、Cpga、Cpda、Cgda，寄生電感Lg、Ld、Ls，寄生電阻Rg、Rd、Rs，所述 本征電路包括本征電容Cgd、Cgs、Cds，本征電阻R^Rgd，本征電導(dǎo)Gds，本征電流源Ids=V1GnieiuT 由參量GnpST確定； 步驟1-1 :用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針臺(tái)對(duì)處于夾斷狀態(tài)的GaN HEMT器件在其工作頻段 內(nèi)進(jìn)行離散頻率的二端口S參數(shù)測(cè)試采樣：GaN HEMT器件的源極接地，柵極為端口 1，漏極 為端口 2,柵極-源極的偏置電壓Vgs=-4V，漏極-源極的偏置電壓Vds=OV; 步驟1-2 :用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針臺(tái)對(duì)處于柵極前向偏置狀態(tài)的GaN HEMT器件進(jìn)行 離散頻率的二端口S參數(shù)測(cè)試采樣：GaN HEMT器件的源極接地，柵極為端口1，漏極為端口 2,柵極-源極的偏置電壓Vgs=IV,漏極-源極的偏置電壓Vds=OV ; 步驟1-3 :在步驟1-1的測(cè)試條件，所述GaN HEMT 20元件等效電路模型可簡(jiǎn)化為只包 含寄生電容及本征電容的簡(jiǎn)化電路模型，簡(jiǎn)化電路模型的柵-漏、柵-源和漏-源分支總電 容可表示為： Cgdo = C gda+Cgdi+Cgd ( 1 ) Cgso= C pga+Cpgi+Cgs (2) Cdso= C Pda+Cpdi+Cds (3) 所述簡(jiǎn)化電路模型的Y參數(shù)為： Y11= j?(Cgso+Cgdo) (4) Y22= j?(Cdso+Cgdo) (5) Yi2=Y21= -j wCgdo (6) 其中，柵極為端口 1，漏極為端口 2,《=2jtf?為采樣頻率f?對(duì)應(yīng)的角頻率；將步驟1-1 所得的夾斷狀態(tài)下多個(gè)離散頻率采樣點(diǎn)的S參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)Y參數(shù)并構(gòu)建Y參數(shù)關(guān)于角頻 率《的擬合直線，提取每條擬合直線的斜率值，根據(jù)式（4)、（5)、（6)可知Y11、Y22、Y12對(duì)應(yīng) 的三條擬合直線的斜率分別為（CgsJCgdci)、（Cdsc]+Cgd。)、Cgd。，結(jié)合所提取的擬合直線的斜率值 即可求得分支總電容Cgsc]、Cgdc]、Cdsci;得到各分支總電容后，為提取每個(gè)電容值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié) 果做出如下設(shè)定：cpga=cpda，Cgdi2Cg(ja'Cgs=Cgd,Cpdl=3Cpda;將Cpda和Cgda作為掃描變量進(jìn)行離 散采樣掃描，根據(jù)式（1)、（2)、（3)，在掃描過(guò)程中即可得到每一組電容Cpda和Cgda對(duì)應(yīng)的各 直Cpgi、CpJi、CgJi、Cpga、Cpja、Cgja、CgJ、Cgs、Cjs， 步驟1-4:采用去嵌技術(shù)剝離所述GaN HEMT 20元件等效電路中的電容Cpga、CpdJPCgda，得到去嵌后等效電路，其中柵極為端口 1，漏極為端口 2 ; 根據(jù)本步驟所述去嵌后等效電路的Z參數(shù)可得寄生電感和寄生電阻的關(guān)系式如下：O2Re(Z11) = co2(Rg+Rs) (10) O2Re(Z22) = ?2(Rd+Rs) (11) O2Re(Z12) = O2Rs (12) 采用去嵌技術(shù)，將步驟1-1所得的夾斷狀態(tài)下多個(gè)離散頻率采樣點(diǎn)的S參數(shù)中電容 CpgaXpda和C gda的效應(yīng)剔除，得到本步驟所述去嵌后等效電路的離散頻率采樣下的等效測(cè)試 S參數(shù)；將所述等效測(cè)試S參數(shù)轉(zhuǎn)換為Z參數(shù)，分別構(gòu)建《Z n、《Z22、OZ12關(guān)于《 2的擬合 直線，提取所述三條擬合直線的斜率值；根據(jù)式（7)、（8)、（9)可知《 Zn、《 Z22、《 Z12對(duì)應(yīng) 的三條擬合直線的斜率分別為（1^+1^)、（1^+1^)、1^，結(jié)合所提取的擬合直線的斜率值即可求 得寄生電感L g、Ls、Ld; 步驟1-5 :采用去嵌技術(shù)，將步驟1-2所得的柵極前向偏置狀態(tài)下多個(gè)離散頻率采樣 點(diǎn)的S參數(shù)中電容Cpga、Cpda和C