氮化鎵高電子遷移率晶體管小信號(hào)模型參數(shù)提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于功率器件領(lǐng)域，特別涉及基于氮化鎵高電子迀移率晶體管（GaN HEMT) 的小信號(hào)等效電路模型參數(shù)提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮化鎵高電子迀移率晶體管（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(hào)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（bottom up)的建模方法中，準(zhǔn)確 的小信號(hào)模型是建立大信號(hào)模型的前提，因此小信號(hào)模型是器件建模過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。
[0003] 由于GaN HEMT器件具有很大的接觸電阻，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(hào)模型并不能直接應(yīng)用于GaN HEMT器件。國(guó)際上對(duì) GaN HEMT器件小信號(hào)模型的研究始于20世紀(jì)90年代末。小信號(hào)模型的參數(shù)提取是小信號(hào) 建模的核心部分。目前主流的小信號(hào)模型參數(shù)提取方法首先通過(guò)漏極-源極短路時(shí)的"冷 場(chǎng)" (Cold FET) S參數(shù)提取出與偏置無(wú)關(guān)的寄生參數(shù)，然后對(duì)晶體管工作范圍內(nèi)所有偏置點(diǎn) 的S參數(shù)去嵌，提取本征參數(shù)。本征參數(shù)的精確度直接依賴(lài)于寄生參數(shù)的精確度，所以寄生 參數(shù)的提取尤為重要。
[0004] 圖1所示為GaN HEMT 20元件等效電路模型，其中Cpgl，Cpdl和C gdl表示極間電容 和空氣橋電容；Cpga，Cpda和C gda表示pad連接、探針與設(shè)備的接觸電容；L g，Ld，Ls表示寄生電 感，Rg，R d，Rs表示寄生電阻，等效電路的物理意義明確。目前主流的參數(shù)提取方法多采用了 G.Dambrine 等人提出的去嵌技術(shù)[G. Dambrine, A. Cappy, F. Heilodore, and E. Playez, "A new method for determining the FET small-signal equivalent circuit,'，IEEE Trans. Microwave Theory Tech. , vol. 36, no. 7, pp. 1151-1159,Jul. 1988],例如 Giovanni Crupi 等人發(fā)表的論文：Giovanni Crupi, Dongping Xiao, et al. , "Accurate multibias equivalent-circuit extraction for GaN HEMTs,'，IEEE Trans, Microwave Theory Tech.，vol. 54, no. 10, pp. 3616-3622, Oct. 2006.以及 G. Crupi 等人發(fā)表的論文： G. Crupi, A. Raffo, D. Μ. Μ. -Ρ. Schreurs, G. Avolio, V. Vadala, S. Di Falco, A. Caddemi, and G. Vannini, "Accurate GaN HEMT non-quasi-static large-signal model including dispersive effects,''Microwave and Optical Technology Letters, vol. 53, no. 3, pp. 6 92-697, Mar.2011〇
