RF-LDMOS器件宏模型研究*

顧新艷，孫陳超，劉斯揚（1.南京工程學院汽車與軌道交通學院，南京 11167；.東南大學國家專用集成電路系統工程技術研究中心，南京 10096）

近年來，射頻橫向雙擴散金屬氧化物半導體晶體管（RF-LDMOS）以其高增益、高線性度等優勢，被廣泛地應用于GSM/CDMA移動通訊基站、數字廣播電視發射和射頻通訊等領域［1］。RF-LDMOS作為射頻電路仿真的基本要素之一也顯得越來越重要。

射頻器件的特性曲線一般都是通過在片器件的測試得到的，但是在實際應用中分立的射頻器件越來越多地被使用。在頻率高于30 MHz甚至達到100 GHz的時候，任何細小的變化都會引入意想不到的寄生參數，因而分立器件的封裝相較于在片器件而言就會引入其他參數，這就迫切的需要一種針對封裝射頻器件的建模及提模方法。但是，目前為止鮮有論文涉及到封裝RF-LDMOS器件的模型研究。

本文以分立的RF-LDMOS器件為研究對象，提出了精確的直流特性和射頻特性宏模型建模方法［2-3］，通過提模軟件MBP對測試數據進行擬合驗證發現，該宏模型建模及提模方法對高壓射頻分立器件模型參數的獲取具有一定的參考價值。

1 RF-LDMOS器件建模

1.1 直流特性建模

RF-LDMOS器件與普通MOS器件的區別在于RF-LDMOS器件存在一個低摻雜的漂移區結構［4］。由于漂移區的存在使RF-LDMOS器件相較于普通MOS器件多出了準飽和效應［5］、負阻效應［6］等一些特殊特性。這造成僅僅使用標準的BSIM3V3模型進行RF-LDMOS器件的直流特性提模驗證變得不再準確。

根據RF-LDMOS器件的以上特點，本文提出了一種基于BSIM3V3的宏模型建模方法。該方法主要利用結型場效應管（JFET）模擬準飽和特性［7］，利用壓控電阻Rdr來模擬負阻特性從而達到建模目的［8-9］。圖1為基于BSIM3V3的宏模型結構。

圖1 基于BSIM3V3的宏模型結構

由于漂移區電阻受柵壓與漏壓的影響，圖1中漂移區壓控電阻Rdr的建模公式如下。

直流特性的宏模型SPICE網表如下，其中MOS管模型與JFET模型分別以BSIM3V3模型和JFET模型為基礎。

上述SPICE網表中d、d1、d2、g、s為電路節點，“.para”主要是用于參數定義，“.subket”主要是用于描述宏模型結構，“.model”主要是成熟的MOS與JFET器件模型。

1.2 射頻特性建模

目前對于器件的射頻特性建模多以宏模型建模為主，但大多是關于在片器件的宏模型建模［10］，而這些方法大致雷同。本文在此基礎上提出一種考慮了封裝特性的射頻器件宏模型建模方法。圖2所示是考慮了封裝特性的射頻LDMOS建模結構。圖2中虛線框中的是在片器件的宏模型建模結構，虛線框外圍部分是封裝結構相對于在片器件所引入的寄生參數。

圖2中射頻特性的宏模型建模網表如下：

上述 SPICE網表中 g、g_i2、g_i1、gx、g_i、d_i、s_i等都是電路節點，中心LDMOS模型用上節中描述的直流特性宏模型。

圖2 RF-LDMOS的宏模型結構

2 RF-LDMOS模型參數提取

本文選取的建模目標RF-LDMOS器件結構如圖3所示。器件的主要參數如表1所示，通過測試器件的Ids_Vds，Ids_Vgs和器件的射頻S參數，利用MBP軟件對該器件進行模型參數的提取。

圖3 射頻LDMOS的器件結構

表1 器件的主要結構及參數

2.1 直流參數提取

直流參數主要是基于MBP軟件，通過擬合Ids_Vds，Ids_Vgs的仿真與測試數據得到。表2所示為上述器件直流特性的主要模型參數。

表2 直流模型參數

2.2 射頻參數提取

圖4所示的是圖2中封裝RF-LDMOS器件整體的小信號等效電路［11］。

圖4 封裝器件的小信號等效電路

射頻器件模型參數的提取可以分為外圍寄生電阻、電感、電容的提取，本征部分模型參數以及襯底阻抗網絡部分模型參數的提取。

如圖4所示，虛線框中為封裝RF-LDMOS器件的本征參數部分，其余皆是封裝器件的寄生參數部分。其中 Rpg、Lpg、Cpgs、Rpd、Lpd、Cpds、Rps、Lps為封裝結構引入的寄生參數，Prg、Plg、Prgd、Pld、Prs、Pls為封裝內部PAD與金屬線引入的寄生參數。

2.2.1 寄生參數提取

首先，采用Cold FET法提取外圍寄生參數［12-13］，Cold FET法即零偏條件下（Vgs=0，Vds=0），測出兩端口的Z參數。利用Z參數與本征外圍部分的關系，得到外圍寄生部分的參數值。圖5所示為封裝RF-LDMOS器件零偏時的小信號等效電路圖。

