CN206421387U - AlGaN/GaN HEMT小信号模型 - Google Patents

AlGaN/GaN HEMT小信号模型 Download PDF

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周海峰
丁庆
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Abstract

本实用新型涉及一种AlGaN/GaN HEMT小信号模型。AlGaN/GaN HEMT小信号模型包括本征单元和寄生单元，其中，所述寄生单元包括栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容所述本征单元的第一端与栅极端连接，所述本征单元的第二端与所述漏极端连，所述本征单元的第三端与源极端连接；所述第一共面波导电容串接在所述本征单元的第一端与第三端之间，所述第二共面波导电容串接在所述本征单元的第一端与第二端之间。在高频条件下，引入第一共面波导电容和第二共面波导电容也即，考虑了AlGaN/GaN HEMT器件的共面波导效应会引入额外寄生电容，可以更精准的反映AlGaN/GaN HEMT器件的工作状态和器件特性，提高了器件模型准确率。

Description

AlGaN/GaN HEMT小信号模型
技术领域
本实用新型涉及集成电路技术领域，特别是涉及AlGaN/GaN HEMT小信号模型。
背景技术
微波器件和电路是当今半导体技术的重要发展方向，在国防领域和民用领域均有广泛应用。随着通信技术的发展，微波器件及其电路的重要性日益提高。基于AlGaN/GaNHEMTs器件的微波单片集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)已经达到了良好的性能指标。AlGaN/GaN HEMT其以工作频率高、功率密度大、功率附加效率高、线性度好、输入阻抗高、易匹配、耐高温等明显优势在微波电路中得到广泛应用。
AlGaN/GaN HEMTs器件的微波单片集成电路的设计，诸如放大器、振荡器和混频器等，都需要准确的器件模型，从而离不开器件的建模。器件建模在微波集成电路(MMIC)的设计过程中至关重要，有助于对设计的电路进行快速、精确、灵活的仿真。现如今，提出了很多等效电路模型及模型参数的提取方法以方便于对器件的模拟仿真，其中Dambrine提出的模型最为经典，等效电路模型如图1所示，虚线框内的参数为器件的本征参数，包括跨导，沟道导通电阻，栅源电容等，本征参数随着器件偏置电压的不同而变化。虚线框外的参数为寄生参数，包括寄生电感，交互电容和接触电阻，寄生参数由器件栅极、源极和漏极的电极引起，不随器件偏置电压的不同而变化。
虽然Dambrine模型非常经典，且有成熟的参数的提取方法，但是由于AlGaN/GaNHEMT器件广泛应用于高频领域，当器件工作于很高的频率下时，器件尺寸可以和波长相比拟，栅源和栅漏金属电极相当于共面波导传输线，其共面波导电容对器件在高频工作下的影响非常大，传统的小信号模型不能很好的表征器件在高频下的工作状态和器件特性。
实用新型内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种能够在高频条件工作下，且能准确反映器件的工作状态，提供小信号模型准确率的AlGaN/GaN HEMT小信号模型。
一种AlGaN/GaN HEMT小信号模型，包括本征单元和寄生单元，其中，所述寄生单元包括栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容
所述本征单元的第一端与栅极端连接，所述本征单元的第二端与所述漏极端连，所述本征单元的第三端与源极端连接；
所述第一共面波导电容串接在所述本征单元的第一端与第三端之间，所述第二共面波导电容串接在所述本征单元的第一端与第二端之间。
上述AlGaN/GaN HEMT小信号模型，在传统的AlGaN/GaN HEMT小信号模型的基础上，在寄生单元中增设了栅源之间的第一共面波导电容和栅漏之间的第二共面波导电容由于AlGaN/GaN HEMT器件与共面波导器件的结构有着相似之处，在高频条件下，引入第一共面波导电容和第二共面波导电容也即，考虑了AlGaN/GaN HEMT器件的共面波导效应会引入额外寄生电容，可以更精准的反映AlGaN/GaN HEMT器件的工作状态和器件特性，提高了器件模型准确率。
在其中一个实施例中，所述寄生单元还包括栅极寄生电感Lg、源极寄生电感Ls、漏极寄生电感Ld；
所述栅极寄生电感Lg的第一端与所述山极端连接，另一端分别与第一共面波导电容第二共面波导电容本征单元的第一端连接；所述漏极寄生电感Ld的一端与所述楼极端连接，另一端与分别与第二共面波导电容本征单元的第二端连接；所述源极寄生电感Ls的一端接地，另一端分别与第一共面波导电容本征单元的第三端连接。
