CN110717242A - 一种InP HEMT器件噪声等效电路模型建立方法 - Google Patents

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CN110717242A CN201910797917.1A CN201910797917A CN110717242A CN 110717242 A CN110717242 A CN 110717242A CN 201910797917 A CN201910797917 A CN 201910797917A CN 110717242 A CN110717242 A CN 110717242A
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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InP HEMT小信号等效电路模型，并得到小信号等效电路模型参数值；根据InP HEMT小信号等效电路模型，得到InP HEMT噪声等效电路以及InP HEMT噪声等效电路的寄生噪声电流源参数和本征噪声电流源参数；将电路模型参数嵌入至InP HEMT噪声等效电路，得到InP HEMT器件噪声等效电路模型。本发明方法建立的InP HEMT器件噪声等效电路模型增加了用于表征沟道分布效应和衬底损耗效应的本征栅漏噪声电流源和本征衬底噪声电流源，提高了噪声等效电路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。
由于微波集成电路的制备周期长、成本高，以往通过流片验证电路性能指标的方法已经很难适用。集成电路的设计需要借助计算机辅助设计(CAD)软件进行，而器件是以电学模型的方式被应用在电路设计中，器件模型可以实现在CAD软件中对器件性能的精确描述，辅助完成电路仿真，预测不同信号状态下的电能特性，评估电路性能。完备的InP HEMT器件的建模流程以及精确的器件模型对器件性能提升、电路及系统研发周期、成品率等方面具有十分重大的意义。
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，由于其在高频下具有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温度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，因此传统温度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：
建立InP HEMT小信号等效电路模型，并得到小信号等效电路模型参数值；
根据所述InP HEMT小信号等效电路模型，得到InP HEMT噪声等效电路，并定义噪声电流源参数表达式；
根据所述小信号等效电路模型参数值和获得的级联噪声相关矩阵，得到所述噪声电流源参数值；
将所述小信号等效电路模型参数值和所述噪声电流源参数值，嵌入至所述InPHEMT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，建立InP HEMT小信号等效电路模型，并得到小信号等效电路模型参数值，包括：
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：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、栅漏寄生电容、本征栅漏电容、本征栅漏电阻、本征栅源电容、本征栅源电阻、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，其中，
所述栅极寄生电感、所述栅极寄生电阻、所述本征栅漏电容、所述本征栅漏电阻、所述漏极寄生电阻和所述漏极寄生电感串接在栅极端与漏极端之间；
所述本征栅源电容、所述本征栅源电阻、所述源极寄生电阻和所述源极寄生电感串接在所述栅极寄生电阻和所述本征栅漏电容之间的节点与接地端之间；
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本征栅漏电阻和所述漏极寄生电阻之间的节点与所述本征栅源电阻和所述源极寄生电阻之间的节点之间；
所述本征衬底电容和所述本征衬底电阻串接在所述本征栅漏电阻和所述漏极寄生电阻之间的节点与所述本征栅源电阻和所述源极寄生电阻之间的节点之间；
所述栅极寄生电容连接在所述栅极端和所述接地端之间，所述漏极寄生电容连接在所述漏极端和所述接地端之间，所述栅漏寄生电容连接在所述栅极端和所述漏极端之间；
对所述InP HEMT小信号等效电路模型的各参数值进行提取，得到所述小信号等效电路模型参数值。
在本发明的一个实施例中，根据所述InP HEMT小信号等效电路模型，得到InPHEMT噪声等效电路，并定义噪声电流源参数表达式，包括：
在所述InP HEMT小信号等效电路模型上加入噪声电流源，得到InP HEMT噪声等效电路，所述噪声电流源包括本征噪声电流源和寄生噪声电流源，其中，
所述本征噪声电流源包括本征栅源噪声电流源、本征栅漏噪声电流源、本征源漏噪声电流源和本征衬底噪声电流源，所述本征栅源噪声电流源与所述本征栅源电阻并联，所述本征栅漏噪声电流源与所述本征栅漏电阻并联，所述本征源漏噪声电流源与所述本征源漏电导并联，所述本征衬底噪声电流源与所述本征衬底电阻并联；
所述寄生噪声电流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；
定义所述寄生噪声电流源参数表达式为，
Figure BDA0002181482630000041
Figure BDA0002181482630000042
Figure BDA0002181482630000043
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；
定义所述本征噪声电流源参数表达式为，
Figure BDA0002181482630000044
