CN117556770B - 一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型，涉及半导体器件建模技术，针对现有技术中临拟合程度较低等问题提出本方案。寄生部分等效电路分别设置微带线串接在本征部分等效电路的源漏栅各连接点与对应极之间；再设置栅极散粒噪声电流源串接在微带线TLg和微带线TLs之间。优点在于，采用分布参数元件与集总参数元件混合构建，提升了GaN HEMT等效电路模型在毫米波频段的适用性和准确度。所引入的有耗传输线的等效电感电阻值随频率变化，扩展了适用带宽。传输线参数可通过工艺参数或版图结构信息直接得出，简化了参数提取步骤。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件建模技术，尤其涉及一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型。
背景技术
GaN HEMT属于第三代宽禁带半导体器件，具有高击穿电压、高热导率、高电子迁移率、高输出功率以及较低的噪声系数等优势，在现代无线通信系统中有着巨大的潜力和广阔的应用前景。基于GaN HEMT工艺的低噪声放大器相对于其他工艺的低噪声放大器可以承受更高功率的输入信号，从而可以被应用于航空航天、军事电子对抗等复杂的电磁环境；此外，GaN低噪声放大器更易于与已部署的GaN功率放大器集成，从而可以提高系统的集成度,降低封装难度，减小芯片体积。器件模型是对具体器件特性的一种抽象描述和表征，对于一种半导体器件，需要建立描述其特性的模型，然后才能将其应用于实际电路设计。传统的等效电路噪声模型全部采用集总参数元件来拟合晶体管的小信号和噪声特性，而在毫米波频段，信号波长较短，寄生效应严重，器件和电路特性无法再简单地用集总参数元件来表征，而晶体管模型的鲁棒性很大程度上取决于寄生网络描述的准确性。传输线元件自带分布参数例如特性阻抗、传播损耗等，可以很好地拟合较高频率下器件寄生部分的电学特性。目前，针对GaN HEMT的高频噪声模型仍不完善，已有的GaN HEMT高频噪声模型主要面临拟合程度较低、参数提取流程复杂、预测不准确，适用带宽较窄等问题，从而限制了GaN HEMT在射频低噪声放大器中的应用。
因此，拟合程度高、预测准确、更加符合GaN HEMT物理特性的高频噪声模型尤为重要。
[1] 中国专利“一种偏栅晶体管进行建模的方法及电路仿真方法”，申请号CN202110330666.3
[2] A. Nalli et al., "GaN HEMT Noise Model Based on ElectromagneticSimulations," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.63, no. 8, pp. 2498-2508, Aug. 2015, doi: 10.1109/TMTT.2015.2447542.
[3] 中国专利“一种InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型”，申请号CN202211256662.6
发明内容
本发明目的在于提供一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型，包括寄生部分等效电路、本征部分等效电路和等效噪声电流源等效电路；
所述寄生部分等效电路设置微带线TLg串接在本征部分等效电路栅极连接点和GaN HEMT晶体管栅极之间，设置微带线TLd串接在本征部分等效电路源极连接点和GaNHEMT晶体管源极之间，微带线TLs串接在本征部分等效电路漏极连接点和GaN HEMT晶体管漏极之间；
所述等效噪声电流源等效电路设置栅极散粒噪声电流源串接在所述微带线TLg和微带线TLs之间。
本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型，其优点在于，采用分布参数元件（传输线）与集总参数元件混合构建，提升了GaN HEMT等效电路模型在毫米波频段的适用性和准确度。所引入的有耗传输线的等效电感电阻值随频率变化，扩展了适用带宽。传输线参数可通过工艺参数或版图结构信息直接得出，简化了参数提取步骤。传输线特性更加贴近实际GaN HEMT器件的高频寄生特性，同时拟合寄生电感电阻和衬底电容，使得模型更加紧凑。
采用基于电磁仿真的寄生参数模型，解决了传统小信号模型对器件寄生部分的参考平面的识别不准确的问题。
相较于传统噪声模型，通过将散粒噪声项引入到栅极噪声电流中，并在散粒噪声电流公式中增加拟合缩放因子K用于适当优化，完善等效电路模型噪声机理，提高了模型在较低频段的噪声特性拟合程度。
附图说明
