CN112380659A - 基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构 - Google Patents

基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，包括晶体管GH；GH的栅极G、源极S和漏极D分别连接电感L1、L3和L2的一端；L1的另一端分别连接电容C1、电阻R1和电容C2的一端；电阻R1另一端分别接电容C3的一端和电容C4的一端；C3另一端与电阻R2的一端相接；电容C4另一端与电阻R3的一端相接；电阻R3另一端分别与电流源Ids的一端、电容C5、电阻R5和电阻R4的一端相接；电阻R2另一端分别接电阻RS的一端、电流源Ids另一端、C5另一端和R5另一端。本发明采用了新型电阻RS的参数Rs模型，可以解决电阻RS的参数Rs漏源电流及温度变化而变化的问题。

Description

基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构
技术领域
本发明涉及半导体器件建模技术领域，特别是涉及基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构。
背景技术
随着半导体器件应用领域的扩大，在特殊场合要求半导体能够在高温、强辐射、大功率环境下依然坚挺，于是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的第三代半导体材料登上了历史舞台。
以GaN材料为代表的第三代半导体材料相对于第一、第二代半导体材料具有以下几个优点：
1、GaN材料的禁带宽度很大(3.39eV)，这使得其有很好的耐热性，可以工作在500℃以上；
2、GaN材料的击穿场强高(3.4MV/cm)，这使得器件的击穿电压较大，可以工作在高电压环境中；
3、它的饱和速率很大(23Mcm/s)，这使得器件工作在高场强环境中时，电流密度可以产生高功率和高开关速度。
以上这些特点，导致以GaN为代表的第三代半导体材料越来越受到人们关注，它们更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料，也称为高温半导体材料。因此，如何建立准确的GaN材料器件晶体管模型，也成为近些年来的热点问题。
晶体管模型的优劣，对于最终模拟和微波电路或系统的成败起着至关重要的作用。在电路仿真中，电路设计人员将实际的晶体管替代为其等效的电路模型，并以此为基础进行整个电路的设计工作。而晶体管往往是电路里最重要、特性最复杂的器件。所以，晶体管模型的精确程度十分关键，只有模型正确地反应并预测出它所代表的物理器件的各种响应和特性，才能得到理想的、符合需要的电路实现形式。
传统的GaN HEMT(HEMT为高电子迁移率晶体管)等效电路拓扑结构，分为寄生部分和本征部分。其中，寄生部分包括外围的电阻、电感、焊盘电容，不随偏置的变化而变化，被认为是线性元件；而本征部分，包括内部的跨导gm、栅源电容Cgs、漏源电阻Rds等，随偏置的变化而变化，通常被认为是非线性元件。其中电阻参数Rs常常被认为是寄生参数，不随偏置的变化而变化，为固定值。然而在最近的研究中发现，电阻Rs的阻值会随沟道温度的变化而发生改变。并且在大信号条件下，电阻Rs的阻值会随着流经晶体管的漏源电流Ids的变化而发生改变。
综上所述，为解决现有寄生电阻参数Rs随漏源电流及温度变化而变化的问题，迫切需要开发出一种新的技术，能够实现更高的模型精度，达到更准确电路仿真的目的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供基于新型电阻模型的GaNHEMT等效电路拓扑结构。
为此，本发明提供了基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，其特征在于，包括晶体管GH；
其中，晶体管GH的栅极G，连接电感L1的一端；
晶体管GH的源极S，连接电感L3的一端；
晶体管GH的漏极D，连接电感L2的一端；
其中，电感L1的另一端，分别连接电容C1的一端、电阻R1的一端和电容C2的一端；
电容C1的另一端接地；
电阻R1的另一端，分别接电容C3的一端和电容C4的一端；
电容C3的另一端，与电阻R2的一端相接；
电容C4的另一端，与电阻R3的一端相接；
