CN107255519B - 一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法 - Google Patents

一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法，涉及GaN HEMT等效电路大信号建模技术领域；包括：将GaN HEMT器件安装到夹具上，夹具安装在红外热像仪上；对GaN HEMT器件施加偏置电压，使GaN HEMT器件产生热功耗；利用红外热像仪对GaN HEMT器件进行稳态温度和瞬态温度热分布的测量；利用稳态温度数据和GaN HEMT器件的热功耗，提取电热模型网络拓扑的总热阻；建立瞬态温度数据曲线和电热模型电压之间的误差方程，并提取电热模型参数值；能准确提取GaN HEMT电热模型参数，建立准确的GaN HEMT电热模型，保证GaN HEMT大信号模型在进行微波仿真时更准确。

Description

一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法
技术领域
本发明涉及氮化镓高电子迁移率晶体管技术领域。
背景技术
众所周知，GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)器件以其工作电压高、功率密度高、附加效率高等优点著称，在近几年发展很快，已经得到广泛应用。由于GaN HEMT器件功率密度很高，因此带来了严重的自热效应。
由于自热效应的存在，使得GaN HEMT器件在动态工作时沟道温度也很高，不同耗散功率时的沟道温度相差很大，从而导致GaN HEMT器件的功率密度也会差异很大。在现代数字移动通信中，微波器件的自热效应等记忆效应是造成系统时分模式线性性能下降的一个主要原因。所以，建立一个具有准确的电热模型的GaN HEMT大信号模型，对于仿真和预测系统线性指标尤为重要。
目前，常用的提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法和原理是，利用常温下直流IV测量数据和指定高温下脉冲IV测量数据作对比，得到两种数据的交叉点。该点的功耗和温度的具有影响的关系式，可以利用这些关系式计算热阻值；然后再利用脉冲电流数据随时间的变化提取热容值，从而提取电热参数，建立电热模型。下面我们称之为脉冲直流IV电学法。
但上述方法，存在一些缺点，例如：利用小栅宽器件提取的热阻值不能用于大栅宽器件的大信号模型中进行仿真；器件中间单元与边缘单元之间的温差较大，而提取的电热参数只是一个综合值，不能完全表征大栅宽器件局部热特性。上述因素综合起来导致了GaNHEMT电热模型不够准确，从而造成GaN HEMT大信号模型在进行微波仿真时不够准确。
未来，大功率的大栅宽GaN HEMT在通信领域的应用会越来越多，对功率放大器设计准确性的要求会越来越高，设计周期要求越来越短，这些都对GaN HEMT器件电热模型的准确性提出了更高的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法，能准确提取GaN HEMT电热模型参数，建立准确的GaN HEMT电热模型，以保证器件性能的准确性，应用广泛，特别适用于GaN HEMT大信号模型的微波仿真。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：包括：
A:将GaN HEMT器件安装到夹具上，并将夹具安装在红外热像仪平台上；
B:对GaN HEMT器件施加偏置电压，使GaN HEMT器件产生热功耗；
C：利用红外热像仪对GaN HEMT器件进行稳态温度和瞬态温度热分布的测量，并记录数据；
D：绘制电热模型网络拓扑；
E：利用稳态温度数据和GaN HEMT器件的热功耗，提取电热模型网络拓扑的总热阻；
F：建立瞬态温度数据曲线和电热模型电压之间的误差方程，并利用数值优化方法提取电热模型参数值。
作为优选，瞬态温度测量时，要保证器件的漏极为脉冲馈电方式，要求其脉冲宽度约1-2ms，脉冲占空比为10％。
作为优选，GaN HEMT器件包括GaN HEMT芯片和热沉，GaN HEMT芯片和热沉之间设有金锡焊料。
作为优选，电热模型网络拓扑的结构为：Cth1和Rth1并联，Cth2和Rth2并联，Cth3和Rth3并联，将三个并联网络再分别串联，形成一个三阶串并联RC网络，Cth1和Rth1接输入端，Cth3和Rth3端接地。
作为优选，总热阻Rtotal＝Rth1+Rth2+Rth3，其中GaN HEMT器件中最高沟道温度为Tj，器件热沉底部的温度为Tc，器件上的热功耗为P0。
作为优选，误差方程为：err＝∫abs(Vth(t)-Tj_m(t))dt<0.1。
作为优选，数值优化方法为牛顿迭代优化算法，计算误差方程。
