一种GaNHEMT晶体管小信号模型建模方法技术

本发明专利技术公开了一种GaN HEMT晶体管的小信号模型的建模方法，在构建小信号模型的过程中，对混合提取方法做进一步的改进，仅优化C

【技术实现步骤摘要】
一种GaN HEMT晶体管小信号模型建模方法


[0001]本专利技术涉及一种小信号模型建模方法，尤其是涉及一种GaN HEMT晶体管小信号模型建模方法。

技术介绍

[0002]半导体器件GaN HEMT晶体管具有禁带宽、耐高温、击穿电场高、二维电子气浓度大、跨导大、截止频率高、噪声低和开关速度快等优点，在集成电路和微波射频领域应用极为广泛。而器件模型是半导体器件特性表征和集成电路设计的必需途径，在集成电路设计中起着至关重要的作用，模型的精确度将直接影响集成电路设计的准确性。
[0003]模型参数提取对于建立晶体管小信号模型至关重要，它依赖于精确的测量和可靠的参数提取方法等。现有的参数提取方法基于晶体管的小信号等效电路模型(即小信号模型)，可以分为直接提取法、数值优化法和混合提取法(直接提取和数值优化相结合的方法)。直接提取法被认为是最简单且比较可靠的提取方法，但它需要确切知晓器件的工艺特性来假设器件内元件间的倍数关从而提取元件参数，不适合应用在不同结构的器件的提参建模中，局限性较高。数值优化法虽然可以应用在不同结构的器件的提参建模中，通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GaN HEMT晶体管的小信号模型的建模方法，其特征在于包括以下步骤：步骤S1：提取最优寄生电容值：步骤S101：在ADS射频仿真软件中构建GaN HEMT晶体管的小信号等效电路模型，该小信号等效电路模型包括寄生元件和本征元件，所述的寄生元件包括寄生电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，寄生电感L1、L2、L3以及寄生电阻R1、R2、R3；所述的本征元件包括本征电容C7、C8、C9，本征电阻R4、R5，本征电导G1、G2、G3以及本征压控电流源，所述的本征压控电流源的输出电流I
ds
＝V
gs
G
m
e
‑
jωτ
，其中，G
m
为GaN HEMT晶体管的跨导，τ为GaN HEMT晶体管栅极电压的时延，V
gs
为流经本征电容C7两端的电压，ω为GaN HEMT晶体管的角频率，j为虚数符号，e为自然对数的底；寄生电容C1的一端、寄生电容C3的一端和寄生电感L1的一端连接且其连接端等效为GaN HEMT晶体管的栅极，寄生电容C1的另一端、寄生电感L3的一端和寄生电容C5的一端连接且其连接端等效为GaN HEMT晶体管的源极，寄生电容C2的一端、寄生电容C4的一端、寄生电感L1的另一端和寄生电阻R1的一端连接，寄生电容C2的另一端、寄生电感L3的另一端、寄生电阻R3的一端和寄生电容C6连接，寄生电容C3的另一端、寄生电容C5的另一端和寄生电感L2的一端连接且其连接端等效为GaN HEMT晶体管的漏极，寄生电容C4的另一端、寄生电阻R2的一端、寄生电感L2的另一端和寄生电容C6的另一端连接，寄生电阻R1的另一端、本征电容C7的一端、本征电容C8的一端、本征电导G1的一端和本征电导G2的一端连接，寄生电阻R2的另一端、本征电容C9的一端、本征电导G2的另一端、本征电导G3的一端、本征电阻R5的一端和本征压控电流源的正极连接，寄生电阻R3的另一端、本征电阻R4的一端、本征电导G1的另一端、本征电容C9的另一端、本征电导G3的另一端和本征压控电流源的负极连接，本征电容C7的另一端与本征电阻R4的另一端连接，本征电容C8的另一端与本征电阻R5的另一端连接；将寄生电容C1的电容值记为C
pg
，寄生电容C2的电容值记为C
gsi
,寄生电容C3的电容值记为C
pgd
,寄生电容C4的电容值记为C
gdi
,寄生电容C5的电容值记为C
pd
,寄生电容C6的电容值记为C
dsi
；寄生电感L1的电感值记为L
g
，寄生电感L2的电感值记为L
d
，寄生电感L3的电感值记为L
s
；寄生电阻R1的电阻值记为R
g
，寄生电阻R2的电阻值记为R
d
，寄生电阻R3的电阻值记为R
s
；本征电容C7的电容值记为C
gs
，本征电容C8的电容值记为C
gd
，本征电容C9的电容值记为C
ds
，本征电阻R4的电阻值记为R
i
，本征电阻R5的电阻值记为R
gd
，本征电导G1的电导值记为G
gsf
，本征电导G2的电导值记为G
gdf
，本征电导G3的电导值记为G
ds
；步骤S102：在冷夹断偏置状态下测试GaN HEMT晶体管的S参数，得到冷夹断偏置状态下每个频率点处GaN HEMT晶体管的S参数，其中将频率点的总数量记为N，第k个频率点记为f
k
，k＝1,2,...,N，将测试得到的冷夹断偏置状态下第k个频率点处GaN HEMT晶体管的S参数记为S
k
，S
k
为2
×
2的矩阵，S
k
中每个元素均为复数；对GaN HEMT晶体管的小信号等效电路模型进行简化得到第一个简化电路模型，第一个简化电路模型只包含寄生电容C1、C2、C3、C4、C5、C6和本征电容C7、C8、C9，此时，寄生电容C1的一端、寄生电容C2的一端、寄生电容C5的一端、寄生电容C6的一端、本征电容C7的一端和本征电容C9的一端连接且其连接端等效为GaN HEMT晶体管的源极，寄生电容C1的另一端、寄生电容C2的另一端、寄生电容C3的一端、寄生电容C4的一端、本征电容C7的另一端和本征电容C8的一端连接且其连接端等效为GaN HEMT晶体管的栅极，寄生电容C5的另一端、寄生电容C6的另一端、寄生电容C3的另一端、寄生电容C4的另一端、本征电容C8的另一端和本征电容C9的另一端连接且其连接端等效为GaN HEMT晶体管的漏极；将第一个简化电路模型建
