GaN肖特基势垒二极管（SBD）的多阴极应用建模与参数提取

GaN Schottky Barrier Diode (SBD) Modeling and Parameter Extraction for Multicathode Application（TED 24年）

摘要

本文提出了一种适用于多阴极应用的紧凑型可扩展GaN肖特基二极管大信号模型。详细给出了外在和内在模型参数的可扩展规则。实验和理论结果表明，在相同偏置条件下，不同阴极数量的二极管之间可以实现良好的可扩展模型参数。通过对GaN肖特基二极管测量与模拟的直流和S参数进行比较，对模型进行了验证。

文章的研究内容

开发紧凑可扩展的大信号模型：针对GaN（氮化镓）肖特基势垒二极管（SBD）在多阴极应用中的需求，作者提出了一个结构紧凑且具有可扩展性的大型信号模型。这一模型设计旨在适应不同的阴极数目，并保持模型的准确性和适用性。
定义可扩展参数规则：详细阐述了外在（extrinsic）和内在（intrinsic）模型参数的可扩展规则。这些规则确保了当二极管的阴极数目发生变化时，相关参数能够按照一定的规律进行调整，从而维持模型的有效性和一致性。
模型性能验证：通过对比实际测量与模型仿真得到的GaN肖特基二极管直流（dc）特性及S参数，对提出的模型进行了严格的验证。这包括在不同偏置条件下的二极管性能表现，以确认模型预测结果与实验数据的一致性。
跨阴极数量的参数一致性：研究证明在相同的偏置条件下，即使对于具有不同阴极数量的二极管，也能通过应用所提出的可扩展模型参数规则获得良好的一致性。这意味着模型能够有效地处理不同规模的二极管结构，而不影响其预测精度。
模型准确性评估：文章进一步提供了对模型准确性的定量分析，比较了新提出的模型与传统模型在特定（3.6 V偏压）条件下，对于双阴极SBD的S11（绝对误差）和S21（相对误差）的差异。结果显示，新模型在S11上的平均精度提高了7%，而在S21上的平均精度提高了5%，证实了新模型相较于传统模型具有更好的准确性。
模型结构解析：文中详细描述了GaN基肖特基二极管的外在部分和内在部分的等效电路模型，包括考虑了输入输出金属化层传输线效应的外在电感、电阻、电容分量，以及包含动态电阻Rj、结电容Cj以及与阴极数量相关的固定和可扩展部分在内的内在模型。此外，还介绍了非线性等效电路模型及其相关物理参数的表达式。
参数提取方法：详细阐述了如何从实验数据中提取外在电感（如La、Lc、Lpf）、外在电阻Rs以及内在结电容Cj等关键模型参数的方法，包括基于频率的电容提取、高电压下输入阻抗实部与电流倒数关系用于确定Rs，以及在低频反向偏置条件下利用纯电容行为简化电路并计算Cj。

文章的研究内容集中于构建并验证一个适用于多阴极应用的GaN肖特基二极管大信号模型，详细规定了模型参数的可扩展规则，并通过实验数据对其准确性进行了验证和定量评估。同时，文章还详细描述了模型的具体结构和参数提取过程，为相关器件的设计与优化提供了有力工具。

文章的研究方法

理论分析与建模：基于对GaN肖特基二极管物理特性的深入理解，作者构建了一个适用于多阴极应用的新型可扩展大信号模型。该模型考虑了器件的外在（如金属化层、封装效应等）和内在（与半导体材料性质相关的）特性，将阴极数量作为规范化因子，并将内在等效电路模型划分为可扩展部分和固定部分，以适应不同阴极数量的器件。
可扩展规则制定：为确保模型在面对不同尺寸或阴极数量的二极管时仍能准确描述其行为，作者详细制定了外在和内在模型参数的可扩展规则。这些规则可能基于器件几何尺寸、电荷分布、载流子迁移率等因素的变化关系，确保模型参数随阴极数量增减时按比例调整。
直接提取法：文章采用直接提取法来获取不同阴极数量SBD的小信号和直流模型参数。这涉及从实验测量数据中直接提取与器件电气特性紧密相关的参数，如外在电感（La、Lc、Lpf）、外在电阻Rs以及内在结电容Cj。提取过程中使用了特定的数学公式和实验方法，如基于频率的关系提取电感，通过高电压下输入阻抗与电流关系确定Rs，以及在低频反向偏置下简化电路计算Cj。
实验验证：为了验证所提出的模型及其参数的有效性，文章进行了实验测量与仿真结果的对比。具体包括测量不同阴极数量SBD的直流特性（如I-V曲线）和S参数（如S11、S21），然后利用所提出的模型进行仿真，并将仿真结果与实验数据进行详细的比对。这种对比不仅验证了模型的整体性能，还提供了对模型精度的量化评估。
精度比较：为了直观展示新模型相对于传统模型的优势，文章对两种模型在特定偏压条件下的预测精度进行了直接比较。通过对S11和S21的绝对误差和相对误差进行计算，定量展示了新模型在预测能力上的提升，进一步验证了所提模型在处理多阴极SBD时的优越性。
文献回顾与比较：文章通过引用先前已发表的相关研究成果[7][8][9][10]，对比说明了当前工作在建模方法和精度改进方面的进步，强调了新模型在处理多阴极结构时所具有的独特优势。