电阻R3的另一端，分别与电流源Ids的一端、电容C5的一端、电阻R5的一端和电阻R4的一端相接；
其中，电阻R2的另一端，分别接电阻RS的一端、电流源Ids的另一端、电容C5的另一端和电阻R5的另一端；
电阻R4的另一端，与电感L2的另一端相接；
电感L3的另一端，接电阻RS的另一端。
优选地，晶体管GH，是氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT。
优选地，还包括温控子电路，包括电流源Ith；
电流源Ith的一端，连接电阻R7的一端和电容C7的一端；
电阻R7的另一端和电容C7的另一端相交后，与电压源Va的一端相接；
电子元件B的另一端和电子元件C的另一端接地；
电阻R7两端的电势差，用于表征晶体管GH沟道温度的变化ΔTch。
优选地，电阻RS的参数Rs，满足以下公式：
Figure BDA0002772300660000031
其中，ΔTch＝Pdiss×Rth＝Ids×Vds×Rth，公式(2)；
其中，在公式(1)中，rss0为低电流及低沟道温度时初始阻抗，可由常温下的寄生电阻提取方法获得；Ks为沟道温度调制因子，通过不同温度下提取到的寄生电阻值拟合得到；ΔTch为GH的沟道温差，其大小可由公式(2)获得；Ids为流经晶体管的漏源电流，isat为晶体管的漏源电流所能达到的饱和电流值，二者皆由I-V测量获得。
其中，公式(2)中的Pdiss为耗散功率，数值上等于Ids与Vds的乘积；Vds为加在GH两端的漏压；Rth为热阻的阻值，由不同温度下的直流I-V数据和脉冲I-V数据计算获得。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，其采用了一个能够嵌入到GaN HEMT等效电路拓扑结构中的新型电阻RS的参数Rs模型，该模型结合了漏源电流调制与温度调制，可以解决电阻RS的参数Rs的漏源电流及温度变化而变化的问题，从而实现更高的模型精度，具有重大的实践意义。
附图说明
图1为本发明提供的基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构的结构图；
图2为本发明提供的基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构中，一个温控子电路的结构图；
图2中，Va为环境温度，在热子网络中以电压的形式表示。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段更容易理解，下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参见图1、图2，本发明提供了基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，其是一种嵌入非线性电阻参数Rs模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，其包括晶体管GH(图略)；
其中，晶体管GH的栅极G，连接电感L1的一端；
晶体管GH的源极S，连接电感L3的一端；
晶体管GH的漏极D，连接电感L2的一端；
其中，电感L1的另一端，分别连接电容C1的一端、电阻R1的一端和电容C2的一端；
电容C1的另一端接地；
电阻R1的另一端，分别接电容C3的一端和电容C4的一端；
电容C3的另一端，与电阻R2的一端相接；
电容C4的另一端，与电阻R3的一端相接；
电阻R3的另一端，分别与电流源Ids的一端(电流源Ids用于表征流经GaN HEMT的漏源电流的大小)、电容C5的一端、电阻R5的一端和电阻R4的一端相接；
其中，电阻R2的另一端，分别接电阻RS的一端、电流源Ids的另一端、电容C5的另一端和电阻R5的另一端；
电阻R4的另一端，与电感L2的另一端相接；
电感L3的另一端，接电阻RS的另一端。
在本发明中，具体实现上，晶体管GH，是氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)。
在本发明中，具体实现上，还包括温控子电路，包括电流源Ith；
该电流源Ith在数值上等于GaN HEMT的耗散功率Ith＝Pdiss＝Ids*Vds，用于计算沟道温差ΔTch；
电流源Ith的一端，连接电阻R7的一端和电容C7的一端；
电阻R7的另一端和电容C7的另一端相交后，与电压源Va的一端相接；
