基于混合缩放规则的晶体管小信号可缩放模型建模方法与流程

[0001]
本发明涉及半导体集成电路技术领域，特别是涉及基于混合缩放规则的晶体管小信号可缩放模型建模方法。


背景技术：

[0002]
晶体管小信号模型的精度，对于微波集成电路设计，尤其是功率放大器电路设计，具有重要的指导意义，在特定工艺下，晶体管器件具有输出特性随着总栅极宽度变化而变化的特点，为了实现电路性能的最优化，需要选择合适的器件栅指数和单位栅宽，因此，建立晶体管小信号可缩放模型，对电路设计具有重要意义。
[0003]
为了简化模型的复杂度，传统的晶体管小信号可缩放模型将所有参数的缩放规则都定义为随栅极宽度线性变化。但是，由于大尺寸器件的几何结构参数在变化时不是完全线性的，基于完全线性缩放规则的晶体管小信号可缩放模型，通常具有较大的误差。
[0004]
因此，亟需开发出一种技术，能够解决以上技术问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供基于混合缩放规则的晶体管小信号可缩放模型建模方法。
[0006]
为此，本发明提供了基于混合缩放规则的晶体管小信号可缩放模型建模方法，其包括以下步骤：
[0007]
步骤s1，在一个预设宽工作频率范围内，测量多种尺寸的晶体管在不同偏置点下的s参数，获取多种尺寸的晶体管的s参数测试结果；
[0008]
其中，s参数，即为散射参数；
[0009]
步骤s2，选取晶体管小信号等效电路拓扑结构，并使用步骤s1获得的多种尺寸的晶体管的s参数测试结果，来进行多种尺寸的晶体管的寄生参数和本征参数提取；
[0010]
步骤s3，根据晶体管的寄生参数和本征参数随晶体管尺寸变化趋势的不同，提出线性和非线性结合的混合缩放规则；
[0011]
步骤s4，基于该混合缩放规则，建立晶体管的小信号可缩放模型，并对多种尺寸的晶体管进行s参数预测，获得多种尺寸的晶体管的s参数预测结果；
[0012]
步骤s5，对比所述步骤s1获得的多种尺寸的晶体管的s参数测试结果和所述步骤s4获得的多种尺寸的晶体管的s参数预测结果，验证该晶体管的小信号可缩放模型的准确性。
[0013]
优选地，在步骤s1中，预设宽工作频率范围，至少覆盖0～40ghz。
[0014]
优选地，在步骤s1中，多种尺寸的晶体管，包括由至少三种不同单位栅极宽度和至少两种栅极指数随机组合成的六种尺寸的晶体管。
[0015]
优选地，在步骤s1中，不同偏置点，包括栅极偏置电压范围为-4.5～2v和漏极偏置电压范围为0～30v。
[0016]
优选地，步骤s2，具体包括以下步骤：
[0017]
步骤s21，确定晶体管小信号的等效电路拓扑；
[0018]
步骤s22，采用“冷夹断”技术，通过该技术提取多种尺寸晶体管的寄生参数，以及执行去嵌寄生参数的操作步骤。
[0019]
优选地，在步骤s22中，去嵌入寄生参数的操作步骤具体包括以下子步骤：
[0020]
步骤s221，将步骤s1测试获得的晶体管的s参数转化为y参数，去嵌入寄生电容；
[0021]
步骤s222，将y参数转化为z参数，去嵌入寄生电阻和寄生电感；
[0022]
步骤s223，将z参数转化为y参数，提取本征参数；
[0023]
其中，y参数为导纳参数，z参数为阻抗参数。
[0024]
优选地，在步骤s3中，所述混合缩放规则的提出过程，包括以下操作步骤：
[0025]
步骤s31，按照包括步骤s1和步骤s2在内的等效电路参数提取方法，分别提取六种不同尺寸晶体管的寄生参数和本征参数数值；
[0026]
步骤s32，选取一个预设小尺寸晶体管作为参考器件，根据六种不同尺寸晶体管相对于该参考器件的尺寸比例关系，建立预设多个参数缩放因子；
[0027]
