一种GaN-HEMT器件大信号模型的建模方法

技术领域

本发明涉及功率器件技术领域，更具体地说，涉及一种GaN-HEMT器件大信号模型的建模方法。

背景技术

高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，简称HEMT)由于具有高频性能好、导通电阻低等优势，因此，在微波功率领域有着广阔的应用前景。为了建立工艺参数与器件微波特性的联系，从而进行工艺稳定性和电路成品率分析，建立HEMT器件的仿真模型是非常有必要的。

但是，传统的热电模型只考虑自热模型，并不考虑高低温模型，导致HEMT器件仿真模型的准确性较差。尤其是对于GaN-HEMT器件而言，其电子迁移率和饱和速度受沟道温度的影响较大，而沟道温度的大小不仅依赖器件功耗的大小，也依赖环境温度的变化，因此，建立一个在高低温环境下能够准确预测GaN-HEMT器件性能的大信号模型，对功率电路分析和高优设计是至关重要的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种GaN-HEMT器件大信号模型的建模方法，以提高在高低温环境下GaN-HEMT器件仿真模型的准确性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种GaN-HEMT器件大信号模型的建模方法，包括：

对GaN-HEMT器件进行高低温环境下的脉冲电流-电压测试，获得不同温度下的电流-电压数据；

采用改进后的漏极电流公式搭建GaN-HEMT器件的漏电模型，所述大信号模型包括所述漏电模型，所述改进后的漏极电流公式包含与环境温度相关的参数；

将所述不同温度下的电流-电压数据与所述漏电模型进行拟合，确定所述漏电模型的参数。

可选地，对GaN-HEMT器件进行高低温环境下的脉冲电流-电压测试包括：

令所述GaN-HEMT器件的环境温度为预设温度范围内的不同温度；

在任一温度下，对所述GaN-HEMT器件进行脉冲电流-电压测试，获得电流-电压数据。

可选地，所述预设温度范围包括25℃-175℃，所述预设温度范围内的不同温度包括25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃和175℃。

可选地，进行脉冲电流-电压测试时，脉冲的宽度范围为200ns～300ns，周期范围为200μm～300μm，占空比范围为0.1％～0.2％。

可选地，所述改进后的漏极电流公式为：I

其中，

T

可选地，所述改进后的漏极电流公式为：I

其中，

G

T

可选地，所述改进后的漏极电流公式为：I

其中，

G

T

可选地，所述改进后的漏极电流公式为：I

其中，

V

G

T

可选地，采用改进后的漏极电流公式搭建GaN-HEMT器件的漏电模型包括：

将改进后的漏极电流公式写入到安捷伦射频集成电路设计软件中的符号定义器件的第二个端口公式中，以应用安捷伦射频集成电路设计软件中的符号定义器件搭建GaN-HEMT器件的漏电模型；

所述符号定义器件包括三个端口，第一个端口为栅压的输入端口，第二个端口为源漏沟道端口，第三个端口为环境温度的输入端口。

可选地，将所述不同温度下的电流-电压数据与所述漏电模型进行拟合，确定所述漏电模型的参数包括：

将常温下的电流-电压数据与所述漏电模型进行拟合，确定所述漏电模型中与温度无关的参数；

将其他温度下的电流-电压数据与所述漏电模型进行拟合，确定所述漏电模型中与温度相关的参数。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的GaN-HEMT器件大信号模型的建模方法，由于改进后的漏极电流公式包含与环境温度相关的参数，因此，采用改进后的漏极电流公式搭建GaN-HEMT器件的漏电模型，并将所述不同温度下的电流-电压数据与所述漏电模型进行拟合，确定所述漏电模型的参数之后，即可建立与包含环境温度相关的参数的大信号模型，从而可以获得在高低温环境下准确预测GaN-HEMT器件性能的大信号模型，进而提高了GaN-HEMT器件仿真模型的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的GaN-HEMT器件大信号模型的建模方法的流程图；

图2为本发明一个实施例提供的GaN-HEMT器件大信号模型的拓扑结构图；

图3为本发明一个实施例提供的SDD器件的示意图；

图4至图10分别为25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃下模型仿真数据与实测数据的对比图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种GaN-HEMT器件大信号模型的建模方法，如图1所示，包括：

S101：对GaN-HEMT器件进行高低温环境下的脉冲电流-电压测试即脉冲I-V测试，获得不同温度下的电流-电压数据；

本发明一些实施例中，GaN-HEMT器件大信号模型的拓扑结构如图2所示，包含热电模型，即包括图2中的热电子网络。通常用热电子网络或者说热子电路的形式来描述器件自热效应引起的温度变化，并反馈到非线性漏源电流中，形成一个非线性的反馈回路，数值迭代求解最终达到稳定。

需要说明的是，大信号模型是在小信号模型的基础上建立起来的，也就是说，若要建立大信号模型，首先要建立小信号模型。小信号模型的建立主要包括寄生参数与本征参数的提取，如图2所示，寄生参数为：寄生电容(Cpg、Cpd)，寄生电阻和电感(Rg、Rd、Rs、Lg、Ld、Ls)，本征参数：Ri、Cds、τ、Gm、Gd、Cgs、Cgd、Rgd。

寄生参数与本征参数的提取过程包括：先进行S参数的测试，测试条件为频率0-20GHz，偏置条件为(-1.6V，28V)，扫描范围为Vg(-4，2)，step为0.5，Vd(0，48)，step为1。然后使用IVCAD软件提取小信号模型中的本征参数和寄生参数。

