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微波GaN HEMT大信号模型的开发
录入时间:2017/6/19 9:31:05

微波GaN HEMT大信号模型的开发

Development of Nonlinear Large Signal Model for Microwave GaN HEMTs

尹成功、裴轶,苏州能讯高能半导体有限公司

苏州能讯高能半导体有限公司已发布了适合5G移动通信的宽带、高效氮化镓(GaN)功放管。为提供良好的用户体验,能讯与国内外建模团队开发了微波GaN HEMT仿真模型。该模型支持主流的仿真软件,如Keysight ADS。设计人员只需按照使用手册即可快速配置和使用模型。

仿真模型开发的背景

对于硅基、砷化镓基的半导体器件,业界已经存在非常成熟的器件表征和建模方案,如硅基器件中的BSIM模型系列,砷化镓基器件中的Angelov、EEHEMT模型。但是对于微波GaN HEMT,目前还没有一种完全通用且成熟的建模方案,这是因为GaN HEMT中存在诸多复杂的物理效应,如陷阱效应,而硅基或砷化镓基器件模型中并未对这些效应进行充分表征。另一方面,每个半导体厂商的GaN HEMT工艺线存在差异,即使现有的GaN HEMT建模方案也难以在不同厂商之间移植。

目前,微波GaN HEMT建模领域存在两种主流建模路线,一种是完全基于测试数据的行为级模型或查表模型,如X-parameters,这种建模方案在测试数据范围内仿真结果与测试结果对比非常精确,但是建模过程需要非常繁杂的测试数据,且模型仿真范围不能超出测试范围;另一种是通过测试数据推导获得的经验公式模型,如Angelov-GaN,这种建模方案可以预测测试数据范围外的器件性能,但模拟精度不及行为级模型或查表模型。上述两种建模路线各有优缺点,半导体器件厂商会根据客户需求研发不同的模型。

线性小信号模型的开发

通常,电路设计人员得到的GaN HEMT模型为非线性大信号模型,使用这种模型可完成IV仿真、S参数仿真、Load pull仿真、谐波仿真、波形工程仿真等诸多仿真。而线性小信号模型则是建立非线性大信号模型的基础,也是器件工程师进行器件性能分析、工艺监控的有力手段。

线性小信号模型的开发过程分为小信号等效电路拓扑结构建立和等效电路参数值提取两部分。常见的小信号模型等效电路如图1所示,其拓扑结构与MOS器件的π型等效电路非常相似,电路中的每一个模型参数都有相应的物理含义,如Cgs表示器件的输入电容,Rds表示器件的输出电阻。等效电路参数提取过程分为去嵌入外部寄生参数和提取本征参数两步,具体提取流程参见文献[1]。

1a:小信号模型等效电路拓扑结构平面图

1b:小信号模型等效电路拓扑结构立体图

对于不同制造工艺的GaN HEMT,器件工程师可通过改变小信号等效电路拓扑结构或模型参数提取算法来提高模型的拟合精度,比如我们通过加入与Cds串联的Rdso提高了S22的拟合精度[2],S参数的对比如图2所示。

2:未加入Rdsoa)与加入Rdsob)的小信号模型模拟(红色实线)和实测(黑色圆圈)S参数数据对比

固化小信号模型电路拓扑结构和参数提取算法后,可将整个过程编程实现模型参数自动提取,从而用于工艺监控或快速获取多偏置点模型参数。图3a和3b展示了总栅宽为0.58mm的GaN HEMT芯片中Cgs、Cgd随偏置的变化,这种变化是芯片非线性的来源之一。

3a:小信号模型参数CgsVgsVds的变化

3b:小信号模型参数CgdVgsVds的变化

小信号模型仿真精度通过使用仿真数据与测试数据对比的方法来衡量,模拟和实测S参数的对比结果和误差数据如图4所示,误差的计算方法参见文献[3]。从图4a和4b的对比结果看,我们的小信号拓扑结构和模型参数提取算法在多偏置范围内有很好的精度。