该电压源Va在数值上等于GaN HEMT所处的环境温度Tamp的大小，用电压的方式来表征GaN HEMT所处的环境温度。
电子元件B的另一端和电子元件C的另一端接地；
电阻R7两端的电势差表征GaN HEMT晶体管沟道温度的变化ΔTch，大小等于Pdiss*R7。
需要说明的是，在本发明中，在晶体管GH的栅极G施加的栅压可以控制晶体管GH的导通，在晶体管GH的漏极施加电压可以形成电流，晶体管GH的源极一般接地。流经GH电流的流向是从漏极流向源极。
需要说明的是，在本发明中，图1中C1、C2、C6的参数分别是Cpg、Cpdg、Cpd，用于代表极间空气桥电容；L1、L2、L3的参数分别是Lg、Ld、Ls，用于分别代表栅极、漏极和源极的引线电感；R1、R4、RS的参数分别是Rg、Rd、Rs，用于分别代表栅极、漏极、源极的寄生电阻；C3、C4、C5的参数分别是Cgs、Cgd、Cds，用于分别代表栅源、栅漏、漏源之间的电容；R2的参数是Ri，用于代表沿着栅极下面的分布电阻；R3、R5的参数分别是Rgd、Rds，用于分别代表栅漏、漏源之间的电阻；电流源Ids表示的是流经GH的漏源电流。
需要说明的是，在本发明中，图2中电流源Ith，数值上等于GH的耗散功率Pdiss，用于计算沟道温差ΔTch；R7、C7的参数Rth、Cth代表GH的热阻、热容；电压源Va用电压的形式表示GH所处的环境温度。
在本发明中，在图1中，电阻RS是一种非线性电阻，其参数Rs的大小随温度以及流经GH的漏源电流Ids的影响。非线性RS模型能使得整个等效电路拓扑结构模型的输出响应，更符合在大信号条件下实际GH的输出响应。
需要说明的是，在本发明中，图2的温控子电路与图1不连接。图2温控子电路用于为图1的电阻RS的参数Rs提供温差参数ΔTch。图2的温控子电路表征的是GH器件沟道温度的变化。
在本发明中，具体实现上，本发明公开了一种新型的结合了漏源电流调制与温度调制的电阻RS的参数Rs模型。实现电阻RS的参数Rs模型的原理如公式(1)所示，也就是说，本发明的电路拓扑结构需要满足以下公式：
Figure BDA0002772300660000061
其中，ΔTch＝Pdiss×Rth＝Ids×Vds×Rth，公式(2)；
其中，在公式(1)中，rss0为低电流及低沟道温度时初始阻抗，可由常温下的寄生电阻提取方法获得；Ks为沟道温度调制因子，通过不同温度下提取到的寄生电阻值拟合得到；ΔTch为GH的沟道温差，其大小可由公式(2)获得；Ids为流经晶体管的漏源电流，Isat为晶体管的漏源电流所能达到的饱和电流值，二者皆由I-V测量(即电流和电压测试)获得。
其中，公式(2)中的Pdiss为耗散功率，数值上等于Ids与Vds的乘积；Vds为加在GH两端的漏压；Rth为热阻的阻值，由不同温度下的直流I-V数据和脉冲I-V数据计算获得。
需要说明的是，对于本发明，新的电阻RS的参数Rs(即阻值参数)模型分子式的分子部分，代表着阻值受沟道温度的影响；分母部分代表着漏源电流Ids调制的作用，阻值随Ids的增大而增大。
新的电阻RS的参数Rs充分考虑了GH的沟道温度以及漏源电流Ids的影响，使得整个等效电路拓扑模型能够能够更好的拟合GH晶体管在大信号条件下的输出响应。
在本发明中，新电阻RS的参数Rs模型，基于传统的GaN HEMT等效电路拓扑结构参数提取方法。首先，常温下，GaN HEMT在偏置“冷”夹断(栅源电压Vgs<阈值电压Vth，Vds＝0)的情况下，提取寄生电容C1、C6、C2的参数Cpg、Cpd和Cpdg。然后，器件在偏置“冷”正向(Vgs>0，Vds＝0)状态，去嵌电容元件，在高频率下提取电感L1、L2、L3的参数Lg、Ld、Ls和电阻R1、R4、RS的参数Rg、Rd、Rs。再去嵌所有的寄生参数，利用网络参数变换，求得电容C3、C4、C5、R3、R5、R2的本征参数Cgs、Cgd、Cds、Rgd、Rds、Ri等。然后进行I-V测试(即电流和电压测试)，确定晶体管在各个栅压下所能达到的饱和电流Isat，根据公式(2)利用不同温度下的直流I-V数据和脉冲I-V数据提取热阻参数Rth。在不同温度下，重复一、二步，提取不同温度下的Rs值，确定阻抗初值rss0和沟道温度调制因子Ks。最终，建立如公式(1)所示的含有完整电阻参数Rs的等效电路模型。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面说明本发明电路拓扑结构，在具体设计上，具体的实施方式如下：
