基于物理的多偏置射频大信号氮化镓HEMT建模和参数提取流程

标题：Physics-Based Multi-Bias RF Large-Signal GaN HEMT Modeling and Parameter Extraction Flow

来源：JOURNAL OF THE ELECTRON DEVICES SOCIETY

摘要 本文展示了一种一致的Al镓氮化物（AlGaN）/氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）的直流到射频建模解决方案，其构建在基于表面电势的核心周围。使用表面电势形式的漏极电流和内在端子电荷的表达式，同时对商用GaN器件的直流特性和内在电容进行建模。考虑了自热和陷阱效应以解释器件的非线性特性。我们讨论了一些关键模型参数的参数提取流程，这些参数在拟合直流特性方面起到关键作用，同时确定了偏置相关的内在电容和电导，从而极大地简化了射频参数的提取。通过使用模型过程设计工具，从一组非冷却FET S参数的单一测量中提取寄生电容、栅极电阻和外围总电感。提取过程通过与测量数据的宽带（0.5–50 GHz）S参数、负载拉力和谐波平衡（10 GHz）模拟的叠加进行验证，以在多个偏置条件下成功展示大信号射频激励下的模型性能。
关键词 GaN HEMT、参数提取、基于物理的射频紧凑模型、负载拉力。

文章研究了什么

该文章研究了与氮化铝镓（AlGaN/GaN）高电子迁移率晶体管（HEMTs）相关的以下几个方面：

• 开发了一个基于表面电势的一致的直流到射频建模解决方案。
• 使用表面电势形式的漏电流和内在终端电荷的表达式，同时对GaN器件的直流特性和内在电容进行建模。
• 考虑了自热效应和捕获效应，以解释器件的非线性特性。
• 讨论了关键模型参数的参数提取流程，该流程对于拟合直流特性和确定偏置相关的内在电容和电导至关重要。
• 使用模型流程设计工具从测量的非冷FET S参数中提取寄生电容、栅极线电阻和外部总线电感。
• 通过在多个偏置条件下将宽带S参数、负载拉伸和谐波平衡模拟与测量数据进行叠加，验证了提取过程。
• 在大信号射频激励下展示了模型的性能。

X参数（S-parameters）和Y参数是两种常见的网络参数，用于描述线性电路中的传输和散射特性。它们在射频工程和电路分析中经常使用。

文章的创新点

• 开发了一个基于表面电势的一致的直流到射频建模解决方案，用于GaN HEMT器件。
• 使用表面电势形式的漏电流和内在终端电荷的表达式，同时对GaN器件的直流特性和内在电容进行建模。
• 考虑了自热效应和捕获效应，以解释器件的非线性特性。
• 提供了关键模型参数的参数提取流程，用于拟合直流特性和确定偏置相关的内在电容和电导。
• 使用模型流程设计工具从测量的非冷FET S参数中提取寄生电容、栅极线电阻和外部总线电感。
• 通过将宽带S参数、负载拉伸和谐波平衡模拟与测量数据进行叠加来验证提取过程。
• 展示了模型在大信号射频激励下的性能表现。

文章的研究方法

该文章使用了理论建模和实验验证相结合的研究方法，具体如下：

• 作者们开发了一个基于物理原理的多偏置射频大信号GaN HEMT模型，该模型使用基于表面电势的核心构建。
• 该模型基于表面电势形式的漏电流和内在终端电荷的表达式进行构建，可以同时对直流特性和内在电容进行建模。
• 模型中考虑了自热效应和捕获效应，以解释器件的非线性特性。
• 讨论了关键模型参数的参数提取流程，其中包括拟合直流特性和确定偏置相关的内在电容和电导。
• 通过将宽带S参数、负载拉伸和谐波平衡模拟与测量数据进行叠加来验证提取过程。
• 成功展示了模型在大信号射频激励下的性能。

文章的结论

• 本文提出了一种基于表面电势的射频大信号模型，用于GaN HEMTs，并成功地通过商用GaN器件的实测数据进行了验证。该模型展示了器件内在电荷和电流之间的自洽性，可以自动生成用于射频仿真的小信号等效电路。
• 捕获效应使用RC电路进行建模，并使用宽带S参数验证了射频模型。还展示了模型预测不同负载阻抗下的负载拉伸轮廓及其对应的最大值的能力，使其在精确功率放大器设计中非常有用。
• 文章强调了基于物理原理的GaN HEMTs紧凑模型的重要性，特别是基于表面电势的模型，因为它们有助于器件设计、提供更小的参数集，并且在偏置、温度或几何方面具有可扩展性。
• 研究方法包括模型开发、参数提取流程的讨论以及通过仿真和与实测数据的比较来验证模型。

概念学习：

1. S-Parameters (散射参数或X参数):

   • S-Parameters (Scattering Parameters): S-parameters描述了一个多端口网络中输入和输出之间的电磁传输和散射特性。在二端口网络中，S-参数通常表示为S11、S12、S21和S22。例如，在微波电路中，S11表示从端口1反射到端口1的功率比例，S21表示从端口1传输到端口2的功率比例，依此类推。

2. Y-Parameters (对散射参数或Y参数):

   • Y-Parameters (Admittance Parameters): Y-parameters用于描述一个网络中的导纳（admittance）特性。在二端口网络中，Y-参数通常表示为Y11、Y12、Y21和Y22。Y-参数是电导纳矩阵的元素，其中Y11表示从端口1到端口1的导纳，Y21表示从端口1到端口2的导纳，等等。

这两种参数表示方法之间存在线性变换关系。例如，对于二端口网络，S-参数和Y-参数之间的关系如下：

[ Y = S^-1 ]

其中，Y表示Y-参数矩阵，S表示S-参数矩阵，而(S^-1)表示S矩阵的逆矩阵。

这些参数在射频工程和微波工程中用于分析和设计无线通信系统、天线、放大器等电路元件。

S-参数（散射参数）是用于描述多端口网络中电磁波在各端口之间传输和散射特性的一组参数。对于二端口网络，S-参数通常用四个参数表示，分别是S11、S12、S21和S22。

1. S11： 表示从端口1发送的信号中反射回端口1的功率与输入到端口1的功率之比。它衡量了信号从输入端口返回到相同端口的散射或反射损失。对于天线或其他系统，S11是一个重要的参数，因为它表示了输入信号的部分是否被反射回了源端。

2. S12： 表示从端口1发送的信号中传输到端口2的功率与输入到端口1的功率之比。它描述了信号从一个端口传输到另一个端口的效率。

3. S21： 表示从端口2发送的信号中传输到端口1的功率与输入到端口2的功率之比。它描述了信号从一个端口传输到另一个端口的效率，通常用于描述放大器或其他信号传输设备的性能。

4. S22： 表示从端口2发送的信号中反射回端口2的功率与输入到端口2的功率之比。类似于S11，S22衡量了信号从输入端口返回到相同端口的散射或反射损失。