在其中一个实施例中，所述寄生单元还包括栅极寄生电阻Rg、源极寄生电阻Rs、漏极寄生电阻Rd；栅极寄生电阻Rg串接在所述栅极寄生电感Lg与本征单元的第一端之间；所述漏极寄生电阻Rd串接在所述漏极寄生电感Ld与本征单元 的第二端之间；所述源极寄生电阻Rs串接在所述源极寄生电感Ls与本征单元的第三端之间。
在其中一个实施例中，所述寄生单元还包括栅极PAD寄生电容Cpg、漏极PAD寄生电容Cpd；
所述栅极PAD寄生电容Cpg串接在栅极端与源极端之间，所述漏极PAD寄生电容Cpd串接在漏极端与源极端之间。
在其中一个实施例中，所述第一共面波导电容的电容值是漏极PAD寄生电容Cpd电容值的三倍。
在其中一个实施例中，所述本征单元包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、本征沟道电阻Ri、栅漏泄漏电阻Rfd、栅源泄漏电阻Rfs、漏源电阻Rds、栅漏电阻Rgd以及跨导gm；其中，
所述栅源本征电容Cgs、本征沟道电阻Ri串联后与所述栅源泄漏电阻Rfs并联构成第一并联电路，所述第一并联电路的第一端为所述本征单元的第一端，所述第一并联电路的第二端接地；
所述栅漏本征电容Cgd与所述栅漏泄漏电阻Rfs并联后与所述栅漏电阻Rgd串联，所述栅漏本征电容Cgd的一端与所述第一并联电路的第一端连接；
所述跨导gm、漏源电阻Rds、漏源本征电容Cds并联，构成第二并联电路，所述第二并联电路的第一端与所述栅漏电阻Rgd连接，并作为所述本征单元的第二端；所述第二并联电路的第二端接地。
在其中一个实施例中，所述本征单元中的本征参数还包括跨导延迟因子τ。
附图说明
图1为传统的HEMT等效电路模型图；
图2为一实施例中AlGaN/GaN HEMT小信号模型的等效电路图；
图3为一实施例中AlGaN/GaN HEMT器件示意图；
图4为AlGaN/GaN HEMT器件的S参数谱图；
图5为仿真AlGaN/GaN HEMT小信号模型的S参数谱图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图2所示的为一实施例中AlGaN/GaN HEMT小信号模型的等效电路图；如图2所示的为AlGaN/GaN HETM小信号模型所对应的器件结构。后面的具体实例就是对采用这种器件结构的等效电路及提参方法进行的说明。AlGaN/GaN HEMT小信号模型包括本征单元110和寄生单元120，其中，所述寄生单元120包括栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容所述本征单元110的第一端a与栅极端连接，所述本征单元110的第二端b与所述漏极端连，所述本征单元110的第三端c与源极端连接；所述第一共面波导电容串接在所述本征单元110的第一端a与第三端之间，所述第二共面波导电容串接在所述本征单元110的第一端a与第二端之间。
上述AlGaN/GaN HEMT小信号模型，在传统的AlGaN/GaN HEMT小信号模型的基础上，在寄生单元120中增设了栅源之间的第一共面波导电容和栅漏之间的第二共面波导电容由于AlGaN/GaN HEMT器件与共面波导器件的结构有着相似之处，在高频条件下，引入第一共面波导电容和第二共面波导电容也即，考虑了AlGaN/GaN HEMT器件的共面波导效应会引入额外寄生电容，可以更精准的反映AlGaN/GaN HEMT器件的工作状态和器件特性，提高了器件模型准确率。
在一实施例中，所述寄生单元120还包括栅极寄生电感Lg、源极寄生电感Ls、漏极寄生电感Ld。所述栅极寄生电感Lg的第一端与所述山极端连接，另一端分 别与第一共面波导电容第二共面波导电容本征单元110的第一端连接；所述漏极寄生电感Ld的一端与所述楼极端连接，另一端与分别与第二共面波导电容本征单元110的第二端连接；所述源极寄生电感Ls的一端接地，另一端分别与第一共面波导电容本征单元110的第三端连接。
寄生单元120还包括栅极寄生电阻Rg、源极寄生电阻Rs、漏极寄生电阻Rd。栅极寄生电阻Rg串接在所述栅极寄生电感Lg与本征单元110的第一端之间；所述漏极寄生电阻Rd串接在所述漏极寄生电感Ld与本征单元110的第二端之间；所述源极寄生电阻Rs串接在所述源极寄生电感Ls与本征单元110的第三端之间。
寄生单元120还包括栅极PAD寄生电容Cpg、漏极PAD寄生电容Cpd。栅极PAD寄生电容Cpg串接在栅极端与源极端之间，所述漏极PAD寄生电容Cpd串接在漏极端与源极端之间。
所述第一共面波导电容的电容值是漏极PAD寄生电容Cpd电容值的三倍。由于AlGaN/GaN HEMT器件的交感电容远大于PAD寄生电容，这里也可以认为第一共面波导电容远大于PAD寄生电容，可以近似认为：
