Методика построения нелинейной модели eehemt для гетероструктурных полевых СВЧ-транзисторов

УДК 621.382.323 А.А. Коколов, Л.И. Бабак

Методика построения нелинейной модели EEHEMT для гетероструктурных полевых СВЧ-транзисторов

Описывается методика построения нелинейной модели EEHEMT для гетероструктурных (HEMT) полевых СВЧ-транзисторов без использования дорогого программного обеспечения. Рассматриваются основные этапы построения модели, включая определение ее параметров на постоянном и переменном токе. При использовании методики для 0,3 мкм GaAs pHEMT-транзистора, изготовленного по отечественной технологии, достигнуто хорошее совпадение результатов моделирования и эксперимента. Ключевые слова: СВЧ-транзистор, нелинейная модель, монолитные интегральные схемы.

Введение. При проектировании СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) на основе гетероструктурных HEMT (pHEMT, mHEMT) технологий одной из важнейших проблем является точное моделирование СВЧ-транзисторов. Для МИС миллиметрового диапазона волн дополнительные сложности возникают в связи с необходимостью использования не-квазистатических нелинейных моделей транзисторов (т.е. моделей «с памятью»), точного учета паразитных параметров и т.д.

Нелинейная модель EEHEMT, разработанная компанией Agilent [1], специально предназначена для HEMT-транзисторов и в состоянии описать любую из имеющихся в них нелинейностей. Однако для экстракции таких моделей необходимо дорогое специализированное программное обеспечение, например Agilent IC-CAP. В настоящей работе предлагается методика построения модели EEHEMT, не требующая использования дорогостоящих программных продуктов.

Процедура экстракции. На рис. 1 приведена нелинейная модель EEHEMT гетерост-руктурного СВЧ-транзистора в форме эквивалентной схемы. Уравнения и список параметров модели представлены в [2, 3]. Все параметры модели EEHEMT, а их 52, можно условно разделить на несколько групп: 1) параметры, отвечающие за характеристики на постоянном токе (VDSO, VSAT, GAMMA, GMMAX, KAPA, PEff и др.); 2) параметры, отвечающие за характеристики на переменном токе (GAMMAAC, GMMAXAC, KAPAAC, PEffAC, Сl2SAT, Cdso и др.); 3) специальные параметры, отвечающие за физические явления в транзисторе (Vbr, KBK, Rdb, Cbs и др.); 4) параметры, определяющие паразитные элементы (RG, RD, RS, LG, LD, LS, CPG, CPD).

В [3] предложена методика экстракции формальных нелинейных моделей, подобных изображенной на рис. 1. Методика состоит из четырех этапов (рис. 2):

1) Экстракция линейных моделей по результатам малосигнальных СВЧ-измерений для заданного набора режимов (рабочих точек) по постоянному току.

2) Аппроксимация режимных зависимостей тока стока и внутренних элементов нелинейной модели аналитическими функциями.

3) Прямая оптимизация параметров нелинейной модели с целью наилучшего соответствия измеренных и смоделированных характеристик. Коэффициенты аппроксимирующих функций, полученные на предыдущем этапе, используются в качестве начального приближения.

4) Извлечение параметров, описывающих различные физические эффекты в транзисторе (пробой, тепловые эффекты и т.д.), на основе дополнительных измерений. Данные параметры устанавливаются вручную и не оптимизируются.

Результаты измерений

Первый шаг: аппроксимация S-параметров при различных напряжениях смещения

V

Набор линейных моделей

Второй шаг: аппроксимация нелинейных зависимостей

v

V

Нелинейная модель

v

Специальные измерения:

- прямой ток затвора

- низкочастотная дисперсии

- обратный пробой

- тепловые эффекты

- "trap" эффекты

Третий шаг: прямая оптимизация

Четвертый шаг: установка измеренных параметров

v

Улучшенная нелинейная модель

Рис. 2. Методика экстракции формальных нелинейных моделей СВЧ-транзисторов

Для того чтобы исключить влияние тепловых эффектов при измерениях ВАХ и S-пара-метров транзисторов, необходимо применение импульсных режимов измерений.

Для восстановления линейных моделей в различных рабочих точках и для экстракции значений паразитных элементов можно воспользоваться методикой, описанной в [4]. Самым трудоемким этапом построения нелинейной модели является аппроксимация полученных зависимостей внутренних элементов и тока стока аналитическими функциями модели. В случае с моделью EEHEMT задачу можно упростить, вычислив значения некоторых ее параметров непосредственно из измерений [2]. Так, например, ряд коэффициентов модели определяются из зависимости крутизны на постоянном токе от напряжения на затворе.

Вычисленные параметры используются в качестве первого приближения при построении нелинейной модели EEHEMT. На заключительном этапе выполняется более точный подбор или оптимизация параметров модели. При отсутствии оборудования для измерения специальных параметров модели эти коэффициенты также можно включить в оптимизируемые величины.

Экспериментальное исследование методики. Для проверки методики была построена нелинейная модель EEHEMT для 0,3 мкм GaAs pHEMT-транзистора с шириной затвора 6x100 мкм (Т600), изготовленного по технологии НПФ «Микран».