步骤s33，使用matlab软件中的曲线拟合工具，该工具适用于多维数据的线性曲线和非线性曲线拟合，用于拟合全部多个参数缩放因子随栅极宽度的变化规律，提出了适用于全部多个参数缩放因子的线性缩放规则和非线性缩放规则结合的混合缩放规则。
[0028]
优选地，步骤s4具体包括以下步骤：
[0029]
ads软件作为模型等效电路仿真的工具，采用参考器件的小信号模型，基于预设多个参数缩放因子和所述混合缩放规则，在ads软件中实现对其他尺寸晶体管的s参数的仿真预测。
[0030]
优选地，步骤s5具体包括以下步骤：
[0031]
步骤s51，在ads软件中，计算所述步骤s1获得的多种尺寸的晶体管的s参数测试结果和所述步骤s4获得的多种尺寸的晶体管的s参数预测结果的相对误差；
[0032]
步骤s52，当相对误差数值在3％以内，代表所述基于混合缩放规则的晶体管的小信号可缩放模型具有较高的准确性。
[0033]
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了基于混合缩放规则的晶体管小信号可缩放模型建模方法，其可以改善基于传统线性缩放规则的小信号可缩放模型建模方法不精确的问题，并且能准确预测多种不同尺寸晶体管的s参数，具有重大的实践意义。
附图说明
[0034]
图1为本发明提供的基于混合缩放规则的晶体管小信号可缩放模型建模方法的流程图；
[0035]
图2为基于本发明提供的基于混合缩放规则的晶体管小信号可缩放模型建模方法，在具体实施例中建立的一种晶体管小信号等效电路拓扑结构的示意图。
具体实施方式
[0036]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本
发明作进一步的详细说明。
[0037]
参见图1、图2，本发明提供了基于混合缩放规则的晶体管小信号可缩放模型建模方法，其是一种基于线性规则和非线性规则相结合的晶体管小信号可缩放模型建模方法，该方法包括以下步骤：
[0038]
步骤s1，在一个预设宽工作频率范围内，测量多种尺寸的晶体管在不同偏置点下的s参数，获取多种尺寸的晶体管的s参数测试结果；
[0039]
其中，s参数，即为散射参数；
[0040]
步骤s2，选取晶体管小信号等效电路拓扑结构，并使用步骤s1获得的多种尺寸的晶体管的s参数测试结果(即多种尺寸的晶体管在不同偏置点下的s参数测试结果)，来进行多种尺寸的晶体管的寄生参数和本征参数(即小信号等效电路参数)提取；
[0041]
步骤s3，根据晶体管的寄生参数和本征参数随晶体管尺寸变化趋势的不同，提出线性和非线性结合的混合缩放规则；
[0042]
步骤s4，基于该混合缩放规则，建立晶体管的小信号可缩放模型，并对多种尺寸的晶体管进行s参数预测，获得多种尺寸的晶体管的s参数预测结果；
[0043]
步骤s5，对比所述步骤s1获得的多种尺寸的晶体管的s参数测试结果和所述步骤s4获得的多种尺寸的晶体管的s参数预测结果，验证该晶体管的小信号可缩放模型的准确性。
[0044]
在本发明中，具体实现上，在步骤s1中，预设宽工作频率范围，至少覆盖0～40ghz；
[0045]
在本发明中，具体实现上，在步骤s1中，多种尺寸的晶体管，包括由至少三种不同单位栅极宽度和至少两种栅极指数随机组合成的六种尺寸的晶体管；
[0046]
在本发明中，具体实现上，在步骤s1中，不同偏置点，包括栅极偏置电压范围为-4.5～2v和漏极偏置电压范围为0～30v。
[0047]
在本发明中，具体实现上，步骤s2，具体包括以下步骤：
[0048]
步骤s21，确定晶体管小信号的等效电路拓扑；
[0049]
步骤s22，采用“冷夹断”(cold-fet)技术，即令晶体管工作在截止状态，该技术可以用于提取多种尺寸晶体管的寄生参数，以及执行去嵌寄生参数的操作步骤。
[0050]
在步骤s22中，去嵌入寄生参数的操作步骤具体包括以下子步骤：
