CN110717240A - 一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法 - Google Patents

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CN110717240A CN201910796831.7A CN201910796831A CN110717240A CN 110717240 A CN110717240 A CN 110717240A CN 201910796831 A CN201910796831 A CN 201910796831A CN 110717240 A CN110717240 A CN 110717240A
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Abstract

本发明涉及一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法，包括：建立具有表征沟道分布效应和衬底损耗效应的InP HEMT小信号等效电路模型，并进行参数提取；对InP HEMT小信号等效电路模型添加噪声电流源，得到InP HEMT噪声等效电路；对InP HEMT噪声等效电路的噪声参数进行表征；获取InP HEMT器件的级联噪声相关矩阵，并对其进行寄生参数去嵌，得到本征导纳噪声矩阵；根据小信号等效电路模型参数和本征导纳噪声矩阵，得到噪声参数；将噪声参数嵌入至InP HEMT噪声等效电路，得到InP HEMT器件噪声等效电路模型。本发明方法在噪声相关系数中引入虚数分量，表征沟道分布效应的噪声，同时引入衬底损耗效应噪声因子，表征衬底损耗效应的噪声,提高了模型在高频下的拟合精度。

Description

一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法。
背景技术
InP HEMT是磷化铟高电子迁移率场效应晶体管，其广泛应用于微波波段功率放大器、毫米波段功率放大器、太赫兹波段功率放大器或低噪声放大器等单片集成电路(MMIC)中。相对于GaAs pHEMT(砷化镓赝调制掺杂异质结场效应晶体管)和GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率场效应晶体管)器件而言，InP HEMT的频率特性更好，应用频段更高，因此在毫米波以及太赫兹波段，InP HEMT具有显著的噪声和增益特性。
模型是集成电路技术的研究过程中被探索出来的一个十分重要的技术，它能够作为衔接器件的工艺制造和器件的相关电路设计之间的重要成分，研究精准合理的模型有助于设计集成电路，并且对于工艺有重要的帮助，使用高精度的器件模型，可以节约成本，提升设计效率，在工艺生产中加快器件的研发，解决了通过流片验证电路性能指标难以适用的问题。而器件模型可以表征器件完整的电学性能，分析器件的物理特性和电学特性，有助于完成电路仿真，预测并且评估电路特性。因此，完备的InP HEMT器件的建模流程以及精确的器件模型对于InP HEMT器件的后期应用是十分重要的。
在电路设计过程中，模型对于电路设计的影响至关重要，对于InP HEMT器件而言，由于其在高频下良好的增益噪声特性，因此应用的频率范围相对较高，但是在高频下沟道分布效应和衬底损耗效应对器件的影响越来越显著，而传统的HEMT PRC噪声模型并没有考虑到沟道分布效应和衬底损耗效应对于噪声参数的影响，因此传统PRC噪声模型往往不能够准确的表征器件的高频噪声特性，因此对于InP HEMT而言，如何建立能够准确表征器件高频噪声特性的InP HEMT噪声等效电路模型具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法，包括：
S1：建立具有表征沟道分布效应和衬底损耗效应的InP HEMT小信号等效电路模型，并对其参数进行提取；
S2：对所述InP HEMT小信号等效电路模型添加寄生噪声电流源和本征噪声电流源，得到InP HEMT噪声等效电路；
S3：对所述InP HEMT噪声等效电路的寄生噪声参数和本征噪声参数进行表征，得到所述寄生噪声参数和所述本征噪声参数的表达式；
S4：获取InP HEMT器件的级联噪声相关矩阵，并对其进行寄生参数去嵌，得到本征导纳噪声矩阵；
S5：根据所述小信号等效电路模型参数和所述本征导纳噪声矩阵，得到寄生噪声参数和本征噪声参数；
S6：将所述寄生噪声参数和所述本征噪声参数，嵌入至所述InP HEMT噪声等效电路，得到InP HEMT器件噪声等效电路模型。
在本发明的一个实施例中，所述S1包括：
S11：建立InP HEMT小信号等效电路模型，所述小信号等效电路模型包括连接的本征单元和寄生单元，其中，
