KR102271360B1 - Nonlinear Modeling Method of Power Amplifier - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대면적 소자를 구성하고 있는 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링하도록 한 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치 및 방법에 관한 것으로서, 전력증폭소자로 다수의 저전류 단위소자와, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정하는 파라미터 측정부와, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 영역에서 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성하는 파라미터 추출부와, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링 파라미터를 비교하여 단위소자 모델링을 검증하는 단위소자 모델링 검증부와, 상기 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장하여 대면적 소자를 모델링하는 병렬 확장부와, 상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임을 추가하기 위한 임베딩을 수행하는 임베딩 수행부와, 상기 대면적 소자의 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교하여 상기 대면적 소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 모델링을 검증하는 대면적 소자 모델링 검증부를 포함한다.The present invention relates to a non-linear modeling apparatus and method for a power amplifying device that models a large-area device by scaling up a nonlinear modeling result of a unit device constituting a large-area device in parallel. of the low current unit element, a parameter measuring unit for measuring the linear and nonlinear characteristic parameters of the unit element, and a nonlinear model parameter based on the measurement results of the characteristic parameters in the linear and nonlinear regions of the unit element to perform nonlinear modeling A parameter extracting unit to complete, a unit element modeling verification unit verifying unit element modeling by comparing measured scattering parameters according to IV curves in the linear and nonlinear regions of the unit element, and the nonlinear modeling result of the unit element in parallel A parallel extension unit for modeling a large-area device by expanding to , an embedding performing unit for wire bonding the modeled large-area device to a nonlinear model, and embedding for adding a lead frame of a package; and a large-area device modeling verification unit that evaluates actual device characteristics in a non-linear region and compares the load-pull measurement results to obtain an optimal impedance, and verifies the modeling using the load-pull data of the large-area device.

Description

전력증폭소자의 비선형 모델링 장치 및 방법{Nonlinear Modeling Method of Power Amplifier}Apparatus and method for nonlinear modeling of power amplification device {Nonlinear Modeling Method of Power Amplifier}

본 발명은 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링하도록 한 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치 및 방법에 관한 것에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for nonlinear modeling of a power amplification device in which a nonlinear modeling result of a unit device is scaled up in parallel to model a large-area device.

일반적인 통신 및 방송 시스템에 있어서, 넓은 지역에 대하여 송신신호를 전송하기 위해서는 고전력 증폭기가 필수적으로 사용된다. In a general communication and broadcasting system, a high-power amplifier is inevitably used to transmit a transmission signal over a wide area.

일반적으로 고전력 증폭기는 입력신호의 크기에 따라서 출력신호의 크기와 위상이 비선형(non-linear)적인 특성을 가지게 된다. 이러한 고전력 증폭기(HPA: High Power Amplifier)를 사용할 경우 발생하는 비선형 특성을 보상하기 위한 전치 왜곡 보상 기술에 관한 것이다. 일반적으로 위성, 이동 통신, 라디오 릴레이 링크, 및 레이더 등의 통신신호를 송신할 때 고전력 증폭기를 사용하여 신호를 증폭시킨다.In general, a high power amplifier has a non-linear characteristic in that the magnitude and phase of the output signal are non-linear according to the magnitude of the input signal. It relates to a predistortion compensation technique for compensating for nonlinear characteristics that occur when such a high power amplifier (HPA) is used. In general, when transmitting communication signals such as satellite, mobile communication, radio relay link, and radar, a high power amplifier is used to amplify the signal.

현재 상업용 및 군수용 시스템에 적용되는 반도체 전력증폭기는 수명시간, 유지보수 및 증폭기 동작 관점에서 기존의 진공관 형태의 고출력 증폭기(Traveling Wave Tube)에 비해 우수한 장점을 가지고 있다. Semiconductor power amplifiers currently applied to commercial and military systems have superior advantages over conventional vacuum tube-type high-power amplifiers (Traveling Wave Tube) in terms of life time, maintenance, and amplifier operation.

반도체 고출력 증폭기 구현을 위해 기본적으로 갖추어야 할 반도체 전력증폭 소자 기술은 실리콘 기반의 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)소자, 갈륨비소(GaAs: Gallium Arsenide) 기반의 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자, 질화갈륨(GaN: Gallium Nitride) 기반의 HEMT 소자 기술이 있다. The semiconductor power amplification device technology that must be basically equipped to implement a semiconductor high-power amplifier is a silicon-based LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) device, a Gallium Arsenide (GaAs)-based HEMT (High Electron Mobility Transistor) device, and gallium nitride. There is a HEMT device technology based on (GaN: Gallium Nitride).

이 중 GaN 기반의 HEMT 소자(GaN HEMT소자) 기술은 GaN 재료로 구현되는데, GaN 재료는 3.4eV의 넓은 에너지 갭으로 인하여 고전압에서 동작이 가능하고, 분극전하를 이용한 캐리어 농도가 GaAs의 10배 이상이므로 높은 전류밀도와 높은 전력밀도를 얻을 수 있어, 고출력·고효율·소형의 전력증폭기 소자로 적합하다. Among them, the GaN-based HEMT device (GaN HEMT device) technology is implemented with a GaN material. The GaN material can operate at high voltage due to a wide energy gap of 3.4 eV, and the carrier concentration using polarized charge is 10 times or more that of GaAs. Therefore, high current density and high power density can be obtained, and it is suitable as a high-output, high-efficiency, small-sized power amplifier device.

