GaN器件大信号模型在MMIC成品率设计中的应用研究

发布时间：2021-06-09 22:16

　　宽禁带半导体晶体管——氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）在高频、高效率、高功率领域具有广泛的应用,已经成为了国内外微波半导体器件方面的研究热点。基于GaN HEMT建立的大信号晶体管模型是晶体管和电路的枢纽,对优化电路设计,提高晶体管性能有指导作用。目前,发展较为成熟的晶体管模型多为经验基模型,是以大量的拟合参数来表征晶体管的自热、色散等特性。然而随着工艺的不断改进、器件的发展,亟需能指导器件工艺和结构设计的物理基大信号模型。另一个方面,微波化合物半导体芯片的成品率优化设计一直以来是集成电路设计的难点,其主要原因是晶体管制备上工艺参数精确控制难,而在电路设计上又缺乏准确的大信号工艺统计模型。因此,如何建立晶体管微波特性与物理参数相关联的物理基统计模型成为了微波氮化镓电路设计和应用的关键。本文针对GaN HEMT开展了准物理基大信号模型和物理基统计模型研究,并基于统计模型提出了一种提高MMIC成品率的方法,主要研究内容如下:1.基于区域划分理论的GaN HEMT准物理基大信号模型研究。对栅长为0.15μm的GaN HEMT器件,首先通过测试得到晶体管的直流I-V、多偏置下的S... 

【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

GaNHEMT的结构示意图

第二章GaNHEMT准物理基大信号模型研究13压电极化两种。在没有外部应力情况下，晶体的正负电荷中心不重合，每个晶体产生的偶极矩叠加而形成内建电场，从而产生自发极化效应。压电极化是在外加应力的作用下，GaN晶胞正负电荷中心分离，产生的偶极矩相互叠加，从而在晶体表面产生了极化电荷。由于GaN材料的两种极化效应同时作用，在AlGaN/GaN异质结交界面处产生极化电荷，从而形成了2DEG，如图2-3所示。图2-3Ga面二维电子气的形成机理2.2GaN晶体管模型分类晶体管模型是对晶体管物理特性的一种抽象表征方式。常用的有数值模型、经验模型和物理基模型，下表2-2比较了常用模型的优缺点。表2-2常用模型优缺点比较模型类别优点缺点参数提取难度数值模型物理意义明确可用于器件设计求解耗时难以用于电路设计很低经验模型精度高易实现噪声、热电模型收敛性好可用于电路设计缺乏物理意义不能指导器件设计很高物理基模型物理意义明确可缩放可用于器件和电路设计模型方程较复杂收敛性和精度有待提高较低数值模型反应了器件参数的物理意义，基于大量的物理超越方程，难以求解具体的解析值用于电路设计中。经验模型是基于器件的测量数据，依托等效电路结构，建立输入输出关系来拟合器件性能的数学模型。具有精度高、收敛性好、可用于电路设计等优点。但

既返男⌒藕拍Ｐ褪悄Ｐ涂饪?⒌闹匾?疤帷１窘诮?⒘艘恢职??19元件的小信号等效电路模型，该小信号等效电路拓扑结构如图2-4所示。图中包含了不随偏置变化的12个寄生元件（源、栅、漏极3个寄生电阻Rs、Rg、Rd和3个寄生电感Ls、Lg、Ls，pad的3个接触电容Cgda、Cpga、Cpda，极间和空气桥3个电容Cpgi、Cgdi、Cpdi），与偏置电压强相关的7个本征元件（栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd、漏源电容Cds、本征区沟道电阻Ri、漏源电导Gds、跨导gm及时间延迟参数τ），且所有参数都不随频率变化。图2-4GaNHEMT器件小信号模型等效电路拓扑2.3.1寄生参数的提取建立小信号模型，主要在于提取寄生和本征参数，由于寄生参数和偏置电压无关，可先提取寄生参数，再对多偏置下S参数去嵌，进一步提取本征参数。

【参考文献】：
博士论文
[1]微波GaN HEMT大信号模型参数提取研究[D]. 闻彰.电子科技大学 2018
[2]模拟集成电路性能参数建模及其参数成品率估计算法的研究[D]. 梁涛.西安电子科技大学 2013



本文编号：3221418