本發(fā)明涉及微波器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種超寬帶氮化鎵器件小信號模型及其參數(shù)提取方法。

背景技術(shù)：

氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)由于其高頻、高功率等特性，在微波電路中的應(yīng)用日益廣泛。由于GaN HEMT需工作于高溫、高功率條件下，因此大信號等效電路模型是使用GaN HEMT進(jìn)行微波電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在自下而上(bottomup)的建模方法中，準(zhǔn)確的小信號模型是建立大信號模型的前提，因此小信號模型是器件建模過程中的重要環(huán)節(jié)。由于GaN HEMT器件工作機(jī)理不同，因此第一代半導(dǎo)體(硅)和第二代半導(dǎo)體(砷化鎵、磷化銦等)器件的小信號模型并不能直接應(yīng)用于GaN HEMT器件。

參見圖1所示，Jarndal等人提出一種小信號等效電路模型，該模型較準(zhǔn)確的描述了0.2GHZ-60GHz GaN HEMT小信號特性。該小信號模型包括22個(gè)元素，其中有12個(gè)寄生參數(shù)：C_pgi、C_pdi、C_gdi、C_pga、C_pda、C_gda、L_g、L_d、L_s、R_g、R_d、R_s，10個(gè)本征參數(shù)：C_gd、C_gs、C_ds、R_gs、R_gd、R_ds、G_m、G_gsf、G_gdf。其中C_pga、C_pda、C_gda描述了由金屬PAD引起的寄生電容，C_pgi、C_pdi、C_gdi、L_g、L_d、L_s描述了由柵、漏、源金屬電極引起的寄生電容和寄生電感，Rd、Rs描述了金屬電極和半導(dǎo)體之間的歐姆接觸和溝道電阻，R_g描述了金屬肖特基勢壘寄生電阻，可以看出該小信號等效電路模型充分考慮了HEMT器件物理結(jié)構(gòu)特性，同時(shí)兼顧了器件電學(xué)特性，該小信號等效電路模型在描述低頻頻段能較好的擬合實(shí)測數(shù)據(jù)，該小信號等效電路模型的缺點(diǎn)就是，采用的分布網(wǎng)絡(luò)太簡單，無法應(yīng)用于更高頻段。

Nguyen等人使用的模型如圖2，該小信號模型是由18個(gè)元素組成，其中有12個(gè)寄生參數(shù)：C_pgi、C_pdi、C_pgdi、C_pga、C_pda、C_pgda、L_g、L_d、L_s、R_g、R_d、R_s，6個(gè)本征參數(shù)：C_gd、C_gs、C_ds、R_i、g_m、g_s。其中C_pga、C_pda、C_gda描述了由金屬PAD引起的寄生電容，C_pgi、C_pdi、C_gdi、L_g、L_d、L_s描述了由柵、漏、源金屬電極引起的寄生電容和寄生電感，R_d、R_s描述了金屬電極和半導(dǎo)體之間的歐姆接觸和溝道電阻，R_g描述了金屬肖特基勢壘電阻，該等效電路模型設(shè)計(jì)者將其應(yīng)用到W波段，提出了一種較為合理參數(shù)提取方法，即完全去除過度結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)(CPW)的影響，僅在HEMT零偏和夾斷情況下提取寄生參數(shù)，不需要任何優(yōu)化算法即可得到所有寄生參數(shù)，但是在描述小信號特性時(shí)沒有很好的解決器件的分布效應(yīng)，進(jìn)而在描述W頻段HEMT小信號S參數(shù)時(shí)得到的誤差較大。

綜上所述，Jarndal等人提出的小信號等效電路模型，由于寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)過于簡單不適合用于W頻段，Nguyen等人提出的等效電路模型應(yīng)用到，側(cè)重在剝離測試時(shí)共面波導(dǎo)影響，對器件的高頻效應(yīng)仍采用較為簡單的寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)因此精度差，即現(xiàn)有技術(shù)中的氮化鎵高電子遷移率晶體管小信號電路模型存在不適用于W波段的技術(shù)缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種超寬帶氮化鎵器件小信號模型，以解決上述技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種超寬帶氮化鎵器件小信號模型，該小信號模型在柵、源、漏端分別采用三個(gè)互聯(lián)式電容-和級聯(lián)電感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，包括18個(gè)寄生參數(shù)和10個(gè)本征參數(shù)；

