一种可缩放AlGaN/GaNHEMTs大信号模型的建立方法与流程

本发明涉及第三代半导体射频algan/gan hemts建模领域，具体涉及了一种可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法。

背景技术：

1、近年来，gan hemts大信号模型也被广泛的研究，其中包括但不限于行为基模型、经验基模型和物理基模型。考虑到模型生成时间和仿真收敛性问题，经验基模型成为最热门的研究。与其他两类模型相比，经验基模型不仅有着很好的收敛性，而且精确度很高，易于嵌入到商业软件ads中使用，这也是使之成为热门研究的重要原因。精确的gan hemts大信号模型，不仅能够减少电路迭代次数、缩短产品研发周期，而且在提高gan功率放大器性能方面有着至关重要的作用。与gaas hemts相比，gan hemts在饱和输出时非线性效应更严重、更复杂，对模型参数进行简单的线性缩放不足以满足电路精准设计需求。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提出了一种可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，不仅对基波信息有着高精度的预测，同时还对高次谐波信息预测保持良好的精度。

2、技术方案：本发明提出的一种可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，包括以下步骤：

3、(1)建立经验基eehemt模型漏源电流ids公式，即根据跨导曲线的分布分为四个区域，包括夹断区、线性区、饱和区、压缩区；并建立漏源电流ids分别在夹断区、线性区、饱和区、压缩区中的公式；

4、(2)建立经验基eehemt模型栅源电容cgs、栅漏电容cgd拟合公式；

5、(3)对步骤(1)中的漏源电流ids和步骤(2)中的栅源电容cgs、栅漏电容cgd提出缩放规则；

6、(4)对可缩放algan/gan hemts大信号模型进行验证。

7、优选地，步骤(1)中夹断区漏源电流ids公式为：

8、vgs＜vt，vt＝(vto-vch)/[1+γ(vdso-vds)]+vch

9、ids＝0 (1)

10、式中：vgs为管芯栅极施加的电压；vds为管芯漏极施加的电压；vto为管芯夹断阈值栅压；vdso为管芯正常工作漏极电压；vch、γ均为拟合变量。

11、优选地，步骤(1)中线性区漏源电流ids公式为：

12、vt＜vgs≤vg，vt＝(vgo-vch)/[1+γ(vdso-vds)]+vch

13、

14、vx(v)＝(v-vch)[1+γ(vdso-vds)] (3)

15、式中：gmmax为直流跨导gm-vgs最大值；vgo为管芯直流跨导gm-vgs达到最大值时的栅压。

16、优选地，步骤(1)中饱和区漏源电流ids公式为：

17、vg＜vgs≤vc，vc＝vco+μ(vdso-vds)

18、ids(vgs，vds)＝gmmax[vx(vgs)-(vgo+vto)/2+vch] (4)

19、式中：vco、μ均为拟合参数。

20、优选地，步骤(1)中压缩区漏源电流ids公式为：

21、当vc＜vgs≤vb时，vc＝vco+μ(vdso-vds)

22、ids(vgs，vds)＝gmmax[vx(vgs)-(vgo+vto)/2+vch]-idsv(vgs，vds) (5)

23、

24、式中：δgm为管芯直流跨导gm-vgs压缩区域的斜率；vbc、α均为拟合变量。

25、当vgs＞vb且b≠-1，时

26、

27、式中：svb、vba、va、gmoff均为拟合变量。

28、当vgs＞vb且b＝-1时

29、ids(vgs，vds)＝gmmax[vx(vgs)-(vgo+vto)/2+vch]-a[log(vgs-va)-log(vba)]-gmoff×(vgs-vb)-idsv(vb，vds) (8)

30、优选地，步骤(2)中栅源电容cgs、栅漏电容cgd的拟合结果为：

31、cgs＝c11-c12 (9)

32、cgd＝c12 (10)

33、

34、

35、

36、

37、式(9)-(14)中，c11o、c11th分别为输入电容c11-vgs的最大值与最小值c12sat为栅极到漏极的传导电容；λ为输入电容c11-vds的斜率；δgs为输入电容c11-vgs由最小值变化到最大值的过渡栅极电压；其余均为拟合参数。

38、优选地，步骤(3)中漏源电压ids缩放规则如下：

39、gmmaxnew＝gmmaxref×nw×nf (15)

