3毫米InP基HEMT器件小信号建模研究

发布时间：2019-11-06 05:20

【摘要】：随着毫米波段电路在军事、太空领域的广泛应用,InP基高电子迁移率晶体管(HEMT)由于具有电子迁移率高,适用频率范围广,噪声系数低,功率增益高等特点,已经成为毫米波单片集成电路设计领域的重点研究对象。本论文针对InP基HEMT器件的小信号模型建立进行了研究,主要的研究内容如下：首先,详细介绍了HEMT器件的基本工作原理,说明了器件的直流和交流特性。介绍了传统场效应管小信号模型,并根据本论文讨论的HEMT器件特性进行修改优化,使其能够更好的反映器件性能。在传统场效应管小信号模型的基础上,增加了表示栅极漏电流的电阻Rg,和Rga提高了小型号模型的准确性。其次,从HEMT器件的外延结构入手,通过TCAD仿真软件对器件内部物理特性进行仿真,主要对器件能带结构和二维电子气浓度进行了对比,从而选择性能更优良的外延结构。之后,介绍了InP基HEMT器件的基本工艺流程,利用中科院微电子所四室微波集成电路工艺线的工艺流程,制备出性能稳定的HEMT器件。介绍了器件直流交流各项特性参数的测试方法。测试平台是由Cascade半自动探针台、Agilent公司出品的8363PNA矢量网络分析仪进行组成。测试偏置点的设置是由IC-CAP测试软件控制。对制备出的InP基HEMT器件进行测试,测试得到最大跨导值为1064mS/mm,截止频率fT=196.8GHz,最大震荡频率fmax=456GHz。最后,本论文详细介绍了InP HEMT器件小信号模型参数的提取和建模过程。介绍了模型本征参数和寄生参数的不同提取方法。首先提取寄生参数。从IC-CAP测试软件中导出在特定偏置下的S参数测试值,利用ADS2009中的控件进行寄生参数算法的计算。不同寄生参数的计算算法有很多种,本文对比了不同寄生参数的计算算法,阐述各个算法的优缺点,选择适合本论文器件的算法,计算出相应的寄生参数值。其中,提取寄生电阻是难点。本文采用创新的直流Yang-Long提取法和COLD-FET提取法相结合的方式进行寄生参数的提取。这种方法能够精确而又简便的提取计算寄生电阻值,并且克服了传统方法提取电阻经常出现负值的缺点。之后,进行本征部分参数的提取。先将测试所得的S参数进行去嵌处理,除去寄生参数的影响。再根据优化后的小信号等效电路,通过去嵌后的Y参数计算出各个本征参数值。小信号模型的建立就是将提取出的所有参数值带入到小信号等效电路中。最后,对所建立的小信号模型进行S参数的仿真,并与实际器件测试的S参数结果进行拟合。经过仿真拟合发现,两者曲线拟合良好,说明本论文讨论的提参方法与优化后的小信号模型能够表征实际制备的HEMT器件的小信号特性。器件小信号模型和建模方法的准确性得到了验证。综上,本论文对InP HEMT器件的外延层进行优化设计,并对制造工艺进行了分析研究,在此基础上根据实际制造的器件特性建立了InP基HEMT完整地小信号模型。在器件建模中,补充了本征等效电路元件,改进了寄生参数提取方法,模型仿真结果和器件实测数据拟合较好,对以后的器件设计和集成电路设计具有良好的指导意义和应用价值。
【图文】：

曲线,器件,最大振荡,截止频率

逦５巨１１逡逑ｆｒｅｑ．邋Ｈｚ逡逑图３．邋口邋ＨＥＭＴ器件的频率特性逡逑■逦■逦如图所示，测得上一节中所制备的ＨＥＭＴ器件在偏置点的频率特性。测试逡逑范围从０．１Ｇ此到４０ＧＨｚ，间隔为ｌＯＯＭＨｚ。图中，NB■由曲线Ａ，邋Ｗ－２０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ逡逑斜率进行外推得到Ａ邋＝邋１９６．８Ｇ／／Ｚ邋；邋／胃是由ＭＳＧ／ＭＡＧ曲线先Ｗ－ｌＯｄＢ／ｄｅｃａｄｅ斜逡逑率外推至４０ＧＨｚ的焦点，再Ｌ＾－２０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ斜率外推得到／胃＝４５６Ｇ／／Ｚ。逡逑在实际应用中，器件的可靠性是衡量系统长期可靠性的重要因素。ＩｎＰ材料逡逑非常敏感，暴露在空气中容易变性。上一节制作器件的栅槽表面回暴露在空气中逡逑会受到污染会对沟道中的电子输运造成影响。因此，为了增加器件的稳定性本文逡逑用ＳｉＮ介质对器件进行钟化保护。图３．邋１３为肥ＭＴ器件纯化后的ＳＥＭ图：图３．邋１４逡逑为器件纯化后／？＾最大点

软件计算,测试值,未知数,方程

图４．６邋ＡＤＳ软件计算测试值Ｚ参数的实数部逡逑通过Ｗ上方程发现有四个未知数但方程只有Ｈ个，，因此需要利用其它方法列逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN386

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