包含本征电感的晶体管小信号等效电路模型及参数提取方法技术

本发明专利技术公开了一种晶体管小信号等效电路模型，其特征在于，该晶体管小信号等效电路模型的本征单元，包含本征电感元件。所述本征电感元件位于晶体管本征单元的源极和漏极之间，具体位置为与源漏电阻串联，或者与源漏电阻、源漏电容的并联整体串联，从而实现在高频、大电流下，对晶体管的高精度仿真。本发明专利技术进一步公开了包含本征电感的特征函数，以及利用测量的S参数提取所述本征电感元件参数值的方法。本发明专利技术提出的包含本征电感的小信号等效电路模型可以提高仿真同测试结果的拟合精度。

【技术实现步骤摘要】
所属
本专利技术涉及晶体管的器件模型，特别是晶体管的小信号等效电路模型。
技术介绍
晶体管是微电子器件、集成电路芯片中一个最重要的元件，在各种不同领域具有广泛应用。在电子器件、集成电路的设计过程中，晶体管模型是一个不可缺少的工具。国际上晶体管的数字模型已经比较成熟，可以提供高精度的模型仿真。然而，目前晶体管的射频模型还不是很完善，成为射频电路芯片设计和实现的一个主要难点。晶体管模型主要包括两大类型，物理模型和等效电路模型。其中，电路芯片的设计，主要是基于和频率无关的等效电路模型。高精度的等效电路模型是提高电路性能、缩短研制周期、提高设计成功率和成品率、降低研制成本的核心因素。本专利技术主要是针对场效应晶体管的小信号等效电路模型。目前国际上通用的场效应晶体管模型，是基于论文(Gilles Dambrine，Alain Cappy，Frkdderic Heliodore，and Edouard Playez，“A New Method for Determining the FET Small-Signal Equivalent Circuit”，Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，36(7)：1151-1159，1988，参考文献1)提出的模型结构，再结合某些额外的元件进行修正。所有这些传统模型的一个共同点，是只考虑了寄生部分的电感元件，但没有考虑沟道电流所导致的本征电感。本专利技术针对传统模型的这个缺陷，提出一种新型的模型结构，从而包含本征部分的本征电感元件，从而实现对晶体管的高精度仿真。以下，我们通过对场效应晶体管传统模型技术的分析，介绍传统场效应晶体管小信号等效电路模型的缺陷，并说明本专利技术思想的新颖性。场效应晶体管的传统小信号等效电路模型是基于参考文献1的14元件模型。在此基础上，专利技术专利(Roger S.Tsal，“SEMI-PHYSICAL MODELING OF HEMT HIGH FREQUENCY SMALL SIGNAL EQUIVALENT CIRCUIT MODELS”，US200200077258A1，Jan.17，2002，参考专利1)提出了一种针对高迁移率场效应晶体管(HEMT)小信号等效电路模型半物理建模方法。该专利技术专利中采用的等效电路模型包括寄生部分和本征部分两部分，其中，寄生部分包括栅极寄生电感、栅极寄生电阻、漏极寄生电感、漏极寄生电阻、源极寄生电感、源极寄生电阻；本征部分包括栅漏电容、栅源电容、电压控制电流源、源漏电阻、源漏电容、沟道电阻、栅漏电阻、栅源泄露电阻以及栅漏泄露电阻。该专利技术专利考虑的电感效应体现在寄生部分，包括栅极寄生电感，漏极寄生电感以及源极寄生电感。但专利中对本征部分的电感效应却没有考虑。论文(Fan Qian，Jacob H.Leach，and Hadis Morkoc，“Small signal equivalent circuit modeling for AlGaN/GaN HFET：Hybrid extraction method for determining circuit elements of AlGaN/GaN HFET”，Proceedings of the IEEE，98(7)：1140-1150，2010，参考文献2)介绍了氮化镓(GaN)场效应管关键元件的混合提取方法，该论文采用了一种包含18个元件的等效电路模型，同参考专利1采用的等效电路模型相比，增加考虑了栅极寄生电容、漏极寄生电容。