При построении модели использовались следующие данные, измеренные в НОЦ «На-нотехнологии» ТУСУРа:

1) S-параметры в диапазоне частот 100 МГц ... 40 ГГц для напряжений смещения Vgs = -2.0,4 В (шаг AVgs = 0,4 В), Vds = 0.8 В (шаг AVds = 0,5 В).

2) Выходные ВАХ транзистора в указанном выше диапазоне напряжений смещения.

3) Зависимость выходной мощности транзистора от входной в 50-омном тракте в рабочей точке Vgs = -0,8 В, Vds = 5 В, Ids = 100 мА на частоте 6 ГГц.

На рис. 3-5 представлены характеристики транзистора T600, полученные из измерений и с использованием модели EEHEMT в пакете Microwave Office: выходные ВАХ с учетом эффекта саморазогрева (см. рис. 3), частотные зависимости малосигнальных S-параметров в различных рабочих точках (см. рис. 4) и амплитудная характеристика на частоте 6 ГГц (см. рис. 5).

На рис. 6 показаны рассчитанные с помощью модели на частоте 6 ГГц формы тока и напряжения стока, а также нагрузочная линия транзистора при комплексной нагрузке 2н = (50 + /50) Ом.

__ — Измерения -- Модель ЕЕНЕМГ

1 /'

if* ш /Л „..---ал—  -0,8 В^,--'',,

Ю ^^--- */ * If t , , ........-1.2 15 " -16 В

О 4 6 8

rds, в

Рис. 3. Измеренные и смоделированные выходные ВАХ транзистора

Рис. 4. Частотные зависимости малосигнальных «S-параметров транзистора в диапазоне 0,5...40 ГГц при напряжениях: а — Vgs = —1,2 В, Vds = 4 В

Входная мощность, дБм

Рис. 5. Измеренная и смоделированная амплитудная характеристика транзистора

150 125 100

!

50

Ток

Напряжение

10 300

8.33 2'30

6.67

PQ I 5 ^ 3 150

3.33

1.67 0

50 0

- Измерения -— Модель EEHEMT

--= 0 в

/ А

l/f il' Jfr -0.8

-- -1.2В,.'' /

Wt № ---^ - - " -1,6 В,' Ч ____»----

fei''

о

0.1 0.2 0.3

Время, но (В

а б

Рис. 6. Характеристики транзистора на частоте 6 ГГц при Ргп = 14 дБм, = (50 + /50) Ом в рабочей точке Vе8 = -0,8 В, Vds = 5 В (1а, = 110 мА): а - формы тока и напряжения стока; б - ВАХ и нагрузочная линия

10

12

Заключение. Полученная нелинейная модель EEHEMT для GaAs pHEMT-транзистора Т600 хорошо описывает его малосигнальные S-параметры в диапазоне частот до 40 ГГц при различных напряжениях смещения (ошибка не более 15%), выходные ВАХ и выходную мощность. Разработанная модель применима для разработки СВЧ радиоэлектронных устройств.

Работа выполнялась при поддержке РФФИ в рамках проектов 08-07-99034-р_офи и 09-07-99020-р_офи, а также в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям «Нанотехнологии и нано-материалы», «Создание электронной компонентной базы», «Микроэлектроника» (мероприятия 1.1, 1.2.1, 1.2.2, 1.3.1 и 1.3.2, государственные контракты П1418, П1492, П2188, П669, П499, 16.740.11.0092 и 14.740.11.0135).

Литература

1. Сайт фирмы Agilent [Электронный ресурс]. - Режим доступа свободный: http://www.home.agilent.com/, (дата обращения: 12.11.2010).

2. Agilent-ADS EEHEMT Model Menu.

3. Chalermwisutkul D.S. Large Signal Modeling of GaNHEMTs for UMTS Base Station Power Amplifier Design Taking into Account Memory Effects / D.S. Chalermwisutkul // PhD Thesis. - Aachen, Germany: Aachen University, 2009. - P. 25-49.

4. Коколов А.А. Методика построения малосигнальной модели транзистора с высокой подвижностью электронов // Доклады ТУСУРа. - 2010. - № 2(22), ч. 1. - С. 153-156.

Коколов Андрей Александрович

Мл. нау. сотрудник каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа

Тел.: +7-923-405-93-59

Эл. почта: kokolovaa@gmail.com

Бабак Леонид Иванович

Канд. тех. наук, зам. директора НОЦ «Нанотехнологии», доцент каф. КСУП ТУСУРа

Тел.: +7 (382-2) 41-47-17

Эл. почта: leonid.babak@rambler.ru

Kokolov A.A., Babak L.I.

Extraction technique of nonlinear EEHEMT model for heterostructure microwave field-effect transistors

The paper describes an extraction technique of nonlinear EEHEMT model for heterostructure microwave field-effect transistors without using expensive extraction software. The main stages of model extraction including DC and AC parameter determination are considered. Simulated and measured characteristics of 0,3 |m GaAs pHEMT transistor were compared and satisfactory results were achieved.

Keywords: microwave transistor, nonlinear model, microwave monolithic integrated circuits.