따라서, 소형이면서 고출력 출력을 얻을 수 있는 GaN HEMT 소자는 민수 뿐만아니라 군수, 특히 레이더에 사용되고 있는 기존의 반도체소자를 대체할 수 있는 차세대 전력증폭소자로 각광을 받고 있다. Therefore, the GaN HEMT device, which is small and capable of obtaining high output output, is in the spotlight as a next-generation power amplifier that can replace the existing semiconductor devices used in not only civilian but also military, especially radar.

GaN HEMT 기반으로 한 전력증폭기 제작을 위해서는 소자 특성에 대한 모델링 작업이 필수적이다. 정확한 모델링을 위하여는 적합한 모델을 선택하고, 정확한 측정 데이터를 바탕으로 소자의 특성을 재현하는 것이 중요하다.In order to manufacture a GaN HEMT-based power amplifier, modeling work on device characteristics is essential. For accurate modeling, it is important to select an appropriate model and to reproduce device characteristics based on accurate measurement data.

소신호 모델은 바이어스 조건에 따라 모델 파라미터가 바뀌는 대신호 모델과 구분된다. 대신호 모델은 게이트, 드레인 전압에 의해 고유의 성분들이 바뀌는 비선형 특성을 나타낼 수 있는 것이고, 소신호 모델은 그 바이어스 조건에 따라서 추출된 성분의 값들로 인한 선형적 주파수 특성을 모델링 시 사용하는 것이다. The small-signal model is distinguished from the large-signal model in which the model parameters change according to the bias condition. The large-signal model can represent a nonlinear characteristic in which intrinsic components are changed by gate and drain voltages, and the small-signal model is used when modeling the linear frequency characteristic due to the values of the components extracted according to the bias condition.

따라서 RF 영역에서의 사용되는 소자들은 이러한 선형적, 비선형적 특성이 전체 시스템에서 지대한 영향을 줄 수 있다. 그러므로 실제 측정한 값에 대해 오차 없이 시뮬레이션에서 재현할 수 있는 비선형 모델이 중요하다.Therefore, for devices used in the RF region, these linear and non-linear characteristics can have a great influence on the overall system. Therefore, it is important to have a non-linear model that can be reproduced in simulation without error for the actual measured value.

종래의 대면적소자 모델링 기술은 소모 전류가 커서 온-웨이퍼 프로브 측정이 어려워 대면적 소자를 패키징하여 측정된 데이터를 바탕으로 모델링을 수행하였다. 이러한 방법은 전력소자의 패키징 없이 온-웨이퍼 프로브를 이용하여 특성을 측정하여 모델링 하는 방법에 비해 패키징에 따른 추가적인 회로성분의 영향과 기생성분의 영향으로 정확한 대면적 소자 자체만의 비선형 모델링을 구현하기 어렵다.In the conventional large-area device modeling technique, it is difficult to measure an on-wafer probe because of a large current consumption, so a large-area device was packaged and modeling was performed based on measured data. Compared to the method of measuring and modeling the characteristics using an on-wafer probe without packaging the power device, this method implements accurate nonlinear modeling of the large-area device itself due to the influence of additional circuit components and parasitic components according to packaging. It is difficult.

따라서 대면적 소자 자체만의 비선형 모델링을 얻기 위해서는 추가적인 회로 성분을 측정하여, 측정기준면을 소자 입출력 기준면으로 옮겨주는 디-임베딩(De-embedding) 과정이 필요하다. 이러한 디-임베딩의 과정 또한 측정 에러(error)를 포함하고 있을 뿐만 아니라, 제작과 측정에 따른 비용 및 많은 시간이 요구된다. Therefore, in order to obtain the nonlinear modeling of the large-area device itself, a de-embedding process is required in which additional circuit components are measured and the measurement reference plane is moved to the device input/output reference plane. This de-embedding process also includes a measurement error, and requires a lot of time and cost for manufacturing and measurement.

본 발명의 목적은 대면적 소자를 구성하고 있는 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링함으로써 패키지에 따른 추가적인 회로의 영향과 기생성분의 영향을 배제할 수 있을 뿐만아니라, 소자 자체만의 모델링을 위한 디-임베딩(De-embedding)에 의해 소요되는 제작과 측정 비용 및 시간을 획기적으로 줄일 수 있도록 한 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.It is an object of the present invention to exclude the influence of additional circuits and parasitic components according to the package by modeling the large-area device by scaling up the nonlinear modeling result of the unit device constituting the large-area device in parallel. In addition, it is to provide an apparatus and method for nonlinear modeling of a power amplification device that can dramatically reduce manufacturing and measurement costs and time required by de-embedding for modeling the device itself. .