相比于参考专利1，该论文的模型精度虽然有了改善，但仍没有包括本征电感效应。另外一种晶体管小信号等效电路模型包含22个元件，请参照论文(A.JarndalA，G..Kompa，“A new small-signal modeling approach applied to GaN devices”，Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，53(11)：3440-3448，2005，参考文献3)。该论文基于分布式模型的思想，相比于参考文献1中的等效电路模型，额外考虑了栅极、漏极以及源极的极间寄生电容，主要体现在考虑了栅源极间寄生交叠电容、栅漏极间寄生交叠电容、源漏极间寄生交叠电容，从而能更好的表征寄生效应。但本征部分的电感效应仍然没有被考虑。在参考文献3的基础上，论文(R.James Shealy，Jiali Wang，and Richard Brown，“Methodology for small-signal model extraction of AlGaN HEMTs”，Electron Devices，IEEE Transactions on，55(7)：1603-1613，2008，参考文献4)，认为极间寄生交叠电容可以被相应端口上的对地寄生电容所吸收，近似地将极间寄生交叠电容移到相应端口寄生电阻内侧，这样等效电路模型就可以拆分成多个相对独立的部分，从而简化参数提取过程。该论文的等效电路模型结构同参考文献3相比，虽然拓扑上有所不同，但所考虑的物理效应类似，虽然可比较精确地仿真低频下的晶体管模型，但却没有考虑高频下的本征电感效应。论文(Andreas R.Alt，Marti Diego，and C.R.Bolognesi，“Transistor Modeling：Robust Small-Signal Equivalent Circuit Extraction in Various HEMT Technologies”，Microwave Magazine，IEEE，14(4)：83-101，2013，参考文献5)提出了一种HEMT晶体管的小信号等效电路模型。该模型在寄生部分考虑了栅极、漏极衬底损耗电阻以表征栅极、漏极衬底损耗，寄生部分同参考文献3一样包括了分布式电容效应。同参考文献3相比该论文模型精度有所提高，但也也同样没有包括高频下具有重要影响的本征电感效应。本征部分的电感效应反映了晶体管内部沟道电流产生的电感，通过源漏本征电感的形式体现出来。我们在随后的测试结果与仿真结果的比较中，说明仅仅通过寄生电感无法实现等效电路模型和测试结果之间的高精度拟合。传统晶体管小信号等效电路模型已经考虑的电感效应只体现在寄生部分，但是晶体管内部电流流动也同样会产生电感效应，这种本征电感效应却没有被传统晶体管小信号等效电路模型所考虑。更重要的，本征电感元件值随偏置的变化而变化，这种特性将无法通过调节传统晶体管小信号等效电路模型中的寄生电感部分来体现，从而，传统晶体管小信号等效电路模型无法实现对晶体管的高精度仿真。综上所述，目前国际上已有的晶体管小信号等效电路模型均没有考虑本征部分存在的本征电感元件，因此传统晶体管小信号等效电路模型无法实现同测试结果的高精度拟合。
技术实现思路
有鉴于上述现有技术之缺失，本专利技术提出的一种包含本征电感的场效应晶体管小信号等效电路模型将解决存在于现有技术中的该些缺失。本专利技术所提出的一种包含本征电感的场效应晶体管小信号等效电路模型，其特征在于，所述新型场效应晶体管小信号等效电路模型的源漏极间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含本征电感的场效应晶体管小信号等效电路模型，其特征在于，所述场效应晶体管小信号等效电路模型的源漏极间本征单元包含本征电感元件。