立在ADS射频仿真软件中；将寄生电容C1、寄生电容C2和本征电容C7的电容值之和作为冷夹断偏置状态下GaN HEMT晶体管的栅
‑
源分支总电容C
ga
，将寄生电容C3、寄生电容C4和本征电容C8的电容值之和作为冷夹断偏置状态下GaN HEMT晶体管的栅
‑
漏分支总电容C
gdc
，将寄生电容C5、寄生电容C6和本征电容C9的电容值之和作为冷夹断偏置状态下GaN HEMT晶体管的漏
‑
源分支总电容C
db
，得到式(1)至式(3)：C
ga
＝C
pg
+C
gsi
+C
gs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)C
gdc
＝C
pgd
+C
gd
+C
gdi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)C
db
＝C
pd
+C
dsi
+C
ds
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)步骤S103：将测试得到的冷夹断偏置状态下每个频率点处GaN HEMT晶体管的S参数分别转化为Y参数，得到冷夹断偏置状态下每个频率点处GaN HEMT晶体管的Y参数，将冷夹断偏置状态下第k个频率点处GaN HEMT晶体管的Y参数记为Y
k
，Y
k
为2
×
2的矩阵，Y
k
中每个元素均为复数，将Y
k
的第1行第1列元素记为Y
11,k
，第1行第2列元素记为Y
12,k
，第2行第1列元素记为Y
21,k
，第2行第2列元素记为Y
22,k
；此时，栅
‑
源分支总电容C
ga
、栅
‑
漏分支总电容C
gdc
、漏
‑
源分支总电容C
db
与冷夹断偏置状态下GaN HEMT晶体管的Y参数关系式为：Im(Y
11,k
)+Im(Y
12,k
)＝C
ga,k
ω
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)Im(Y
12,k
)＝
‑
C
gdc,k
ω
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)Im(Y
22,k
)+Im(Y
12,k
)＝C
db,k
ω
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，Im()表示复数的虚部，ω
k
＝2*π*f
k
，ω
k
为第k个频率点f
k
对应的角频率；Im(Y
ij,k
)表示Y
ij,k
的虚部值，i＝1,2，j＝1,2；C
ga,k
表示第k个频率点处C
ga
的取值，C
gdc,k
表示第k个频率点处C
gdc
的取值，C
db,k
表示第k个频率点处C
db
的取值；根据式(4)至式(6)拟合冷夹断偏置状态下第k个频率点处GaN HEMT晶体管的Y参数中各元素虚部与角频率ω
k
的线性关系，即拟合Im(Y
11,k
)+Im(Y
12,k
)与ω
k
、Im(Y
12,k
)与ω
k
、Im(Y
22,k
)+Im(Y
12,k
)与ω
k
之间的线性关系，该拟合过程在MATLAB软件中实现，通过MATLAB软件直接得到Im(Y
11,k
)+Im(Y
12,k
)与ω
k
、Im(Y
12,k
)与ω
k
、Im(Y
22,k
)+Im(Y
12,k
)与ω
k
这三个拟合线性直线以及这三个拟合线性直线的斜率，将Im(Y
11,k
)+Im(Y
12,k
)与ω
k
的拟合线性直线的斜率作为栅
‑
源分支总电容C
ga
的取值、Im(Y
12,k
)与ω
k
的拟合线性直线的斜率作为栅
‑
漏分支总电容C
gdc
的取值、Im(Y
22,k
)+Im(Y
12,k
)与ω
k
的拟合线性直线的斜率作为漏
‑
源分支总电容C
db
的取值，将拟合得到的C
ga
、C
gdc
、C
db
的值分别作为MATLAB软件中最优寄生电容数值循环程序中栅
‑
源分支总电容、栅
‑
漏分支总电容、漏
‑
源分支总电容对应的搜索上限值，并将最优寄生电容数值循环程序中栅
‑
源分支总电容、栅
‑
漏分支总电容、漏
‑
源分支总电容对应的搜索下限值设为0,即0≤(C
pg
+C
gsi
+C
gs
)≤C
ga
，0≤(C
pd
+C
dsi
+C
ds
)≤C
db
,0≤(C
pgd
+C
gd
+C
gdi
)≤C
gdc
为寄生电容的优化阈值空间；在冷夹断偏置状态下，由GaN HEMT器件的沟道耗尽层物理特性，假设C
gs
＝C
gd
，将C
gs
＝C
gd
作为最优寄生电容数值循环程序的约束条件；步骤S104：在MATLAB软件中执行最优寄生电容数值循环程序，最优寄生电容数值循环程序具体流程为：首先在优化空间内产生6个随机分配的寄生电容值作为C
pg
、C
gsi
、C
pgd
、C
gdi
、C
pd
、C
dsi
的电容值，并对这6个电容值进行稳定性分析，即判断此时0≤(C
pg
+C
gsi
+C
gs
)≤C
ga
，0≤(C
pd
+C
dsi
+C
ds
)≤C
db
，0≤(C
pgd
+C
gd
+C
gdi
)≤C
gdc
这三个条件是否同时成立；若上述三个条件不能同时成立，则根据Metropolis准则重新产生6个寄生电容数值作为C
pg
、C
gsi
、C
pgd
、C
gdi
、
C
pd
、C
dsi
的电容值，若上述三个条件同时成...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丽，刘太君，叶焱，许高明，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：