基于毫米波超低功率应用的肖特基二极管精确建模方法与流程

本发明涉及一种建模方法，特别涉及一种二极管建模方法。

背景技术：

肖特基二极管在无线能量传输技术的整流电路中应用广泛，一般半导体制造厂商提供的spice模型，包括is，cj0、fc、m、vj、n等，在工作频率较低时能够满足设计需求，但是随着工作频率的提高，尤其是针对毫米波应用，spice模型具有一定参考性但不能够满足电路设计的精度需求；因此，需对肖特基二极管进行精确建模；传统建模方法通过测量的s参数拟合肖特基二极管等效电路，图1所示，等效电路包括两个压控元件rj、cj和四个非压控元件cpp、cfp、lfp、rs，通过加入与cpp、cfp、lfp、rs等值但符号相反的非压控元件-cpp、-cfp、-lfp、-rs图2所示，并且调节-cpp、-cfp、-lfp、-rs值的大小，实现rj和cj并联的y参数随着频率及电压呈现一系列直线表达形式图3所示，y参数的实部对应rj和y参数的虚部对应cj分别对应两个坐标轴的纵坐标，即

real(y11)＝1/rj

imag(y11)＝ωcj

其中ω为工作频率对应坐标轴横坐标，从而实现不同偏置电压的rj和cj的提取；与此同时图2中的-cpp、-cfp、-lfp、-rs的大小与cpp、cfp、lfp、rs一一对应，从而实现对非压控元件cpp、cfp、lfp、rs的参数提取。然而，根据半导体工艺制备相关知识，肖特基二极管栅指(finger)与正极毗邻，栅指(finger)、欧姆接触基板(pad)间的寄生电容cfp与结电容cj相互影响，按照图2所示的传统建模方法，通过直接引入-cfp将影响到肖特基二极管等效电路关键参数cj的精确提取。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于毫米波超低功率应用的肖特基二极管精确建模方法，消除引入的-cfp对cj提取的影响，提高肖特基二极管的建模精度。

本发明的目的是这样实现的：一种基于毫米波超低功率应用的肖特基二极管精确建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)简化电路，在一定的偏置电压范围下，使得rj、cj并联等效电路实部阻抗远大于rs，忽略rs，将并联的cfp与cj等效为cj’，得到简化电路；

步骤2)提取cpp、lfp、rj、cj，加入与cpp、lfp等值但符号相反的非压控元件-cpp、-lfp，并且调节-cpp、-lfp值的大小，使得并联的rj和cj’的y参数在步骤1)所述的偏置电压下随着频率呈现一系列直线表达形式，此时将-cpp、-lfp值反向即可实现cpp、lfp的提取；根据y参数的一系列直线表达形式配合最小二乘法拟合出rj的dciv曲线方程，该曲线方程即为rj表现形式；根据y参数的一系列直线表达形式配合最小二乘法拟合出cj的计算方程，再根据该方程计算出其在不同的偏置电压下的电荷模型；

步骤3)提取rs，通过rs的电压电流曲线方程计算出其值。

作为本发明的进一步限定，步骤2)中所述一系列直线表达形式包括y参数的实部和虚部两组直线表达形式，y参数的实部对应rj和y参数的虚部对应cj’，分别对应两个坐标轴的纵坐标，即：

real(y11)＝1/rj

imag(y11)＝ωcj’

其中ω为工作频率对应坐标轴横坐标。

作为本发明的进一步限定，步骤2)中提取rj的具体方法为：根据y参数的实部直线表达形式可以计算出在不同偏置电压下rj的值，rj满足：其中v是偏置电压，q是基本电荷常量，k是玻尔兹曼常数，t为绝对温度，室温下kt/q＝26mv，通过实部直线表达形式配合最小二乘法拟合出is、n的值，继而实现对肖特基二极管的dciv曲线的确定，即非线性电阻rj的确定。