gda的效應(yīng)剔除，得到本步驟所述去嵌后等效電路的離散頻 率采樣下的柵極前向偏置等效測(cè)試S參數(shù)；將所述柵極前向偏置等效測(cè)試S參數(shù)轉(zhuǎn)換為 柵極前向偏置Z參數(shù)，分別構(gòu)建coZ關(guān)于Co 2的擬合直線，提取所述擬合直線的斜率值；根 據(jù)式（10)、（11)、（12)可知《Zn、《Z 22、《Z12對(duì)應(yīng)的三條擬合直線的斜率分別為（Rg+Rs)、 (R d+Rs)、Rs，結(jié)合所提取的擬合直線的斜率值即可求得寄生電阻Rg、R s、Rd; 步驟1-6 :根據(jù)步驟1-3、1-4、1-5可知，以Cpda和Cgda作為掃描變量進(jìn)行離散采樣掃描， 則每一組Cpda和C gda均對(duì)應(yīng)于一組元件值，所述一組元件值包括根據(jù)當(dāng)前C pda和C gda計(jì)算所 得的電容值 Cpgl、Cpdl、Cgdl、Cpga、C pda、Cgda、Cgd、Cgs、Cds，寄生電感值 Lg、Ls、Ld，寄生電阻值 Rg、 Rs、Rd;計(jì)算每一組元件值對(duì)應(yīng)的S參數(shù)殘差e，并從中提取S參數(shù)殘差e最小的一組元件 值； 步驟2.寄生參數(shù)優(yōu)化： 步驟2-1 :將步驟1-6所提取的S參數(shù)殘差e最小的一組元件值作為初值； 步驟 2-2 :設(shè) Cpga=a ? Cpda，Cgdl=b ? Cgda，Cgs=C ? Cgd，Cpdl=d ? Cpda，電容比例系數(shù) a、b、c、d 的初值分別為1、2、1、3 ; 步驟2-3 :固定寄生電感Lg、Ls、Ld，寄生電阻Rg、R s、Rd和寄生電容Cpgl、Cpdl、Cgdl、C pga、 Cpda、Cgda、Cgd、Cgs、C ds的值，掃描電容比例系數(shù)a、b、c、d，由此獲得多組元件值，從中選取出 S參數(shù)殘差e最小的一組元件值對(duì)應(yīng)的電容比例系數(shù)a, b, c, d，并將該組電容比例系數(shù)a、 b、c、d，作為新的初值； 步驟2-4 :固定初值中的寄生電感Lg、Ls、Ld和寄生電阻值R g、Rs、Rd，以及步驟2-3中得 到的電容比例系數(shù)a、b、c、d，掃描Cpda和Cgda，其余電容可根據(jù)步驟1-3中的式（1)-(6)由 C pda和Cgda直接確定，由此獲得多組元件值，從中選取出S參數(shù)殘差e最小的一組元件值對(duì) 應(yīng)的電容值C pgl、Cpdl、Cgdl、Cpga、Cpda、C gda、Cgd、Cgs、Cds，并將這些電容值及相應(yīng)的C pda和C gda做 為相應(yīng)電容的新的初值； 步驟2-5:固定步驟2-4所選取的S參數(shù)殘差e最小的一組元件值中的寄生電容值和 寄生電阻值，掃描寄生電感Ls、LjP Ld，由此獲得多組兀件值，從中選取出S參數(shù)殘差e最 小的一組元件值，并將其對(duì)應(yīng)的寄生電感值Ls、LjP L d做為相應(yīng)電感的新的初值； 步驟2-6 :按步驟1-4至步驟1-5所述方法，求得寄生電阻值Rg、Rs、Rd并作為新的初值， 其中電容Cpga、Cpda和C gda的取值為當(dāng)前最新的初值； 至此，步驟2-3至步驟2-6完成了一次迭代過(guò)程； 步驟2-7:設(shè)定殘差閾值，重復(fù)執(zhí)行步驟2-3至步驟2-6,直至誤差函數(shù)e小于殘差閾 值時(shí)止，提取當(dāng)前外層寄生電容(^、^、(^、(^、(^、(^，寄生電感'丄山廣生電阻心、 心、札的值作為GaN HEMT 20元件等效電路中寄生電路相應(yīng)元件的取值； 步驟3.本征參數(shù)提?。? 步驟3-1 :用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針臺(tái)對(duì)處于正常工作狀態(tài)的GaN HEMT器件進(jìn)行離 散頻率下的二端口 S參數(shù)測(cè)試采樣：GaN HEMT器件的源極接地，柵極為端口 1，漏極為端口 2,設(shè)定柵極-源極的掃描電壓范圍及掃描間隔，設(shè)定漏極-源極的掃描電壓范圍及掃描間 隔； 步驟3-2:基于所述的GaN HEMT 20元件等效電路，將步驟3-1所得的正常工作狀態(tài)下 多個(gè)離散頻率采樣點(diǎn)的S參數(shù)中寄生電路的效應(yīng)剔除，得到本征電路模型的離散頻率采樣 下的等效測(cè)試S參數(shù)；將本步驟所得等效測(cè)試S參數(shù)轉(zhuǎn)換為Y參數(shù)； 步驟3-3 :本征電路部分共八個(gè)參數(shù)，包括本征電容Cgd、Cgs、Cds，本征電阻民、R gd，本征 電導(dǎo)Gds，本征電流源Ids=V1Gnieiu T的參量G "及T ;結(jié)合步驟3-2所得的本征電路Y參數(shù)的 實(shí)部和虛部可由解析的方式計(jì)算出所述八個(gè)本征參數(shù)在每個(gè)偏置點(diǎn)及每個(gè)采樣頻點(diǎn)下的 值，針對(duì)每個(gè)本征參數(shù)，取所有采樣頻點(diǎn)下的均值為該偏置點(diǎn)下該本征參數(shù)的終值，由此得 到每個(gè)偏置點(diǎn)下所有本征參數(shù)的取值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵高電子迀移率晶體管小信號(hào)模型參數(shù)提取方法，其特 征在于，步驟2-3及步驟2-5所述的掃描過(guò)程中，每個(gè)參數(shù)的掃描范圍為該參數(shù)當(dāng)前初值的 二分之一至當(dāng)前初值的兩倍。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵高電子迀移率晶體管小信號(hào)模型參數(shù)提取方法，其特 征在于，所述每一組元件值對(duì)應(yīng)的S參數(shù)殘差e的計(jì)算公式如下：其中，N為離散頻率點(diǎn)的采樣個(gè)數(shù)；Re ( S Sun)指第n個(gè)采樣頻率匕時(shí)，處于夾斷狀態(tài) 下帶入當(dāng)前元件值的GaN HEMT 20元件等效電路的S參數(shù)與該GaN HEMT器件于步驟1-1 所得的在夾斷狀態(tài)下相應(yīng)的S參數(shù)的實(shí)部之差；Im( S S1]in)為第n個(gè)采樣頻率時(shí)，處于夾斷 狀態(tài)下帶入當(dāng)前元件值的GaN HEMT 20元件等效電路的S參數(shù)與該GaN HEMT器件于步驟 1-1所得的在夾斷狀態(tài)下的S參數(shù)的虛部之差；若i辛j，則Wlj為該GaN HEMT器件于步驟 1-1所得的在夾斷狀態(tài)下的所有S參數(shù)Slj的最大模值；若i=j，則W u為該GaN HEMT器件 于步驟1-1所得的在夾斷狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的參數(shù)S1,的模值加1 ; I卜I I為取二范數(shù)操作。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵高電子迀移率晶體管小信號(hào)模型參數(shù)提取方法，其 特征在于，所述本征電路部分的八個(gè)參數(shù)在當(dāng)前偏置點(diǎn)及第n個(gè)采樣頻點(diǎn)時(shí)的計(jì)算公式如 下：其中，n=l，…，N，N為離散頻率點(diǎn)的采樣數(shù)量，Yn、Y22、Y12為步驟3-2所得的當(dāng)前偏置 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Y參數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN？HEMT)的高效率小信號(hào)等效電路模型參數(shù)提取方法，屬于功率器件領(lǐng)域。本發(fā)明方法針對(duì)傳統(tǒng)參數(shù)提取方法中存在的誤差累計(jì)問(wèn)題，基于GaN？HEMT？20元件小信號(hào)模型，提出了一種迭代算法，并于Matlab中編程實(shí)現(xiàn)。該算法在迭代過(guò)程中，每次使用比前一次更準(zhǔn)確的元件值進(jìn)行計(jì)算，可使結(jié)果趨向最優(yōu)解。與傳統(tǒng)的參數(shù)提取方法相比，本發(fā)明方法通過(guò)運(yùn)行一次Matlab程序，即可準(zhǔn)確擬合GaN？HEMT器件在全偏置下的S參數(shù)，從而得到等效電路模型中的所有參數(shù)，極大減少了參數(shù)提取過(guò)程中的人力勞動(dòng)，大大提高了器件建模的效率。
【IPC分類】G06F17/50
【公開(kāi)號(hào)】CN105138730
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510444419
【發(fā)明人】徐躍杭, 聞?wù)? 汪昌思, 趙曉冬, 陳志凱, 徐銳敏
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年7月27日