作为优选，夹具为能加载直流偏置的夹具，包括夹具本体，夹具本体上表面设有载体凹槽，夹具本体中间并在载体凹槽上设有一个贯穿夹具本体上下的通孔，夹具本体上表面设有PCB电路板，PCB电路板设置在载体凹槽两侧，PCB电路板上设有馈电电路。。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明能精确提取GaN HEMT电热模型参数，以便建立更加准确的GaN HEMT大信号等效电路模型。本发明可以更加精确的提取GaNHEMT器件的沟道温度和热功耗关系的电热模型参数，并且可以建立多胞大栅宽GaN HEMT的分布式电热模型，保证GaN HEMT大信号模型在进行微波仿真时更准确，从而提高微波功率放大器设计的效率，缩短开发周期，降低研制成本。该方法可以应用到单胞GaN HEMT和多胞GaN HEMT的电热模型参数提取中。
本发明与常用的脉冲和直流IV电学法提取电热网络模型参数的方法主要区别在于，本发明利用红外热像仪测量得到的稳态温度和瞬态温度数据作为提取电热模型参数的基础数据，具有更加明确的物理意义；脉冲和直流IV电学法提取的电热参数只是一个综合值，不能完全表征多胞大栅宽GaN HEMT器件局部热特征。
附图说明
图1是本发明一个实施例GaN HEMT器件的纵切面结构示意图；
图2是图1的电热模型网络拓扑结构示意图；
图3是稳态温度测量数据；
图4是瞬态温度测量数据；
图5为夹具剖面示意图；
图6是夹具的俯视图。
图中：1、热沉；2、金锡焊料；3、GaN HEMT芯片；4、Cth1；5、Cth2；6、Cth3；7、输入端；8、Rth1；9、Rth2；10、Rth3；11、沟道温度曲线；12、输出端的电压值；13、夹具本体；14、PCB电路板；15、通孔；16、载体凹槽；17、馈电电路。
具体实施方式
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。
实施例1：
本发明一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法的一个实施例，包括：
A:将GaN HEMT器件安装到夹具上，并将夹具安装在红外热像仪平台上；
B:对GaN HEMT器件施加偏置电压，使GaN HEMT器件产生热功耗；
C：利用红外热像仪对GaN HEMT器件进行稳态温度和瞬态温度热分布的测量，并记录数据；
D：绘制电热模型网络拓扑；
E：利用稳态温度数据和GaN HEMT器件的热功耗，提取电热模型网络拓扑的总热阻；
F：建立瞬态温度数据曲线和电热模型电压之间的误差方程，并利用数值优化方法提取电热模型参数值。
偏置电压要小于GaN HEMT器件的击穿电压，保证不烧毁GaN HEMT器件。
利用红外热像仪测量得到的稳态温度和瞬态温度数据作为提取电热网络模型参数的基础数据,具有更加明确的物理意义，并且可以建立多胞大栅宽GaN HEMT的分布式电热网络模型,能表征多胞大栅宽GaN HEMT器件局部热特征，建立准确的GaN HEMT电热模型，保证GaN HEMT大信号模型在进行微波仿真时更准确。
瞬态温度测量时，要保证器件的漏极为脉冲馈电方式，要求其脉冲宽度约1-2ms，脉冲占空比为5％-10％。因为芯片沉底、焊料和热沉三者热阻和比热容，所对应的时间热传导时间常数在毫秒量级。因此，脉宽和占空比采取上述取值范围，在脉冲偏置馈电时，GaNHEMT的沟道温度随时间变化，可以有效的反应出芯片沉底、焊料和热沉三者热阻和比热容对温度曲线的响应。
如图1所示，为GaN HEMT器件的纵切面示意图，作为优选，GaN HEMT器件包括GaNHEMT芯片和热沉，GaN HEMT芯片和热沉之间设有金锡焊料。
如图2所示，作为优选，电热模型网络拓扑的结构为：Cth1和Rth1并联，Cth2和Rth2并联，Cth3和Rth3并联，将三个并联网络再分别串联，形成一个三阶串并联RC网络，Cth1和Rth1接输入端，Cth3和Rth3端接地；Cth1和Rth1的节点相连，Cth2和Rth2的节点相连，Rth1、Rth2、Rth3和Cth1、Cth2、Cth3分别为GaN HEMT芯片、金锡焊料和热沉的热阻和比热容。
总热阻Rtotal＝Rth1+Rth2+Rth3，其中GaN HEMT器件中最高沟道温度为Tj，器件热沉底部的温度为Tc，器件上的热功耗为P0。器件总功耗可以利用测量器件的偏置电压和电流获得，总功耗＝电压X电流。
如图3所示，为稳态下的温度测量数据。如数据中显示，GaN HEMT最高沟道温度为Tj(Tj为GaN HEMT芯片顶部温度)，GaN HEMT器件热沉底部的温度为Tc，所施加到器件上的热功耗为P0，则可以根据热阻定义计算器件总的热阻Rtotal，
另外，有Rtotal＝Rth1+Rth2+Rth3，得到一个总热阻的关系式。
作为优选，误差方程为：err＝∫abs(Vth(t)-Tj_m(t))dt<0.1。
