一種微波功率LDMOS器件非線性模型

馮 彬，李靜強，胡志富，李 亮

（河北半導體研究所，河北 石家莊 050051）

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一種微波功率LDMOS器件非線性模型

馮 彬，李靜強，胡志富，李 亮

（河北半導體研究所，河北 石家莊 050051）

摘要:對微波功率LDMOS器件進行測試，提出一種新的非線性模型，通過小信號參數提取，建立LDMOS的小信號模型，對多偏置下本征電容的提取，建立LDMOS本征電容的非線性模型，加入LDMOS的直流IV模型并以此為基礎確立了微波功率LDMOS的大信號模型，經過此模型的LoadPull仿真及芯片測試對比，表明了該模型可以較準確地模擬LDMOS的微波特性。采用該模型設計了一種功率管放大器，通過最終測試與仿真結果對比，證明了該模型的實用性。

關鍵詞:LDMOS；小信號模型；微波；參數提取；大信號模型；LoadPull測試

網絡出版時間：2016-05-31 11:09:37 網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.014.html

微波功率LDMOS（橫向雙擴散金屬氧化物場效應晶體管）器件輸出功率大、技術成熟、性價比高，除了集中在移動電話、無線通信、個人通信網、GPS全球定位系統、直播衛星接收、小孔徑終端衛星系統和自動防撞系統等民用領域以外，軍用方面同樣具有廣闊前景。伴隨著微波功率LDMOS的放大模塊在通信、雷達上面大量應用，傳統的調試裝配方式已經遠遠不能滿足生產需要，此時采用微波功率LDMOS模型進行放大模塊的設計，效率及成功率高，成本低，成為滿足生產要求的必然選擇。本文針對國內某型號微波功率LDMOS器件開展了建模，確立了一個實用有效的微波功率LDMOS器件的非線性模型。

1　 建模策略

微波功率LDMOS器件建模之初，采用合適的模型策略很重要。目前針對LDMOS的模型主要有幾種：（1）物理模型，基于器件物理結構及原理進行建模，如bsim4[1]、HiSim_HV模型[2]；（2）半經驗模型，結合經驗公式及等效電路進行建模，如Motorola公司的MET模型[3]；（3）數據模型，直接基于實際測試數據進行建模[4]。其中物理模型準確度較高，但建模過程繁瑣，測試結構復雜，不適用于微波功率領域；數據模型針對特定器件準確度高，但無法真實反映器件的物理意義，不能對微波器件的性能進行預判；半經驗模型以器件物理結構形成的等效電路為基礎，加入半經驗公式，既能有效反映器件的物理意義，又兼顧測試、建模的簡便準確性。根據現有基礎及實際建模要求，筆者主要采取半經驗模型的方式，以等效電路為基礎，輔以經驗公式，通過測試數據提取模型參數，最終形成完整的模型。

2　 微波小信號模型

按照微波功率LDMOS的物理結構，形成小信號等效電路如圖1所示，其中包括本征部分（虛線框內）及外圍寄生部分。

圖1 LDMOS小信號模型等效電路Fig.1 LDMOS small signal model equivalent circuit

按照常規流程對LDMOS器件小信號參數進行提取[5]，其提取的具體流程如圖2所示。首先設計測試結構利用COLDFET方法提取外圍與偏置及頻率無關的寄生參數，然后經過剝離，得到LDMOS的本征部分的S參數，經過等效電路分析，采用有效的提取方法提取器件的本征參數，最后進行仿真并同測試結果對比，根據對比結果進行參數優化，最終得到器件的小信號模型。

圖2 小信號模型建模流程Fig.2 Small signal model building flow

3　 電容模型

采用多偏置條件測量LDMOS芯片，提取了器件的本征電容。采用適當的公式表示電容與偏壓的關系，從而得到電容的非線性模型。為了簡捷有效，電容模型采用簡化形式，即假定電容只與加在其上的偏壓有關，與其他偏壓無關。根據LDMOS器件的結構特點，針對Cds采用了類似于PN結電容的公式[6]，稍加改進。其公式如下：

式中：Cds0代表零偏壓下電容值；V0為電壓設定的一個初值；N為2～4之間的一個常數。

Cgs采用雙曲線函數公式：

式中：a0、a1、a2為擬合參數。

對于電容Cgd，采用二維形式，即表示為與Vds及Vgs均有關的函數。其公式如下：

式中：b0、b1、b2、b3、b4、b5、b6為擬合參數。

最終仿真結果與測試結果對比如下：

圖3 LDMOS本征電容的模型仿真與測試對比Fig.3 Comparison of simulation and measurement results for LDMOS intrinsic capacitor

4　 電流模型

電流模型是LDMOS大信號建模的關鍵，一個好的電流模型可以提供功率器件準確的功率、效率等信息，從而對器件進行準確的預判。以Motorola 的MET[7]電流模型為基礎，結合實際測試結果，將模型公式加以簡化及改進，形成新的電流公式，其形式如下：