所述本征单元包括本征栅漏电容、本征栅漏电阻、本征栅源电容、本征沟道电阻、电压控制电流源、本征源漏电导、本征源漏电容、本征衬底电容和本征衬底电阻，所述本征栅漏电容和所述本征栅漏电阻串接在栅极内节点与漏极内节点之间，所述本征栅源电容和所述本征沟道电阻串接在所述栅极内节点与源极内节点之间，所述电压控制电流源、所述本征源漏电导和所述本征源漏电容并联在所述漏极内节点与所述源极内节点之间，所述本征衬底电容和所述本征衬底电阻串接在所述漏极内节点与所述源极内节点之间；
所述寄生单元包括栅极寄生电感、栅极寄生电阻、栅极寄生电容、漏极寄生电阻、漏极寄生电感、漏极寄生电容、源极寄生电阻、源极寄生电感和栅漏寄生电容，所述栅极寄生电感和所述栅极寄生电阻串接在栅极外节点与所述栅极内节点之间，所述栅极寄生电容串接在所述栅极外节点和接地端之间，所述漏极寄生电阻和所述漏极寄生电感串接在漏极外节点与所述漏极内节点之间，所述漏极寄生电容串接在所述漏极外节点和所述接地端之间，所述源极寄生电阻和所述源极寄生电感串接在所述源极内节点与源极外节点之间，所述栅漏寄生电容串接在所述栅极外节点和所述漏极外节点之间；
S12：测试得到所述InP HEMT器件的散射参数，根据所述散射参数得到所述InPHEMT小信号等效电路模型的寄生参数和本征参数。
在本发明的一个实施例中，所述S2包括：
在所述InP HEMT小信号等效电路模型上添加寄生噪声电流源和本征噪声电流源，得到InP HEMT噪声等效电路，其中，
所述寄生噪声电流源包括源极寄生噪声电流源、栅极寄生噪声电流源和漏极寄生噪声电流源，所述源极寄生噪声电流源与所述源极寄生电阻并联，所述栅极寄生噪声电流源与所述栅极寄生电阻并联，所述漏极寄生噪声电流源与所述漏极寄生电阻并联；
所述本征噪声电流源包括栅极感应噪声电流源、漏极沟道噪声电流源和衬底损耗噪声电流源，所述栅极感应噪声电流源串接在所述栅极内节点和所述源极内节点之间，所述漏极沟道噪声电流源和所述衬底损耗噪声电流源并联在所述漏极内节点与所述源极内节点之间。
在本发明的一个实施例中，所述S3包括：
S31：对所述寄生噪声参数进行表征，得到所述寄生噪声参数表达式，
Figure BDA0002181195320000041
Figure BDA0002181195320000042
Figure BDA0002181195320000043
其中，T0表示室温下的噪声温度，Δf表示噪声带宽，K表示玻尔兹曼常数；
S32：对所述本征噪声参数进行表征，得到所述本征噪声参数表达式，
Figure BDA0002181195320000045
Figure BDA0002181195320000051
Figure BDA0002181195320000052
C＝α+jβ，
其中，T表示室温，Δf表示噪声带宽，K表示玻尔兹曼常数，R表示栅极噪声电流源因子，P表示漏极噪声电流源因子，C表示噪声相关因子，α表示噪声相关因子的实部，β表示噪声相关因子的虚部，
Figure BDA0002181195320000053
表示
Figure BDA0002181195320000054
的共轭，Tsub表示衬底损耗效应噪声因子。
在本发明的一个实施例中，所述S4包括：
S41：根据测试得到InP HEMT器件的最小噪声系数Fmin、等效噪声电阻Rn、最佳源电导Gopt和最佳源电纳Bopt，转化为所述级联噪声相关矩阵；
S42：将所述级联噪声相关矩阵转化为导纳噪声相关矩阵，去除寄生电容；
S43：将去除寄生电容的导纳噪声相关矩阵转化为阻抗噪声相关矩阵，去除寄生电感和寄生电阻；
S44：将去除寄生电感和寄生电阻的阻抗噪声相关矩阵，转换为导纳矩阵得到所述本征导纳噪声矩阵CY I，
Figure BDA0002181195320000055
Figure BDA0002181195320000056
Figure BDA0002181195320000057
Figure BDA0002181195320000058
Figure BDA0002181195320000061
其中，
Figure BDA0002181195320000062
和
Figure BDA0002181195320000063
互为共轭，K表示玻尔兹曼常数，ω表示角频率，gm表示本征跨导。
在本发明的一个实施例中，所述S5包括：
S51：根据所述源极寄生电阻Rs、所述栅极寄生电阻Rg、所述漏极寄生电阻Rd的值以及所述寄生噪声参数表达式，得到所述寄生噪声参数；
S52：根据本征导纳参数得到栅极噪声电流源因子R，
S53：根据本征导纳参数
Figure BDA0002181195320000066
得到噪声相关因子C的实部α和虚部β，
Figure BDA0002181195320000067
Figure BDA0002181195320000068
其中，Re表示取实部，Im表示取虚部；
S54：在低频条件下，将本征导纳参数等效为，
Figure BDA00021811953200000610
当ω＝0时，得到漏极噪声电流源因子P，
Figure BDA00021811953200000611
S55：根据所述漏极噪声电流源因子P和本征导纳参数