40、

41、式中，漏源电流ids关于栅压vgs的一阶偏导数即是跨导，记为gm；跨导gm随栅压vgs变化的曲线的最大值记为gmmax，该曲线下降的斜率记为δgm带有下标“ref”表示的是参考器件，带有下标“new”表示的是实际使用的器件；nw＝ugwnew/ugwref、nf＝ngfnew/ngfref，nw、nf为缩放因子，ugw和ngf分别为器件单指栅宽和栅指个数。

42、优选地，步骤(3)中栅源电容cgs、栅漏电容cgd的缩放规则如下：

43、c11o_new＝c11o_ref×nw×nf (17)

44、c11th_new＝c11th_ref×nw×nf (18)

45、c12sat_new＝c12sat_ref×nw×nf (19)

46、式中带有下标“ref”为参考器件，带有下标“new”为实际使用的器件；

47、nw＝ugwnew/ugwref、nf＝ngfnew/ngfref，nw、nf为缩放因子，ugw和ngf分别为器件单指栅宽和栅指个数。

48、优选地，步骤(4)中以4×200um gan hemts大信号模型作为所述经验基eehemt模型，缩放至36×400umgan hemts使用。

49、优选地，设计了一款l频段高效率功率放大器对36×400umgan hemts进行负载牵引仿真。

50、有益效果：(1)本发明通过将经验基eehemt模型漏源电流公式中的gmmax和δgm两个参数与器件单指栅宽、栅指个数联立，对不同尺寸的gan器件的gmmax和δgm两个参数提出了缩放规则，不仅可以利用小栅宽gan器件漏源电流ids精准预测大栅宽gan器件的ids，对于大栅宽gan器件高阶跨导的预测也保持了很高的精度。

技术特征：

1.一种可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，其特征在于，步骤(1)中夹断区漏源电流ids公式为：

3.根据权利要求2所述的可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，其特征在于，步骤(1)中线性区漏源电流ids公式为：

4.根据权利要求3所述的可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，其特征在于，步骤(1)中饱和区漏源电流ids公式为：

5.根据权利要求4所述的可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，其特征在于，步骤(1)中压缩区漏源电流ids公式为：

6.根据权利要求5所述的可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，其特征在于，步骤(2)中栅源电容cgs、栅漏电容cgd的拟合结果为：

7.根据权利要求5所述的可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，其特征在于，步骤(3)中漏源电流ids缩放规则如下：

8.根据权利要求6所述的可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，其特征在于，步骤(3)中栅源电容cgs、栅漏电容cgd的缩放规则如下：

9.根据权利要求1所述的可缩放a1gan/gan hemts大信号模型的建立方法，其特征在于，步骤(4)中以4×200um gan hemts大信号模型作为所述经验基eehemt模型，缩放至36×400umgan hemts使用。

10.根据权利要求9所述的可缩放algan/gan hemts大信号模型的建立方法，其特征在于，设计了一款l频段高效率功率放大器对36×400umgan hemts进行负载牵引仿真。

技术总结
本发明公开了一种可缩放AlGaN/GaN HEMTs大信号模型的建立方法，确保GaN HEMTs缩放大信号模型的精确度，本发明从器件的单指栅宽、栅指个数角度考虑，对GaN HEMTs大信号模型内部本征参数漏源电流(I<subgt;ds</subgt;)、输入电容(C<subgt;gs</subgt;、C<subgt;gd</subgt;)制定了一套缩放规则。此外，为了验证本发明提出的关于I<subgt;ds</subgt;、C<subgt;gs</subgt;、C<subgt;gd</subgt;缩放规则的可行性，本发明通过在片测试4只不同单指栅宽、不同栅指个数、同种工艺的GaN HEMTs，进行大信号模型参数抽取，抽取结果表明本发明提出的关于I<subgt;ds</subgt;、C<subgt;gs</subgt;和C<subgt;gd</subgt;的缩放规则符合实际情况。利用该模型通过商业软件Advanced Design System(ADS)仿真既可以得到GaN HEMTs饱和输出时的基波阻抗点、输出功率、效率等信息，也可以对高次谐波的信息有着很好的预测。

技术研发人员：李宇超,成爱强,史清,徐祖银,戈硕,王帅,葛晨
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16