Figure BDA0002181482630000052
Figure BDA0002181482630000053
其中，Δf表示噪声带宽，K表示玻尔兹曼常数，Tgs表示所述本征栅源电阻Rgs的噪声温度，Tgd表示所述本征栅漏电阻Rgd的噪声温度，Tds表示所述本征源漏电导gds的噪声温度，Tsub表示所述衬底电阻Rsub的噪声温度。
在本发明的一个实施例中，根据所述小信号等效电路模型参数值和获得的级联噪声相关矩阵，得到所述噪声电流源参数值，包括：
根据所述源极寄生电阻Rs、所述栅极寄生电阻Rg和所述漏极寄生电阻Rd的值得到所述源极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181482630000054
所述栅极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181482630000055
和所述漏极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181482630000056
的参数值；
获得级联噪声相关矩阵，并根据所述级联噪声相关矩阵得到所述本征噪声电流源参数值。
在本发明的一个实施例中，获得级联噪声相关矩阵，并根据所述级联噪声相关矩阵得到所述本征噪声电流源参数值，包括：
测试得到级联噪声相关矩阵，并对其进行所述寄生噪声电流源参数的去嵌操作，得到本征导纳噪声矩阵；
根据所述本征导纳噪声矩阵，得到本征噪声温度参数值；
根据所述本征噪声温度参数值、所述小信号等效电路模型参数值以及所述本征噪声电流源参数表达式，得到本征噪声电流源参数值。
在本发明的一个实施例中，测试得到级联噪声相关矩阵，并对其进行所述寄生噪声电流源参数的去嵌操作，得到本征导纳噪声矩阵，包括：
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；
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；
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；
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 BDA0002181482630000061
Figure BDA0002181482630000063
Figure BDA0002181482630000064
Figure BDA0002181482630000065
其中，
Figure BDA0002181482630000066
和
Figure BDA0002181482630000067
互为共轭，K表示玻尔兹曼常数，ω表示角频率，τgs表示延迟因子，gm表示本征跨导。
在本发明的一个实施例中，根据所述本征导纳噪声矩阵，得到本征噪声温度参数值，包括：
在低频条件下，根据
Figure BDA0002181482630000068
和
Figure BDA0002181482630000069
得到所述本征栅漏电阻Rgd的噪声温度Tgd和所述本征栅源电阻Rgs的噪声温度Tgs，
Figure BDA0002181482630000071
Figure BDA0002181482630000072
其中，Re表示取实部；
当ω＝0时，根据
Figure BDA0002181482630000073
得到所述本征源漏电导gds的噪声温度Tds，
Figure BDA0002181482630000074
根据
Figure BDA0002181482630000075
所述本征栅漏电阻Rgd的噪声温度Tgd、所述本征栅源电阻Rgs的噪声温度Tgs和所述本征源漏电导gds的噪声温度Tds，得到所述衬底电阻Rsub的噪声温度Tsub，
Figure BDA0002181482630000076
其中，Re表示取实部。
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增加了本征栅漏噪声电流源和本征衬底噪声电流源，分别用于表征沟道分布效应和衬底损耗效应，克服了在高频下噪声参数拟合不准确的问题，显著提高了噪声等效电路模型在高频下的拟合精度。
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温度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温度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温度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温度噪声模型的最佳噪声匹配点虚部的结果对比图。
附图标记说明
Cgs-本征栅源电容；Rgs-本征栅源电阻；Cgd-本征栅漏电容；Rgd-本征栅漏电阻；CS-电压控制电流源；gds-本征源漏电导；Cds-本征源漏电容；Csub-本征衬底电容；Rsub-本征衬底电阻；Cpg-栅极寄生电容；Lg-栅极寄生电感；Rg-栅极寄生电阻；Ls-源极寄生电感；Rs-源极寄生电阻；Cpd-漏极寄生电容；Ld-漏极寄生电感；Rd-漏极寄生电阻；Cpgd-栅漏寄生电容；G-栅极外端；S-源极端；D-漏极端；GND-接地端；
Figure BDA0002181482630000091
-本征栅源噪声电流源；
Figure BDA0002181482630000092
-本征栅漏噪声电流源；-本征源漏噪声电流源；
Figure BDA0002181482630000094
-本征衬底噪声电流源；
Figure BDA0002181482630000095
-源极寄生噪声电流源；
Figure BDA0002181482630000096
-栅极寄生噪声电流源；-漏极寄生噪声电流源。