Figure BDA00021811953200000612
得到衬底损耗效应噪声因子Tsub，
Figure BDA00021811953200000613
S56：根据所述栅极噪声电流源因子R、所述漏极噪声电流源因子P、所述噪声相关因子C、所述衬底损耗效应噪声因子Tsub、所述小信号等效电路模型参数以及所述本征噪声参数表达式，得到所述本征噪声参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明方法建立的InP HEMT器件噪声等效电路模型考虑了沟道分布效应和衬底损耗效应，在传统的PRC噪声模型的基础上，在噪声相关系数C中引入了虚数分量，表征了沟道分布效应引入的噪声，同时引入衬底损耗效应噪声因子，表征了衬底损耗效应引入的噪声，该模型克服了现有技术在高频下噪声参数拟合不准确的问题，显著提高噪声等效电路模型在高频下的拟合精度，本发明的方法有效提高了本征噪声因子提取的准确性，从而提高了噪声等效电路模型的拟合精度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种InP HEMT小信号等效电路模型的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种InP HEMT噪声等效电路的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种InP HEMT小信号等效电路模型散射参数测试结果与模拟仿真结果的对比图；
图5是本发明实施例提供的一种本发明噪声等效电路模型与传统PRC噪声模型的最小噪声系数的结果对比图；
图6是本发明实施例提供的一种本发明噪声等效电路模型与传统PRC噪声模型的输入噪声阻抗的结果对比图；
图7是本发明实施例提供的一种本发明噪声等效电路模型与传统PRC噪声模型的最佳噪声匹配点实部的结果对比图；
图8是本发明实施例提供的一种本发明噪声等效电路模型与传统PRC噪声模型的最佳噪声匹配点虚部的结果对比图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法流程图，如图所示，本实施例的InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法，包括：
S1：建立具有表征沟道分布效应和衬底损耗效应的InP HEMT小信号等效电路模型，并对其参数进行提取；
具体地，包括：
S11：建立InP HEMT小信号等效电路模型，所述小信号等效电路模型包括连接的本征单元100和寄生单元200；
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种InP HEMT小信号等效电路模型的结构示意图，如图所示，本征单元100(虚框线以内)包括本征栅漏电容Cgd、本征栅漏电阻Rgd、本征栅源电容Cgs、本征沟道电阻Ri、电压控制电流源CS、本征源漏电导gds、本征源漏电容Cds、本征衬底电容Csub和本征衬底电阻Rsub，本征栅漏电容Cgd和本征栅漏电阻Rgd串接在栅极内节点G’与漏极内节点D’之间，本征栅源电容Cgs和本征沟道电阻Ri串接在栅极内节点G’与源极内节点S’之间，电压控制电流源CS、本征源漏电导gds和本征源漏电容Cds并联在漏极内节点D’与源极内节点S’之间，本征衬底电容Csub和本征衬底电阻Rsub串接在漏极内节点D’与源极内节点S’之间。
进一步地，寄生单元200(虚框线以外)包括栅极寄生电感Lg、栅极寄生电阻Rg、栅极寄生电容Cpg、漏极寄生电阻Rd、漏极寄生电感Ld、漏极寄生电容Cpd、源极寄生电阻Rs、源极寄生电感Ls和栅漏寄生电容Cpgd，栅极寄生电感Lg和栅极寄生电阻Rg串接在栅极外节点G与栅极内节点G’之间，栅极寄生电容Cpg串接在栅极外节点G和接地端GND之间，漏极寄生电阻Rd和漏极寄生电感Ld串接在漏极外节点D与漏极内节点D’之间，漏极寄生电容Cpd串接在漏极外节点D和接地端GND之间，源极寄生电阻Rs和源极寄生电感Ls串接在源极内节点S’与源极外节点S之间，栅漏寄生电容Cpgd串接在栅极外节点G和漏极外节点D之间。
在本实施例中，电压控制电流源CS的电流值I＝gmVgsexp(jωτgs)，gm表示本征跨导，τgs表示延迟因子，Vgs表示栅极与源极之间的电压。本实施例的InP HEMT小信号等效电路模型，在本征单元的源端和漏端之间增加了本征衬底电容Csub和本征衬底电阻Rsub串联网络，用于表征衬底损耗效应，增加的CsubRsub串联网络能够产生一个随频率变化的导纳，可以提高S22的拟合精度，克服了高频拟合精度不准确的问题，从而提高了模型在高频下的拟合精度。
S12：测试得到所述InP HEMT器件的散射参数，根据所述散射参数得到所述InPHEMT小信号等效电路模型的寄生参数和本征参数。
具体地，测试得到InP HEMT器件的开路去嵌结构的S参数，并将其转换为Y参数(导纳参数)，根据所述Y参数，得到栅极寄生电容Cpg、漏极寄生电容Cpd和栅漏寄生电容Cpgd的值，其中，