[0005] 所述去嵌技術(shù)通過(guò)剝離外層寄生電容（Cpgl，Cpdl, Cgdl, Cpga, CpdJP C gda)來(lái)提取寄生 電感（Lg，LjP L s)和寄生電阻（Rg，心和R s)。對(duì)于毫米波GaN HEMT器件，小信號(hào)模型中的寄 生電容難以通過(guò)直接測(cè)試的方法提取。這些參數(shù)一般先使用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值或根據(jù)器件物理結(jié) 構(gòu)計(jì)算的粗略值，然后再通過(guò)優(yōu)化和手動(dòng)調(diào)諧確定終值。因此，如果外層寄生電容不準(zhǔn)確， 誤差會(huì)被帶入寄生電感和寄生電阻的提取過(guò)程，以及最終優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算。上述的誤 差累計(jì)問(wèn)題會(huì)使優(yōu)化算法難以得到全局最優(yōu)解，甚至得到錯(cuò)誤的參數(shù)值。另外，手動(dòng)調(diào)諧會(huì) 花費(fèi)建模人員的大量時(shí)間和精力，不利于對(duì)大批量器件的高效率建模。
[0006] Jarndal等人提出一種小信號(hào)等效電路模型參數(shù)提取方法[A. Jarndal and G.Kompa. : iA new small-signal modeling approach applied to GaN devices'，IEEE Trans, Microwave Theory Tech, 2005, vol.53no. 11，pp. 3440-3448·]。但是該方法在本征 部分引入了分別與電容Cgd和Cgs并聯(lián)的兩個(gè)可視為開(kāi)路的漏電電導(dǎo)G gdf和Ggsf，增加了等效 電路模型的復(fù)雜度和參數(shù)提取難度，并且降低了參數(shù)提取的精度。
[0007] 聞?wù)玫热颂岢隽艘环N小信號(hào)模型參數(shù)提取算法[聞?wù)?，徐躍杭，徐銳敏，"氮化鎵 功率器件小信號(hào)模型參數(shù)提取算法研究"，電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2015,第30卷，第4期。]，該算法 考慮了誤差累計(jì)問(wèn)題，但參數(shù)提取方法中將寄生電容的比例系數(shù)設(shè)為常數(shù)，不利于算法在 不同結(jié)構(gòu)的器件中進(jìn)行應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決上述【背景技術(shù)】存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種高效的GaN HEMT小信號(hào)模 型參數(shù)提取方法，并于Matlab中編程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)運(yùn)行一次Matlab程序，即可準(zhǔn)確擬合GaN HEMT器件在全偏置下的S參數(shù)，從而得到等效電路模型中的所有參數(shù)，極大減少了參數(shù)提 取過(guò)程中的人力勞動(dòng)，大大提高了器件建模的效率。
[0009] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高效的GaN HEMT器件小信號(hào)模 型參數(shù)提取方法，使GaN HEMT小信號(hào)等效電路模型能夠更準(zhǔn)確地反映器件的電學(xué)特性和微 波特性，并使算法可以應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)的器件。
[0010] 本發(fā)明方法的流程如圖2所示，首先通過(guò)漏極-源極短路時(shí)的"冷場(chǎng)"（Cold FET) S參數(shù)提取出與偏置無(wú)關(guān)的寄生參數(shù)初值，然后再采用迭代算法優(yōu)化寄生參數(shù)，在迭代過(guò)程 中，每次使用比前一次更準(zhǔn)確的元件值進(jìn)行計(jì)算，可使結(jié)果趨向最優(yōu)解。最后對(duì)晶體管工作 范圍內(nèi)所有偏置點(diǎn)的S參數(shù)去嵌，使用解析的方式提取本征參數(shù)，具體包括以下步驟：
[0011] 步驟L寄生參數(shù)初值提取：
[0012] 本發(fā)明采用GaN HEMT 20元件等效電路模型，如圖1所示，所述電路模型包括寄生 電路和本征電路，所述寄生電路包括外層寄生電容Cpgl、C pdl、Cgdl、Cpga、Cpda、Cgda，寄生電感L g、 Ld、Ls，寄生電阻Rg、Rd、Rs，所述本征電路包括本征電容C gd、Cgs、Cds，本征電阻R1、Rgd，本征電 導(dǎo)G ds，本征電流源Ids= V τ由參量G "及τ確定；