【技术特征摘要】
1.一种包含本征电感的场效应晶体管小信号等效电路模型，其特征在于，所述场效应晶体管小信号等效电路模型的源漏极间本征单元包含本征电感元件。2.根据权利要求1所述包含本征电感的场效应晶体管小信号等效电路模型，其特征在于，所述包含本征电感的场效应晶体管小信号等效电路模型包括寄生部分和本征部分，其中，寄生部分包括栅极寄生单元、漏极寄生单元、源极寄生单元，本征部分包括栅源极间本征单元、栅漏极间本征单元、源漏极间本征单元；所述本征电感元件包含于源漏极间本征单元中；所述栅极寄生单元位于栅极外节点(G)、栅极内节点(G′)之间，并与栅极外节点(G)、栅极内节点(G′)相连接；所述漏极寄生单元位于漏极外节点(D)、漏极内节点(D′)之间，并与漏极外节点(D)、漏极内节点(D′)相连接；所述源极寄生单元位于源极外节点(S)、源极内节点(S′)之间，并与源极外节点(S)、源极内节点(S′)相连接，且位于栅极寄生单元与漏极寄生单元之间，并与栅极寄生单元与漏极寄生单元相连接；所述栅源极间本征单元位于栅极内节点(G′)、源极内节点(S′)之间，并与栅极内节点(G′)、源极内节点(S′)相连接；所述栅漏极间本征单元位于栅极内节点(G′)、漏极内节点(D′)之间，并与栅极内节点(G′)、漏极内节点(D′)相连接；所述源漏极间本征单元位于漏极内节点(D′)、源极内节点(S′)之间，并与漏极内节点(D′)、源极内节点(S′)相连接。栅极寄生部分：包括栅极寄生电感、栅极寄生电阻、栅极对地寄生电容。漏极寄生部分：包括漏极寄生电感、漏极寄生电阻、漏极对地寄生电容。源极寄生部分：包括源极寄生电感、源极寄生电阻。栅源极间本征单元：包括栅源电容、沟道电阻、栅源泄露电阻。栅漏极间本征单元：包括栅漏电容、栅漏电阻、栅漏泄露电阻。源漏极间本征单元：包括电压控制电流源、源漏电阻、源漏电容、源漏本征电感。栅极寄生电感与栅极寄生电阻串联于栅极外节点(G)和栅极内节点(G′)之间，栅极对地寄生电容一端与栅极外节点(G)相连接，另一端与源极外节点(S)相连接。漏极寄生电感与漏极寄生电阻串联于漏极外节点(D)和漏极内节点(D′)之间，漏极对地寄生电容一端与漏极外节点(D)相连接，另一端与源极外节点(S)相连接。源极寄生电感与源极寄生电阻串联于源极外节点(S)和源极内节点(S′)之间。栅源电容与沟道电阻串联于栅极内节点(G′)和源极内节点(S′)之间，栅源泄漏电阻一端与栅极内节点(G′)相连接，另一端与源极内节点(S′)相连接。栅漏电容与栅漏电阻串联于栅极内节点(G′)和漏极内节点(D′)之间，栅漏泄漏电阻一端与栅极内节点(G′)相连接，另一端与漏极内节点(D′)相连接。源漏电容与源漏电阻并联，该并联整体一端与漏极内节点(D′)相连接，另一端与源漏本征电感的一端相连接，源漏本征电感的另一端与源极内节点(S′)相连接，该源漏电容与源漏电阻并联再与源漏本征电感串联的整体，与电压控制电流源并联于漏极内节点(D′)和源极内节点(S′)之间。3.根据权利要求1、2所述的包含本征电感的场效应晶体管小信号等效电路模型，其特征在于，所述包含本征电感的场效应晶体管小信号等效电路模型的本征电感元件包含于源漏极间本征单元，所述的本征电感元件的模型参数提取方法是：将晶体管小信号等效电路电路模型的本征部分分为四路：栅源路...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜楠，黄风义，张有明，
申请(专利权)人：南京展芯通讯科技有限公司，爱斯泰克上海高频通讯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32