氮化镓高电子迁移率晶体管i-v模型参数的提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功率器件领域，特别涉及基于氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT) 的I-V模型参数提取方法。
【背景技术】
[0002] 氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT)由于其高频、高功率等特性，在微波电路 中的应用越来越广泛。由于GaN HEMT需工作于高温、高功率条件下，因此大信号模型是使 用GaN HEMT进行微波电路设计的基础。
[0003] 电流-电压模型即I-V模型是大信号模型的核心，为了表征GaN HEMT在大功率条 件下工作时的自热效应和陷阱效应，GaN HEMT的I-V模型比Si、GaAs等器件的I-V模型具 有更多的模型参数，模型参数通常有数十至一百多个不等。
[0004] I-V模型的参数提取是器件建模的基础。Si、GaAs等器件的I-V模型由于参数个 数少，通常由实测I-V数据计算出部分具有物理意义的参数，再采用ADS等软件调试优化剩 余参数拟合实测I-V曲线即可得到所有模型参数。对于GaN HEMT的I-V模型，由于参数个 数非常多，传统的参数提取方法工作量巨大，且单纯的数值优化容易得到违背物理意义的 参数值，已无法满足高效率建模的要求。
[0005] 针对GaN HEMT器件I-V模型参数提取方法的研究于国内外已发表的学术论文 中并不多见，例如Leuven大学的G. Avolio等人于2013年提出在多个工作点采用数值优 化拟合低频大信号时域波形，以此得到I-V模型中的参数。该文献提出的方法需要昂贵的 测试设备（比如大信号网络分析仪），实现难度较大（6.八￥〇1;1〇,4.1^€;^，1.4叩61〇￥，6. Crupi, G. Vannini, and D. Schreurs,，'A Novel Technique for the Extraction of Nonlinear Model for Microwave Transistors Under Dynamic-bias Operation，'，IEEE MTT-S International Microwave Symposium, pp. 1-3, June 2013)。
[0006] Chalmers大学的I. Angelov等人于2013年提出先通过直流I-V曲线在 特定区域的斜率提取出部分具有物理意义的参数，再通过数值优化拟合低频时域波 形提取其余参数，但是该文献采用的I-V模型形式较为简单，当参数个数大量增加 时便难以应用（I. Angelov et al,"Hybrid Measurement-based Extraction of Consistent Large-Signal Models for Microwave FETs"，European Microwave Conference, pp. 267-270, 2013)〇
[0007] California大学的Kelvin S. Yuk等人在2009年于Angelov等人工作的基础上 提出了一种改进的I-V模型，该模型能准确地反映GaN器件的陷阱效应和自热效应，但文中 并没有给出具体和完整的I-V模型的参数提取方法（KS Yuk，GR Branner，DJ McQuate. "A Wideband Multiharmonic Empirical Large-Signal Model for High-Power GaN HEMTs With Self-Heating and Charge-Trapping Effects"，IEEE Trans. Microwave Theory Te ch，2009, vol. 57, no. 12, pp. 3322-3332, 2009.)。
【发明内容】
[0008] 为了解决上述【背景技术】存在的问题，本发明提出了一种GaN HEMT的I-V模型参数 提取方法，并于Matlab中编程实现，能够快速准确地得到I-V模型中的所有参数值，大大提 高了 GaN HEMT器件建模的效率。
[0009] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种GaN HEMT器件I-V模型的参数 提取方法，使GaN HEMT大信号等效电路模型能够更准确地反映器件的电学特性和微波特 性。
[0010] 本发明采用GaN HEMT的改进型Angelov I-V模型进行参数提取，模型的相关细节 可见 California 大学的 Kelvin S.Yuk 等人在 2009 年发表的论文（KS Yuk，GR Branner，DJ McQuate.，'A Wideband Multiharmonic Empirical Large-Signal Model for High-Power GaN HEMTs With Self-Heating and Charge-Trapping Effects"，IEEE Trans. Microwave Theory Tech, 2009, vol. 57, no. 12, pp. 3322-3332, 2009.)。