第一步：常温下，GaN HEMT在偏置“冷”夹断(即栅源电压Vgs<阈值电压Vth,Vds＝0)的情况下，提取寄生电容参数Cpg、Cpd和Cpdg。
第二步：器件在偏置“冷”正向(即Vgs>0,Vds＝0)状态，去嵌电容元件，在高频率下提取电感参数Lg、Ld、Ls和电阻参数Rg、Rd、Rs。
第三步，去嵌所有的寄生参数，利用网络参数变换，求得本征参数Cgs、Cgd、Cds、Rgd、Rds、Ri等。
第三步：进行I-V测试，确定晶体管在各个栅压下所能达到的饱和电流Isat。
第四步：根据公式(2)利用不同温度下的直流I-V数据和脉冲I-V数据提取热阻参数Rth。
第五步：在不同温度下，重复一、二步，提取不同温度下的电阻Rs的电阻值，确定阻抗初值rss0和沟道温度调制因子Ks。
第六步，建立如公式(1)所示的含有完整电阻参数Rs的等效电路模型。
与现有技术相比较，本发明提供的基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，具有以下的有益技术效果：
1、满足电阻参数Rs随温度变化而变化的特性；
2、满足电阻参数Rs受漏源电流调制的影响；
3、新型电阻模型，能够很好的嵌入到GaN HEMT器件的等效电路拓扑结构中，提高模型的物理特性。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，其采用了一个能够嵌入到GaN HEMT等效电路拓扑结构中的新型电阻RS的参数Rs模型，该模型结合了漏源电流调制与温度调制，可以解决电阻RS的参数Rs的漏源电流及温度变化而变化的问题，从而实现更高的模型精度，具有重大的实践意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，其特征在于，包括晶体管GH；
其中，晶体管GH的栅极G，连接电感L1的一端；
晶体管GH的源极S，连接电感L3的一端；
晶体管GH的漏极D，连接电感L2的一端；
其中，电感L1的另一端，分别连接电容C1的一端、电阻R1的一端和电容C2的一端；
电容C1的另一端接地；
电阻R1的另一端，分别接电容C3的一端和电容C4的一端；
电容C3的另一端，与电阻R2的一端相接；
电容C4的另一端，与电阻R3的一端相接；
电阻R3的另一端，分别与电流源Ids的一端、电容C5的一端、电阻R5的一端和电阻R4的一端相接；
其中，电阻R2的另一端，分别接电阻RS的一端、电流源Ids的另一端、电容C5的另一端和电阻R5的另一端；
电阻R4的另一端，与电感L2的另一端相接；
电感L3的另一端，接电阻RS的另一端。
2.如权利要求1所述的基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，其特征在于，晶体管GH，是氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT。
3.如权利要求1所述的基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，其特征在于，还包括温控子电路，包括电流源Ith；
电流源Ith的一端，连接电阻R7的一端和电容C7的一端；
电阻R7的另一端和电容C7的另一端相交后，与电压源Va的一端相接；
电子元件B的另一端和电子元件C的另一端接地；
电阻R7两端的电势差，用于表征晶体管GH沟道温度的变化ΔTch。
4.如权利要求3所述的基于新型电阻模型的GaN HEMT等效电路拓扑结构，其特征在于，电阻RS的参数Rs，满足以下公式：
Figure FDA0002772300650000011
其中，ΔTch＝Pdiss×Rth＝Ids×Vds×Rth， 公式(2)；
其中，在公式(1)中，rss0为低电流及低沟道温度时初始阻抗，可由常温下的寄生电阻提取方法获得；Ks为沟道温度调制因子，通过不同温度下提取到的寄生电阻值拟合得到；ΔTch为GH的沟道温差，其大小可由公式(2)获得；Ids为流经晶体管的漏源电流，Isat为晶体管的漏源电流所能达到的饱和电流值，二者皆由I-V测量获得。
其中，公式(2)中的Pdiss为耗散功率，数值上等于Ids与Vds的乘积；Vds为加在GH两端的漏压；Rth为热阻的阻值，由不同温度下的直流I-V数据和脉冲I-V数据计算获得。
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