器件建模步骤20110413(教研室报告)

LOGO宽禁带半导体器件建模陈勇波指导老师：徐锐敏国云川LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS目录简介小信号模型大信号模型大栅宽器件模型噪声模型LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS简介器件模型在电路设计中起着至关重要的作用，在电路设计和工艺设计之间发挥了桥梁的作用。在电路设计中，不仅需要利用器件模型来仿真电路拓扑，以验证所设计的电路结构是否达到指标要求，而且也会根据电路的设计指标对器件工艺提出相关的性能要求；在器件制作中，不仅会根据等效电路模型中相关元件的参数值来控制工艺的重复性，而且会根据所提取的等效电路参数来优化器件设计工艺，以进一步提高电路的性能。随着半导体器件尺寸向着亚微米、深亚微米的方向发展，电路的集成度将越来越高，传统的以经验为主的设计方法越来越不能满足器件的发展要求，因而获得精确的器件模型将显得越来越重要，这不仅会提高电路设计的准确性，减少工艺反复，而且会降低产品成本，缩短研制周期。器件建模的意义：LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS简介LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS简介宽禁带半导体定义：禁带宽度大于2.2eV的半导体材料。SiGaAs(AlGaAs/InGaAs)GaN(AlGaN/GaN)4H-SiC禁带宽度（eV）1.111.43.23.2击穿场强（MV/cm）0.60.63.53.5热导率（M/（cm·k））1.50.51.34.9电子饱和速度（107cm/s）11.2(2.1)2.5(2.7)1.9电子迁移率（cm2/Vs）15008500(10000)900(2000)700介电常数11.412.89.89.7工作温度/oC175175600650抗辐照能力/rad104-1051061010109-1010LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS简介器件模型无源器件模型：电容、电感、电阻、传输线等有源器件模型：二极管、BJT、FET、HEMT等模型应该满足以下要求：（1）能够真实反映器件工作时的物理特性；（2）在很宽的频带内仍能保证足够的精度；（3）在保证精度的前提下，模型简单；（4）容易确定模型有关参量；LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS简介各种模型的分类及其比较方法种类优点缺点基于物理数值模型理论上准确;适用于各种物理结构和工艺参数；可以预研究器件。过分耗机时，在CAD应用中正在完善；准确度依赖模型，精度有所局限。解析模型非常适合器件设计，尤其是MMIC设计和特性模拟。适用CAD技术由于加工过程中不可预知因素（缺陷等），因此必须以测量的方法确定其元件值及特性；精度较差。基于测量经验模型简单，比较准确，适用于CAD技术。应用最为广泛。必须制造出用于测试的器件为前提，不适合超前器件的研究。表格模型模型精确，易于建模，通用性好。测试数据多；会出现收敛、可微等问题；模型精度依赖测试数据的精度；不能对预研。LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS简介网络分析仪(S参数)非线性模型小信号等效电路模型非线性栅源、栅漏电容模型近似线性元件值非线性漏源电流模型色散模型、击穿特性模型、温度相关模型等I-V测试仪(I-V特性)参考文献实测数据小信号等效电路模型FET器件经验模型应用应用S参数仿真，计算小信号增益、噪声等。如LNA仿真器件谐波特性、P1db、IP3等非线性特性。如PA、Mixer、MultiplierLOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS小信号模型FET小信号等效电路模型LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS小信号模型小信号模型参数提取步骤：外部寄生参数提取通过特定的测试方法确定本振参数提取通过网络矩阵理论剥离外部寄生参数后获得参数优化与实测的器件S参数拟合LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS小信号模型小信号模型ADS中的优化模型和与实测结果的对比：LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS小信号模型小信号模型的局限：小信号模型只能用于器件的S参数仿真，用来计算器件的小信号增益、噪声等特性，而不能用于计算器件的谐波特性、1dB功率压缩点（P1dB）、三阶交调遮断点（IP3）等非线性重要参数，因此需建立器件的非线性模型。但是，另一方面小信号模型可以利用倒推（bottom-up）技术推导出大信号等效电路模型。因此，准确建立小信号等效电路模型是微波功率MESFET大信号建模，以及MESFET器件应用的首要工作。LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS大信号模型完整的FET非线性等效电路模型击穿特性模型非线性栅源、栅漏电容非线性漏源电流LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS大信号模型大信号建模实质包含两个内容：·一是非线性漏源电流（Ids）、非线性栅电容（Cgs和Cgd）模型表达式函数建立；·二是模型参数提取（模型的参数一般是通过优化的方法得到的）。其中非线性漏源电流的准确描述是大信号建模最重要的部分。一些常用的非线性漏源电流和非线性电容模型见下页列表。这些模型的实质是：用一个经验或者半经验的漏源电流和栅电容公式，来拟合实际测试得到的漏源电流和栅电容。LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS大信号模型模型/时间I-V模型优点不足参数精度导数连续色散Curtice-Cubic（1985）6比较高否级联RC简单，使用于工程CAD应用。