一種GaNHEMT噪聲模型建立方法與流程

本發明屬于集成電路
技術領域：
，具體涉及一種GaNHEMT噪聲模型建立方法。
背景技術：
：GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)器件具有非常高的二維電子氣(2-DEG)濃度、高飽和電子遷移速度和高功率密度等優點，使得GaNHEMT器件在低噪聲應用領域具有GaAs器件無法比擬的優勢，例如：具有更好的線性特性，在相同的噪聲系數下具有更高的動態范圍；具有更大的寬帶特性，適合做超寬帶器件；能承受更高的燒毀輸入功率，可以增加整機的抗干擾能力，簡化前級保護電路。因此，GaNHEMT低噪聲器件及其單片集成電路(MMIC)，已成為其在微波功率器件應用后的又一個熱點。器件模型在電路設計中起著至關重要的作用，在電路設計和工藝設計之間發揮著橋梁的作用。精確的器件模型顯得越來越重要，這不僅會提高電路設計的準確性，減少工藝反復，而且會降低產品成本，縮短研制周期。GaNHEMT的噪聲模型主要用于設計GaN微波低噪聲放大器(LNA)。傳統的GaNHEMT噪聲模型建立方法基于器件的四個噪聲參數(最小噪聲系數NFmin、等效噪聲阻抗Rn、最佳噪聲源電導Gopt和最佳噪聲源電納Bopt)的測試數據，噪聲測試系統需要一個昂貴的信號源阻抗調諧器(tunner)，并且采用優化方法進行求解，需要較多的源阻抗點數，非常耗時，而且可能出現不收斂的解，造成錯誤的結果。另外，相比于GaAspHEMT器件，GaNHEMT器件的柵極泄漏電流Ig較大(可達到mA量級)，但傳統的GaNHEMT噪聲模型中并未考慮柵極電流對器件噪聲性能的影響。技術實現要素：本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種GaNHEMT噪聲模型建立方法，該GaNHEMT噪聲模型建立方法可以很好地解決現有技術中測試系統昂貴、求解耗時、模型精度不高的問題。為達到上述要求，本發明采取的技術方案是：提供一種GaNHEMT噪聲模型建立方法，包括以下步驟：S1、建立GaNHEMT小信號等效電路模型，選取一個小信號等效電路拓撲，并提取小信號等效電路拓撲的外部寄生參數和本征參數；S2、將GaNHEMT小信號等效電路模型的本征區域引入噪聲源，得到噪聲等效電路，并根據噪聲等效電路建立GaNHEMT本征區域噪聲源表達式；S3、根據本征區域噪聲源表達式計算出本征區域的噪聲參數表達式，結合本征區域的噪聲參數表達式和外部寄生參數計算出整個GaNHEMT器件的噪聲參數表達式；S4、在50Ω阻抗條件下，對GaNHEMT器件進行噪聲系數測試，結合測試數據和整個GaNHEMT器件的噪聲參數表達式提取噪聲模型參數；S5、結合外部寄生參數、本征參數、噪聲模型參數及整個GaNHEMT器件的噪聲參數表達式得出GaNHEMT器件的噪聲參數隨頻率的變化關系，將變化關系與GaNHEMT器件的噪聲測試數據進行對比，驗證模型的準確性。與現有技術相比，該GaNHEMT噪聲模型建立方法具有的優點如下：(1)待定的參數僅有溝道噪聲系數α，該溝道噪聲系數通過直接求解的方式得到，無需一個昂貴的信號源阻抗調諧器和復雜的優化擬合過程，避免出現不收斂和錯誤的結果，大大簡化的測試系統和參數提取流程；(2)引入了柵極泄漏電流對器件噪聲參數的影響，模型精度更高。附圖說明此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，在這些附圖中使用相同的參考標號來表示相同或相似的部分，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。