[0051]
步骤s221，将步骤s1测试获得的晶体管的s参数转化为y参数，去嵌入寄生电容；
[0052]
步骤s222，将y参数转化为z参数，去嵌入寄生电阻和寄生电感；
[0053]
步骤s223，将z参数转化为y参数，提取本征参数；
[0054]
其中，y参数为导纳参数，z参数为阻抗参数。
[0055]
在本发明中，具体实现上，在步骤s3中，所述混合缩放规则的提出过程，包括以下操作步骤：
[0056]
步骤s31，按照包括步骤s1和步骤s2在内的等效电路参数提取方法，分别提取六种不同尺寸晶体管的寄生参数和本征参数数值；
[0057]
步骤s32，选取一个预设小尺寸(例如尺寸为2
×
100μm的gan hemt)晶体管作为参考器件，根据六种不同尺寸晶体管相对于该参考器件的尺寸比例关系，建立预设多个参数缩放因子；
[0058]
步骤s33，使用matlab软件中的曲线拟合工具(即cftool工具)，该工具适用于多维
数据的线性曲线和非线性曲线拟合，可以用于本案拟合全部多个参数缩放因子随栅极宽度的变化规律，提出了适用于全部多个参数缩放因子的线性缩放规则和非线性缩放规则结合的混合缩放规则。
[0059]
在本发明中，具体实现上，步骤s4具体包括以下步骤：
[0060]
ads软件作为一种高效的计算机辅助仿真软件，在本案中被用作模型等效电路仿真的工具。采用参考器件的小信号模型，基于预设多个参数缩放因子和所述混合缩放规则，在ads软件中实现对其他尺寸晶体管s参数的仿真预测。
[0061]
需要说明的是，参考器件的小信号模型，具体获取方式为：采用步骤s2所述的内容，建立参考器件的小信号模型。
[0062]
在本发明中，具体实现上，步骤s5具体包括以下步骤：
[0063]
步骤s51，在ads软件中，计算所述步骤s1获得的多种尺寸的晶体管的s参数测试结果和所述步骤s4获得的多种尺寸的晶体管的s参数预测结果的相对误差(即计算测试的s参数和预测的s参数的相对误差)；
[0064]
步骤s52，当相对误差数值在3％以内，代表所述基于混合缩放规则的晶体管的小信号可缩放模型具有较高的准确性，也就是说，能够满足电路设计要求。
[0065]
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例进行说明。
[0066]
下面以氮化镓高电子迁移率晶体管为例，对该方法进行详细说明。
[0067]
首先，使用矢量网络分析仪测量6种尺寸(2
×
100μm、4
×
100μm、2
×
200μm、4
×
200μm、2
×
400μm、4
×
400μm)晶体管在一个宽频带内不同偏置下的s参数，矢量网络分析仪激励提供的频率范围为0～40ghz，提供了偏置点的范围为：栅极偏置电压范围为-4.5～2v，漏极偏置电压的范围为0～30v。
[0068]
在本实施例中，确定氮化镓高电子迁移率晶体管的小信号等效电路拓扑结构，如图2所示，该氮化镓高电子迁移率晶体管的小信号等效电路拓扑结构可以是其他合适的任意拓扑结构。在图2中，虚线框内为内部等效电路，虚线框外部位外部等效电路。分别采用g、d和s下标来表示由晶体管的栅极、漏极和源极之间寄生效应引起的参数。采用“冷夹断”(cold-fet)技术从所述6种不同尺寸的s参数测量值提取等效电路寄生参数，其中包括：栅极电容c
pg
、漏极电容c
pd
、栅极寄生电感l
g
、源极寄生电感l
s
、漏极寄生电感l
d
、栅极寄生电阻r
g
、漏极寄生电阻r
d
、源极寄生电阻r
s
。
[0069]
根据采用的小信号等效电路拓扑结构(如图2所示)，去嵌入外部寄生参数，具体过程如下：
[0070][0071]
其中s
11
、s
12
、s
21
、s
22
分别代表s参数，y
11
、y
12
、y
21
、y
22