Figure BDA0002181195320000101
Figure BDA0002181195320000102
Figure BDA0002181195320000103
式中，Y11表示输出短路时输入导纳，Y21表示输出短路时正向输出导纳，Y12表示输入短路时反向输出导纳，Y22表示输入短路时输出导纳，ω表示角频率，Im表示取虚部。
测试得到InP HEMT器件的短路去嵌结构的S参数，并将其转换为Z参数(阻抗参数)，根据所述Z参数，得到栅极寄生电感Lg、源极寄生电感Ls、漏极寄生电感Ld、栅极寄生电阻Rg、源极寄生电阻Rs和漏极寄生电阻Rd的值，其中，
Figure BDA0002181195320000104
Figure BDA0002181195320000105
Figure BDA0002181195320000111
Figure BDA0002181195320000112
Figure BDA0002181195320000113
Figure BDA0002181195320000114
式中，Z11表示输出短路时输入阻抗，Z21表示输出短路时正向输出阻抗，Z12表示输入短路时反向输出阻抗，Z22表示输入短路时输出阻抗，ω表示角频率，Im表示取虚部，Re表示取实部。
将在片测试所述InP HEMT器件的S参数转化为Y参数，利用导纳矩阵去除所述寄生电容的值；将去除所述寄生电容的Y参数转化为Z参数，去除所述寄生电感和所述寄生电阻的值；将去除所述寄生电感和所述寄生电阻的Z参数转化为Y参数，得到本征Y参数。
在本实施例中，S参数、Y参数与Z参数之间的相互转换，以及去除所述寄生电容、所述寄生电感和所述寄生电阻的值，均为本领域的常用方法，在此不再赘述。
根据所述本征Y参数Y11、Y12和Y21，得到本征栅源电容Cgs、本征栅漏电容Cgd、本征栅源电阻Rgs、本征跨导gm、延迟因子τgs和本征栅漏电阻Rgd的值，其中，
Figure BDA0002181195320000115
Figure BDA0002181195320000116
Rgs＝Re[1/(Y11+Y12)] (12)，
Figure BDA0002181195320000117
Figure BDA0002181195320000121
Figure BDA0002181195320000122
式中，Y11表示输出短路时输入导纳，Y21表示输出短路时正向输出导纳，Y12表示输入短路时反向输出导纳，ω表示角频率，Im表示取虚部，Re表示取实部；
构建所述误差函数error，
Figure BDA0002181195320000123
式中，S(2,2)measured表示测试数据的输出反射系数，S(2,2)modeled表示模型拟合的输出反射系数；
当ω2Csub 2Rsub 2＜＜1时，获取所述本征Y参数Y22与Y12的实部与虚部，
Re(Y22+Y12)＝ω2Csub 2Rsub+gds (17)，
Im(Y22+Y12)＝ωCsub+ωCds (18)，
具体地，所述本征Y参数Y12的表达式为，
Figure BDA0002181195320000124
所述本征Y参数Y22的实部和虚部表达式分别为，
Figure BDA0002181195320000125
Figure BDA0002181195320000126
当ω2Csub 2Rsub 2＜＜1时，也就是频率比较低时，ω2Csub 2Rsub 2近似为零，由公式(19)、(20)和(21)得到公式(17)和(18)。
根据二次函数拟合公式(17)得到Csub 2Rsub和gds，令M＝Csub 2Rsub，N＝Csub+Cds；
令本征衬底电容Csub依次取{0,0.1,0.2,...,N}，得到若干组所述误差函数error的值，选择所述误差函数error取得最小值时对应的本征源漏电容Cds、本征源漏电导gds、本征衬底电阻Rsub和本征衬底电容Csub的值。
在本实施例中，针对本征衬底电阻Rsub和本征衬底电容Csub参数不能直接提取的问题，利用误差函数error最小值的方法，可以快速准确地提取所有参数，提高了InP HEMT小信号等效电路模型的拟合精度。
S2：对所述InP HEMT小信号等效电路模型添加寄生噪声电流源和本征噪声电流源，得到InP HEMT噪声等效电路；
具体地，包括：在所述InP HEMT小信号等效电路模型上添加寄生噪声电流源和本征噪声电流源，得到InP HEMT噪声等效电路。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种InP HEMT噪声等效电路的结构示意图，如图所示，寄生噪声电流源包括源极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181195320000131