寄生參數(shù)包括第一至第九外層寄生電容Cpgi1、Cpdi1、Cgdi1、Cpgi2、Cpdi2、Cgdi2、Cpga、Cpda、Cgda，第一至第六寄生電感Lgi1、Ldi1、Lsi1、Lgi2、Ldi2、Lsi2，第一至第三寄生電阻Rg、Rd、Rs；

本征參數(shù)包括第一至第三本征電容Cgd、Cgs、Cds，第一至第三本征電阻Rgs、Rgd、Rds，本征電流源Ids＝ViGme^-jωta中的參量Gm及ta；

第一外層寄生電容Cpgi1和第四外層寄生電容Cpgi2用于描述柵極金屬與金屬基板之間的寄生電容效應(yīng)；

第二外層寄生電容Cpdi1和第五外層寄生電容Cpdi2用于描述漏極金屬與金屬基板之間的寄生電容效應(yīng)；

第三外層寄生電容Cgdi1和第六外層寄生電容Cgdi2用于描述柵極金屬與漏極金屬之間的寄生電容效應(yīng)；

第七外層寄生電容Cpga用于描述柵極PAD與金屬基板之間的寄生電容效應(yīng)，第八外層寄生電容Cpda用于描述柵極PAD與金屬基板之間的寄生電容效應(yīng)，第九外層寄生電容Cgda用于描述柵極PAD與漏極金屬PAD之間的寄生電容效應(yīng)。

其中，第一寄生電感Lgi1和第四寄生電感Lgi2用于描述柵極金屬自身寄生電感效應(yīng)，第二寄生電感Ldi1和第五寄生電感Ldi2用于描述漏極金屬自身寄生電感效應(yīng)，第三寄生電感Lsi1和第六寄生電感Lsi2用于描述源極金屬自身寄生電感效應(yīng)。

其中，第二寄生電阻Rd和第三寄生電阻Rs分別用于描述漏極金屬和源極金屬與半導(dǎo)體之間的金屬歐姆接觸寄生電阻、接入溝道電阻和金屬電極寄生電阻之和；

第一寄生電阻Rg用于描述金屬肖特基勢壘電阻和柵極金屬寄生電阻之和。

其中，第一本征電容Cgd、第二本征電容Cgs和第三本征電容Cds分別用于描述在射頻信號下有源層中柵漏電容、柵源電容、漏源電容；

第一本征電阻Rgs用于描述在射頻信號下有源層中柵源電阻，第二本征電阻Rgd用于描述在射頻信號下有源層中柵漏電阻，第三本征電阻Rds用于描述在有源層中溝道電阻；

G_m用于描述漏源之間的跨導(dǎo)，ta用于描述溝道延遲。

本發(fā)明還提供一種超寬帶氮化鎵器件小信號模型參數(shù)提取方法，針對如前所述的超寬帶氮化鎵器件小信號模型進(jìn)行提取，包括步驟：

步驟A，判斷“冷管”是處于夾斷偏置條件下還是前向偏置條件下，夾斷偏置則執(zhí)行步驟B，前向偏置條件下則執(zhí)行步驟C；

步驟B，在低頻頻段提取出電容參數(shù)；結(jié)合低頻頻段提取出的電容參數(shù)，確定電感參數(shù)；

步驟C，依次去除外層電容電感參量，進(jìn)而確定電阻參數(shù)。

其中，步驟B包括步驟：

步驟B1，對寄生電容進(jìn)行估值，并設(shè)置初值；

步驟B2，去除外層金屬PAD電容，依次分層提取出各層寄生電感和寄生電容，確定該偏置條件下寄生電阻；

步驟B3，計(jì)算仿真S參數(shù)與實(shí)測S參數(shù)的誤差，并建立誤差數(shù)據(jù)向量；

步驟B4，掃描當(dāng)前電容值，并判斷電容值是否掃描完成，是則進(jìn)入步驟B5，否，則返回步驟B2；

步驟B5，輸出誤差最小的寄生電感值和寄生電容值的初值。

其中，步驟C包括步驟：

步驟C1，根據(jù)誤差最小的寄生電感值和寄生電容值的初值，去除寄生電感值和寄生電容值，確定寄生電阻值；

步驟C2，輸出所有寄生參數(shù)值。

根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

本發(fā)明提供了一種超寬帶氮化鎵器件小信號模型及其參數(shù)提取方法，該模型設(shè)置了18個(gè)寄生參數(shù)和10個(gè)本征參數(shù)，在器件源、柵、漏端采用分布式LC級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)描述高頻寄生效應(yīng)，可以準(zhǔn)確描述高頻器件特性，從而使得模型具有更寬的應(yīng)用頻帶，能夠適用于W頻段；該參數(shù)提取方法在寄生參數(shù)提取過程結(jié)合了“冷管”夾斷偏置條件和“冷管”前向偏置條件下，采用分頻段對應(yīng)的寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分層依次準(zhǔn)確地提取寄生參數(shù)，比較簡單，便于操作，可以實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)在0.2-110GHz的頻率范圍內(nèi)具有良好穩(wěn)定性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為Jarndal等人提出的22元素小信號等效電路模型的示意圖；