分别代表y参数，y
11int
、y
12int
、
y
21int
、y
22int
分别代表去嵌后的y
int
参数矩阵，ω代表器件工作角频率。
[0072]
在本实施例中，图2所示的小信号等效电路的拓扑结构有8个本征参数，包括：栅漏极间本征电容c
gd
、栅源极间本征电容c
gs
、漏源极间本征电容c
ds
、器件时间延迟参数τ、漏源电导g
ds
、跨导g
m
、栅漏极间电阻r
gd
、栅源极间电阻r
gs
，提取出外部寄生参数并去嵌入后，本征参数可以由y
int
参数矩阵的实部和虚部提取出来。
[0073]
在本实施例中，使用本实施案例的方法提取了6种尺寸器件的寄生参数值和本征参数值，选取尺寸为2
×
100μm的gan hemt作为参考器件，分别建立小信号可缩放模型的栅指缩放因子sf
n
、单位栅宽缩放因子sf
wu
和总栅宽缩放因子sf
wtot
，具体公式如下：
[0074][0075]
在上面的公式中，w
u_sc
、n
sc
、w
tot_sc
为待缩放器件的单位栅宽、栅指数和总栅宽，w
u_ref
、n
ref
和w
tot_ref
分别为参考器件的单位栅宽、栅指数和总栅宽，参数下标ref和sc分别表示参考器件和待缩放的器件。
[0076]
在本实施例中，虽然大部分寄生参数的变化趋势是线性的，但一些寄生参数的变化趋势更接近非线性。由于使用的gan hemt器件结构的特殊性，r
g
和r
d
主要与w
u
和n相关，l
g
和l
d
受栅极汇流线的影响较大，其变化趋势更接近非线性函数。l
s
和r
s
随w
u
的变化较小，而随着n的变化明显。综上，在本发明中，对寄生参数的缩放规则做出如下定义：
[0077]
1、寄生电容c
pg
、c
pd
和c
pgd
都随着总栅极宽度的变化线性增加，但c
pg
和c
pd
随单位栅极宽度的变化可以忽略，因此定义c
pg
和c
pd
只随sf
n
线性增加；
[0078]
2、定义l
s
和r
s
与sf
n
成反比；
[0079]
3、定义r
g
和r
d
与sf
wu
成正比且与sf
n
成反比；
[0080]
4、定义l
d
和l
g
为非线性缩放，缩放拟合函数利用matlab软件中的cftool命令进行拟合得到。
[0081]
在本实施例中，对本征参数的缩放规则定义如下：c
gd
、c
gs
、c
ds
和g
m
与总栅极宽度成正比，r
gd
、r
d
和r
i
与总栅极宽度成反比，时间延迟参数τ与总栅极宽度几乎无关。
[0082]
在本实施例中，使用ads软件，基于提出的混合缩放规则和小信号等效电路拓扑结构，建立了小信号可缩放模型，并对多个尺寸的晶体管的s参数进行预测，通过对比测量的s参数和预测的s参数，相对误差小于3％，验证了该可缩放模型具有较高的精确性。
[0083]
基于上述的技术方案可知，本发明与现有晶体管小信号建模方法相比，至少具有以下优点和有益效果：
[0084]
1、避免了传统晶体管小信号可缩放模型中使用完全线性缩放规则而导致的模型不精确的问题，针对各参数随栅极宽度的变化的不同，提出的线性和非线性结合的混合缩
放规则，可以更好地表征缩放模型的特点。
[0085]
2、基于混合缩放规则的晶体管小信号可缩放模型，可以精确预测多种尺寸晶体管输出的s参数，使得小信号可缩放模型具有更高的精度。
[0086]
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的基于混合缩放规则的晶体管小信号可缩放模型建模方法，其可以改善基于传统线性缩放规则的小信号可缩放模型建模方法不精确的问题，并且能准确预测多种不同尺寸晶体管的s参数，具有重大的实践意义。
[0087]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。