没有考虑自热效应，Ids立方多项式外推精度差；色散模型不够；是有条件夹断Marterka（1983）5比较高否级联RC简单，软夹断。没有考虑自热效应，色散和QV模型过于简单Statz(1987)5比较差否级联RC电容的模拟非常准确。阀值电压与Vds无关。色散模型不够。TriQuint（1990）改进TOM模型（1997）TOM3模型（1999）6高否Ibd简单。色散模型较好不适合脉冲数据，所以RFI-V的模拟不够精确。Angelov/Chalmers(1992)Chalmers(1996)8高是级联RC简单QV方程与路径无关。色散模型不够。Parker（1997）7高是级联RC简单，精度高色散模型不够。常见的非线性模型列表LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS大信号模型漏源电流Ids的模型(星符号)）计算与实测（实线）结果比较。例子：51015202530350400.00.10.20.3-0.10.4VDSSweep11.DC1.Ids13Sweep11.DC1.Ids11Sweep11.DC1.Ids9Sweep11.DC1.Ids7Sweep11.DC1.Ids5Sweep11.DC1.Ids3Sweep11.DC1.DC.IDS.i,ASweep13.DC1.DC.IDS.i,ASweep3.DC1.DC.IDS.i,ASweep5.DC1.DC.IDS.i,ASweep7.DC1.DC.IDS.i,ASweep9.DC1.DC.IDS.i,AQgsVmds0pkpk3pkgs2pkgspkgsdsdsmpkdsgs2gsds0pkpkeVVV)VV(3P)VV(2P)VV(1P)Vtanh()V1))(tanh(1(IICBV)V3V(AIILOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS大信号模型符号线为实测结果，实线为计算结果。例子：012[1tanh()][1tanh()]gsgsCC21211dsdsgsABVCVABV0112121[1exp()]exp()gdgdgddsgsCCCAVAVLOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS大信号模型将上述提取出的寄生参数、漏源非线性电流公式及本征非线性电容经验公式写进ADS中的SDD模型中（如下图所示），并在多频点多偏置条件下通过负载牵引仿真与实测的负载牵引数据对比以验证大信号模型的准确性。非线性模型的验证LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS大信号模型freq(500.0MHzto20.00GHz)S(1,1)S(1,2)S(2,2)Sm(1,1)Sm(1,2)Sm(2,2)freq(500.0MHzto20.00GHz)S(2,1)Sm(2,1)25oC时大信号模型仿真的S参数与测试的S参数对比Vgs=30V，Vds=-8V频率、偏置结果1GHz(Vgs=-8V)1GHz(Vgs=-10V)实测结果Pin(dBm)23.3424.08P1dB(dBm)34.3633.72PAE(%)52.8555.95仿真结果P1dB(dBm)34.9234.42PAE(%)56.8359.45指标满足情况P1dB误差(dB)+0.56+0.7PAE相对误差(%)+7.5+6.25LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS大栅宽FET器件建模大栅宽FET器件建模模型参数随温度的变化：（1）直流I-V特性，随温度的升高，电流减小（2）寄生电阻Rd和Rs随温度升高而减小（3）不考虑非线性电容Cgs和Cgd随温度的变化30mm大栅宽SiCMESFET指温度分布LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS大栅宽FET器件建模大栅宽SiCMESFET器件直流I_V仿真曲线510152025303540450502468010VDSSweep1.DC1.DC.IDS.i,ASweep2.DC1.DC.IDS.i,ASweep3.DC1.DC.IDS.i,ASweep4.DC1.DC.IDS.i,ASweep5.DC1.DC.IDS.i,ASweep6.DC1.DC.IDS.i,ASweep7.DC1.DC.IDS.i,ASweep8.DC1.DC.IDS.i,ASweep9.DC1.DC.IDS.i,ASweep10.DC1.DC.IDS.i,ASweep11.DC1.DC.IDS.i,ASweep12.DC1.DC.IDS.i,ASweep13.DC1.DC.IDS.i,ALOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS噪声模型NoiselessFETYndingiGDSSNoiselessFETYGSDS1IsY1vnvni'1v'1I2I(1)(1)21111121()ndnnngnngndivYiivYiiYY()()()()sninnoutsnoutpninPPPFPPGP输出总噪声功率由输入噪声引起的输出噪声功率LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS噪声模型1I1vnvni'1v'1I(1)(1)110(,)nRT0(,)nGTcorYcorY22221sstotsnncornncorssssiGGRYYGRFYYGGGinncorRGY－等效噪声电阻－等效噪声电导－复数相关导纳LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS噪声模型22min12[()]corncornncornnncorBGGGRFRGRGRGsoptsoptB22min[()()]nsssRFFGGBBGsoptsopt四个噪声参量：minnFRGBsoptsopt，，，LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS噪声模型LOGOYOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS噪声模型891011121.