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InP HEMT小信号等效电路模型，并得到小信号等效电路模型参数值；
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本征单元和寄生单元；
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，所述小信号等效电路模型包括，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、栅漏寄生电容Cpgd、本征栅漏电容Cgd、本征栅漏电阻Rgd、本征栅源电容Cgs、本征栅源电阻Rgs、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。
其中，栅极寄生电感Lg、栅极寄生电阻Rg、本征栅漏电容Cgd、本征栅漏电阻Rgd、漏极寄生电阻Rd和漏极寄生电感Ld串接在栅极端G与漏极端D之间；本征栅源电容Cgs、本征栅源电阻Rgs、源极寄生电阻Rs和源极寄生电感Ls串接在栅极寄生电阻Rg和本征栅漏电容Cgd之间的节点与接地端GND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并联在本征栅漏电阻Rgd和漏极寄生电阻Rd之间的节点与本征栅源电阻Rgs和源极寄生电阻Rs之间的节点之间；本征衬底电容Csub和本征衬底电阻Rsub串接在本征栅漏电阻Rgd和漏极寄生电阻Rd之间的节点与本征栅源电阻Rgs和源极寄生电阻Rs之间的节点之间；栅极寄生电容Cpg连接在栅极端G和接地端GND之间，漏极寄生电容Cpd连接在漏极端D和接地端GND之间，栅漏寄生电容Cpgd连接在栅极端G和漏极端D之间。
在本实施例中，本征栅源电容Cgs、本征栅源电阻Rgs、本征栅漏电容Cgd、本征栅漏电阻Rgd、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组成本征单元，其中，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。栅极寄生电容Cpg、栅极寄生电感Lg、栅极寄生电阻Rg、源极寄生电感Ls、源极寄生电阻Rs、漏极寄生电容Cpd、漏极寄生电感Ld、漏极寄生电阻Rd和栅漏寄生电容Cpgd组成寄生单元。
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：对所述InP HEMT小信号等效电路模型的各参数值进行提取，得到所述小信号等效电路模型参数值。
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 BDA0002181482630000111
Figure BDA0002181482630000112
Figure BDA0002181482630000113
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 BDA0002181482630000121
Figure BDA0002181482630000122
Figure BDA0002181482630000123
Figure BDA0002181482630000124
Figure BDA0002181482630000125
Figure BDA0002181482630000126
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 BDA0002181482630000131
Figure BDA0002181482630000132
Rgs＝Re[1/(Y11+Y12)] (12)，
Figure BDA0002181482630000137
Figure BDA0002181482630000133
Figure BDA0002181482630000134
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 BDA0002181482630000135
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，
所述本征Y参数Y22的实部和虚部表达式分别为，
Figure BDA0002181482630000141
Figure BDA0002181482630000142
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：根据所述InP HEMT小信号等效电路模型，得到InP HEMT噪声等效电路，并定义噪声电流源参数表达式；
具体地，包括，在所述InP HEMT小信号等效电路模型上加入噪声电流源，得到InPHEMT噪声电等效路，所述噪声电流源包括本征噪声电流源和寄生噪声电流源。
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，所述本征噪声电流源包括本征栅源噪声电流源
Figure BDA0002181482630000143
本征栅漏噪声电流源
Figure BDA0002181482630000144
本征源漏噪声电流源
Figure BDA0002181482630000145
和本征衬底噪声电流源本征栅源噪声电流源与本征栅源电阻Rgs并联，本征栅漏噪声电流源
Figure BDA0002181482630000153
与本征栅漏电阻Rgd并联，本征源漏噪声电流源
Figure BDA0002181482630000154
与本征源漏电导gds并联，本征衬底噪声电流源与本征衬底电阻Rsub并联；
所述寄生噪声电流包括源极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181482630000156
栅极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181482630000157
