CC BY
56
УДК 621.382.323
А.А. Баров, Ю.Н. Бидненко, А.В. Кондратенко
Восстановление нелинейной модели GaAs pHEMT СВЧ-транзистора
Представлены результаты восстановления нелинейной модели ПТШ с шириной затвора 600 мкм, выполненного по GaAs pHEMT-технологии ЗАО «НПФ Микран». Восстановление проводилось на основе результатов измерений малосигнальных параметров рассеяния и вольт-амперных характеристик, выполненных в непрерывном режиме. Ключевые слова: монолитная интегральная схема, полевой транзистор с затвором Шотки, нелинейная модель, вольт-амперные характеристики, параметры рассеяния.
Введение
Одним из направлений деятельности ЗАО «НПФ Микран» являются разработка и производство полупроводниковых монолитных интегральных схем (МИС). В связи с отсутствием возможности подстройки электрических параметров МИС предъявляются достаточно жесткие требования к точности их расчета и моделирования. Поэтому актуальной задачей является создание адекватных моделей активных и пассивных элементов интегральных схем.
Данная работа посвящена восстановлению нелинейной модели полевого транзистора с затвором Шотки (ПТШ) с шириной затвора 600 мкм, выполненного по GaAs pHEMT-технологии ЗАО «НПФ Микран», и ее интеграции в систему автоматизированного проектирования Advanced Design System. Основная часть
Традиционная эквивалентная схема ПТШ в режиме малого сигнала приведена на рис. 1, а. Данная схема состоит из внутренних (обозначены пунктирной линией) и внешних, не зависящих от управляющих напряжений, элементов.
Gate Drain Gate
Lg
4=Cpg
CgS
- Cgd ^ > Ri i> Gm > Rds
Cds =!= Cpd
Source
а) Линейная схема; Gm = gm ■ ei'°yl б) Нелинейная схема
Рис. 1. Эквивалентные схемы ПТШ
Внешние элементы определялись по результатам измерения параметров транзистора в «холодном» режиме при различных напряжениях на затворе (отсечка, прямое смещение и др.) [1, 2]. Внутренние элементы в каждой рабочей точке определялись на основе методов многомерной нелинейной оптимизации (метод Нелдера-Мида).
На рис. 2 представлены зависимости крутизны характеристики передачи gm и проводимости канала G^s = 1/R^s от напряжений Vgs и Vds .
Аппроксимация функциональной зависимости внутренних элементов малосигнальной эквивалентной схемы от управляющих напряжений задавалась в виде полиномов невысокой степени с взаимосвязанными коэффициентами (сплайнами). Переход к нелинейной модели ПТШ (см. рис. 1, б) осуществлялся на основе сведения элементов линейной эквивалентной схемы к источникам тока и заряда [3].
В качестве примера на рис. 3 представлены вольт-амперные характеристики исследуемого транзистора, рассчитанные по восстановленным малосигнальным параметрам. В конечное выражение для тока стока дополнительно вводились вольт-амперные характеристики ПТШ, измеренные в непрерывном режиме, что позволило учесть эффект низкочастотной дисперсии [3].
138 ИЗМЕРЕНИЕ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СВЧ-МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВ
Рис. 2. Зависимость крутизны транзистора и проводимости канала от напряжений
затвор-исток и сток-исток
Нелинейная модель создана на основе базовых элементов системы автоматизированного проектирования Advanced Design System (рис. 4).
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики, рассчитанные на основе измеренных 5-параметров в режиме малого сигнала
L 3
_9TY-V-L.
С 2
R 5 AVV
-43
Drain
DataAccessComponent DAC1
File="C:\NQS\DATA.mdif"
Type=Dataset
lnterpMode=Linear
lnterpDom=Rectangular
EitrapMode=lnterpolation Mode
¡Var1="Vgs"
¡Val1-_v2
iVar2="Vds"
¡Val2= v6
r 2:
SDD6P SDD6P1 l[1,0]=lgd
l[1,1]=Qgd
i[2.0]=igs
l[2,1]-Qgs
I[5,0]=_v5/Ri
l[6,2]-ldsDC
l[6,3]-ldsRF
H[2]=1/(1+j"omega)
H[3]=fomega/(1+fomega)
H[4]=i3xp(-j*omega*tau)
Рис. 4. Нелинейная модель ПТШ в САПР Advanced Design System
На рис. 5 представлены частотные зависимости измеренных параметров рассеяния и параметров, рассчитанных на основе восстановленной модели, в диапазоне 0,1-40 ГГц.
Заключение
В результате проделанной работы была восстановлена нелинейная модель мощного транзистора с шириной затвора 600 мкм, выполненного по GaAs рНЕМТ-технологии ЗАО «НПФ Микран». Проведение измерений параметров рассеяния и ВАХ в непрерывном режиме не позволило в полном объеме исключить вклад эффектов памяти и саморазогрева транзистора в параметры элементов нелинейной схемы. Для адекватного учета данных эффектов необходима организация load-pull-измерений и измерений в импульсном режиме, что будет являться логическим продолжением данной работы.
а) Vds = 1,0В , Vgs = -0,8В
б) Vds = 3,0В, V„s = 0В
Рис. 5. Частотные зависимости экспериментальных (пунктирные линии) и рассчитанных
на основе восстановленной модели (сплошные линии) малосигнальных параметров рассеяния
для различных рабочих точек
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с договором 13.G25.31.0011 от 07 сентября 2010 г. в порядке реализации Постановления № 218 Правительства РФ.
Литература
1. Dambrine G. A new method for determining the FET small-signal equivalent circuit / G. Dambrine, A. Cappy, F. Heliodore // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1988. -Vol. 36, № 7. - P. 1151-1159.
2. Jarndal A. A new small-signal modeling approach applied to GaN devices / A. Jarndal, G. Kompa // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 2005. - Nov. - Vol. 53, № 11, - P. 3440-3448.
3. Schmale I. An improved physics-based nonquasi-static FET-model / I. Schmale, G. Kompa // 27-th European Microwave Conf. Proc. - 1997. - № 9. - P. 328-330.
Баров Александр Анатольевич
Ведущий инженер ЗАО «НПФ «Микран», г. Томск Эл. почта: [email protected] Тел.: (8-382-2) 41-34-03
Бидненко Юрий Николаевич
Инженер ЗАО «НПФ «Микран», г. Томск Эл. почта: [email protected] Тел.: (8-382-2) 41-34-03
Кондратенко Алексей Владимирович
Инженер ЗАО «НПФ «Микран», г. Томск Эл. почта: [email protected] Тел.: (8-382-2) 41-34-03
Barov A.A., Bidnenko Y.N., Kondratenko A.V. Reconstruction of nonlinear model of GaAs pHEMT transistor
The results of nonlinear model reconstruction of a 600 |m Schottky-gate field-effect transistor produced by using the GaAs pHEMT technology («Micran») are presented. The model parameters reconstruction is based on measurement of small-signal scattering parameters and current-voltage characteristics in the continuous mode.
Keywords: monolithic integrated circuit, MESFET, nonlinear model, IV curves, scattering parameters.