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치는 전력증폭소자로 다수의 저전류 단위소자와, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정하는 파라미터 측정부와, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 영역에서 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성하는 파라미터 추출부와, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링 파라미터를 비교하여 단위소자 모델링을 검증하는 단위소자 모델링 검증부와, 상기 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장하여 대면적 소자를 모델링하는 병렬 확장부와, 상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임을 추가하기 위한 임베딩을 수행하는 임베딩 수행부와, 상기 대면적 소자의 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교하여 상기 대면적 소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 모델링을 검증하는 대면적 소자 모델링 검증부를 포함한다.A nonlinear modeling apparatus of a power amplifying device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a plurality of low current unit devices as a power amplifying device, and a parameter measuring unit for measuring linear and nonlinear characteristic parameters of the unit devices and a parameter extractor for completing nonlinear modeling by extracting nonlinear model parameters based on the measurement results of characteristic parameters in the linear and nonlinear regions of the unit element, and the measured values according to the IV curve in the linear and nonlinear regions of the unit element A unit device modeling verification unit for verifying unit device modeling by comparing scattering parameters; a parallel expansion unit for modeling a large-area device by expanding the nonlinear modeling result of the unit device in parallel; An embedding performing unit that performs wire bonding to the model and embedding for adding a lead frame of a package, and a load-pull measurement result to evaluate the actual device characteristics in the nonlinear region of the large-area device and obtain the optimal impedance and a large-area device modeling verification unit that verifies the modeling using the load-full data of the large-area device.

이때, 상기 파라미터 측정부는 온-웨이퍼 프로브를 이용하여, 상기 단위소자에 대한 Pulsed IV 및 각 Pulsed IV 점에 따른 스캐터링 파라미터를 온도에 따라 측정하는 것이 가능하다.In this case, the parameter measuring unit can measure the pulsed IV of the unit element and the scattering parameter according to each pulsed IV point according to the temperature by using the on-wafer probe.

또한, 상기 파라미터 측정부는 GaN HEMT 전력증폭소자에 따른 열적인 해석을 위해 롱 펄스에 대한 측정, 게이트-레그 및 드레인-레그의 드레인 전류 감소에 따른 출력 감소 영향을 해석하기 위한 측정도 포함하는 것이 가능하다.In addition, the parameter measurement unit may include measurements for long pulses for thermal analysis according to the GaN HEMT power amplification device, and measurements for analyzing the effect of output reduction due to the decrease in the drain current of the gate-leg and drain-leg Do.

또한, 상기 단위소자 모델링 검증부는 상기 단위소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 비선형 단위소자 모델링을 검증할 수 있다.In addition, the unit element modeling verification unit may verify the nonlinear unit element modeling using the load-full data of the unit element.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법은 전력증폭소자로 복수의 저전력 단위소자를 준비하는 단계; 상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정하는 단계; 상기 단위소자에 대한 선형 및 비선형 파라미터 측정이 완료되면, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성하는 단계; 상기 단위소자에 대한 비선형 모델링이 완성되면, 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링 파라미터를 비교하여 단위소자를 검증하는 단계; 상기 단위소자의 검증이 완료된 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장하여 대면적 소자를 모델링하는 단계; 상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 따른 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임을 추가하는 임베딩을 수행하는 단계; 상기 대면적 소자의 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교 검증하는 단계를 포함한다.On the other hand, according to an embodiment of the present invention, a nonlinear modeling method of a power amplification device includes the steps of preparing a plurality of low-power unit devices as a power amplification device; measuring linear and non-linear characteristic parameters of the unit element; completing the nonlinear modeling by extracting nonlinear model parameters based on the measurement results of the linear and nonlinear characteristic parameters of the unit element when the measurement of the linear and nonlinear parameters of the unit element is completed; verifying the unit device by comparing measured scattering parameters according to IV curves in linear and nonlinear regions when the nonlinear modeling of the unit device is completed; modeling a large-area device by extending in parallel the nonlinear modeling result of the unit device verified; performing wire bonding on the modeled large-area device according to a nonlinear model and embedding by adding a lead frame of a package; and comparing and verifying a load-pull measurement result for evaluating actual device characteristics in the nonlinear region of the large-area device and obtaining an optimal impedance.

본 발명에 따르면, 대면적 소자를 구성하고 있는 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링함으로써 대면적 소자를 패키징하여 모델링 하는 방법에 비해, 패키지에 따른 추가적인 회로의 영향과 기생성분의 영향을 배제할 수 있을 뿐만아니라, 소자 자체만의 모델링을 위한 디-임베딩(De-embedding)에 의해 소요되는 제작과 측정 비용 및 시간을 획기적으로 줄일 수 있다.According to the present invention, compared to a method of packaging and modeling a large-area device by modeling a large-area device by scaling up the nonlinear modeling result of a unit device constituting a large-area device, an additional circuit according to the package It is possible not only to exclude the influence of the device and parasitic components, but also to dramatically reduce the manufacturing and measurement costs and time required by de-embedding for modeling the device itself.