和漏极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181482630000158
源极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181482630000159
与源极寄生电阻Rs并联，栅极寄生噪声电流源
Figure BDA00021814826300001510
与栅极寄生电阻Rg并联，漏极寄生噪声电流源
Figure BDA00021814826300001511
与漏极寄生电阻Rd并联；
定义所述寄生噪声电流源参数表达式为，
Figure BDA00021814826300001512
Figure BDA00021814826300001513
Figure BDA00021814826300001514
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；
定义所述本征噪声电流源参数表达式为，
Figure BDA00021814826300001516
Figure BDA00021814826300001518
其中，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，Tgs表示本征栅源电阻Rgs的噪声温度，Tgd表示本征栅漏电阻Rgd的噪声温度，Tds表示本征源漏电导gds的噪声温度，Tsub表示衬底电阻Rsub的噪声温度。
本实施例的InP HEMT噪声等效电路增加了本征栅漏噪声电流源
Figure BDA0002181482630000161
和本征衬底噪声电流源
Figure BDA0002181482630000162
分别用于表征沟道分布效应和衬底损耗效应，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。
S3：根据所述小信号等效电路模型参数值和获得的级联噪声相关矩阵，得到所述噪声电流源参数值；
具体地，包括，
S31：根据所述源极寄生电阻Rs、所述栅极寄生电阻Rg和所述漏极寄生电阻Rd的值得到所述源极寄生噪声电流源所述栅极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181482630000164
和所述漏极寄生噪声电流源
Figure BDA0002181482630000165
的参数值；
S32：获得级联噪声相关矩阵，并根据所述级联噪声相关矩阵得到所述本征噪声电流源参数值。
在本实施例中，包括：
S321：测试得到级联噪声相关矩阵，并对其进行所述寄生噪声电流源参数的去嵌操作，得到本征导纳噪声矩阵；
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，转化为级联噪声相关矩阵CA；将级联噪声相关矩阵CA转化为导纳噪声相关矩阵CY，去除寄生电容；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；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本征导纳噪声矩阵CY I。
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。
本征导纳噪声矩阵CY I为，
Figure BDA0002181482630000171
Figure BDA0002181482630000172
Figure BDA0002181482630000173
Figure BDA0002181482630000174
其中，和
Figure BDA0002181482630000177
互为共轭，K表示玻尔兹曼常数，ω表示角频率，τgs表示延迟因子，gm表示本征跨导。
S322：根据所述本征导纳噪声矩阵，得到本征噪声温度参数值；
在低频条件下，也就是，ω2Cgs 2Rgs 2＜＜1，ω2Cgd 2Rgd 2＜＜1，ω2Csub 2Rsub 2＜＜1，根据公式(30)和公式(31)，得到本征栅漏电阻Rgd的噪声温度Tgd和本征栅源电阻Rgs的噪声温度Tgs，
Figure BDA0002181482630000181
Figure BDA0002181482630000182
其中，Re表示取实部；
当ω＝0时，公式(33)化简为，
Figure BDA0002181482630000183
根据公式(36)，得到本征源漏电导gds的噪声温度Tds，
Figure BDA0002181482630000184
根据公式(33)、(34)、(35)和(37)，得到衬底电阻Rsub的噪声温度Tsub，
Figure BDA0002181482630000185
其中，Re表示取实部。
S323：根据所述本征噪声温度参数值、所述小信号等效电路模型参数值以及所述本征噪声电流源参数表达式，得到本征噪声电流源参数值。
S4：将所述小信号等效电路模型参数值和所述噪声电流源参数值，嵌入至所述InPHEMT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增加了本征栅漏噪声电流源和本征衬底噪声电流源，分别用于表征沟道分布效应和衬底损耗效应，可以克服在高频下噪声参数拟合不准确的问题，提高了噪声等效电路模型在高频下的拟合精度。针对噪声等效电路模型的本征噪声温度参数难以准确提取的问题，提出了一套简单直观的本征噪声温度参数提取方法，可以快速准确的确定本征噪声温度参数，提高了噪声温度参数提取的准确性，减少优化过程，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>gs</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。
计算得到InP HEMT噪声等效电路的本征噪声温度参数数值如表2所示。
表2.本征噪声温度参数值
Figure BDA0002181482630000201