大信号模型的建立主要考虑非线性Ids模型和Cgs模型、Cgd模型、栅漏电模型的建立，最后通过实测数据和仿真拟合，确定相关参数，最后进行模型验证。具体地，可以采用IVCAD软件自带的电荷模型，提取Cgs和Cgd中的电容参数。采用IVCAD软件自带的栅漏电模型，拟合栅极漏电流，提取漏电模型相关参数。

本发明实施例中的大信号模型主要包括漏电模型即非线性Ids模型，建立考虑到环境温度的影响的漏电模型Ids的方法如图1所示。可选地，本发明一些实施例中的GaN-HEMT器件为4×100μm的GaN-HEMT器件。

其中，对GaN-HEMT器件进行高低温环境下的脉冲电流-电压测试包括：

令GaN-HEMT器件的环境温度为预设温度范围内的不同温度；

在任一温度下，对GaN-HEMT器件进行脉冲电流-电压测试，获得电流-电压数据。

可选地，预设温度范围包括25℃-175℃，预设温度范围内的不同温度包括25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃和175℃，即分别在25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃和175℃环境温度下对GaN-HEMT器件进行脉冲电流-电压测试，获得电流-电压数据。当然，本发明并不仅限于此，在另一些实施例中，可以根据实际情况对预设温度范围以及不同温度的值进行调整。

可选地，进行脉冲电流-电压测试时，脉冲的宽度范围为200ns～300ns，周期范围为200μm～300μm，占空比范围为0.1％～0.2％。进一步地，脉冲的宽度可以为200ns，周期可以为200μm，占空比可以为0.1％。

需要说明的是，短脉冲和低的占空比可以保证GaN-HEMT器件只是受到环境温度的影响，基本不受自热效应的影响。此外，还需要设置静态偏置点为(0，0)，以保证GaN-HEMT器件栅极与漏极的馈电方式为脉冲方式。

S102：采用改进后的漏极电流公式搭建GaN-HEMT器件的漏电模型，改进后的漏极电流公式包含与环境温度相关的参数；

本发明实施例中，对传统的漏极电流公式即Tajima电流公式进行了改进，传统的漏极电流公式为：I

其中，

G

考虑到环境温度T

即，本发明的一些实施例中，改进后的漏极电流公式为：

I

其中，

G

T

考虑到环境温度Tj对器件的影响，本发明另一些实施例中，采用V

即，本发明的一些实施例中，改进后的漏极电流公式为：

I

其中，

G

T

考虑到环境温度T

W

即，本发明的另一些实施例中，改进后的漏极电流公式为：

I

其中，

T

本发明另一些实施例中，也可以将考虑到环境温度T

I

其中，

G

T

此外，采用改进后的漏极电流公式搭建GaN-HEMT器件的漏电模型包括：

将改进后的漏极电流公式写入到安捷伦射频集成电路设计软件ADS中的符号定义器件(SDD)的第二个端口公式中，以应用安捷伦射频集成电路设计软件中的符号定义器件搭建GaN-HEMT器件的漏电模型；

其中，SDD器件包括三个端口，第一个端口为栅压的输入端口，第二个端口为源漏沟道端口，第三个端口为环境温度的输入端口。

一些具体实施例中，可以先在ADS中搭建如图3所示的拓扑结构，利用ADS中符号定义器件(SDD)构建GaN-HEMT器件的漏电模型。如采用一个三端口的SDD器件，其中，第一个端口1为栅压(Vgs)的输入端口，第二个端口2为源漏沟道端口，第三个端口3为环境温度T

S103：将不同温度下的电流-电压数据与漏电模型进行拟合，确定漏电模型的参数。

一些具体实施例中，可以在安捷伦射频集成电路设计软件ADS中，将不同温度下的电流-电压数据与漏电模型进行拟合，确定漏电模型的参数。当然，本发明并不仅限于此，在另一些实施例中，也可以采用其他软件进行建模和拟合等。

其中，将不同温度下的电流-电压数据与漏电模型进行拟合，确定漏电模型的参数包括：

将常温下的电流-电压数据与漏电模型进行拟合，确定漏电模型中与温度无关的参数；

将其他温度下的电流-电压数据与漏电模型进行拟合，确定漏电模型中与温度相关的参数。

如，将25℃环境温度下的电流-电压数据与漏电模型进行拟合，确定漏电模型中与温度无关的参数，将50℃、75℃、100℃、125℃、150℃和175℃环境温度下的电流-电压数据与漏电模型进行拟合，确定漏电模型中与温度相关的参数。一些实施例中，与温度无关的参数包括M、Vp0、Vphi、a、b、m、p、βgmd、αgmd、Vdm和Vgm等，如温度相关的参数包括idss0、idss1、idss2、idss3、vdspth0、vdspth1、vdspth2、vdspth3、wth0和wth1等。

需要说明的是，确定漏电模型的参数之后，即可确定漏电模型，即可确定GaN-HEMT器件的大信号模型。采用本发明实施例中考虑环境温度下的大信号模型与实测数据进行联合仿真之后，如图4至图10所示，分别为25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃下模型仿真数据与实测数据的对比图，可以看出考虑到环境温度下的大信号模型在不同温度下能较好的预测器件的输出特性曲线。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。