栅极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181195320000132
和漏极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181195320000133
源极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181195320000134
与源极寄生电阻Rs并联，栅极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181195320000135
与栅极寄生电阻Rg并联，漏极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181195320000136
与漏极寄生电阻Rd并联；
本征噪声电流源包括栅极感应噪声电流源
Figure BDA0002181195320000137
漏极沟道噪声电流源
Figure BDA0002181195320000138
和衬底损耗噪声电流源
Figure BDA0002181195320000139
栅极感应噪声电流源
Figure BDA00021811953200001310
串接在栅极内节点G’和源极内节点S’之间，漏极沟道噪声电流源和衬底损耗噪声电流源
Figure BDA00021811953200001312
并联在漏极内节点D’与源极内节点S’之间。
S3：对所述InP HEMT噪声等效电路的寄生噪声参数和本征噪声参数进行表征，得到所述寄生噪声参数和所述本征噪声参数的表达式；
具体地，包括：
S31：对所述寄生噪声参数进行表征，得到所述寄生噪声参数表达式，
Figure BDA0002181195320000141
Figure BDA0002181195320000142
其中，T0表示室温下的噪声温度，取值为290K，Δf表示噪声带宽，取值为1Hz，K表示玻尔兹曼常数，为1.38×10-23J/K；
S32：对所述本征噪声参数进行表征，得到所述本征噪声参数表达式，
Figure BDA0002181195320000144
Figure BDA0002181195320000145
Figure BDA0002181195320000147
C＝α+jβ (29)，
其中，T表示室温，取值为300K，Δf表示噪声带宽，取值为1Hz，K表示玻尔兹曼常数，为1.38×10-23J/K，R表示栅极噪声电流源因子，P表示漏极噪声电流源因子，C表示噪声相关因子，α表示噪声相关因子的实部，β表示噪声相关因子的虚部，
Figure BDA0002181195320000148
表示
Figure BDA0002181195320000149
的共轭，Tsub表示衬底损耗效应噪声因子。
在本实施例中，为了能够表征沟道分布效应，在传统PRC噪声模型的基础上，将噪声相关因子C定义为复数的形式，用于表征栅漏沟道分布效应引入的噪声，同时引入衬底损耗效应噪声因子Tsub，用于表征衬底损耗效应引入的噪声，可以克服在高频下噪声参数拟合不准确的问题，提高噪声等效电路模型在高频下的拟合精度。
S4：获取InP HEMT器件的级联噪声相关矩阵，并对其进行寄生参数去嵌，得到本征导纳噪声矩阵；
具体地，包括：
S41：根据测试得到InP HEMT器件的最小噪声系数Fmin、等效噪声电阻Rn、最佳源电导Gopt和最佳源电纳Bopt，转化为所述级联噪声相关矩阵CA；
S42：将所述级联噪声相关矩阵CA转化为导纳噪声相关矩阵CY，去除寄生电容；
S43：将去除寄生电容的导纳噪声相关矩阵CY转化为阻抗噪声相关矩阵CZ，去除寄生电感和寄生电阻；
S44：将去除寄生电感和寄生电阻的阻抗噪声相关矩阵CZ，转换为导纳矩阵得到所述本征导纳噪声矩阵CY I，
Figure BDA0002181195320000151
Figure BDA0002181195320000152
Figure BDA0002181195320000153
Figure BDA0002181195320000154
Figure BDA0002181195320000155
其中，
Figure BDA0002181195320000156
和
Figure BDA0002181195320000157
互为共轭，K表示玻尔兹曼常数，ω表示角频率，gm表示本征跨导。
在本实施例中，级联噪声相关矩阵CA、导纳噪声相关矩阵CY与阻抗噪声相关矩阵CZ之间的相互转换，以及去除所述寄生电容、所述寄生电感和所述寄生电阻的值，均为本领域的常用方法，在此不再赘述。
S5：根据所述小信号等效电路模型参数和所述本征导纳噪声矩阵，得到寄生噪声参数和本征噪声参数；
具体地，包括：
S51：根据所述源极寄生电阻Rs、所述栅极寄生电阻Rg、所述漏极寄生电阻Rd的值以及所述寄生噪声参数表达式，得到所述寄生噪声参数；
S52：根据本征导纳参数得到栅极噪声电流源因子R，
根据公式(31)，得到，