또한, 본 발명에 따르면, 고출력 대면적 소자는 많은 전류를 소모하여 상대적으로 높은 스펙의 측정장치를 요구하며, 측정시 대전류로 인한 발진의 위험도가 높지만, 상대적으로 저전류를 소모하는 단위소자에서는 이러한 문제점을 쉽게 해결할 수 있다. In addition, according to the present invention, a high-output large-area device consumes a lot of current and requires a relatively high-spec measuring device, and the risk of oscillation due to a large current during measurement is high, but in a unit device consuming a relatively low current, such The problem can be easily solved.

도 1은 본 발명에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법을 설명하기 위한 대면적 전력증폭소자의 모델링 흐름도이며,
도 3은 대면적 단위 전력증폭소자를 패키징화한 구성도이고,
도 4는 단위 전력증폭소자를 이용한 대면적 전력증폭소자를 모델링한 개념도이고,
도 5는 T-파리미터를 이용한 디-임베딩과 T-파라미터와 S-파라미터의 변환 수식을 나타낸 참고도이다.1 is a block diagram schematically showing a nonlinear modeling apparatus of a power amplification device according to the present invention;
2 is a modeling flowchart of a large-area power amplifying device for explaining a nonlinear modeling method of a power amplifying device according to an embodiment of the present invention;
3 is a configuration diagram of packaging a large-area unit power amplifier;
4 is a conceptual diagram modeling a large-area power amplifier using a unit power amplifier,
5 is a reference diagram illustrating de-embedding using T-parameters and conversion equations between T-parameters and S-parameters.

먼저, 본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 본 발명의 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다. 하지만, 이러한 용어들은 당 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어일 수 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 명세서에서 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.First, the terms used in the present specification and claims have been selected in consideration of functions in various embodiments of the present invention. However, these terms may vary depending on the intention, legal or technical interpretation of a person skilled in the art, and the emergence of new technology. Also, some terms may be arbitrarily selected by the applicant. These terms may be interpreted in the meanings defined in this specification, and if there is no specific term definition, it may be interpreted based on the general content of the present specification and common technical knowledge in the art.

또한, 본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서 서로 다른 실시 예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명하도록 한다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 모두 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 하나의 실시 예를 의미하는 것은 아니다.Also, the same reference numerals or reference numerals in each drawing appended to this specification indicate parts or components that perform substantially the same functions. For convenience of description and understanding, the same reference numerals or reference numerals are used in different embodiments. That is, even though all the components having the same reference number are shown in the plurality of drawings, the plurality of drawings do not mean one embodiment.

또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 '제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성 요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며, 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안될 것이다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성 요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한 해석되어서는 안된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.In addition, in this specification and claims, terms including ordinal numbers such as 'first' and 'second' may be used to distinguish between elements. This ordinal number is used to distinguish the same or similar components from each other, and the meaning of the term should not be limitedly interpreted due to the use of the ordinal number. As an example, the components combined with such an ordinal number should not be construed as limiting the order of use or arrangement by the number. If necessary, each ordinal number may be used interchangeably.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다름을 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함하다' 또는 '구성하다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as 'comprise' or 'comprise' are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, and one or more other It should be understood that this does not preclude the possibility of addition or presence of features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

또한, 본 발명의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결뿐 아니라, 다른 매체를 통한 간접적인 연결의 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다는 의미는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, in an embodiment of the present invention, when a part is connected to another part, this includes not only direct connection but also indirect connection through another medium. In addition, the meaning that a certain component includes a certain component does not exclude other components unless otherwise stated, but may further include other components.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing a nonlinear modeling apparatus of a power amplification device according to the present invention.

본 발명에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 저전류 단위소자(110), 파라미터 측정부(120), 파라미터 추출부(130), 단위소자 모델링 검증부(140), 병렬 확장부(150), 임베딩 수행부(160) 및 대면적 소자 모델링 검증부(170)를 포함한다.As shown in FIG. 1 , the nonlinear modeling apparatus of the power amplification device according to the present invention includes a low current unit device 110 , a parameter measurement unit 120 , a parameter extraction unit 130 , and a unit device modeling verification unit 140 . , a parallel extension unit 150 , an embedding performing unit 160 , and a large-area device modeling verification unit 170 .

여기서, 상기 저전류 단위소자(110)는 전력증폭소자로서, 실리콘 기반의 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)소자, 갈륨비소(GaAs: Gallium Arsenide) 기반의 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자, 질화갈륨(GaN: Gallium Nitride) 기반의 HEMT 소자이다. 본 발명의 실시예에서는 GaN 기반의 HEMT 소자(GaN HEMT 전력증폭소자)이다.Here, the low current unit device 110 is a power amplification device, a silicon-based LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) device, a Gallium Arsenide (GaAs)-based HEMT (High Electron Mobility Transistor) device, and gallium nitride. It is a (GaN: Gallium Nitride) based HEMT device. In an embodiment of the present invention, it is a GaN-based HEMT device (GaN HEMT power amplifier).