式中：VGEFF表示有效柵壓；VGSAT為柵極飽和電壓；β為與LDMOS溝道遷移率、柵寬、柵長及柵氧電容相關的系數；σ1、σ2、σ3為擬合不同區域跨導的參數；λ為溝道調制系數；α用于擬合Ids與漏壓Vds的關系；VT為閾值電壓；γ為有效柵壓對Vds的影響因子。

經過參數提取擬合，提取LDMOS的直流IV模型參數并建立模型，該模型的仿真結果與測試結果對比如圖4所示。

圖4 LDMOS直流模型仿真結果與測試對比Fig.4 Comparison of simulation and test results for the LDMOS DC model

通過仿真與測試結果對比，可以看到該直流模型能夠精確描述LDMOS的直流特性。

5　 模型仿真及LoadPull驗證

根據前面提出的微波功率LDMOS器件的直流及電容模型，形成LDMOS的大信號非線性模型，其最終封裝及仿真形式如圖5所示。

圖5 LDMOS模型封裝及仿真Fig.5 LDMOS package model and simulate

應用此模型進行了多偏置點小信號仿真及1 GHz頻率下的LoadPull仿真，其仿真結果同測試結果（多偏置點下小信號S參數、附加效率PAE、輸出功率Pout）對比如圖6、圖7所示。

圖6 LDMOS模型多偏置點小信號仿真與測試結果對比Fig.6 Comparison of small signal simulation and measurement results for LDMOS model under multi-bias points

圖7 LDMOS 模型LoadPull仿真與測試結果對比Fig.7 Comparison of LoadPull simulation and measurement results for LDMOS model

由圖6圖7所示，可得出LDMOS模型小信號仿真及LoadPull仿真與測試結果基本吻合。

6　 實際測試電路驗證

針對該模型進行了驗證工作，方法是利用此模型進行功率管設計。該功率管設計指標要求：中心頻率1 GHz，帶寬200 MHz，該頻段內輸出功率大于35 W，帶內增益17 dB，附加效率45%。應用此模型并進行管殼預匹配及外電路匹配，仿真后設計測試電路。其實際測試電路如圖8所示。

最終測試與仿真結果對比如表1所示。

表1 測試與仿真結果對比Fig.1 Comparison of measurement and simulation

從測試結果來看，采用本模型設計結果與最終測試結果基本吻合，模型精度較高，從而證明了本模型的實用性。

7　 結論

通過對微波功率LDMOS芯片進行脈沖直流、小信號測試，根據測試曲線，建立一種新的非線性模型。通過芯片LoadPull仿真與測試結果對比，證明了該模型的可行性，并根據此模型設計了一種功率管放大器來進行模型驗證，最終結果表明此模型有較高的準確性及實用性，從而為下一步的微波功率LDMOS產品設計生產奠定了良好的基礎。

參考文獻：

[1] HU C M. BSIM4.6.1 MOSFET Model User’s Manual [OL]. [2007-04-15]. http://www-bevice.eecs.edu.

[2] MATTAUSCH H J. The second-generation of HiSim_HV compact models for high-voltage MOSFETs [J]. IEEE Trans Electron Dev, 2013, 60(2):653-661.

[3] CURTICE W R. A new dynamic electro-thermal nonlinear model for silicon RF LDMOSFETS [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1999, 2:419-422.

[4] COLLANTES J M. New measument-based technique for RF LDMOS nonlinear modeling [J]. IEEE Microwave Guided Wave Lett, 1998, 8(10):345-347.

[5] DAMBRINE G, CAPPY A. A new method for determining the FET small-signal equivalent circuit [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1988, 36(7):1151-1159.

[6] MCANDREW C. A C∞-continuous depletion capacitance model [J]. IEEE Trans Comput Aided Design Integr Circuits Syst, 1993, 12(6):825-828.

[7] FAGER C, PEDRO J C, CARVALHO N B, et al. Prediction of IMD in LDMOS transistor amplifiers using a new large-signal model [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2002, 50(12):2834-2842.

（編輯：曾革）

An new nonlinear model for the microwave power LDMOS

FENG Bin, LI Jingqiang, HU Zhifu, LI Liang
(The Hebei Semiconductors Research Institute, Shijiazhuang 050051, China)

Abstract:A nonlinearity model was deduced for LDMOS through the measurement of microwave power LDMOS. By the parameters extraction of LDMOS, a small signal model of LDMOS was built. By analyzing the intrinsic capacitor extracted under the multi-bias conditions, the capacitor nonlinearity model was got. A LDMOS DC-IV model was also built through DC-IV measurement. Base on these models, a large signal nonlinear model was got for microwave power LDMOS. Compared to the LoadPull simulation and measurement results, the LDMOS model is proved that it could be used to describe the microwave performance of LDMOS precisely. By using this model, a power amplifier was designed. The measurement and simulation result contrast indicates the practicality of this model.

Key words:LDMOS; small signal model; microwave; parameter extract; large signal model; LoadPull measurement

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.015

中圖分類號:TN61

文獻標識碼:A

文章編號:1001-2028（2016）06-0074-04

收稿日期：2016-02-26 通訊作者：馮彬

作者簡介：馮彬（1982－），男，河北衡水人，工程師，碩士，主要從事微波器件LDMOS的建模工作，E-mail:fbzlx@163.com 。