Figure BDA0002181195320000162
S53：根据本征导纳参数
Figure BDA0002181195320000163
得到噪声相关因子C的实部α和虚部β，根据公式(32)，得到，
Figure BDA0002181195320000164
Figure BDA0002181195320000165
其中，Re表示取实部，Im表示取虚部；
S54：在低频条件下，也就是ωCsubRsub＜＜1，将本征导纳参数等效为，
Figure BDA0002181195320000167
当ω＝0时，根据公式(38)，得到漏极噪声电流源因子P，
Figure BDA0002181195320000171
根据公式(29)、公式(35-37)以及公式(39)，计算得到噪声相关因子C。
S55：根据所述漏极噪声电流源因子P和本征导纳参数
Figure BDA0002181195320000172
得到衬底损耗效应噪声因子Tsub，
Figure BDA0002181195320000173
S56：根据所述栅极噪声电流源因子R、所述漏极噪声电流源因子P、所述噪声相关因子C、所述衬底损耗效应噪声因子Tsub、所述小信号等效电路模型参数以及所述本征噪声参数表达式，得到所述本征噪声参数。
S6：将所述寄生噪声参数和所述本征噪声参数，嵌入至所述InP HEMT噪声等效电路，得到InP HEMT器件噪声等效电路模型。
在本实施例中使用ADS软件将所述参数嵌入至所述InP HEMT噪声等效电路，完成InP HEMT器件噪声等效电路模型的建立。
本实施例的方法建立的InP HEMT器件噪声等效电路模型考虑了沟道分布效应和衬底损耗效应，在传统的PRC噪声模型的基础上，在噪声相关系数C中引入了虚数分量，表征了沟道分布效应引入的噪声，同时引入衬底损耗效应噪声因子，表征了衬底损耗效应引入的噪声,该模型克服了现有技术在高频下噪声参数拟合不准确的问题，显著提高噪声等效电路模型在高频下的拟合精度，本实施例的方法有效提高了本征噪声因子提取的准确性，从而提高了噪声等效电路模型的拟合精度。
实施例二
本实施例是对上述实施例InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法得到的InPHEMT器件噪声等效电路模型的仿真实验。在本实施例中，使用的器件是由中科院微电子所设计实现的InP HEMT器件，发射极面积为2×20μm，在栅源电压Vgs＝-0.2V，栅漏电压Vds＝1V的测试条件下，对所述InP HEMT器件进行测试，得到InP HEMT小信号等效电路模型参数数值如表1所示。
表1.InP HEMT寄生参数和本征参数
寄生参数 C<sub>pg</sub> C<sub>pd</sub> C<sub>pgd</sub> L<sub>s</sub> L<sub>g</sub> L<sub>d</sub> R<sub>s</sub> R<sub>g</sub> R<sub>d</sub> /
参数值 21.7fF 21.5fF 3.2fF 3.6nH 67.6nH 66nH 0.06Ω 0.45Ω 0.4Ω /
本征参数 C<sub>gs</sub> R<sub>i</sub> C<sub>gd</sub> R<sub>gd</sub> g<sub>m</sub> τ g<sub>ds</sub> C<sub>ds</sub> R<sub>sub</sub> C<sub>sub</sub>
参数值 17.8fF 30.7Ω 3.25fF 395Ω 34.1mS 0.1ps 2us 3.4fF 488Ω 4.22fF
请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种InP HEMT小信号等效电路模型散射参数测试结果与模拟仿真结果的对比图，从图中可以看出，本实施例中的InP HEMT小信号等效电路模型的S参数在0.1GHz-40GHz能够准确的拟合S参数的测试数据，也就是说该模型能够准确的表征本实施例中的InP HEMT的小信号特性，能够作为噪声等效电路模型建立的基础电路。
InP HEMT噪声等效电路的噪声因子参数P、R、C和Tsub的计算结果如表2所示。
表2.噪声因子参数值
噪声因子参数 P R C T<sub>sub</sub>
参数值 1.02 0.4 -0.25+j*0.53 1000
利用上述InP HEMT小信号等效电路模型参数值以及噪声因子参数的数值，得到寄生噪声参数以及本征噪声参数。用ADS软件将InP HEMT小信号等效电路模型参数以及噪声参数，嵌入至所述InP HEMT噪声等效电路，得到InP HEMT器件噪声等效电路模型。
请参见图5-图8，分别是本发明实施例提供的一种本发明噪声等效电路模型与传统PRC噪声模型的最小噪声系数、输入噪声阻抗以及最佳噪声匹配点实部和虚部的结果对比图。从上述仿真结果图中可以看出，本实施例的噪声等效电路模型相对于传统PRC噪声模型在保证输入噪声阻抗和输入噪声匹配点拟合良好的情况下显著改善最小噪声系数的拟合精度，从而使模型适用于更加高的频段范围内。相对于传统PRC噪声模型，本实施例的噪声等效电路模型，在噪声相关因子C中引入了虚数分量，用于表征沟道分布效应引入的噪声，通过增加衬底损耗噪声电流源