[0011] 本发明具体采用如下技术方案：
[0012] 一种氮化镓高电子迁移率晶体管I-V模型参数的提取方法，其流程如图1所示，其 中采用拟合器件在每个漏极电压vds下的I-V转移特性曲线，而非传统提参方法拟合输出特 性曲线，这使得拟合过程中的自变量只有栅极电压vgs，减少了自变量个数，降低了拟合难 度并且提高了拟合精度，具体包括以下步骤：
[0013] 步骤1.参数分块：对I-V模型参数进行分块后的具体形式如下所示：
[0014] Ids= I pkthd+Mipk(vds, Vgseff) ? tanh (Vds, Vgseff))) ? tanh ( a Vds) (1)
[0015] Mipk(Vds, Vgseff) = 1+0. 5 ? (Mipkbth(Vds)-l) ? (l+tanh(Qm(Vds) ? (Vgseff-VgJ)) (2) _6] ^(vds,vgseff) =p1,th(vds) ? (ygseff-\J+P2,tM ? (vgseff-v2,pk)2+p3, th* (vgseff-v3,Pk)3(3)
[0017] Ipkth= I pk ? (l+Kipk(Vds) ? AT) (4)
[0018] Mipkbth(Vds) -Mipkb(Vds) ? (l+KMipkb(Vds) ? AT) (5)
[0019] Pj th(Vds) = Pj(Vds) ? (1+KJ p(Vds) ? AT)，j = 1，2, 3 (6)
[0020] Vgseff= f (V gs, Vds, Vdsq, Vgsq) (7)
[0021] A T = Pdiss ? Rtheq= I ds ? Vds ? Rtheq (8)
[0022] 其中，Ids为漏极-源极电压；Ipkth为器件跨导最大时的电流；M ipk(Vds, Vgseff)为Ipkth的双曲正切乘数，用来表征GaNHEMT跨导的非对称特性；Vgseff(V gs，Vds，Vdsq，Vgsq)为表征陷 阱效应的等效栅极电压，其为漏极-源极电压Vds、栅极-源极电压Vgs、漏极-源极电压静 态偏置点Vdsq、栅极-源极电压静态偏置点Vgsq的函数，其具体表达式可根据需求选取适当 的形式(Vds，Vgsrff)为以跨导最大时的栅极电压为中心的多项式级数；a为饱和电压参 数；Ipk为I Pkth的自热效应无关分量；K Ipk (Vds)，KMipkb (vds)，Kwd)，K2，P(Vds), K3，P(Vds)为表 征自热效应的相关项，该五项均为漏极-源极电压Vds的函数，其具体表达式可根据需求选 取适当的形式；A T为器件沟道温度增量，其等于耗散功率Pdiss和等效热阻R tteq的乘积； Mipkbth(Vds)和Qn(Vds)为MiPk(Vds，Vgseff)表达式内部的中间变里，其中 皿恤(Vds)为 Mipkbth (Vds) 的自热效应无关分量；Pj，th(Vds)为w (Vds，Vgsrff)多项式的系数，其中，j = 1，2, 3 ;Pj(Vds)为 Pj，th(Vds)的自热效应无关分量；Vgsm、Vw、V2， pk、V3，pk为对应跨导峰值的栅极电压参数；
[0023] 步骤2.提取与自热效应和陷阱效应无关的模型参数：针对需要提取参数的晶体 管，在其源极接地、漏极-源极电压静态偏置点Vdsq= 0V、栅极-源极电压静态偏置点V gsq =-3V的脉冲测试条件下，得到器件的电流-电压即I-V的转移特性曲线，且此时器件的自 热效应和陷阱效应相关参数可忽略不计，通过曲线拟合把所得的脉冲I-V转移特性曲线与 步骤1所述的方程（1)、（2)、（3)进行拟合，得到方程（1)、（2)、（3)中与自热效应和陷阱效 应无关的模型参数： Ipk，01，Vgsm，Vl，pk，V2，pk，V3，pk， Mipkb (Vds), Qffl (Vds), P: (Vds), P2 (Vds), P3 (Vds)；
[0024] 步骤3.提取自热效应相关的模型参数：对晶体管做静态I-V测试，并利用函数拟 合方法得到耗散功率Pdiss以V ds和V gs为自变量的具体表达式；对晶体管进行脉冲I-V测试， 所得数据可提取出器件的等效热阻Rth6q，带入式（8)即可得到沟道温度增量AT的具体表 达式；
[0025] 本步骤测得的静态I-V数据可得静态Ids_Vgs转移特性曲线，利用曲线拟合方法把 方程（4)、（5)、（6)与所述静态Ids_Vg^移特性曲线进行拟合，得到方程（4)、（5)、（6)中自 热效应相关的模型参数：KIpk(Vds)，KMipkb(Vds)，H)，K 2,P(Vds)，K3,P(V ds);
[0026] 步骤4.提取陷阱效应相关的模型参数：针对需要提取参数的晶体管，在其源极接 地、漏极-源极电压静态偏置点Vdsq= 0V、栅极-源极电压静态偏置点V gsq= -3V的条件 下进行脉冲I-V测试得脉冲I-V曲线，并在其源极接地、漏极-源极电压静态