在附圖中：圖1為本發明公開的GaNHEMT噪聲模型建立方法的流程示意圖；圖2為本發明一個實施例的GaNHEMT小信號等效電路模型示意圖；圖3為本發明一個實施例的GaNHEMT本征區域的噪聲等效電路模型示意圖；圖4為本發明一個實施例的GaNHEMT噪聲參數隨頻率變化的計算和測試結果。具體實施方式為使本申請的目的、技術方案和優點更加清楚，以下結合附圖及具體實施例，對本申請作進一步地詳細說明。為簡單起見，以下描述中省略了本領域技術人員公知的某些技術特征。本發明提供一種GaNHEMT噪聲模型建立方法，本實施例的流程示意圖如圖1所示，該實施例的技術方案適用于GaNHEMT以及其它類型的場效應晶體管的噪聲模型建立。該噪聲模型建立方法包括以下步驟：S1、建立GaNHEMT小信號等效電路模型，選取一個小信號等效電路拓撲，并提取所述小信號等效電路拓撲的外部寄生參數和本征參數；精確的小信號等效電路模型是建立GaNHEMT噪聲模型的基礎。本步驟中，首先建立GaNHEMT器件的小信號等效電路模型，選取含16個參數的小信號等效電路拓撲，其中有7個本征參數和9個寄生參數，這些參數在模型有效頻率范圍內都是不隨頻率變化的量。9個寄生參數為FET常規的寄生參數網絡，包括柵極、漏極和源極的寄生電感、電容和電阻。該等效電路模型的拓撲結構示意圖如圖2所示，其中虛線框內的部分表示GaNHEMT的本征參數，ing和ind分別表示等效的柵極和漏極噪聲電流源。本發明實例中，將以一個柵長為0.7μm，柵寬為150μm，Al組分為35％的GaNHEMT器件為實例，建立其小信號等效電路模型。具體的，可以包括以下步驟：步驟S11：對GaNHEMT器件測試結構做去嵌入處理。由于在片測試時，校準通常僅能將測試參考面移動到射頻探針端面，此時測得的數據包含了測試結構的影響；為了得到實際器件的性能參數，需要對測試結構做去嵌入處理。常用的去嵌入處理是采用開路結構和短路結構的方法，利用開路結構消除測試結構并聯電容的影響，利用短路結構消除測試結構串聯電感和電阻的影響。步驟S12：提取GaNHEMT的外部寄生參數。本步驟中，根據圖2中的GaNHEMT等效電路拓撲，采用常規的cold-FET(冷場)測試方法，提取GaNHEMT器件的9個外部寄生參數。步驟S13：提取GaNHEMT的本征參數。本步驟中，對FET進行hot-FET(熱場)測試，并根據步驟S12中提取的外部寄生參數值，采用矩陣變換理論，將寄生參數網絡剝離，得到其本征導納參數矩陣YIN，再由式(1)～(7)中描述的GaNHEMT小信號等效電路模型中的本征參數與本征導納矩陣參數的關系，在測試頻段內計算本征參數的值。Cgd=-Im(Y12)ω---(1)]]>Cgs=Im(Y11)-ωCgdω(1+(Re(Y11))2(Im(Y11)-ωCgd)2)---(2)]]>Ri=Re(Y11)(Im(Y11)-ωCgd)2+(Re(Y11))2---(2)]]>gm=((Re(Y21))2+(Im(Y21)+ωCgd)2)(1+ω2Cgs2Ri2)---(4)]]>τ=1ωarcsin(-ωCgd-Im(Y21)-ωCgsRiRe(Y21)gm)---(5)]]>Cds=Im(Y22)-ωCgdω---(6)]]>gds＝Re(Y22)(7)該GaNHEMT器件在漏源電壓Vds＝5V，漏源電流Ids＝11mA的偏置條件下，最終計算得到GaNHEMT的16個小信號等效電路網絡參數值如表1所示。