Figure BDA0002181195320000191
表征衬底损耗效应引入的噪声。该噪声等效电路模型能够显著提高高频下噪声参数的拟合精度，从而使模型向更高的频率下外推。同时针对噪声等效电路模型增加噪声电流源
Figure BDA0002181195320000192
后噪声因子难以准确提取的问题，提出了一套简单直观的噪声因子提取方法，可以快速准确的确定四个噪声因子P、R、C和Tsub，噪声因子的提取具有解析解，避免优化过程中带来的误差，提高了噪声因子提取的准确性，从而提高了噪声等效电路模型的拟合精度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法，其特征在于，包括：
S1：建立具有表征沟道分布效应和衬底损耗效应的InP HEMT小信号等效电路模型，并对其参数进行提取；
S2：对所述InP HEMT小信号等效电路模型添加寄生噪声电流源和本征噪声电流源，得到InP HEMT噪声等效电路；
S3：对所述InP HEMT噪声等效电路的寄生噪声参数和本征噪声参数进行表征，得到所述寄生噪声参数和所述本征噪声参数的表达式；
S4：获取InP HEMT器件的级联噪声相关矩阵，并对其进行寄生参数去嵌，得到本征导纳噪声矩阵；
S5：根据所述小信号等效电路模型参数和所述本征导纳噪声矩阵，得到寄生噪声参数和本征噪声参数；
S6：将所述寄生噪声参数和所述本征噪声参数，嵌入至所述InP HEMT噪声等效电路，得到InP HEMT器件噪声等效电路模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1包括：
S11：建立InP HEMT小信号等效电路模型，所述小信号等效电路模型包括连接的本征单元(100)和寄生单元(200)，其中，
所述本征单元(100)包括本征栅漏电容(Cgd)、本征栅漏电阻(Rgd)、本征栅源电容(Cgs)、本征沟道电阻(Ri)、电压控制电流源(CS)、本征源漏电导(gds)、本征源漏电容(Cds)、本征衬底电容(Csub)和本征衬底电阻(Rsub)，所述本征栅漏电容(Cgd)和所述本征栅漏电阻(Rgd)串接在栅极内节点(G’)与漏极内节点(D’)之间，所述本征栅源电容(Cgs)和所述本征沟道电阻(Ri)串接在所述栅极内节点(G’)与源极内节点(S’)之间，所述电压控制电流源(CS)、所述本征源漏电导(gds)和所述本征源漏电容(Cds)并联在所述漏极内节点(D’)与所述源极内节点(S’)之间，所述本征衬底电容(Csub)和所述本征衬底电阻(Rsub)串接在所述漏极内节点(D’)与所述源极内节点(S’)之间；
所述寄生单元(200)包括栅极寄生电感(Lg)、栅极寄生电阻(Rg)、栅极寄生电容(Cpg)、漏极寄生电阻(Rd)、漏极寄生电感(Ld)、漏极寄生电容(Cpd)、源极寄生电阻(Rs)、源极寄生电感(Ls)和栅漏寄生电容(Cpgd)，所述栅极寄生电感(Lg)和所述栅极寄生电阻(Rg)串接在栅极外节点(G)与所述栅极内节点(G’)之间，所述栅极寄生电容(Cpg)串接在所述栅极外节点(G)和接地端(GND)之间，所述漏极寄生电阻(Rd)和所述漏极寄生电感(Ld)串接在漏极外节点(D)与所述漏极内节点(D’)之间，所述漏极寄生电容(Cpd)串接在所述漏极外节点(D)和所述接地端(GND)之间，所述源极寄生电阻(Rs)和所述源极寄生电感(Ls)串接在所述源极内节点(S’)与源极外节点(S)之间，所述栅漏寄生电容(Cpgd)串接在所述栅极外节点(G)和所述漏极外节点(D)之间；
S12：测试得到所述InP HEMT器件的散射参数，根据所述散射参数得到所述InP HEMT小信号等效电路模型的寄生参数和本征参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2包括：
在所述InP HEMT小信号等效电路模型上添加寄生噪声电流源和本征噪声电流源，得到InP HEMT噪声等效电路，其中，
所述寄生噪声电流源包括源极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181195310000021
栅极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181195310000022
和漏极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181195310000023
所述源极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181195310000024