如图4所示，器件脉冲偏置，脉冲宽度为1ms，占空比为10％。在附图1电热模型网络中，在输入端7上施加一个电流数值为P1，脉冲宽度为1ms、占空比为10％的脉冲电流源。利用基尔霍夫定律，计算输入端7的电压随时间变化的数值，并绘制成与时间相关的曲线。输入端7的电压值Vth在数值上就相当于器件沟道温度Tj_m的数值。附图4中，实线为红外测量得到的沟道温度曲线(瞬态温度曲线)，虚线为附图2施加脉冲电流后计算得到的节点7的电压值,建立瞬态温度数据曲线和电热模型电压之间的误差方程,瞬态温度数据曲线为沟道温度Tj_m的曲线。
将Rth1、Rth2、Rth3和Cth1、Cth2、Cth3，作为变量，约束条件为：
Rtotal＝Rth1+Rth2+Rth3
误差方程为：err＝∫abs(Vth(t)-Tj_m(t))dt<0.1
误差方程的积分时间为脉冲的一个周期。
利用牛顿迭代优化算法，计算误差方程，当方程收敛后，得到的Rth1、Rth2、Rth3和Cth1、Cth2、Cth3的值即为需要提取的电热模型参数值。
如图5-6所示，夹具为能加载直流偏置的夹具，包括夹具本体13，夹具本体13上表面设有载体凹槽16，夹具本体13中间并在载体凹槽16上设有一个贯穿夹具本体13上下的通孔15，夹具本体13上表面设有PCB电路板14，PCB电路板14设置在载体凹槽16两侧，PCB电路板14上设有馈电电路17。
夹具本体13一般为散热良好的金属加工制作，PCB电路板14上制作馈电电路，用作器件偏置馈电，通孔15中间中间放置热电偶，用于测量热沉底部温度，载体凹槽16中放置GaN HEMT器件，用于固定器件，馈电电路17用于器件馈电端与电源的物理连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法，其特征在于：包括：
A:将GaN HEMT器件安装到夹具上，并将夹具安装在红外热像仪平台上；
B:对GaN HEMT器件施加偏置电压，使GaN HEMT器件产生热功耗；
C：利用红外热像仪对GaN HEMT器件进行稳态温度和瞬态温度热分布的测量，并记录数据；
D：绘制电热模型网络拓扑；
E：利用稳态温度数据和GaN HEMT器件的热功耗，提取电热模型网络拓扑的总热阻；
F：建立瞬态温度数据曲线和电热模型电压之间的误差方程，并利用数值优化方法提取电热模型参数值。
2.根据权利要求1所述的一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法，其特征在于所述瞬态温度测量时，要保证器件的漏极为脉冲馈电方式，要求其脉冲宽度约1-2ms，脉冲占空比为10％。
3.根据权利要求1所述的一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法，其特征在于所述GaN HEMT器件包括GaN HEMT芯片和热沉，GaN HEMT芯片和热沉之间设有金锡焊料。
4.根据权利要求1所述的一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法，其特征在于所述电热模型网络拓扑的结构为：Cth1和Rth1并联，Cth2和Rth2并联，Cth3和Rth3并联，将三个并联网络再分别串联，形成一个三阶串并联RC网络，Cth1和Rth1接输入端，Cth3和Rth3端接地。
5.根据权利要求1所述的一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法，其特征在于所述总热阻Rtotal＝Rth1+Rth2+Rth3，其中GaN HEMT器件中最高沟道温度为Tj，器件热沉底部的温度为Tc，器件上的热功耗为P0。
6.根据权利要求1所述的一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法，其特征在于所述误差方程为：err＝∫abs(Vth(t)-Tj_m(t))dt<0.1。
7.根据权利要求1所述的一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法，其特征在于所述数值优化方法为牛顿迭代优化算法，计算误差方程。
8.根据权利要求1所述的一种提取GaN HEMT器件电热模型参数的方法，其特征在于所述夹具为能加载直流偏置的夹具，包括夹具本体(13)，夹具本体(13)上表面设有载体凹槽(16)，夹具本体(13)中间并在载体凹槽(16)上设有一个贯穿夹具本体(13)上下的通孔(15)，夹具本体(13)上表面设有PCB电路板(14)，PCB电路板(14)设置在载体凹槽(16)两侧，PCB电路板(14)上设有馈电电路(17)。
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