고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 갈륨비소(GaAs) 등의 화합물 반도체를 헤테로 접합(Heterjuction)하여 고출력, 고집적 트랜지스터, 스위치, 전력 증폭기, 및 마이크로웨이브 모놀리식 집적회로(MMIC: Microwave Monolithic Integrated Circuit) 등에 적용된다. 그리고, 트랜지스터는 고출력 마이크로웨이브 모놀리식 집적 회로를 위하여 고출력, 고주파수 및 고열에서 동작 가능한 특성이 요구되는데, III-V 족 물질보다 큰 에너지 밴드갭(Energy Bandgap)을 가지는 갈륨나이트라이드(Gallium Nitride)를 이용하여 높은 항복전압(Threshold Voltage)을 가질 수 있다.High electron mobility transistor (HEMT) is a high-power, high-integration transistor, switch, power amplifier, and microwave monolithic integrated circuit (MMIC: Microwave Monolithic Integrated Circuit) by heterojunction of compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs). ) and so on. In addition, the transistor is required to operate at high power, high frequency and high temperature for a high-power microwave monolithic integrated circuit, and gallium nitride (Gallium Nitride) having a larger energy bandgap than group III-V materials can have a high breakdown voltage (Threshold Voltage) using

여기서, 갈륨나이트라이드의 항복전압을 향상시키기 위하여, 고전자 이동도 트랜지스터에서 게이트 상에 하나의 전계전극을 사용하는 구조를 사용하는데, 이 구조는 게이트와 드레인 간에 또 다른 전극을 형성시키는 구조이며, 이러한 전계전극 구조는 게이트와 드레인 간의 전계를 넓히고, 이에 따라 피크치를 감소시킨다.Here, in order to improve the breakdown voltage of gallium nitride, a structure using one electric field electrode on the gate is used in the high electron mobility transistor, and this structure is a structure that forms another electrode between the gate and the drain, Such an electric field electrode structure widens the electric field between the gate and the drain, thereby reducing the peak value.

상기 파라미터 측정부(120)는 상기 단위소자(110)를 온-웨이퍼 프로브를 이용하여, 상기 단위소자(110)에 대한 Pulsed IV 및 각 Pulsed IV 점에 따른 스캐터링(Scattering) 파라미터를 온도에 따라 측정한다. 즉, 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정한다.The parameter measuring unit 120 measures the unit device 110 using an on-wafer probe, and calculates a scattering parameter according to a pulsed IV and each pulsed IV point for the unit device 110 according to the temperature. measure That is, the linear and non-linear characteristic parameters of the unit element are measured.

이때 상기 파라미터 측정부(120)는 GaN HEMT 전력증폭소자에 따른 열적인 해석을 위해 롱 펄스(Long pulse)에 대한 측정, 게이트-레그(Gate-lag) 및 드레인-레그(Drain-lag)에 따른 드레인(Drain) 전류 감소에 따른 출력 감소 영향을 해석하기 위한 측정도 포함된다. At this time, the parameter measuring unit 120 measures long pulses for thermal analysis according to the GaN HEMT power amplifier, gate-lag and drain-lag according to Measurements are also included to interpret the effect of a decrease in output as a result of a decrease in drain current.

상기 파라미터 추출부(130)는 상기 단위소자(110)에 대한 선형 및 비선형 파라미터 측정이 완료되면, 적절한 비선형 모델(Physic model, Behavioral model, compact model)을 선택 후 선형/비선형, 열적 및 트래핑(Trapping effect)영향을 묘사하기 위한 파라미터를 추출한다. 즉, 상기 단위소자(110)의 선형 및 비선형 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성한다.When the measurement of linear and nonlinear parameters for the unit device 110 is completed, the parameter extractor 130 selects an appropriate nonlinear model (physic model, behavioral model, compact model) and then linear/nonlinear, thermal and trapping (Trapping). effect) extracts parameters to describe the effect. That is, the nonlinear modeling is completed by extracting the nonlinear model parameters based on the measurement results of the linear and nonlinear characteristic parameters of the unit element 110 .

상기 단위소자 모델링 검증부(140)는 상기 단위소자(110)에 대한 비선형 모델링이 완성되면, 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링(Scattering) 파라미터를 비교하여 단위소자 모델링을 검증한다. 이때 단위소자(110)의 로드-풀 데이터(load-full data)를 이용하여 비선형 단위소자 모델링을 검증한다.When the nonlinear modeling of the unit element 110 is completed, the unit element modeling verification unit 140 compares the measured scattering parameters according to the IV curve in the linear and nonlinear regions to verify the unit element modeling. . At this time, the nonlinear unit element modeling is verified using the load-full data of the unit element 110 .

상기 병렬 확장부(150)는 단위소자의 모델링 검증이 완료된 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링한다.The parallel extension unit 150 models a large-area device by scaling up the nonlinear modeling result of which the modeling verification of the unit device has been completed in parallel.

상기 임베딩 수행부(160)는 상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 따른 패키징 영향, 즉 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임(Lead frame)을 추가하는 임베딩(Embedding)을 수행한다. The embedding performing unit 160 performs the packaging effect of the modeled large-area device according to the nonlinear model, that is, wire bonding, and embedding by adding a lead frame of the package.