圖2為Nguyen等人提出的18元素小信號模型示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的一種超寬帶氮化鎵器件小信號模型的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的一種超寬帶氮化鎵器件小信號模型參數(shù)提取的技術(shù)構(gòu)思流程圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的26個(gè)元素小信號等效電路模型寄生參數(shù)提取方法流程圖；

圖6a至圖6d為不同參數(shù)設(shè)置下的小信號等效電路模型仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)的比較效果圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種超寬帶氮化鎵器件小信號模型。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明實(shí)施例提供的超寬帶(0.2GHz-110GHz)氮化鎵高電子遷移率晶體管小信號等效電路模型，參見圖3所示。

該模型為26元素小信號等效電路模型，由18個(gè)寄生參數(shù)和10個(gè)本征參數(shù)組成，所述寄生參數(shù)包括第一至第九外層寄生電容Cpgi1、Cpdi1、Cgdi1、Cpgi2、Cpdi2、Cgdi2、Cpga、Cpda、Cgda，第一至第六寄生電感Lgi1、Ldi1、Lsi1、Lgi2、Ldi2、Lsi2，第一至第三寄生電阻Rg、Rd、Rs，所述本征電路包括第一至第三本征電容Cgd、Cgs、Cds，第一至第三本征電阻Rgs、Rgd、Rds，本征電流源Ids＝ViG_me^-jωta中的參量G_m及ta。其中Vi為Cgs兩端的電壓。

第一至第九外層寄生電容Cpgi1、Cpdi1、Cgdi1、Cpgi2、Cpdi2、Cgdi2、Cpga、Cpda、Cgda，指的是第一外層寄生電容Cpgi1、第二外層寄生電容Cpdi1、第三外層寄生電容Cgdi1、第四外層寄生電容Cpgi2、第五外層寄生電容Cpdi2、第六外層寄生電容Cgdi2、第七外層寄生電容Cpga、第八外層寄生電容Cpda和第九外層寄生電容Cgda；第一至第六寄生電感、第一至第三寄生電阻、第一至第三本征電容和第一至第三本征電阻與外層寄生電容類似，不再贅述。

其中Cpgi1、Cpgi2描述柵極金屬與金屬基板之間寄生電容效應(yīng)，Cpdi1、Cpdi2描述漏極金屬與金屬基板之間寄生電容效應(yīng)，Cgdi1、Cgdi2描述柵極金屬與漏極金屬之間寄生電容效應(yīng)，Cpga描述柵極PAD與金屬基板之間寄生電容效應(yīng)，Cpda描述柵極PAD與金屬基板之間寄生電容效應(yīng)，Cgda描述柵極PAD與漏極金屬PAD之間寄生電容效應(yīng)，Lgi1、Lgi2描述柵極金屬自身寄生電感效應(yīng)，Ldi1、Ldi2描述漏極金屬自身寄生電感效應(yīng)，Lsi1、Lsi2描述源極金屬自身寄生電感效應(yīng)，電阻Rd、Rs分別描述了漏極金屬和源極金屬與半導(dǎo)體之間的金屬歐姆接觸表現(xiàn)出的寄生電阻效應(yīng)、接入溝道電阻和金屬寄生電阻之和，電阻Rg描述了金屬肖特基勢壘電阻和柵極金屬寄生電阻之和。

對于本征參數(shù)部分，本征電容Cgd、Cgs、Cds分別描述了在射頻信號下有源層中柵漏電容、柵源電容、漏源電容，Rgs描述在射頻信號下有源層中柵源電阻，Rgd描述在射頻信號下有源層中柵漏電阻，Rds描述在有源層中溝道電阻，G_m描述了漏源之間的跨導(dǎo)，ta描述了溝道延遲。