图1是本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型的结构示意图。
图2是本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型与对比例的S11曲线图。
图3是本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型与对比例的S22曲线图。
图4是本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型与对比例的S12曲线图。
图5是本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型与对比例的S21曲线图。
图6是本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型与对比例的最小噪声系数NFmin曲线图。
图7是本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型与对比例的等效噪声电阻Rn曲线图。
图8是本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型与对比例的最优噪声反射系数Γopt曲线图。
具体实施方式
如图1所示，本发明中所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型基于Pucel噪声模型进行改进，用以解决传统小信号模型中寄生参数元件值未考虑分布参数效应的问题，提升了GaN HEMT等效电路模型在毫米波频段的适用性。所引入的有耗传输线的等效电感电阻值随频率变化，扩展了适用带宽；传输线参数可通过工艺参数或版图结构信息直接得出，简化了参数提取步骤。
包括器件寄生部分等效电路、本征部分等效电路、等效噪声电流源。寄生部分包括：微带线TLg、微带线TLd、微带线TLs、电容Cgsp、电容Cgdp、电容Cdsp，其中，采用有耗传输线代替传统小信号模型中寄生电感电阻的组合，由于有耗传输线中包含了与频率相关的导体损耗和介质损耗，更加贴合实际GaN器件高频寄生效应产生的损耗；本征部分包括：电容Cgs、电容Cgd、电容Cds、电阻Ri、电阻Rds、电流Id，其中Id=，gm为跨导，Vgsi为内部栅源电压，τ为延时因子；等效噪声电流源包括：/>、/>、/>。寄生部分与偏置无关，本征部分和等效噪声电流源与偏置相关。
所述高频噪声等效电路模型的寄生参数通过仿真软件得到。建模步骤包括：根据GaN HEMT晶体管的材料与结构，获取其工艺参数，在软件中建立衬底模型；根据衬底模型，计算得到传输线的特性参数；对晶体管版图进行电磁仿真，得到寄生电容值并修正传输线特性参数；根据寄生参数和整个晶体管的测试数据，对晶体管进行S参数去嵌和噪声参数去嵌，计算得到晶体管的本征参数和噪声参数。
原理图说明：微带线TLg、微带线TLd、微带线TLs分别模拟栅极、漏极、源级串联走线寄生；电容Cgsp、电容Cgdp、电容Cdsp为栅源、栅漏、漏源并联寄生电容；电容Cgs、电容Cgd、电容Cds为有源部分本征栅源、栅漏、漏源电容，电阻Ri为本征电阻，用于拟合高频S参数和噪声特性，电阻Rds为漏源沟道电阻；电流Id为漏极电流；电流源、电流源/>、电流源/>分别为栅极散粒噪声电流源、栅感应噪声电流源和漏极沟道热噪声电流源。
提参过程说明：
S1. 寄生参数提取：
首先，根据GaN HEMT器件各介质层的相对介电常数、磁导率、厚度，以及各金属层的厚度、电导率、损耗角正切、表面粗糙度，在仿真软件和模型原理图中建立衬底模型。
然后，根据材料参数（介电常数ε）和几何参数（宽度W和厚度d）通过计算工具得到传输线的基本参数，传输线特性阻抗近似计算公式如下：
然后，进行版图电磁仿真通过在晶体管内部的各连接点施加端口激励，得到各内部节点之间的得到寄生电容值，寄生电容值包括：电容Cgsp、电容Cgdp、电容Cdsp。
并通过电磁仿真结果对于传输线参数进行修正，最终确定微带线TLg、微带线TLd、微带线TLs的特性阻抗Z0和电长度θ等参数。
S2. 寄生参数去嵌与本征参数计算：
将原始晶体管测试S参数矩阵[Sraw]转化为Y矩阵[Yraw]，减去寄生并联电容网络的Y矩阵[Ycap]得到[Yde1]；将上一步得到的Y矩阵[Yde1]转化为Z矩阵[Zde1]，减去寄生串联传输线网络的Z矩阵[Zser]，相减得到的Z矩阵[Zde2]再转化为Y矩阵，即本征Y矩阵[Yint]；最后，根据本征Y矩阵[Yint]和本征参数提取公式计算得到各本征参数。
本征参数计算公式如下：
；
；
；
；
；
；
。
S3. 噪声参数计算：
首先，将测量得到的晶体管噪声参数数据（Fmin, Rn, Yopt）转化为噪声ABCD矩阵，转换公式如下：