상기 대면적 소자 모델링 검증부(170)는 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교하여 대면적 소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 모델링을 검증한다.The large-area device modeling verification unit 170 evaluates the actual device characteristics in the nonlinear region and compares the load-pull measurement results for obtaining the optimal impedance, and verifies the modeling using the load-pull data of the large-area device.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법을 설명하기 위한 대면적 전력증폭소자의 모델링 흐름도로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 대면적 소자를 구성하기 위한 복수의 저전력 단위소자를 준비한다(S110).2 is a modeling flowchart of a large-area power amplifying device for explaining a nonlinear modeling method of a power amplifying device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, a plurality of low-power units for configuring a large-area device. Prepare the device (S110).

여기서, 상기 저전류 단위소자는 전력증폭소자로서, 실리콘 기반의 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)소자, 갈륨비소(GaAs: Gallium Arsenide) 기반의 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자, 질화갈륨(GaN: Gallium Nitride) 기반의 HEMT 소자이다. 본 발명의 실시예에서는 GaN 기반의 HEMT 소자(GaN HEMT 전력증폭소자)이다.Here, the low current unit device is a power amplification device, a silicon-based LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) device, a Gallium Arsenide (GaAs)-based HEMT (High Electron Mobility Transistor) device, and a gallium nitride (GaN) device. Gallium Nitride) based HEMT device. In an embodiment of the present invention, it is a GaN-based HEMT device (GaN HEMT power amplifier).

이어서, 단위소자를 온-웨이퍼 프로브를 이용하여, 단위소자에 대한 Pulsed IV 및 각 Pulsed IV 점에 따른 스캐터링(Scattering) 파라미터를 온도에 따라 측정한다(S120). 즉, 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타를 측정한다.Next, the pulsed IV of the unit device and the scattering parameter according to each pulsed IV point are measured according to the temperature by using the on-wafer probe for the unit device (S120). That is, the linear and non-linear characteristic parameters of the unit element are measured.

이때 GaN HEMT 전력증폭소자에 따른 열적인 해석을 위해 Long pulse 에 대한 측정, Gate-lag 및 Drain-lag에 따른 드레인(Drain) 전류 감소에 따른 출력 감소 영향을 해석하기 위한 측정도 포함된다. At this time, for thermal analysis according to the GaN HEMT power amplification device, measurement of long pulse and measurement for analyzing the effect of output decrease due to the decrease of drain current according to gate-lag and drain-lag are also included.

이어서, 단위소자에 대한 선형 및 비선형 파라미터 측정이 완료되면, 적절한 비선형 모델(Physic model, Behavioral model, compact model)을 선택 후 선형/비선형, 열적 및 트래핑(Trapping effect)영향을 묘사하기 위한 파라미터를 추출한다(S130). 즉, 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라메타의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성한다.Then, when the linear and nonlinear parameter measurement of the unit device is completed, an appropriate nonlinear model (Physic model, Behavioral model, compact model) is selected, and parameters for describing linear/nonlinear, thermal and trapping effects are extracted. do (S130). That is, the nonlinear modeling is completed by extracting the nonlinear model parameters based on the measurement results of the linear and nonlinear characteristic parameters of the unit device.

이어서, 단위소자에 대한 비선형 모델링이 완성되면, 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링(Scattering) 파라미터를 비교하여 검증한다(S140). 이때 단위소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 비선형 모델링을 검증한다.Next, when nonlinear modeling of the unit device is completed, scattering parameters measured according to IV curves in linear and nonlinear regions are compared and verified ( S140 ). At this time, the nonlinear modeling is verified using the load-full data of the unit device.

이어서, 검증이 완료된 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자를 모델링한다(S150).Next, a large-area device is modeled by scaling up the verified nonlinear modeling result in parallel (S150).

이어서, 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 따른 패키징 영향, 즉 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임(Lead frame)을 추가하는 임베딩(Embedding)을 수행한다(S160). Next, the packaging effect of the modeled large-area device according to the nonlinear model, that is, wire bonding, and embedding by adding a lead frame of the package is performed (S160).

그리고 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교한다(S170). 이때 대면적 소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 모델링을 검증한다.Then, the actual device characteristics in the non-linear region are evaluated and the load-pull measurement results for obtaining the optimal impedance are compared (S170). At this time, the modeling is verified using the load-full data of the large-area device.

도 3은 대면적 단위 전력증폭소자를 패키징화한 구성도이다.3 is a configuration diagram illustrating a packaging of a large-area unit power amplifier.

도 3에서와 같이, 단위소자(110)는 GaN HEMT 전력증폭소자로서, 칩(111)과, 상기 칩(111)의 양측면에 본딩된 골드 와이어(112)와, 상기 골드 와이어(112)와 접속되어 상기 칩(111)에 전기를 공급하고 이를 지지해 주는 리드 프레임(113)과, 상기 칩(111)을 실장하기 위해 Al2O3로 이루어진 세라믹스(114)와, 상기 세라믹스(114)의 양단에 연결된 플랜저(flanger)(115)로 이루어진다.As shown in FIG. 3 , the unit device 110 is a GaN HEMT power amplifier, and is connected to a chip 111 , a gold wire 112 bonded to both sides of the chip 111 , and the gold wire 112 . A lead frame 113 for supplying electricity to and supporting the chip 111 , a ceramics 114 made of Al 2 O 3 for mounting the chip 111 , and both ends of the ceramics 114 . It consists of a plunger (flanger) (115) connected to.