在圖3所示的小信號模型中，本征參數(shù)Rgs、Rgd、Rds、Cgd、Cgs、Cds、G_m、ta描述半導(dǎo)體內(nèi)部特性。由于等效電路模型要用到W頻段，為了解決分布參數(shù)效應(yīng)，我們的寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)采取分層處理，共分為3層，其中最外層描述了金屬PAD所帶來的寄生參數(shù)效應(yīng)，N＝2層對器件高頻特性影響較為明顯，N＝1層對器件低頻特性影響較為明顯分，在這里考慮到金屬電阻較小，所以等效電路中的分層寄生參數(shù)元件都是用的電抗性集總元件。當(dāng)電極金屬接觸到半導(dǎo)體時(shí)會有兩種情況，一個(gè)是半導(dǎo)體重參雜下的歐姆接觸，另外一個(gè)是相對來說半導(dǎo)體輕參雜下的肖特基勢壘。表現(xiàn)在等效電路中就是Rs、Rd、Rg，當(dāng)然這里的Rs、Rd還包括了接入溝道電阻和金屬電極寄生電阻，也就是說Rs、Rd是金屬歐姆接觸、接入溝道電阻和金屬電極寄生電阻之和。電阻Rg描述了金屬肖特基勢壘電阻和柵極金屬寄生電阻之和。

本發(fā)明實(shí)施例還提供一種超寬帶氮化鎵器件小信號模型參數(shù)提取方法，針對本發(fā)明的小信號等效電路模型提出。參數(shù)提取技術(shù)構(gòu)思參見圖4所示，包括步驟：

步驟S110，判斷“冷管”是處于夾斷偏置條件下還是前向偏置條件下，夾斷偏置則執(zhí)行步驟S111，前向偏置條件下則執(zhí)行步驟S113。

步驟S111，在“冷管”夾斷偏置條件下，低頻頻段提取出電容參數(shù)。

步驟S112，在“冷管”夾斷偏置條件下，結(jié)合低頻頻段提取出的電容參數(shù)，確定電感參數(shù)。

步驟S113，在“冷管”前向偏置條件下，依次去除外層電容電感參量，進(jìn)而確定電阻參數(shù)。

優(yōu)選地，作為一種可實(shí)施方式，參見圖5所示，對于本發(fā)明的26元素小信號模型進(jìn)行寄生參數(shù)提取的步驟具體包括：

“冷管”夾斷偏置條件下，對寄生電容進(jìn)行估值，并設(shè)置初值；

去除外層金屬PAD電容，依次分層提取出各層寄生電感和寄生電容，確定該偏置條件下寄生電阻；

計(jì)算仿真S參數(shù)與實(shí)測S參數(shù)的誤差，并建立誤差數(shù)據(jù)向量；

掃描當(dāng)前電容值，并判斷電容值是否掃描完成，否，則返回去除外層金屬PAD電容的步驟，繼續(xù)執(zhí)行去除外層金屬PAD電容以及后續(xù)步驟；是則根據(jù)誤差數(shù)據(jù)向量，輸出誤差最小的寄生電感值和寄生電容值的初值；

在“冷管”前向偏置條件下，去除寄生電感值和寄生電容值，確定寄生電阻值；

輸出所有寄生參數(shù)值。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以參照上述步驟對應(yīng)提取本征參數(shù)，對于本征參數(shù)的提取流程不再贅述。

圖6a至圖6d為小信號等效電路模型仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)的比較效果圖，其中圖6a中V_gs＝0V,V_ds＝20V，圖6b中V_gs＝-1V,V_ds＝15V，圖6c中V_gs＝-1V,V_ds＝10V，圖6d中V_gs＝-1V,V_ds＝5V。從圖6a至圖6d中可以看到本發(fā)明實(shí)施例的小信號模型在0.2-110GHz范圍內(nèi)具有高的精度。

本發(fā)明提供的超寬帶氮化鎵器件小信號模型及其參數(shù)提取方法，具有如下技術(shù)效果：

隨著頻率的升高，器件的高頻寄生效應(yīng)變得更為明顯，該效應(yīng)可以通過分布式傳輸線網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確描述，但是復(fù)雜的傳輸線模型不利于參數(shù)提取，因此本發(fā)明提出的多級分布式等效電路網(wǎng)絡(luò)，從而可以簡化模型的基礎(chǔ)上，具有更高的精度；

本發(fā)明提出的按頻段依次提取寄生參數(shù)的方法，比較簡單，便于操作，可以實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)在0.2-110GHz的頻率范圍內(nèi)具有良好穩(wěn)定性；

本發(fā)明的小信號等效電路模型拓?fù)浜退惴ǎ軌驖M足工程技術(shù)人員較簡單的提取參數(shù)的要求；

本發(fā)明可以通過變換系數(shù)，可用于不同結(jié)構(gòu)的器件，適用面廣，可移植性好。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。