利用上述InP HEMT小信号等效电路模型参数值以及本征噪声温度参数的数值，得到寄生噪声电流源的参数值以及本征噪声电流源的参数值。用ADS软件将InP HEMT小信号等效电路模型参数值以及所述噪声电流源参数值，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温度噪声模型的最小噪声系数的结果对比图，如图所示，相对于传统温度噪声模型，本实施例的噪声等效电路模型考虑了沟道分布效应和衬底损耗效应，增加了本征栅漏噪声电流源
Figure BDA0002181482630000202
和本征衬底噪声电流源
Figure BDA0002181482630000203
本征栅漏噪声电流源
Figure BDA0002181482630000204
和本征衬底噪声电流源
Figure BDA0002181482630000205
的加入会增加高频下模型整体的噪声系数，从而解决传统温度噪声模型对于高频噪声系数的低估问题，显著提高最小噪声系数(NFmin)的拟合精度。
请参见图6，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温度噪声模型的输入噪声阻抗的结果对比图，如图所示，相对于传统温度噪声模型，本实施例的噪声等效电路模型可以提高高频下的输入噪声阻抗(Rn)，从而提高输入噪声阻抗的拟合精度。
请参见图7和图8，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温度噪声模型的最佳噪声匹配点实部的结果对比图，图8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温度噪声模型的最佳噪声匹配点虚部的结果对比图。如图所示，相对于传统温度噪声模型，本实施例的噪声等效电路模型能够更好的对最佳噪声匹配点的实部(Re(Sopt))和虚部(Im(Sopt))进行拟合，提高模型的拟合精度。
从上述仿真结果可以看出，相比于传统温度噪声模型，根据本发明方法建立的噪声等效电路模型增加了本征栅漏噪声电流源
Figure BDA0002181482630000211
和本征衬底噪声电流源
Figure BDA0002181482630000212
分别用于表征沟道分布效应和衬底损耗效应，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的本征噪声温度参数难以准确提取的问题，提出了一套简单直观的本征噪声温度参数提取方法，可以快速准确的确定本征噪声温度参数，提高了噪声温度参数提取的准确性，减少优化过程，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 (7)

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：
建立InP HEMT小信号等效电路模型，并得到小信号等效电路模型参数值；
根据所述InP HEMT小信号等效电路模型，得到InP HEMT噪声等效电路，并定义噪声电流源参数表达式；
根据所述小信号等效电路模型参数值和获得的级联噪声相关矩阵，得到所述噪声电流源参数值；
将所述小信号等效电路模型参数值和所述噪声电流源参数值，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，建立InP HEMT小信号等效电路模型，并得到小信号等效电路模型参数值，包括：
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：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)、栅漏寄生电容(Cpgd)、本征栅漏电容(Cgd)、本征栅漏电阻(Rgd)、本征栅源电容(Cgs)、本征栅源电阻(Rgs)、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)，其中，
所述栅极寄生电感(Lg)、所述栅极寄生电阻(Rg)、所述本征栅漏电容(Cgd)、所述本征栅漏电阻(Rgd)、所述漏极寄生电阻(Rd)和所述漏极寄生电感(Ld)串接在栅极端(G)与漏极端(D)之间；
所述本征栅源电容(Cgs)、所述本征栅源电阻(Rgs)、所述源极寄生电阻(Rs)和所述源极寄生电感(Ls)串接在所述栅极寄生电阻(Rg)和所述本征栅漏电容(Cgd)之间的节点与接地端(GND)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)并联在所述本征栅漏电阻(Rgd)和所述漏极寄生电阻(Rd)之间的节点与所述本征栅源电阻(Rgs)和所述源极寄生电阻(Rs)之间的节点之间；
所述本征衬底电容(Csub)和所述本征衬底电阻(Rsub)串接在所述本征栅漏电阻(Rgd)和所述漏极寄生电阻(Rd)之间的节点与所述本征栅源电阻(Rgs)和所述源极寄生电阻(Rs)之间的节点之间；
所述栅极寄生电容(Cpg)连接在所述栅极端(G)和所述接地端(GND)之间，所述漏极寄生电容(Cpd)连接在所述漏极端(D)和所述接地端(GND)之间，所述栅漏寄生电容(Cpgd)连接在所述栅极端(G)和所述漏极端(D)之间；
对所述InP HEMT小信号等效电路模型的各参数值进行提取，得到所述小信号等效电路模型参数值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述InP HEMT小信号等效电路模型，得到InP HEMT噪声等效电路，并定义噪声电流源参数表达式，包括：
在所述InP HEMT小信号等效电路模型上加入噪声电流源，得到InP HEMT噪声等效电路，所述噪声电流源包括本征噪声电流源和寄生噪声电流源，其中，
所述本征噪声电流源包括本征栅源噪声电流源本征栅漏噪声电流源本征源漏噪声电流源
Figure FDA0002181482620000023
和本征衬底噪声电流源
Figure FDA0002181482620000024
