.一种超宽带氮化镓器件小信号模型参数提取方法，其特征在于，针对如权利要求1-4任一项所述的超宽带氮化镓器件小信号模型进行提取，包括步骤：
步骤A，判断“冷管”是处于夹断偏置条件下还是前向偏置条件下，夹断偏置则执行步骤B，前向偏置条件下则执行步骤C；
步骤B，在低频频段提取出电容参数；结合低频频段提取出的电容参数，确定电感参数；
步骤C，依次去除外层电容电感参量，进而确定电阻参数。
6.根据权利要求5所述的一种超宽带氮化镓器件小信号模型参数提取方法，其特征在于，所述步骤B包括步骤：
步骤B1，对寄生电容进行估值，并设置初值；
步骤B2，去除外层金属PAD电容，依次分层提取出各层寄生电感和寄生电容，确定该偏置条件下寄生电阻；
步骤B3，计算仿真S参数与实测S参数的误差，并建立误差数据向量；
步骤B4，扫描当前电容值，并判断电容值是否扫描完成，是则进入步骤B5，否，则返回步骤B2；
步骤B5，输出误差最小的寄生电感值和寄生电容值的初值。
7.根据权利要求6所述的一种超宽带氮化镓器件小信号模型参数提取方法，其特征在于，所述步骤C包括步骤：
步骤C1，根据所述误差最小的寄生电感值和寄生电容值的初值，去除寄生电感值和寄生电容值，确定寄生电阻值；
步骤C2，输出所有寄生参数值。
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