根據上圖，我們可以推出：

圖5 零偏時的小信號等效電路圖

基于在零偏條件下測試得到的S參數，利用MBP處理數據可以得到射頻寄生參數。

2.2.2 本征部分參數提取

去除外圍的寄生參數，可以得到本征部分的S參數，根據以下公式可以得到本征部分模型參數。

射頻模型參數的提取可以通過參數擬合得到，利用MBP軟件可以將測得的S參數轉化為Y參數。圖6所示，通過擬合Y參數的仿真與測試數據［14-15］可以得到射頻特性模型參數。表3所示為器件射頻特性的模型參數。

圖6 仿真曲線與實測曲線的擬合對比

表3 射頻模型參數

3 模型驗證

直流特性模型驗證與射頻特性模型驗證

圖7所示是選取器件的直流測試曲線與仿真曲線對比結果。

利用得到的參數進行模型仿真，小信號模型仿真結果與實際測試結果對比如圖8所示。

從擬合程度來看，無論是直流特性還是射頻特性，所建立的RF-LDMOS器件模型的平均誤差在5%范圍內，能夠準確的反映器件的電學特性。

圖7 RF-LDMOS直流參數曲線對比

圖8 S參數仿真與測試曲線對比

4 總結

本文從分立射頻器件的建模角度出發，分別對封裝RF-LDMOS器件的直流特性與射頻特性進行了宏模型研究，提出了一套針對射頻分立器件的宏模型建模與提模方法。基于選定的一款RF-LDMOS器件，運用提模軟件MBP對其進行了直流與射頻參數的提取，并對模型進行了驗證。驗證結果顯示模型的平均誤差在5%范圍內，因此，本文提出的宏模型能夠準確的描述射頻RF-LDMOS器件的電學特性。

［1］王帥，李科，陳蕾，等.改進的RF-LDMOS小信號模型參數提取方法［J］.半導體檢測與測試技術，2012，37（2）：159-163.

［2］Shi Jinglin，Yong Zhong Xiong，Ammar Issaoun，et al.RF Noise Modeling of CMOS 90nm Device Using Enhanced BSIM4 with Additional Noise Source［C］//IEEE International Workshop on Radio-Frequency Integration Technology，2007：206-209.

［3］Wood John，Peter H，Daren Bridges，et al.A Nonlinear Electro-Thermal Scalable Model for High-Power RF LDMOS Transistors［J］.IEEE Transistors on Micro Theory and Techniques，2009，57（2）：282-292.

［4］苗田樂，李文鈞，王皇，等.基于RESURF理論的SOI LDMOS耐壓模型研究［J］.電子器件.2011，34（1）：17-20.

［5］王磊，楊華岳.高壓LDMOS晶體管準飽和效應分析與建模［J］.物理學報，2010，59（1）：571-578.

［6］謝姝，曹娜，鄭國祥.包含負阻效應的高壓LDMOS子電路模型［J］.復旦學報.2008，47（1）：21-25.

［7］Griffith E C，Power J A，Kelly S C，et al.Characterization and Modeling of LDMOS Transistors on a 0.6 μm CMOS Technology［C］//Microelectronic Test Structures，2000.ICMTS 2000.Pro?ceedings of the 2000 International Conference.2000：175-180.

［8］文燕.LDMOS模型設計與參數提取［J］.電子與封裝.2012，12（7）：23-26.

［9］龔鴻雁，卜建輝，姜一波，等.一個基于BSIM3的LDMOS大信號模型［J］.微電子學，2013，43（1）：130-133.

［10］Lee S，Yu H K.A New Extraction Method for BSIM3v3 Model Parameters of RF Silicon MOSFETs［J］.Microelectronic Test Structures Icmts Proceedings of the International Conference，1999：95-98.

［11］Lee S，Kim C S，Yu H K.A RF MOSFET SPICE Model with a New Substrate Network［C］//Radio and Wireless Conference，2000.RAWCON.2000：203-206.

［12］Lovelace D，Costa J，Camilleri N.Extracting Small-Signal Model Parameters of Silicon MOSFET Transistor［C］//Proceeding of IEEE MIT-S International Microwave Symposium Digest，1994：865-868.

［13］楊光林，叢密芳，杜寰.RF-LDMOS射頻功率器件內匹配電路設計［J］.微電子學，2013，43（5）：716-718，736.

［14］Kwon I，Je M，Lee K，et al.A Simple and Analytical Parameter-Extraction Method of a Microwave MOSFET［J］.IEEE Transac?tions on Microwave Theory&Techniques，2002，50（6）：1503-1509.

［15］Wood J，Lamey D，Guyonnet M，et al.An Extrinsic Component Parameter Extraction Method for High Power RF LDMOS Tran?sistors［C］//IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.IEEE MTT-S International Microwave Symposium.2008：607-610.

顧新艷（1977-）女，漢族，江蘇常州，南京工程學院，講師，碩士，主要從事電子電氣自動化方面的教學與研究，zdhxgx?iny@njit.edu.cn。