[0013] 步驟1-1 :用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針臺(tái)對(duì)處于夾斷狀態(tài)的GaN HEMT器件在其工作 頻段內(nèi)進(jìn)行離散頻率的二端口 S參數(shù)測(cè)試采樣：GaN HEMT器件的源極接地，柵極為端口 1， 漏極為端口 2,柵極-源極的偏置電壓Vgs= -4V，漏極-源極的偏置電壓V ds= OV ;
[0014] 步驟1-2 :用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針臺(tái)對(duì)處于柵極前向偏置狀態(tài)的GaN HEMT器件 進(jìn)行離散頻率的二端口 S參數(shù)測(cè)試采樣：GaN HEMT器件的源極接地，柵極為端口 1，漏極為 端口 2,柵極-源極的偏置電壓Vgs= IV，漏極-源極的偏置電壓V ds= OV ;
[0015] 步驟1-3 :在步驟1-1的測(cè)試條件，圖1所示的GaN HEMT 20元件等效電路模型可 簡(jiǎn)化為只包含寄生電容及本征電容的簡(jiǎn)化電路模型，如圖3所示，柵-漏，柵-源和漏-源 分支總電容可表示為：
[0016] Cgdo= Cgda+Cgdl+Cgd (1)
[0017] Cgso= Cpga+Cpgl+Cgs (2)
[0018] Cdso= Cpda+Cpdl+Cds (3)
[0019] 圖3所示的簡(jiǎn)化電路的Y參數(shù)為：
[0020] Y11= j?(Cgso+Cgdo) (4)
[0021] Y22= j ω (C dso+Cgdo) (5)
[0022] Y12 =Y21=-j c〇Cgd。 (6)
[0023] 其中，柵極為端口 1，漏極為端口 2, ω = 2 π f為采樣頻率f對(duì)應(yīng)的角頻率；將步 驟1-1所得的夾斷狀態(tài)下多個(gè)離散頻率采樣點(diǎn)的S參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)Y參數(shù)并構(gòu)建Y參數(shù)關(guān) 于角頻率ω的擬合直線，提取每條擬合直線的斜率值，根據(jù)式⑷、（5)、（6)可知Y n、Y22、 Y12對(duì)應(yīng)的三條擬合直線的斜率分別為（Cgsc]+Cgd。)、（C dsc]+Cgd。)、Cgd。，結(jié)合所提取的擬合直線的 斜率值即可求得分支總電容C gsc]、Cgdc]、Cdsci;得到各分支總電容后，為提取每個(gè)電容值，根據(jù) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出如下設(shè)定：C pga= Cpda，Cgdl= 2Cgda，Cgs= Cgd，Cpdl= 3Cpda;將 Cpda和 Cgda作為 掃描變量進(jìn)行離散采樣掃描，根據(jù)式（1)、（2)、（3)，在掃描過(guò)程中即可得到每一組電容C pda 和Cgda對(duì)應(yīng)的各電容值Cpgl、 Cpdi、Cgdi、Cpga、Cpja、Cgja、CgJ、C gs、Cjs，
[0024] 步驟1-4 :采用去嵌技術(shù)剝離圖1所示的GaN HEMT 20元件等效電路中的電容Cpga、 Cpda和Cgda，得到的等效電路如圖4所示，其中柵極為端口 1，漏極為端口 2 ;
[0025] 由圖4所示網(wǎng)絡(luò)的Z參數(shù)可推導(dǎo)出提取寄生電感和寄生電阻的關(guān)系式如下：
[0026] (7)
[0027] Q
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] 采用去嵌技術(shù)，將步驟1-1所得的夾斷狀態(tài)下多個(gè)離散頻率采樣點(diǎn)的S參數(shù)中電 容Cpga、C pda和C gda的效應(yīng)剔除，得到圖4所示電路模型的離散頻率采樣下的等效測(cè)試S參 數(shù)；將所述等效測(cè)試S參數(shù)轉(zhuǎn)換為Z參數(shù)，分別構(gòu)建ω Ζη、ω Ζ22、ω Z12關(guān)于ω 2的擬合直線， 提取所述三條擬合直線的斜率值；根據(jù)式（7)、（8)、（9)可知ωΖη、ωΖ 22、ωZ12對(duì)應(yīng)的三條 擬合直線的斜率分別為（Lg+Ls)、（L d+Ls)、LS，結(jié)合所提取的擬合直線的斜率值即可求得寄生 電