GaN HEMTs小信號等效電路建模與參數直接提取

鄭良川,王 軍

(西南科技大學 信息工程學院,四川 綿陽 621010)

隨著應用市場對能效的重視,對高性能低成本電子產品的追求,基于GaN的電子器件種類越來越多,其中高電子遷移率晶體管器件(HEMT)是主要一類。GaN HEMT的主要優點有極低的門極電荷、極低的分布電容、超快的開關速度、超小的器件體積、優異的品質因數、超低的開關損耗和很低的器件發熱[1]。由于其優異的特性,使得GaN HEMT可以應用于很多領域,比如無線充電、電源系統、同步整流功率變換系統、控制系統中的驅動電路和功放控制電路,其在功放控制及保護電路技術領域起著決定性的作用,是控制電路中的必要組成部分[2]。

精確的小信號等效電路模型不僅可以幫助提高器件和電路的可靠性,減少功耗,更能指導電路設計。另外,要完成設備的大信號模型,則需要準確的各偏置點的小信號模型。在高頻時要考慮的主要問題是寄生效應[3]。這些高頻信號會產生額外的寄生效應,需要用具有更多參數的分布式小信號模型來模擬[4]。此外,還應該添加額外的本征參數,以提高在大范圍操作條件下的建模能力。

國外已有許多關于提取方法的報道并應用于砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)器件[5]。這些方法可分為直接提取法、算法優化和直接提取結合的混合提取方法、基于算法優化的提取方法。直接提取法被認為是一種簡單、可靠的方法,但它對測量的不確定性非常敏感。算法優化方法可用于一定程度的不確定測量,但提取結果可能不可靠[6],此外,該解決方案很可能陷入局部最小值,從而導致提取不準確,特別是在使用局部搜索優化技術時[7]。算法優化和直接提取結合的混合技術結合了兩者的優點,但成本(時間和精力)高于直接提取[8]。根據查閱文獻發現,直接提取法在速度和效率上都優于其他兩種方法。因此,本文建立了擁有20個參數的GaN HEMT小信號等效電路模型,并在此基礎上提出了一種用于提取這些參數的精確且簡便的算法。同時將所建模型的仿真結果與實驗結果進行了比較,驗證了模型的準確性和算法的可靠性與精確性。

1 小信號等效電路模型

如圖1所示是本文所提出的包含20個參數的GaN HEMT器件的小信號等效電路模型。圖中的虛線框將器件的物理模型分為兩個部分,虛線框內表示的是器件的10個本征參數,框外表示的是器件的10個寄生參數。其中,寄生參數包括襯底寄生電容Cpga和Cpda,極間電容Cpgi和Cpdi。Ld,Lg,Ls和Rd,Rg,Rs分別表示的是金屬鍍層電感和體電阻。本征參數包括柵極正向電導Ggsf和擊穿電導Ggdf,輸出電導Gds,源極和漏極間的極間電容Cds,以及Cgs,Cgd,Ri,Rgd表示充放電過程,Gm和τ分別表示通道跨導和電子傳輸時延。

圖1 硅襯底GaN HEMT小信號等效電路模型Fig.1 Silicon substrate GaN HEMT small signal equivalent circuit model

1.1 寄生參數提取

當所測器件處于冷場條件下,即VGS≤VP和VDS=0 V時,器件中存在的主要是電容效應,此時器件的物理性質可以用圖2的電路來表示。各外部寄生電容的值可以通過實測的Y參數矩陣表示,如式(1)-(3)[9]。對Y參數和頻率進行線性擬合可以獲得各外部寄生電容的具體值。

各電容值之間的關系可以通過式(4)-(5)表示:

圖2 低頻條件(V GS≤V P,V DS=0 V)下GaN HEMT等效電路Fig.2 GaN HEMT equivalent circuit under low frequency conditions(V GS≤V P,V DS=0 V)

當器件的偏置電壓為VGS=VDS=0 V時,器件的物理性質可由圖3的等效電路來表示。此時測量器件的S參數,通過一系列矩陣變換,便可獲得寄生電阻和寄生電感的值。在此等效電路圖中利用一個RC網絡來模擬肖特基勢壘[10]。值得注意的是,在柵極處于高偏壓的條件下進行S參數測量可能會損壞器件,所以利用無偏測量(VGS=VDS=0 V)獲取寄生參數[11]。

圖3中的柵極、源極和漏極的支路阻抗可以用式(6)-(8)表示。實測獲得Z參數的虛部后,首先對寄生電容(Cpg,Cpd)去嵌處理,再將去嵌后的數據與頻率進行曲線擬合,便可獲得寄生電感的值。