도 4는 단위 전력증폭소자를 이용한 대면적 전력증폭소자를 모델링한 개념도이고, 도 5는 T-파리미터를 이용한 디-임베딩과 T-파라미터와 S-파라미터의 변환 수식을 나타낸 참고도이다.4 is a conceptual diagram modeling a large-area power amplifier using a unit power amplifier, and FIG. 5 is a reference diagram showing de-embedding using T-parameters and conversion formulas between T-parameters and S-parameters.

도 2에서 단위소자에 대한 비선형 모델이 검증되면, 도 4와 같이 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장(Scaling up)하여 대면적 소자로 묘사하게 된다. When the nonlinear model of the unit device is verified in FIG. 2 , the nonlinear modeling result of the unit device is scaled up in parallel to be described as a large-area device as shown in FIG. 4 .

이와 같이 단위소자 모델로 묘사된 대면적 소자는 검증을 위해서 패키징 영향, 즉 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임(Lead frame)을 추가해주는 임베딩(Embedding)을 수행하게 된다.As such, a large-area device described as a unit device model is subjected to packaging effects, that is, wire bonding, and embedding, which adds a lead frame of the package, for verification.

이 임베딩(Embedding)과정은 대전류를 소모하는 전력증폭소자의 경우 프로브의 전류 제한으로 온-웨이퍼 측정이 불가능하다. 따라서 패키징을 통해서 로드-풀 데이터를 얻을 수 있기 때문에 수행하게 된다. In this embedding process, in the case of a power amplifier that consumes a large current, on-wafer measurement is impossible due to the current limitation of the probe. Therefore, it is performed because load-pool data can be obtained through packaging.

한편, 임베딩(Embedding)을 위한 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임(Lead frame) 데이터는 3차원 전자기 시뮬레이션(3D EM Simulation)이나, 측정을 통해서 구 할 수 있다. Meanwhile, wire bonding for embedding and lead frame data of the package can be obtained through 3D electromagnetic simulation or measurement.

이와 같이 단위소자 기반 대면적 소자 비선형 모델링의 로드-풀 결과가 측정결과가 일치하면 모델링 과정이 끝나게 되며, 일치하지 않으면, 단위소자의 비선형 모델링 파라미터를 수정하여 일련의 과정을 반복하게 된다. As described above, if the load-pull results of the unit device-based large-area device nonlinear modeling match the measurement results, the modeling process is finished. If they do not match, the nonlinear modeling parameters of the unit device are corrected and a series of processes are repeated.

한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.On the other hand, although preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims In addition, various modifications are possible by those of ordinary skill in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.

110 : 저전류 단위소자 120 : 파라미터 측정부
130 : 파라미터 추출부 140 : 단위소자 모델링 검증부
150 : 병렬 확장부 160 : 임베딩 수행부
170 : 대면적 소자 모델링 검증부110: low current unit element 120: parameter measuring unit
130: parameter extraction unit 140: unit element modeling verification unit
150: parallel extension unit 160: embedding execution unit
170: large-area device modeling verification unit

Claims (8)