所述本征栅源噪声电流源
Figure FDA0002181482620000025
与所述本征栅源电阻(Rgs)并联，所述本征栅漏噪声电流源
Figure FDA0002181482620000026
与所述本征栅漏电阻(Rgd)并联，所述本征源漏噪声电流源
Figure FDA0002181482620000031
与所述本征源漏电导(gds)并联，所述本征衬底噪声电流源
Figure FDA0002181482620000032
与所述本征衬底电阻(Rsub)并联；
所述寄生噪声电流包括源极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181482620000033
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
Figure FDA0002181482620000036
与所述源极寄生电阻(Rs)并联，所述栅极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181482620000037
与所述栅极寄生电阻(Rg)并联，所述漏极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181482620000038
与所述漏极寄生电阻(Rd)并联；
定义所述寄生噪声电流源参数表达式为，
Figure FDA0002181482620000039
Figure FDA00021814826200000310
Figure FDA00021814826200000311
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；定义所述本征噪声电流源参数表达式为，
Figure FDA00021814826200000312
Figure FDA00021814826200000313
Figure FDA00021814826200000314
Figure FDA00021814826200000315
其中，Δf表示噪声带宽，K表示玻尔兹曼常数，Tgs表示所述本征栅源电阻Rgs的噪声温度，Tgd表示所述本征栅漏电阻Rgd的噪声温度，Tds表示所述本征源漏电导gds的噪声温度，Tsub表示所述衬底电阻Rsub的噪声温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述小信号等效电路模型参数值和获得的级联噪声相关矩阵，得到所述噪声电流源参数值，包括：
根据所述源极寄生电阻Rs、所述栅极寄生电阻Rg和所述漏极寄生电阻Rd的值得到所述源极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181482620000041
所述栅极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181482620000042
和所述漏极寄生噪声电流源
Figure FDA0002181482620000043
的参数值；
获得级联噪声相关矩阵，并根据所述级联噪声相关矩阵得到所述本征噪声电流源参数值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，获得级联噪声相关矩阵，并根据所述级联噪声相关矩阵得到所述本征噪声电流源参数值，包括：
测试得到级联噪声相关矩阵，并对其进行所述寄生噪声电流源参数的去嵌操作，得到本征导纳噪声矩阵；
根据所述本征导纳噪声矩阵，得到本征噪声温度参数值；
根据所述本征噪声温度参数值、所述小信号等效电路模型参数值以及所述本征噪声电流源参数表达式，得到本征噪声电流源参数值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，测试得到级联噪声相关矩阵，并对其进行所述寄生噪声电流源参数的去嵌操作，得到本征导纳噪声矩阵，包括：
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；
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；
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；
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 FDA0002181482620000051
Figure FDA0002181482620000055
其中，和
Figure FDA0002181482620000057
互为共轭，K表示玻尔兹曼常数，ω表示角频率，τgs表示延迟因子，gm表示本征跨导。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述本征导纳噪声矩阵，得到本征噪声温度参数值，包括：
在低频条件下，根据
Figure FDA0002181482620000058
和得到所述本征栅漏电阻Rgd的噪声温度Tgd和所述本征栅源电阻Rgs的噪声温度Tgs，
Figure FDA00021814826200000510
Figure FDA0002181482620000061
其中，Re表示取实部；
当ω＝0时，根据
Figure FDA0002181482620000062
得到所述本征源漏电导gds的噪声温度Tds，
Figure FDA0002181482620000063
根据
Figure FDA0002181482620000064
所述本征栅漏电阻Rgd的噪声温度Tgd、所述本征栅源电阻Rgs的噪声温度Tgs和所述本征源漏电导gds的噪声温度Tds，得到所述衬底电阻Rsub的噪声温度Tsub，
Figure FDA0002181482620000065
其中，Re表示取实部。
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