一種AlGaN/GaN HEMT非線性器件模型參數提取的方法

常永明 毛 維 杜 林 郝 躍

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一種AlGaN/GaN HEMT非線性器件模型參數提取的方法

常永明*毛 維 杜 林 郝 躍

(西安電子科技大學寬禁帶半導體重點實驗室 西安 710071)

該文提出一種新的絕對誤差函數，應用該函數進行非線性模型參數提取可以避免計算誤差，顯著降低參數提取的不準確性。由于氮化物半導體器件，尤其是AlGaN/GaN HEMT器件已經開始得到廣泛應用，其模型和參數對射頻和電力電子器件和電路設計至關重要，分別使用3種誤差函數對 AlGaN/GaN HEMT器件模型進行了參數提取并對比，對比結果表明該文提出的誤差函數更加精確和有效。同時為今后的電子器件的模型參數提取提供了一種有效且精確的方法。

AlGaN/GaN HEMT；絕對誤差函數；參數提??；遺傳算法

1 引言

2 新絕對誤差函數構造

通常的器件模型參數提取的目標函數是最小二乘法構架，即用模型計算值和實驗數值直接進行相減后平方相加，由于AlGaN/GaN HEMT器件的電流的變化幅度較大，誤差數值變化也較大，從而造成誤差的失真。針對最小二乘法構架誤差函數的缺點，本文提出一種新的絕對誤差函數，首先每一個數值除以自己的數量級，使得其數值大于等于1且小于10，然后相減取絕對值，這樣既消除了大數和小數相加的問題，避免計算誤差，新的絕對誤差函數如式(1)：

3 器件模型與參數提取方法

AlGaN/GaN HEMTs直流特性可用Kelvin Yuk模型表示[18,19]，該模型能較準確地描述器件的輸出、轉移特性、高頻大功率的大型號射頻特性。但其包含有28個參數的高維非線性模型，具體為

圖1 AlGaN/GaN HEMT器件結構

為了測試本文提出的誤差函數的精確性和有效性，使用常見的其他兩種誤差函數作為對比函數進行對照：

采用遺傳算法：

(1)適應度函數構建： 本文使用3種誤差函數分別進行模型參數進行提取，適應度函數也從基于3種誤差函數進行誤差函數構建，3種適應度函數分別如式(5)-式(7)：

遺傳算法的具體步驟：

4 參數提取結果和討論

表2為3種誤差函數的相對平均誤差和相對誤差的標準方差。

圖2 使用最小二乘法誤差函數提取的模型參數計算值輸出特性曲線與實驗測試數據對比

圖4 使用相對比例誤差函數提取的模型參數計算值輸出特性曲線與實驗測試數據對比

圖5 使用相對比例誤差函數提取的模型參數計算值轉移特性曲線，與實驗測試數據對比

圖6 使用本文絕對誤差函數提取的模型參數計算值輸出特性曲線與實驗測試數據對比

圖7 使用本文絕對誤差函數提取的模型參數計算值轉移特性曲線實驗測試數據對比

圖8 使用3種誤差函數求解的模型計算值，在每個柵壓下的輸出曲線與實驗測試數據平均相對誤差對比

圖9 使用3種誤差函數求解的模型計算值轉移特性曲線與實驗測試數據整體絕對誤差比

5 結論

本文提出了一種新的絕對誤差函數，并應用于AlGaN/GaN HEMT器件非線性直流模型參數提取。分別使用本文提出的新絕對誤差函數，最小二乘法誤差函數和比例誤差函數3種誤差函數對Kelvin Yuk模型進行參數提取，通過和實驗數據進行對比，結果表明使用最小二乘法誤差函數提取的模型參數對于小電流不精確，應用比例相對誤差函數提取的模型參數，對于較大電流不精確，應用本文提出的絕對誤差函數提取的模型參數對于大電流和小電流都較為精確，每個柵壓下的整體誤差分布較為均勻，可以避免以上兩種誤差函數的缺點，使得模型計算值與實驗測量值擬合得很好，從而使得模型更加準確地描述器件特性。同時表明本文提出的新絕對誤差函數應用于AlGaN/GaN HEMTs器件直流模型參數提取的有效性和精確性。該誤差函數和提取方法具有很好的移植性，其可應用于其他器件的各種模型的參數提取，從而提供了一種精確而有效的器件模型參數提取方法同時為器件應用于電路設計和制造提供有效的方法。

表1使用3種尺度函數提取的模型參數值

參數本文最小二乘法比例誤差參數本文最小二乘法比例誤差 -0.3855 0.2929 0.1039 0.0465 0.2429-3.1484 0.0060-0.0024 0.0027-1.1124 0.5160-0.8101 -0.1488 0.0422 0.4103-1.0028-0.0052 0.0320 -0.1296-0.1022-0.1137 0.0499 0.0013-0.0040 1.7082 4.9992 4.9133-0.0000-0.0052-0.0000 -0.2031-0.9514 0.1819-0.4195-0.0013 0.0282 -0.0004 0.0002 0.0001-0.1810 0.0000 0.0825 -0.0514 0.0822 0.0431 0.9618 0.1700-0.3335 -0.1851 0.8642-0.2972-0.0197 0.0470 1.7354 0.0032-0.9701-1.5501 1.7424-0.0510 1.3896 0.2598-0.0767 0.1797 0.5086 1.3309 4.2685 0.0004 0.0001-2.7535-3.2817-3.0749 4.0092 0.0645 0.0994-0.0200-0.0472 0.0342 0.0241 -0.0134 0.2066 0.0728-0.3139 0.4315 0.3451

模型相對平均誤差 相對誤差的標準方差 最小二乘法誤差函數6.85 4.08 相對比例誤差函數本文絕對誤差函數6.26 4.135.25 3.77

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常永明： 男，1983年生，博士生，研究方向為GaN器件建模、仿真與遺傳算法.

毛 維： 男，1981年生，副教授，碩士生導師，主要研究方向為寬禁帶半導體微波功率器件與半導體器件的理論建模.

杜 林： 男，1979年生，博士生，研究方向為微波器件及電路設計.

郝 躍： 男，1958年生，教授，博士生導師，主要研究方向為寬禁帶半導體材料與器件、微納米半導體新器件及其可靠性.

A Method for AlGaN/GaN HEMT Nonlinear DeviceModel Parameter Extraction

CHANG Yongming MAO Wei DU Lin HAO Yue

(-,,,710071,)

A new absolute error function is presented in this paper. The function is applied to extract parameters of the nonlinear model, which can avoid the calculation error and reduce the inaccurate parameter extraction significantly. Nitride semiconductor devices are widely used, especially the AlGaN/GaN HEMT devices. The AlGaN/GaN HEMT model and parameters is very important to radio frequency, power electronic devices and circuit design. The new absolute error function is applied to extract the parameters of AlGaN/GaN HEMT nonlinear devices model. Through comparing three kinds of error function, the results show that the proposed error function is more accurate and effective. At the same time, a precise and effective method is provided to extract the parameters of electronic devices in the future.

AlGaN/GaN HEMT; Absolute error function; Parameter extraction; Genetic algorithm

O47

A

1009-5896(2017)12-3039-06

10.11999/JEIT170097

2017-01-24；

2017-09-18；

2017-10-27

通信作者：常永明 yongmingchang@163.com

國家自然科學基金(61574112 )，陜西省自然科學基礎研究計劃(605119425012)

: The National Natural Science Foundation of China (61574112), The Natural Science Foundation Research Project of Shaanxi Provience (605119425012)