전력증폭소자로 기 준비된 다수의 저전류 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라미터를 측정하는 파라미터 측정부와,
상기 단위소자의 선형 및 비선형 영역에서 특성 파라미터의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성하는 파라미터 추출부와,
상기 단위소자의 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링 파라미터를 비교하여 단위소자 모델링을 검증하는 단위소자 모델링 검증부와,
상기 단위소자의 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장하여 대면적 소자를 모델링하는 병렬 확장부와,
상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임을 추가하기 위한 임베딩을 수행하는 임베딩 수행부와,
상기 대면적 소자의 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교하여 상기 대면적 소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 모델링을 검증하는 대면적 소자 모델링 검증부를 포함하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치.A parameter measuring unit for measuring linear and non-linear characteristic parameters of a plurality of low-current unit elements prepared in advance as a power amplifier;
a parameter extracting unit for completing nonlinear modeling by extracting nonlinear model parameters based on the measurement results of characteristic parameters in the linear and nonlinear regions of the unit element;
a unit element modeling verification unit for verifying the unit element modeling by comparing the measured scattering parameters according to the IV curve in the linear and nonlinear regions of the unit element;
a parallel extension unit for modeling a large-area element by extending the nonlinear modeling result of the unit element in parallel;
An embedding performing unit for wire bonding the modeled large-area device to a nonlinear model and embedding for adding a lead frame of a package;
A large-area device modeling verification unit that evaluates the actual device characteristics in the nonlinear region of the large-area device and compares the load-pull measurement results to obtain the optimal impedance to verify the modeling using the load-pull data of the large-area device A non-linear modeling device of a power amplification device including. 제1항에 있어서,
상기 파라미터 측정부는 온-웨이퍼 프로브를 이용하여, 상기 단위소자에 대한 Pulsed IV 및 각 Pulsed IV 점에 따른 스캐터링 파라미터를 온도에 따라 측정하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치.According to claim 1,
The parameter measuring unit uses an on-wafer probe to measure a pulsed IV of the unit device and a scattering parameter according to each pulsed IV point according to a temperature. 제1항에 있어서,
상기 파라미터 측정부는 GaN HEMT 전력증폭소자에 따른 열적인 해석을 위해 롱 펄스에 대한 측정, 게이트-레그 및 드레인-레그의 드레인 전류 감소에 따른 출력 감소 영향을 해석하기 위한 측정도 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치.According to claim 1,
The parameter measuring unit includes measurements for long pulses for thermal analysis according to the GaN HEMT power amplification device, and measurements for analyzing the effect of output decrease due to the decrease in the drain current of the gate-leg and drain-leg Nonlinear modeling device of power amplification device. 제1항에 있어서,
상기 단위소자 모델링 검증부는 상기 단위소자의 로드-풀 데이터를 이용하여 비선형 단위소자 모델링을 검증하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 장치.According to claim 1,
and the unit element modeling verification unit verifies the nonlinear unit element modeling using the load-full data of the unit element. 전력증폭소자에 대한 비선형 모델링 장치에 의해 수행되는 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법에 있어서,
상기 전력증폭소자로 기 준비된 다수의 저전력 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라미터를 측정하는 단계;
상기 단위소자에 대한 선형 및 비선형 파라미터 측정이 완료되면, 상기 단위소자의 선형 및 비선형 특성 파라미터의 측정 결과를 기반으로 비선형 모델 파라미터를 추출하여 비선형 모델링을 완성하는 단계;
상기 단위소자에 대한 비선형 모델링이 완성되면, 선형 및 비선형 영역에서 IV 커브에 따른 측정된 스캐터링 파라미터를 비교하여 단위소자를 검증하는 단계;
상기 단위소자의 검증이 완료된 비선형 모델링 결과를 병렬로 확장하여 대면적 소자를 모델링하는 단계;
상기 모델링된 대면적 소자를 비선형 모델에 따른 와이어 본딩과, 패키지의 리드 프레임을 추가하는 임베딩을 수행하는 단계;
상기 대면적 소자의 비선형 영역에서 실제 소자 특성을 평가하고 최적의 임피던스를 얻기 위한 로드-풀 측정결과를 비교 검증하는 단계를 포함하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법.In the nonlinear modeling method of the power amplifying device performed by the nonlinear modeling apparatus for the power amplifying device,
measuring linear and non-linear characteristic parameters of a plurality of low-power unit devices previously prepared as the power amplifying device;
completing nonlinear modeling by extracting nonlinear model parameters based on the measurement results of linear and nonlinear characteristic parameters of the unit element when the measurement of the linear and nonlinear parameters of the unit element is completed;
verifying the unit device by comparing measured scattering parameters according to IV curves in linear and nonlinear regions when the nonlinear modeling of the unit device is completed;
modeling a large-area device by expanding in parallel the nonlinear modeling result of which the verification of the unit device has been completed;
performing wire bonding on the modeled large-area device according to a nonlinear model and embedding by adding a lead frame of a package;
and comparing and verifying a load-pull measurement result for evaluating actual device characteristics in the nonlinear region of the large-area device and obtaining an optimal impedance. 제5항에 있어서,
상기 단위소자는 온-웨이퍼 프로브를 이용하여, 상기 단위소자에 대한 Pulsed IV 및 각 Pulsed IV 점에 따른 스캐터링 파라미터를 온도에 따라 측정하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법.6. The method of claim 5,
The unit element is a nonlinear modeling method of a power amplification element, characterized in that by using an on-wafer probe, a pulsed IV of the unit element and a scattering parameter according to each pulsed IV point are measured according to temperature. 제5항에 있어서,
상기 단위소자는 GaN HEMT 전력증폭소자에 따른 열적인 해석을 위해 롱 펄스에 대한 측정, 게이트-레그 및 드레인-레그의 드레인 전류 감소에 따른 출력 감소 영향을 해석하기 위한 측정도 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법.6. The method of claim 5,
The unit device includes measurements for long pulses for thermal analysis according to the GaN HEMT power amplification device, and measurements for analyzing the effect of output reduction due to the decrease in the drain current of the gate-leg and drain-leg A method of non-linear modeling of power amplification devices. 제5항에 있어서,
상기 단위소자 또는 대면적 소자는 로드-풀 데이터를 이용하여 비선형 단위소자 또는 대면적 소자의 모델링을 검증하는 것을 특징으로 하는 전력증폭소자의 비선형 모델링 방법.6. The method of claim 5,
The non-linear modeling method of the power amplifier device, characterized in that the unit device or the large-area device is to verify the modeling of the non-linear unit device or the large-area device using the load-full data.
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