表1150μmGaNHEMT小信號參數值Cgs/pFCgd/pFRi/Ωgm/mSτ/psCds/pF0.1910.01878.2330.52.250.00166Rds/ΩCpgd/fFCpgs/fFCpds/fFRd/ΩRs/Ω8335.41.3829.67.204.31Rg/ΩLd/pHLs/pHLg/pH3.0322.31245.6S2、將GaNHEMT小信號等效電路模型的本征區域，即虛線框中的部分，引入噪聲源，得到噪聲等效電路，如圖3所示，并根據所述噪聲等效電路建立GaNHEMT本征區域噪聲源表達式；模型中包含三個噪聲源，分別為：表示柵極泄漏電流引起的散粒噪聲電流源igL，代表溝道噪聲的漏極溝道噪聲電流源ic，本征電阻Ri產生的熱噪聲電壓源υnRi。相比于傳統的晶體管噪聲等效電路模型，本發明提出的模型，由本征電阻Ri的熱噪聲電壓源υnRi替代傳統模型中的感應柵極噪聲電流源，引入了柵極泄漏電流對噪聲的影響，并且忽略了噪聲源之間的相關性，簡化了模型的復雜度。需要說明的是，實際上柵極泄漏電流IgL由兩部分組成，分別為柵源泄漏電流Igs和柵漏泄漏電流Igd，IgL＝Igs+Igd，但由于在噪聲等效電路中，IgL置于柵源之間或者柵漏之間對最終的器件噪聲的影響是一樣的，因此在下面的實例中，都采用IgL置于柵源間的形式。散粒噪聲電流源的表達式為：igL2‾=2qIgLΔf---(8)]]>所述熱噪聲電壓源的表達式為：υnRi2‾=4kTRiΔf---(9)]]>所述漏極噪聲電流源的表達式為：ic2‾=4kTαgmΔf---(10)]]>其中，igL表示散粒噪聲電流源，q為電子電荷常數，IgL為柵極泄漏電流大小，Δf為噪聲帶寬，υnRi表示熱噪聲電壓源，k為玻爾茲曼常數，T為環境溫度，Ri為本征電阻，ic表示漏極噪聲電流源，α為溝道噪聲系數。S3、根據所述本征區域噪聲源表達式計算出本征區域的噪聲參數表達式，結合所述本征區域的噪聲參數表達式和所述外部寄生參數計算出整個GaNHEMT器件的噪聲參數表達式。本步驟具體包括：S31、將熱噪聲電壓源υnRi變換為熱噪聲電流源的形式，得出本征電阻在本征區域輸入端引入的第一熱噪聲電流源iRi1，同時，由于υnRi的壓降會落到柵源電容Cgs兩端并通過跨導gm放大到輸出端，因此它在GaNHEMT本征區域輸出端口引入另一個噪聲電流源iRi2，其表達式分別為：iRi12‾=4kTΔfRi|jωCgs1+jωCgsRi|2---(11)]]>iRi22‾=4kΔfTRi|gm1+jωCgsRi|2---(12)]]>其中，iRi1為第一熱噪聲電流源，iRi2為第二熱噪聲電流源，k為玻爾茲曼常數，T為環境溫度，Δf為噪聲帶寬，Ri本征電容，ω表示角頻率，Cgs為柵源，gm為器件跨導。由于GaNHEMT器件中Cgd＜＜Cgs，因此，式(12)中忽略了Cgd的影響。S32、由于變換后引入的第一熱噪聲電流源iRi2和第二熱噪聲電流源iRi2分別與散粒噪聲電流源igL和漏極噪聲電流源ic為并聯關系，并且它們之間都是不相關的，因此可以將第一熱噪聲電流源iRi1和散粒噪聲電流源igL合并為ing，將第二熱噪聲電流源iRi2和漏極噪聲電流源ic合并為ind，GaNHEMT本征區域的噪聲等效電路變為常見的二端口噪聲網絡的導納形式，如圖2所示，其中的噪聲電流源及其相關性的表達式為ing2‾=iRi12‾+igL2‾=4kTΔfRi|jωCgs1+jωCgsRi|2+2qIgLΔf---(13)]]>ind2‾=iRi22‾+ic2‾=4kTΔf(αgm+Ri|gm1+jωCgsRi|2)---(14)]]>ingind*‾=4kTΔfgm*jωCgsRi|1+jωCgsRi|2---(15)]]>從而可以得到GaNHEMT本征區域的噪聲等效電路模型的導納噪聲相關矩陣CYIN=CY11CY12CY21CY22=14kTΔfing2‾ingind*‾ing*ind‾ind2‾---(16)]]>其中，k為玻爾茲曼常數，T為環境溫度，Δf為噪聲帶寬，ing為GaNHEMT本征區域的柵極噪聲電流源，ind為GaNHEMT本征區域的漏極噪聲電流源。