一种新型的AlGaN/GaN HEMTs小信号建模与参数提取方法

来源：A new small-signal modeling and extraction methodin AlGaN/GaN HEMTs（SOLID-STATE ELECTRONICS 07年）

摘要

本文提出了一种新型的用于GaN HEMTs（氮化镓高电子迁移率晶体管）的小信号等效电路，包含20个元件，并相应地开发了一种直接提取方法。与基于GaAs的传统16元件HEMT小信号模型（SSM）相比，新模型考虑了两个额外的寄生分布式电极间外在电容以及两个附加反馈内在电阻。通过对宽频率和偏置范围内的模拟小信号S参数与实测数据进行对比验证了该新型GaN HEMTs建模方法。

关键词：GaN HEMT；建模；参数提取；误差分析

文章的研究内容

这篇文章提出了一种新的针对氮化镓高电子迁移率晶体管（AlGaN/GaN HEMTs）的小信号等效电路建模和参数提取方法。研究内容主要包括以下几个方面：

1. 新模型的提出：文章提出了一个包含20个元件的小信号等效电路模型，与传统的基于砝码的HEMT小信号模型（SSM）相比，新模型考虑了两个寄生分布式互电极外特性电容和两个额外的反馈内禀电阻。

2. 直接提取方法的开发：为了与新模型相匹配，文章开发了一种直接提取方法。这种方法通过在不同的偏置条件下测量S参数来提取等效电路的参数。

3. 模型验证：新提出的GaN HEMTs建模方法通过与在宽频率和偏置范围内测量的小信号S参数数据进行比较来验证其有效性。

4. 参数提取：文章详细描述了如何从测量的S参数中提取等效电路的参数，包括外特性电容、内特性电容、寄生电感和电阻等。

5. 误差分析：对提取过程的误差进行了分析，并与传统的16元件模型进行了比较，以展示新模型在高频应用中的准确性和稳定性。

6. 简化模型的建议：考虑到低频和中频范围内的应用，文章还提出了一个更简单的16元件集总小信号等效电路，并相应地简化了提取技术。

7. 实验结果：使用Agilent 8722ET参数分析仪对AlGaN/GaN HEMTs进行了建模，测量频率范围从50 MHz到21 GHz。实验结果与模拟数据在宽频率范围内（50 MHz到21 GHz）吻合良好。

文章的研究目的是为了设计电路、评估工艺技术和优化器件性能，提供了一种准确的小信号等效电路提取方法。

文章的创新点

1. 新的小信号等效电路模型：提出了一个包含20个元件的新型小信号等效电路模型，这个模型特别适用于高频应用的AlGaN/GaN HEMTs。这个模型比传统的16元件模型更全面，考虑了额外的寄生电容和反馈电阻。

2. 直接提取方法：开发了一种直接提取方法，该方法能够在不同的偏置条件下从S参数测量中准确提取等效电路的参数。这种方法避免了在强截止偏置条件下从单一S参数测量中提取寄生电阻的不确定性。

3. 频率依赖效应的考虑：在提取内禀参数时，考虑了频率分散效应，特别是在线性偏置条件下。这通过简单的线性数据拟合来实现，提高了模型的准确性。

4. 简化的16元件模型：为了适应低频和中频范围的应用，文章还提出了一个简化的16元件集总小信号等效电路模型，并简化了相应的参数提取策略。

5. 实验验证：通过实验验证了新模型和提取方法的有效性。实验结果与模拟数据在宽频率范围内（50 MHz到21 GHz）吻合良好，证明了新方法的准确性和可靠性。

6. 误差分析：对提取过程的误差进行了详细的分析，并与传统模型进行了比较，展示了新模型在整个频率范围内的优越性能。

文章的研究方法

1. 模型构建：首先，提出了一个包含20个元件的新型小信号等效电路模型，这个模型特别为AlGaN/GaN HEMTs设计，以适应高频应用。

2. 参数提取策略：开发了一种直接提取方法，用于从S参数测量中获取等效电路的参数。这包括在不同的偏置条件下（如冷态条件和不同频率范围）测量S参数。

3. 外特性参数提取：从在冷态条件下测量的S参数中提取外特性元件，包括寄生电容和电感。这涉及到在特定偏置条件下（Vds = 0和Vgs < Vth）测量Y参数，并从中确定电容值。

4. 内特性参数提取：在考虑频率分散效应的基础上，通过简单的线性数据拟合来提取内特性参数。这包括在低频（兆赫兹范围）确定栅极二极管的反馈电导，以及在高频范围内从Y参数中提取内特性元件。

5. 简化模型：为了适应低频和中频范围的应用，提出了一个简化的16元件集总小信号等效电路模型，并相应地简化了参数提取策略。这涉及到在低频范围内简化内特性Y参数的表达式，并从中直接提取参数。

6. 实验验证：使用Agilent 8722ET参数分析仪对AlGaN/GaN HEMTs进行了实验测量，以验证新模型和提取方法的有效性。测量频率范围从50 MHz到21 GHz。

7. 误差分析：对提取过程的误差进行了分析，并将新模型的结果与传统的16元件模型进行了比较，以展示新模型在整个频率范围内的优越性能。

8. 结果比较：将测量数据与模拟结果进行比较，以验证模型的准确性。通过比较不同偏置条件下的测量和模拟S参数，确保了模型的可靠性。

文章的结论

1. 模型的提出：文章成功提出了一个20元件的分布式小信号等效电路模型，用于高频应用的AlGaN/GaN HEMTs。这个模型通过考虑额外的寄生电容和反馈电阻，提供了对HEMTs特性更全面的描述。

2. 提取方法的开发：文章开发了一种简单但高效的直接提取技术，用于从测量的S参数中提取等效电路的参数。这种方法在不同频率范围内的冷态条件下进行测量，以提取外特性元件，并考虑了频率分散效应来提取内特性元件。

3. 模型验证：通过与测量数据的比较，新模型在50 MHz到21 GHz的宽频率范围内与模拟数据吻合良好，证明了模型的准确性和可靠性。

4. 简化模型的建议：针对低频和中频范围的应用，文章提出了一个简化的16元件集总小信号等效电路模型，并简化了提取技术。这个简化模型在低频应用中也表现出了足够的准确性。

5. 误差分析：文章对两种模型（20元件和16元件）在高频和低频范围内的误差进行了分析。结果显示，20元件模型在整个频率范围内提供了更好的测量与模拟一致性，误差大约为8%，并且对增益的准确估计低于5%。

6. 应用的适用性：新提出的20元件模型在高频应用中证明了其准确性和稳定性，而简化的16元件模型也适用于低频和中频范围，具有较好的性能。