基于物理特性的射频晶体管简洁模型研究

发布时间：2020-10-10 00:17

　　随着集成电路的快速发展,硅锗异质结双极型晶体管(Si Ge HBT)因其渡越时间短,低温性能好,电流增益大,低成本以及能与传统的硅工艺相兼容等特性被广泛的应用于雷达系统以及无线通信电路中。因此,关于射频晶体管Si Ge HBT高频噪声的建模一直以来是人们研究的热点。为了大大地提高模型的精度,人们通常会在建模的时候考虑晶体管的物理特性。然而包含物理特性的Si Ge HBT高频噪声模型又会因其结构复杂而无法直接被仿真软件使用,这就使得人们所建的高频噪声模型在应用方面有了很大的局限性。所以为了克服这一问题,我们需要对所建的噪声模型进行简化处理得到其简洁模型,再利用Verilog-A语言将其嵌入到仿真软件中。这样不仅提高了所建噪声模型的实用性,同时也让模型设计者大大地缩短了模型在后期更新时所需要的时间。本文重点研究了包含非准静态效应的Si Ge HBT高频等效噪声简洁模型。主要内容可以分为以下几个方面:Si Ge HBT小信号等效电路模型是建立Si Ge HBT高频等效噪声的基础。因此,我们先确定了包含非准静态的Si Ge HBT等效电路结构,再针对现有的Van vliet模型的不足对其进行改善,最终确定了我们所建的Si Ge HBT高频等效噪声模型。由于所建的噪声模型无法直接用Verilog-A语言嵌入到仿真软件中,所以我们在模型中引入了模型参数,并利用噪声功率谱密度矩阵对其进行转换与近似从而得到简洁模型。最后,用Verilog-A语言对所建的简洁模型进行编程,将所编的程序嵌入到仿真软件ADS中进行四噪声参数的仿真,将仿真结果与基于精确物理模型计算得到的四噪声参数结果以及常见的几种模型的四噪声参数仿真结果进行对比,验证所建简洁模型的实用性与精确性。
【学位单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN32
【部分图文】：

小信号等效电路,基极

西南科技大学硕士研究生学位论文第 6页能够与结构中的元件参数直接联系起来，这对于器件设计来说尤为重要。而π型结构的特点就是便于用测出来的 Y参数来推算出等效电路结构中的元件参数，一般 RF 电路仿真软件中的电路模型都是基于π模型的。SiGe HBT 小信号等效电路模型也是由两部分构成[24]，一个是本征部分，另一个是寄生部分。前者描述的是器件中的有源区的特性，后者则描述的是器件中的有源区到焊盘之间的特性。在图 1-1 和图 1-2 中，本征元件参数主要包括：基极-集电极本征电容 Cbc，基极-发射极本征电容 Cbe，基极-发射极本征电导 gbe，小信号跨导 gm，基极-集电极本征电阻 rμ，时间延迟τ。而电路的寄生元件参数部分主要包括：基极-集电极外部电容 Ccx，内基极电阻 rbi，基极，集电极和发射极的寄生电阻 rbx，rc，re；基极，集电极和发射极的寄生电感 Lb，Lc，和 Le；焊盘寄生电容 Cpbc，Cpce，和 Cpbe；集电极衬底电容Ccs；基极和集电极的衬底寄生电阻 rs1，rs2；基极和集电极的衬底寄生电容Cs1，Cs2。

小信号等效电路

图 1-2 π型小信号等效电路结构Fig.1-2 π-type small signal equivalent circuit structure设计师会根据不同情况对这两种电路结构进行选择，例如当进行器件设计时会选择 T 模型，而当进行电路设计时π模型更重要。我们最常见也最传统的 SiGe HBT 高频等效噪声模型为 SPICE 模型、Transport 模型以及 Van vliet 模型这三种模型。下面我们依次对这三种模型进行分析。1.2.2 SPICE 模型热噪声、散粒噪声以及电流拥挤效应所产生的噪声是构成 SiGe HBT 高频噪声最主要的三个部分，而这常见的三种 SiGe HBT 高频等效噪声模型主要都是基于其自身的散粒噪声。Schottky 在 1918 年首次提出了散粒噪声的理念，他认为它的存在主要是因为电子电荷的粒子性[25]。载流子要想越过 PN结势垒就必须要从外界获取能量，当满足这一条件时，电流脉冲噪声就会在

延迟效应,小信号等效电路

图 2-1 包含 BC-SCR 延迟效应的 SiGe HBT 小信号等效电路图ig.2-1 SiGe HBT Small Signal Equivalent Circuit with BC-SCR Delay Effect.2 基于修正的 Van vliet 模型的高频等效噪声建模现存的经典的 SiGe HBT 高频等效噪声 SPICE 模型、Transport 模型以及an vliet 模型中，应用最为广泛且精度最高的为 Van vliet 模型。但经实验数测量发现当电路工作在更高的频率时现有的 Van vliet 模型也不再适用。在早期的晶体管中总的基极电流 Ib就被认定为基极复合电流 IbB，所以传的 Van vliet 模型可变为：114 ( ) 2B B Bib bS KT Y qI（2-1）c 224 ( ) 2 2B Bi c cS KT Y qI qI（2-2）21 21 212 ( ) 2 ( )B B B Bicib m mS KT Y Y g KT Y g （2-3）中的 Y11B，Y22B，Y21B参数为晶体管本征部分的 Y 参数。然而经研究发现于现有的高速晶体管来说，它的基极电流还与发射极有关。例如 SiGe HBT体管，它的基极电流中包含了回流到发射极的基极少量载流子，所以它的

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