与所述源极寄生电阻(Rs)并联，所述栅极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181195310000025
与所述栅极寄生电阻(Rg)并联，所述漏极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181195310000026
与所述漏极寄生电阻(Rd)并联；
所述本征噪声电流源包括栅极感应噪声电流源
Figure FDA0002181195310000031
漏极沟道噪声电流源
Figure FDA0002181195310000032
和衬底损耗噪声电流源所述栅极感应噪声电流源
Figure FDA0002181195310000034
串接在所述栅极内节点(G’)和所述源极内节点(S’)之间，所述漏极沟道噪声电流源
Figure FDA0002181195310000035
和所述衬底损耗噪声电流源
Figure FDA0002181195310000036
并联在所述漏极内节点(D’)与所述源极内节点(S’)之间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S3包括：
S31：对所述寄生噪声参数进行表征，得到所述寄生噪声参数表达式，
Figure FDA0002181195310000037
Figure FDA0002181195310000039
其中，T0表示室温下的噪声温度，Δf表示噪声带宽，K表示玻尔兹曼常数；
S32：对所述本征噪声参数进行表征，得到所述本征噪声参数表达式，
Figure FDA00021811953100000310
Figure FDA00021811953100000312
Figure FDA00021811953100000313
C＝α+jβ，
其中，T表示室温，Δf表示噪声带宽，K表示玻尔兹曼常数，R表示栅极噪声电流源因子，P表示漏极噪声电流源因子，C表示噪声相关因子，α表示噪声相关因子的实部，β表示噪声相关因子的虚部，
Figure FDA0002181195310000041
表示
Figure FDA0002181195310000042
的共轭，Tsub表示衬底损耗效应噪声因子。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S4包括：
S41：根据测试得到InP HEMT器件的最小噪声系数Fmin、等效噪声电阻Rn、最佳源电导Gopt和最佳源电纳Bopt，转化为所述级联噪声相关矩阵；
S42：将所述级联噪声相关矩阵转化为导纳噪声相关矩阵，去除寄生电容；
S43：将去除寄生电容的导纳噪声相关矩阵转化为阻抗噪声相关矩阵，去除寄生电感和寄生电阻；
S44：将去除寄生电感和寄生电阻的阻抗噪声相关矩阵，转换为导纳矩阵得到所述本征导纳噪声矩阵CY I，
Figure FDA0002181195310000043
Figure FDA0002181195310000044
Figure FDA0002181195310000046
Figure FDA0002181195310000047
其中，
Figure FDA0002181195310000048
和
Figure FDA0002181195310000049
互为共轭，K表示玻尔兹曼常数，ω表示角频率，gm表示本征跨导。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S5包括：
S51：根据所述源极寄生电阻Rs、所述栅极寄生电阻Rg、所述漏极寄生电阻Rd的值以及所述寄生噪声参数表达式，得到所述寄生噪声参数；
S52：根据本征导纳参数
Figure FDA0002181195310000051
得到栅极噪声电流源因子R，
Figure FDA0002181195310000052
S53：根据本征导纳参数得到噪声相关因子C的实部α和虚部β，
Figure FDA0002181195310000054
Figure FDA0002181195310000055
其中，Re表示取实部，Im表示取虚部；
S54：在低频条件下，将本征导纳参数等效为，
Figure FDA0002181195310000057
当ω＝0时，得到漏极噪声电流源因子P，
Figure FDA0002181195310000058
S55：根据所述漏极噪声电流源因子P和本征导纳参数
Figure FDA0002181195310000059
得到衬底损耗效应噪声因子Tsub，
Figure FDA00021811953100000510
S56：根据所述栅极噪声电流源因子R、所述漏极噪声电流源因子P、所述噪声相关因子C、所述衬底损耗效应噪声因子Tsub、所述小信号等效电路模型参数以及所述本征噪声参数表达式，得到所述本征噪声参数。
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