圖3 零偏置條件下GaN HEMT等效電路圖(V GS=V DS=0 V)Fig.3 Equivalent circuit diagram of GaN HEMT under zero bias condition(V GS=V DS=0 V)

用實測的Z參數的虛部(Im(Zs)、Im(Zd))與頻率進行曲線擬合,即可獲得寄生電感Ls和Ld的值。Lg的值由Im(Zg)與頻率的平方進行曲線擬合得到。最后由Z22的實部確定(Rs+Rd),由式(6)-(8)同時求解寄生電阻Rs,Rc,Rd的值。至此,已完成所有的外部寄生參數值的提取,表1是所有外部參數的提取值。

表1 GaN HEMT(2μm×100μm)外部參數提取值Tab.1 GaN HEMT(2μm×100μm)external parameters extraction

1.2 本征參數提取

提取偏置相關的內部參數需要對外部寄生參數先進行去嵌處理。然后將模型的本征部分根據導納Ygs、Ygd、Yds進一步細分為不同的導納部分,如圖4所示,用于簡化提取過程。

圖4 本征參數部分等效電路圖Fig.4 Partial equivalent circuit diagram of intrinsic parameters

導納Ygs可以用式(9)表示,由式(10)得到一個新的變量D。電容Cgs的值可以通過計算ω2與ωD的斜率而獲得。

然后再將上述式(10)轉化為式(11),由ω2與ωD的斜率可獲得電阻Ri的值。

同樣的,導納Ygd可以用式(12)表示,由式(13)表示新變量D,通過計算ω2與ωD的斜率可獲得電容Cgd的值。

隨后,在式(14)中重新定義變量D用于計算電阻Rgd的阻抗。通過線性擬合ω2與ωD的實部可以獲得其阻抗值。同時,利用Ygs和Ygd的實部可以計算出源極正向跨導Ggsf和柵極跨導Ggdf的值。

式(15)表示本征導納分支Ygm,根據式(16)計算ω2與D的斜率可以獲得跨導Gm的值。

器件的跨導由參數Gm模擬,它表示了漏極電流相對于柵極電壓的變化率。在式(17)中再次用變量D來模擬2DEG通道的傳輸時延,時間延遲參數τ的值可以由D與ω的線性擬合得到。最后,本征分支導納Yds由式(18)給出。

至此,本征部分的所有參數已提取完畢。以上參數提取過程所用到的算法均是在MATLAB軟件中編程實現的,表2是GaN HEMT(2μm×100μm尺寸)的所有本征參數提取值。

表2 GaN HEMT(2μm×100μm)本征參數提取值Tab.2 GaN HEMT(2μm×100μm)eigen value parameter extraction

2 模型驗證及結果分析

為了驗證此模型的有效性與可靠性,將所建立的小信號等效模型嵌入到安捷倫公司的ADS中進行S參數仿真,并將仿真結果與實測數據進行對比。仿真與實測的結果均建立在多個不同尺寸的GaN HEMT器件上,這些器件是在相同的襯底上制作的。圖5是在ADS中搭建的包含20個模擬參數的GaN HEMT小信號等效電路模型。

圖5 ADS中仿真電路圖Fig.5 Simulation circuit diagram in ADS

如圖6所示,對該模型的仿真S參數與實測S參數進行了對比。實測器件尺寸為2μm×100μm,仿真與實測頻段為0.25～50 GHz,分別在兩種偏置條件下測量。圖6(a)表示的是偏置條件為VGS=-2 V,VDS=20 V;圖6(b)表示的是偏置條件為VGS=-1 V,VDS=10 V。結果顯示,在較寬的頻率范圍內,模擬模型S參數與實測數據之間有非常好的一致性。總體而言,本文所提出的方法在時間和精度上都提高了GaN HEMT器件小信號建模方法的水平。

圖6 仿真與實測S參數對比Fig.6 Comparison of simulated and measured S parameters

3 結論

本文提出了一種精確、可靠、直接的小信號模型參數提取技術。該技術為外部寄生參數的提取提供了一種簡單易行的方法,并為確定GaN HEMT器件的小信號模型的內部參數提供了一種方法。結果表明,測量和仿真模型之間有很好的一致性,從而驗證了該方法的準確性。此外,所提取的內在參數的偏差和頻率依賴性證明了所提模型及其提取過程的有效性。此工作有助于指導GaN HEMT器件的電路設計,以提高電路的可靠性。