S33、根據導納噪聲相關矩陣計算得到出本征區域的噪聲參數表達式；NFminIN=1+2[Re(CY22Y11*|Y21|2-CY21Y21)+GoptRn]---(17)]]>RnIN=CY22|Y21|2---(18)]]>GoptIN=CY11+CY22|Y11|2|Y21|2-2Re(Y11CY21Y21)Rn-|Bopt|2---(19)]]>BoptIN=1RnIm(CY22Y11*|Y21|2-CY21Y21)---(20)]]>其中，NFmin為最小噪聲系數，Rn為等效噪聲阻抗，Gopt為最佳噪聲源電導，Bopt為最佳噪聲源電納，Y11、Y21、Y22為GaNHEMT本征區域的導納矩陣參數，上標IN表示GaNHEMT本征區域的參數。S34、根據所述本征區域的噪聲參數表達式和所述外部寄生參數，采用噪聲相關矩陣級聯理論，進行噪聲相關矩陣變換和運算，將本征區域的導納噪聲相關矩陣變換為阻抗噪聲相關矩陣與GaNHEMT三個電極串聯的寄生電阻和電感的阻抗噪聲相關矩陣相加，得到含寄生電阻和寄生電感影響的阻抗噪聲相關矩陣然后將該矩陣變換為導納噪聲相關矩陣并與GaNHEMT三個電極并聯的寄生電容的導納噪聲相關矩陣相加，最后得到包含所有寄生參數的整個GaNHEMT的阻抗噪聲相關矩陣，將其變換為導納噪聲相關矩陣后，可以計算得到整個GaNHEMT器件的噪聲參數表達式。S4、在50Ω阻抗條件下，對GaNHEMT器件進行噪聲系數測試，結合所述測試數據和整個GaNHEMT器件的噪聲參數表達式提取噪聲模型參數；本發明提供的GaNHEMT噪聲模型中待定的參數僅有一個，即溝道噪聲系數α，因此無需像傳統噪聲模型參數的提取一樣，需要一個昂貴的信號源阻抗調諧器和復雜的優化擬合過程。本發明提供的噪聲模型建立方法，大大簡化的測試系統和參數提取流程，并且引入了柵極泄漏電流對器件噪聲參數的影響，模型精度更高。在50Ω源阻抗條件下，采用噪聲系數分析儀或矢量網絡分析儀，測試本實例中的GaNHEMT器件的噪聲系數NF50，它與器件四個噪聲參數的關系為：NF50=NFmin+RnGs|Ys-Yopt|2---(21)]]>其中，NF50表示噪聲系數，NFmin為最小噪聲系數，Ys表示信號源導納，Gs表示信號源電導，Ys＝Gs＝1/50，Rn為等效噪聲阻抗，Yopt表示最佳噪聲導納，Yopt＝Gopt+jBopt，Gopt為最佳噪聲源電導，Bopt為最佳噪聲源電納。因此，可以由式(21)，根據步驟S3中得到的GaNHEMT四個噪聲參數表達式，計算出溝道噪聲系數的α的值。該溝道噪聲系數通過直接求解的方式得到，無需優化擬合，避免出現不收斂和錯誤的結果，整個計算過程可以通過計算機編程的方法實現。S5、結合所述外部寄生參數、本征參數、噪聲模型參數及整個GaNHEMT器件的噪聲參數表達式得出GaNHEMT器件的噪聲參數隨頻率的變化關系，將所述變化關系與GaNHEMT器件的噪聲測試數據進行對比，驗證模型的準確性。將表1中的GaNHEMT小信號等效電路模型本征參數和外部寄生參數的值，以及溝道噪聲系數α的值帶入步驟3確定的GaNHEMT噪聲參數表達式中，可以得到本實例中的偏置條件下，GaNHEMT器件的噪聲參數隨頻率的變化關系，如圖4所示，圖中圓點符號表示該GaNHEMT器件通過傳統的基于阻抗調諧器的測試方法得到的噪聲測試數據，實線表示本實例的噪聲等效電路模型的計算值，可以看出兩者吻合良好，證明本發明提供的GaNHEMT噪聲模型具有較高的精度，可用于設計GaNHEMT低噪聲放大器。當前第1頁1 2 3