[发明专利]氮化镓高电子迁移率晶体管小信号模型参数提取方法

摘要

本发明公开了一种基于氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的高效率小信号等效电路模型参数提取方法，属于功率器件领域。本发明方法针对传统参数提取方法中存在的误差累计问题，基于GaN HEMT 20元件小信号模型，提出了一种迭代算法，并于Matlab中编程实现。该算法在迭代过程中，每次使用比前一次更准确的元件值进行计算，可使结果趋向最优解。与传统的参数提取方法相比，本发明方法通过运行一次Matlab程序，即可准确拟合GaN HEMT器件在全偏置下的S参数，从而得到等效电路模型中的所有参数，极大减少了参数提取过程中的人力劳动，大大提高了器件建模的效率。

主权项

1.一种氮化镓高电子迁移率晶体管小信号模型参数提取方法，具体包括以下步骤：步骤1.寄生参数初值提取：本发明采用GaN HEMT 20元件等效电路模型，包括寄生电路和本征电路，所述寄生电路包括外层寄生电容Cpgi、Cpdi、Cgdi、Cpga、Cpda、Cgda，寄生电感Lg、Ld、Ls，寄生电阻Rg、Rd、Rs，所述本征电路包括本征电容Cgd、Cgs、Cds，本征电阻Ri、Rgd，本征电导Gds，本征电流源Ids=ViGme-jωτ由参量Gm及τ确定；步骤1-1：用矢量网络分析仪和探针台对处于夹断状态的GaN HEMT器件在其工作频段内进行离散频率的二端口S参数测试采样：GaN HEMT器件的源极接地，栅极为端口1，漏极为端口2，栅极-源极的偏置电压Vgs=-4V，漏极-源极的偏置电压Vds=0V；步骤1-2：用矢量网络分析仪和探针台对处于栅极前向偏置状态的GaN HEMT器件进行离散频率的二端口S参数测试采样：GaN HEMT器件的源极接地，栅极为端口1，漏极为端口2，栅极-源极的偏置电压Vgs=1V，漏极-源极的偏置电压Vds=0V；步骤1-3：在步骤1-1的测试条件，所述GaN HEMT 20元件等效电路模型可简化为只包含寄生电容及本征电容的简化电路模型，简化电路模型的栅-漏、栅-源和漏-源分支总电容可表示为：Cgdo＝Cgda+Cgdi+Cgd （1）Cgso＝Cpga+Cpgi+Cgs （2）Cdso＝Cpda+Cpdi+Cds （3）所述简化电路模型的Y参数为：Y11＝jω(Cgso+Cgdo) （4）Y22＝jω(Cdso+Cgdo) （5）Y12＝Y21＝-jωCgdo （6）其中，栅极为端口1，漏极为端口2，ω=2πf为采样频率f对应的角频率；将步骤1-1所得的夹断状态下多个离散频率采样点的S参数转化为相应Y参数并构建Y参数关于角频率ω的拟合直线，提取每条拟合直线的斜率值，根据式(4)、(5)、(6)可知Y11、Y22、Y12对应的三条拟合直线的斜率分别为（Cgso+Cgdo）、（Cdso+Cgdo）、Cgdo，结合所提取的拟合直线的斜率值即可求得分支总电容Cgso、Cgdo、Cdso；得到各分支总电容后，为提取每个电容值，根据实验结果做出如下设定：Cpga=Cpda，Cgdi=2Cgda，Cgs=Cgd，Cpdi=3Cpda；将Cpda和Cgda作为扫描变量进行离散采样扫描，根据式(1)、(2)、(3)，在扫描过程中即可得到每一组电容Cpda和Cgda对应的各电容值Cpgi、Cpdi、Cgdi、Cpga、Cpda、Cgda、Cgd、Cgs、Cds；步骤1-4：采用去嵌技术剥离所述GaN HEMT 20元件等效电路中的电容Cpga、Cpda和Cgda，得到去嵌后等效电路，其中栅极为端口1，漏极为端口2；根据本步骤所述去嵌后等效电路的Z参数可得寄生电感和寄生电阻的关系式如下： Im ( ωZ 11 ) = ( L g + L s ) ω 2 - ( 1 C g + 1 C s ) - - - ( 7 ) ]]> Im ( ωZ 22 ) = ( L d + L s ) ω 2 - ( 1 C d + 1 C s ) - - - ( 8 ) ]]> Im ( ωZ 11 ) = L s ω 2 - 1 C s - - - ( 9 ) ]]>ω2Re(Z11)＝ω2(Rg+Rs) （10）ω2Re(Z22)＝ω2(Rd+Rs) （11）ω2Re(Z12)＝ω2Rs （12）采用去嵌技术，将步骤1-1所得的夹断状态下多个离散频率采样点的S参数中电容Cpga、Cpda和Cgda的效应剔除，得到本步骤所述去嵌后等效电路的离散频率采样下的等效测试S参数；将所述等效测试S参数转换为Z参数，分别构建ωZ11、ωZ22、ωZ12关于ω2的拟合直线，提取所述三条拟合直线的斜率值；根据式(7)、(8)、(9)可知ωZ11、ωZ22、ωZ12对应的三条拟合直线的斜率分别为（Lg+Ls）、（Ld+Ls）、Ls，结合所提取的拟合直线的斜率值即可求得寄生电感Lg、Ls、Ld；步骤1-5：采用去嵌技术，将步骤1-2所得的栅极前向偏置状态下多个离散频率采样点的S参数中电容Cpga、Cpda和Cgda的效应剔除，得到本步骤所述去嵌后等效电路的离散频率采样下的栅极前向偏置等效测试S参数；将所述栅极前向偏置等效测试S参数转换为栅极前向偏置Z参数，分别构建ωZ关于ω2的拟合直线，提取所述拟合直线的斜率值；根据式(10)、(11)、(12)可知ωZ11、ωZ22、ωZ12对应的三条拟合直线的斜率分别为（Rg+Rs）、（Rd+Rs）、Rs，结合所提取的拟合直线的斜率值即可求得寄生电阻Rg、Rs、Rd；步骤1-6：根据步骤1-3、1-4、1-5可知，以Cpda和Cgda作为扫描变量进行离散采样扫描，则每一组Cpda和Cgda均对应于一组元件值，所述一组元件值包括根据当前Cpda和Cgda计算所得的电容值Cpgi、Cpdi、Cgdi、Cpga、Cpda、Cgda、Cgd、Cgs、Cds，寄生电感值Lg、Ls、Ld，寄生电阻值Rg、Rs、Rd；计算每一组元件值对应的S参数残差ε，并从中提取S参数残差ε最小的一组元件值；步骤2.寄生参数优化：步骤2-1：将步骤1-6所提取的S参数残差ε最小的一组元件值作为初值；步骤2-2：设Cpga=a·Cpda，Cgdi=b·Cgda，Cgs=c·Cgd，Cpdi=d·Cpda,电容比例系数a、b、c、d的初值分别为1、2、1、3；步骤2-3：固定寄生电感Lg、Ls、Ld，寄生电阻Rg、Rs、Rd和寄生电容Cpgi、Cpdi、Cgdi、Cpga、Cpda、Cgda、Cgd、Cgs、Cds的值，扫描电容比例系数a、b、c、d，由此获得多组元件值，从中选取出S参数残差ε最小的一组元件值对应的电容比例系数a,b,c,d，并将该组电容比例系数a、b、c、d，作为新的初值；步骤2-4：固定初值中的寄生电感Lg、Ls、Ld和寄生电阻值Rg、Rs、Rd，以及步骤2-3中得到的电容比例系数a、b、c、d，扫描Cpda和Cgda，其余电容可根据步骤1-3中的式(1)-(6)由Cpda和Cgda直接确定，由此获得多组元件值，从中选取出S参数残差ε最小的一组元件值对应的电容值Cpgi、Cpdi、Cgdi、Cpga、Cpda、Cgda、Cgd、Cgs、Cds，并将这些电容值及相应的Cpda和Cgda做为相应电容的新的初值；步骤2-5：固定步骤2-4所选取的S参数残差ε最小的一组元件值中的寄生电容值和寄生电阻值，扫描寄生电感Ls、Lg和Ld，由此获得多组元件值，从中选取出S参数残差ε最小的一组元件值，并将其对应的寄生电感值Ls、Lg和Ld做为相应电感的新的初值；步骤2-6：按步骤1-4至步骤1-5所述方法，求得寄生电阻值Rg、Rs、Rd并作为新的初值，其中电容Cpga、Cpda和Cgda的取值为当前最新的初值；至此，步骤2-3至步骤2-6完成了一次迭代过程；步骤2-7：设定残差阈值，重复执行步骤2-3至步骤2-6，直至误差函数ε小于残差阈值时止，提取当前外层寄生电容Cpgi、Cpdi、Cgdi、Cpga、Cpda、Cgda，寄生电感Lg、Ld、Ls，寄生电阻Rg、Rd、Rs的值作为GaN HEMT 20元件等效电路中寄生电路相应元件的取值；步骤3.本征参数提取：步骤3-1：用矢量网络分析仪和探针台对处于正常工作状态的GaN HEMT器件进行离散频率下的二端口S参数测试采样：GaN HEMT器件的源极接地，栅极为端口1，漏极为端口2，设定栅极-源极的扫描电压范围及扫描间隔，设定漏极-源极的扫描电压范围及扫描间隔；步骤3-2：基于所述的GaN HEMT 20元件等效电路，将步骤3-1所得的正常工作状态下多个离散频率采样点的S参数中寄生电路的效应剔除，得到本征电路模型的离散频率采样下的等效测试S参数；将本步骤所得等效测试S参数转换为Y参数；步骤3-3：本征电路部分共八个参数，包括本征电容Cgd、Cgs、Cds，本征电阻Ri、Rgd，本征电导Gds，本征电流源Ids=ViGme-jωτ的参量Gm及τ；结合步骤3-2所得的本征电路Y参数的实部和虚部可由解析的方式计算出所述八个本征参数在每个偏置点及每个采样频点下的值，针对每个本征参数，取所有采样频点下的均值为该偏置点下该本征参数的终值，由此得到每个偏置点下所有本征参数的取值。