在一实施例中，所述本征单元110包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、本征沟道电阻Ri、栅漏泄漏电阻Rfd、栅源泄漏电阻Rfs、漏源电阻Rds、栅漏电阻Rgd以及跨导gm。其中，所述栅源本征电容Cgs、本征沟道电阻Ri串联后与所述栅源泄漏电阻Rfs并联构成第一并联电路，所述第一并联电路的第一端为所述本征单元110的第一端a，所述第一并联电路的第二端接地。所述栅漏本征电容Cgd与所述栅漏泄漏电阻Rfs并联后与所述栅漏电阻Rgd串联，所述栅漏本征电容Cgd的一端与所述第一并联电路的第一端连接。所述跨导gm、漏源电阻Rds、漏源本征电容Cds并联，构成第二并联电路，所述第二并联电路的第一端与所述栅漏电阻Rgd连接，并作为所述本征单元110的第二端b；所述第二并联电路的第二端接地。
在一实施例中，本征单元中的本征参数还包括跨导延迟因子τ，跨导延迟因子τ是影响跨导gm的因素之一。
在一实施例中，利用IC-CAP系统和探针台测量AlGaN/GaN HEMT器件的S参数，如图4所示。当然，还可以利用测试架，在矢量网络分析仪中测量 AlGaN/GaN HEMT器件的S参数。同时，将AlGaN/GaN HEMT小信号模型在ADS中仿真，通过仿真也可以得到AlGaN/GaN HEMT小信号模型的S参数，如图5所示。通过对比图4和图5，可以看出，测量的S参数和仿真的S参数基本一致，也即，当增设栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容之后的AlGaN/GaN HEMT小信号模块能够很准确地反映AlGaN/GaN HEMT器件的工作状态，相对与传统的小信号模块，其准确率大大提高了。同时，通过上述AlGaN/GaN HEMT小信号模型可以为后续的本征参数和寄生参数的提取奠定了基础。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种AlGaN/GaN HEMT小信号模型，其特征在于，包括本征单元和寄生单元，其中，所述寄生单元包括栅源之间的第一共面波导电容栅漏之间的第二共面波导电容
所述本征单元的第一端与栅极端连接，所述本征单元的第二端与所述漏极端连，所述本征单元的第三端与源极端连接；
所述第一共面波导电容串接在所述本征单元的第一端与第三端之间，所述第二共面波导电容串接在所述本征单元的第一端与第二端之间。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN HEMT小信号模型，其特征在于，所述寄生单元还包括栅极寄生电感Lg、源极寄生电感Ls、漏极寄生电感Ld；
所述栅极寄生电感Lg的第一端与所述栅极端连接，另一端分别与第一共面波导电容第二共面波导电容本征单元的第一端连接；所述漏极寄生电感Ld的一端与所述漏极端连接，另一端与分别与第二共面波导电容本征单元的第二端连接；所述源极寄生电感Ls的一端接地，另一端分别与第一共面波导电容本征单元的第三端连接。
3.根据权利要求2所述的AlGaN/GaN HEMT小信号模型，其特征在于，所述寄生单元还包括栅极寄生电阻Rg、源极寄生电阻Rs、漏极寄生电阻Rd；栅极寄生电阻Rg串接在所述栅极寄生电感Lg与本征单元的第一端之间；所述漏极寄生电阻Rd串接在所述漏极寄生电感Ld与本征单元的第二端之间；所述源极寄生电阻Rs串接在所述源极寄生电感Ls与本征单元的第三端之间。
4.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN HEMT小信号模型，其特征在于，所述寄生单元还包括栅极PAD寄生电容Cpg、漏极PAD寄生电容Cpd；
所述栅极PAD寄生电容Cpg串接在栅极端与源极端之间，所述漏极PAD寄生电容Cpd串接在漏极端与源极端之间。
5.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN HEMT小信号模型，其特征在于，所述第一共面波导电容的电容值是漏极PAD寄生电容Cpd电容值的三倍。
6.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN HEMT小信号模型，其特征在于，所述本征单元包括栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、本征沟道电阻Ri、栅漏泄漏电阻Rfd、栅源泄漏电阻Rfs、漏源电阻Rds、栅漏电阻Rgd 以及跨导gm；其中，
所述栅源本征电容Cgs、本征沟道电阻Ri串联后与所述栅源泄漏电阻Rfs并联构成第一并联电路，所述第一并联电路的第一端为所述本征单元的第一端，所述第一并联电路的第二端接地；
所述栅漏本征电容Cgd与所述栅漏泄漏电阻Rfs并联后与所述栅漏电阻Rgd串联，所述栅漏本征电容Cgd的一端与所述第一并联电路的第一端连接；
所述跨导gm、漏源电阻Rds、漏源本征电容Cds并联，构成第二并联电路，所述第二并联电路的第一端与所述栅漏电阻Rgd连接，并作为所述本征单元的第二端；所述第二并联电路的第二端接地。
7.根据权利要求6所述的AlGaN/GaN HEMT小信号模型，其特征在于，所述本征单元中的本征参数还包括跨导延迟因子τ。
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