；
再将原始噪声ABCD矩阵转化为噪声Y矩阵/>，转换公式如下：
；
；
；
；
上述公式中涉及到的Y参数为原始Y矩阵[Yraw]。根据上面寄生参数提取得到的结果将寄生网络转化为噪声Y矩阵和噪声Z矩阵进行噪声去嵌。其中，寄生电容构成的噪声Y矩阵为，寄生传输线构成的噪声Z矩阵为/>。先将/>减去/>得到/>，再把转化为噪声Z矩阵/>，再将/>减去/>得到/>，最后将/>转化为噪声Y矩阵即为噪声本征Y矩阵/>。最后，根据噪声参数计算公式计算的到各噪声模型参数。噪声模型参数计算公式如下：
；
；
；
=/>K；
=/>R；
=/>；
；
其中P、R分别为漏极沟道热噪声电流源和栅感应噪声电流源的噪声因子，C为二者相关系数，K为本专利提出的栅极散粒噪声电流源的缩放因子。
S4. 模型优化
所有模型参数计算完毕后，导入到软件中采用算法进行适当优化，得到最终模型。
采用所提出的模型针对一个2×50μm GaN HEMT晶体管进行了建模，S参数和噪声参数的传统Pucel模型仿真结果、本发明模型仿真结果和本发明模型对应实物器件测试结果的对比如图2到图8所示。
如图2所示，本发明模型仿真得到的S11相对于传统模型在中低频段具有更高的预测准确度。
如图3所示，本发明模型仿真得到的S22相对于传统模型在低频端和高频端的拟合程度都有所改进。
如图4所示，本发明模型仿真得到的S12相对于传统模型在高频段具有更高的拟合程度。
如图5所示，本发明模型仿真得到的S21相对于传统模型在2-40GHz都具有更高的拟合程度。
如图6所示，本发明模型仿真得到的最小噪声系数NFmin相对于传统模型在全频段的准确度都有所改进。
如图7所示，本发明模型仿真得到的等效噪声电阻Rn与传统模型Rn仿真结果对比来看，相对于测试结果的误差程度较为接近。
如图8所示，传统模型仿真得到的最优噪声源阻抗在高频端（左侧）相对于测试结果左偏，而本发明模型由于采用了基于电磁仿真的参数提取方法，仿真得到的最优噪声源阻抗相对于传统模型在全频段具有更高的拟合程度。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型，包括寄生部分等效电路、本征部分等效电路和等效噪声电流源等效电路；
其特征在于，
所述寄生部分等效电路设置微带线TLg串接在本征部分等效电路栅极连接点和GaNHEMT晶体管栅极之间，设置微带线TLd串接在本征部分等效电路源极连接点和GaN HEMT晶体管源极之间，微带线TLs串接在本征部分等效电路漏极连接点和GaN HEMT晶体管漏极之间；
所述等效噪声电流源等效电路设置栅极散粒噪声电流源串接在所述微带线TLg和微带线TLs之间；
所述等效噪声电流源等效电路还设置电流源并联在所述栅极散粒噪声电流源/>两端，设置电流源/>串接在微带线TLs和微带线TLd之间；
所述寄生部分等效电路设置电容Cgsp在栅极和源极之间；设置电容Cgdp在栅极和漏极之间；设置电容Cdsp在源极和漏极之间；
参数通过以下步骤进行确定：
S1.寄生参数提取的步骤；
S2.寄生参数去嵌与本征参数计算的步骤；
S3.噪声参数计算的步骤；
S4.所有模型参数计算完毕后，导入到仿真软件中进行优化，得到最终模型；
所述步骤S1具体如下：
根据GaN HEMT晶体管各介质层的相对介电常数、磁导率、厚度，以及各金属层的厚度、电导率、损耗角正切、表面粗糙度，在仿真软件和模型原理图中建立衬底模型；
根据材料参数和版图几何参数通过计算工具得到传输线的参数，传输线特性阻抗近似计算公式如下：
；
进行版图电磁仿真通过在晶体管内部的各连接点施加端口激励，得到各内部节点之间的得到寄生电容值；寄生电容值包括：电容Cgsp、电容Cgdp、电容Cdsp；
通过电磁仿真结果对传输线参数进行修正，最终确定微带线TLg、微带线TLd、微带线TLs的特性阻抗Z0和电长度θ。
2.根据权利要求1所述一种新型GaN HEMT晶体管高频噪声等效电路模型，其特征在于，所述步骤S2具体如下：
将原始晶体管测试S参数矩阵[Sraw]转化为Y矩阵[Yraw]，减去寄生并联电容网络的Y矩阵[Ycap]得到[Yde1]；将上一步得到的Y矩阵[Yde1]转化为Z矩阵[Zde1]，减去寄生串联传输线网络的Z矩阵[Zser]，相减得到的Z矩阵[Zde2]再转化为Y矩阵，即本征Y矩阵[Yint]；根据本征Y矩阵[Yint]和本征参数提取公式计算得到各本征参数；
本征参数计算公式如下：
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；
；
；
；
。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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