4aVdsq=28VIdsq=265mA时实测(蓝色圆圈)和模拟(红色实线)S参数的对比

4b:小信号模型拟合误差随VgsVds的变化

器件工程师通过分析小信号模型参数对微波电路的影响,可有目的地进行器件结构和版图结构设计,最终为客户提供更易调试、更高性能的功放管或芯片产品。

非线性大信号模型的开发

如前所述,主流的非线性大信号模型建模路线包括行为级建模和经验公式建模,这两种模型都能够嵌入到EDA软件中供电路设计人员使用。在初期模型开发中,我们建立了GaN HEMT的行为级模型,该模型在测试范围内具有非常高的仿真精度。但是完整的行为级模型需要大量的测试数据,且不能获得内部节点的电压、电流信息,这不利于E类或F类等高效率放大器的设计。

目前,能讯基于Angelov建模方案[4]开发了非线性大信号模型。在模型中可以依据客户需求开放任意节点的电压、电流、电容等参数信息,真正实现客户定制的非线性大信号模型。

基于经验公式的GaN HEMT非线性大信号建模需要考虑器件内部的四个非线性源:Ids(Vgs, Vds)、Cgs(Vgs, Vds)、Cgd(Vgs, Vds)和Cds(Vgs, Ids),以及器件工作时所承受的自热效应和陷阱效应,对这些非线性源和效应的表征会影响模型在线性度、功率或效率上的仿真能力。在获取的多偏置点小信号模型参数中,我们发现Cds与Vds、Vgs有强依赖关系,因此所开发的大信号模型中表征了Cds的非线性[5],这与将Cds看做常数的传统做法相比可提高线性度仿真精度。

最后,我们在Keysight ADS中对大信号模型进行验证,模型仿真和测试数据的对比如图5和图6所示,从中看出所建立的大信号模型在IV和功率仿真上有良好的精度。

5:非线性大信号模型在不同偏置时仿真(红色实线)与测试(蓝色圆圈)IV数据对比

6a:模型在Vdsq=28VIdsq=31mAГsource_1 Гload_1时仿真(实线)与测试(圆圈)数据的对比

6b:模型在Vdsq=28VIdsq=31mAГsource_2 Гload_2时仿真(实线)与测试(圆圈)数据的对比

6c:模型在Vdsq=48VIdsq=30mAГsource_3Гload_3时仿真(实线)与测试(圆圈)数据的对比

为方便E类或F类放大器的电路设计和分析,我们在模型中输出了内部节点的电压、电流信息。依据测试位置的不同可将GaN HEMT功放管分为本征区域参考面、芯片测量参考面和功放管测量参考面,如图7a和7b所示。本征区域参考面的电压和电流信息以vdsi、idsi形式输出,仿真完成后可直接读取其数值。图8所示为本征区域参考面和芯片测量参考面动态负载线仿真结果,可见不同参考面处的动态负载线存在明显差异。

 

7a:功放管中不同参考面示意图

7b:等效电路中不同参考面示意图

 

8:本征区域参考面动态负载线(红色实线)与芯片测量参考面动态负载线(黑色实线)仿真结果

结论

针对能讯的GaN HEMT,我们所开发的线性小信号模型和非线性大信号模型在仿真精度上有良好的表现。所开发的非线性大信号模型可获取内部节点的电压、电流信息,为电路设计人员进行电路调试提供帮助。

参考文献

[1] G. Dambrine, et al., “A new methodfor determining the FET small-signal equivalent circuit,” IEEE Trans.Microw. Theory Tech., vol. 36, no. 7, pp. 1151–1159, Jul. 1988.

[2] Chenggong Yin, et al., “An improved small signal model of considering Rds frequency dispersion for AlGaNGaN HEMT,” ICNS-11, Beijing, Aug.30-Sep. 04, 2015.

[3] Ronan G. Brady, et al., “An Improved Small-Signal Parameter-Extraction Algorithm for GaN HEMT Devices,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, Vol. 56, No. 7, pp. 1535-1544, July 2008.

[4] I. Angelov, et al., “Extensions of the Chalmers nonlinear HEMT and MESFET model,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, Vol. 46, No. 11, pp. 1664-1674, Oct. 1996.

[5] Chenggong Yin, et al., “AlGaN/GaN HEMT Large Signal Model Considering Nonlinear Cds,” ACES-China, Suzhou, Aug.1-4 2017


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