文章综合运用了理论建模、规则制定、直接参数提取、实验验证以及精度比较等多种研究方法，系统地开展了GaN肖特基二极管多阴极应用建模与参数提取的研究。这些方法相互支撑，共同确保了所提模型的科学性、实用性和有效性。

文章的创新点

新型可扩展大信号模型：针对多阴极GaN肖特基二极管，文章首次提出了一种新型的紧凑型可扩展大信号模型。该模型能够适应不同阴极数量的二极管结构，克服了标准SPICE模型在处理此类复杂结构时的局限性。
阴极数量作为规范化因子：创新性地将SBD的阴极数量作为模型参数的规范化因子，使得模型能够根据阴极数目的变化自动调整内在等效电路模型的组成部分，确保了模型在不同阴极配置下的普适性和准确性。
可扩展规则的精细化：针对多阴极结构的特殊性，文章详细给出了外在和内在模型参数的精细化可扩展规则。这些规则不同于传统的简单比例或反比例关系，而是针对多阴极SBD的特定物理特征和电气行为进行了定制化设计，增强了模型参数对器件真实行为的刻画能力。
模型验证与精度提升：通过对比实验测量与模型仿真结果，文章对提出的模型进行了严格验证。特别地，文章展示了新模型在S11和S21参数预测上的平均精度分别比传统模型提高了7%和5%，证明了新模型在处理多阴极SBD时具有更高的预测精度和准确性。
直接提取法的创新应用：文章采用直接提取法高效地从实验数据中提取不同阴极数量SBD的小信号和直流模型参数，这一方法避免了传统方法中可能存在的近似和假设，有助于更精确地反映多阴极结构的复杂电气特性。
多阴极SBD特有现象的考虑：文章考虑了多阴极SBD特有的电流表达形式和结电容随阴极数目的变化规律，将其融入模型中，确保了模型能够准确捕捉多阴极结构特有的电学行为。

文章的创新点主要在于针对多阴极GaN肖特基二极管设计并验证了一种新颖的、具有精细可扩展规则的、预测精度显著提高的大信号模型，以及创新性地应用了直接提取法来精确获取模型参数。这些创新为多阴极SBD的高效建模与精准参数提取提供了新的解决方案，有助于推动相关微波集成电路设计的发展。

文章的结论

模型提出与验证：文章成功提出了一个针对GaN肖特基二极管的紧凑型可扩展大信号模型，专为多阴极应用设计。该模型具备清晰的可扩展规则，能够适应不同阴极数量的二极管结构。
参数一致性：实验和理论研究表明，在相同的偏置条件下，即使对于具有不同阴极数量的二极管，通过应用所提出的可扩展模型参数规则，也能够获得具有良好一致性的模型参数。
模型验证效果：通过对具有不同阴极数目的SBD进行直流和S参数的测量与模拟对比，验证了所提出的模型的正确性和有效性。模型能够准确预测各种条件下SBD的电气特性。
模型精度优势：文章提供了新模型与传统模型在特定偏压条件下（3.6 V）对双阴极SBD的S参数（S11和S21）预测精度的直接比较。结果显示，新模型在S11绝对误差上平均提高了7%，在S21相对误差上平均提高了5%，证明新模型在精度上优于传统模型。
总体评价与应用前景：文章总结指出，所提出的可扩展大信号模型为多阴极GaN肖特基二极管提供了一种实用的工程方法，能够精确预测不同几何结构SBD的直流和S参数。这一模型的建立和验证，对于优化此类器件在微波限幅器等应用中的设计与性能具有重要意义。

所提出的GaN肖特基二极管大信号模型具有良好的可扩展性和较高的预测精度，适用于多阴极应用场景，经实验验证其有效性，并展现出优于传统模型的性能，为未来基于GaN SBD的高性能微波集成电路设计提供了有力的工具支持。