作为本发明的进一步限定，步骤2中提取cj的具体方法为：根据y参数的虚直线表达形式可以计算出在不同偏置电压下cj’的值，同时在所述偏置电压下，cj满足：

cj’满足：

利用最小二乘法进行参数拟合之后可以精确得到cj0、vj、fc、m和cfp，再根据cj的表达式可以计算出其在不同的偏置电压下的电荷模型，即

q(v)＝∫cjdv。

作为本发明的进一步限定，步骤3)中提取rs的具体方法为：

利用公式计算出rs的值，其中n、is已经通过rj的参数拟合确定，偏置电压可以选择[6v,7v]范围内的不同电压和电流测试数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过在一定的偏置电压下忽略rs的阻抗，从而实现对电路简化，有效的消除引入的寄生电容-cfp对结电容cj精确提取的影响，使用该方法建立的肖特基二极管电路模型有助于毫米波探测器、混频器、整流器等电路设计。

附图说明

图1是标准肖特基二极管等效电路图。

图2是基于标准肖特基二极管等效电路加入等值符号相反的非压控元件隔离rj和cj原理图。

图3是肖特基二极管等效电路中压控元件rj和cj等效电路y参数的实部、虚部与频率、偏置电压关系。

图4是基于特定偏置电压下忽略rs的肖特基二极管等效电路图。

图5是基于特定偏置电压下cj和cfp并联简化的肖特基二极管等效电路图。

图6是基于特定偏置电压下简化的肖特基二极管等效电路图5所示加非压控元件-cpp和-lfp隔离rj和cj’原理图。

图7是基于特定偏置电压下肖特基二极管等效电路中压控元件rj和cj’等效电路y参数的实部、虚部与频率、偏置电压关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

首先根据需要的工作频率，使用相关测量设备测量获得肖特基二极管(图1所示等效电路)在不同偏置电压下的s参数；在保证二极管不被击穿前提下，为了获取更多测量数据，偏置电压测试范围尽可能大，一般可以选择0-7v，间隔0.05v。

在偏置电压0-7v偏置电压范围内，计算不同偏置条件下rj和cj，根据spice模型提供的参考值n＝1.08、is＝1.7e-14a、fc＝0.99、m＝0.38、vj＝0.86v、cj0＝0.047pf、rs＝4.6ω，可以估算在不同偏置电压下结电阻rj和结电容cj，其中q是基本电荷常量，k是玻尔兹曼常数，t为绝对温度，室温下kt/q＝26mv。

由上述结电阻rj和结电容cj的表达式可看出rj随着偏置电压递减，而cj随着偏置电压递增。

rs、rj、cj串并联等效阻抗可以表达为

其中为结电阻rj和结电容cj并联之后的实部阻抗，通过计算rj和cj实现两者的并联实部阻抗在偏置电压[v1,v2]范围内远大于rs，并且筛选对应偏置电压下的s参数，记为[v1，v2]偏置电压下的s参数，并与图4等效电路对应，其中0v<v1<v2<7v。

图4所示cfp和cj并联，即cj’＝cfp+cj，[v1,v2]偏置电压下对应的s参数等效电路可以进一步简化，如图5所示。

下面进行具体参数的提取。

1.外部寄生参数cpp、lfp参数提取：

图5所示简化电路模型对应[v1,v2]偏置电压下的s参数；通过加入与cpp、lfp等值但符号相反的非压控元件-cpp、-lfp如图6所示，并且调节-cpp、-lfp值的大小，实现rj和cj’并联的y参数随着频率和电压呈现一系列直线表达形式如图7所示，y参数的实部对应rj和y参数的虚部对应cj’分别对应两个坐标轴的纵坐标，即

real(y11)＝1/rj

imag(y11)＝ωcj’

其中ω为应工作频率对应坐标轴横坐标，从而实现不同偏置电压的rj和cj’的提取。

与此同时图6中的-cpp、-lfp的大小与cpp、lfp一一对应，从而实现对非压控元件cpp、lfp的参数提取。

2.电压、电流关系，即dciv曲线的确定：

图7中real(y11)对应不同偏置电压下的rj，因为rj随着偏置电压不同而呈现不同的阻值，即随着偏置电压呈现非线性特点，需要建立不同偏置电压下的电流关系才能完整表示非线性电阻rj；所以，进一步根据半导体物理知识：其中q是基本电荷常量，k是玻尔兹曼常数，t为绝对温度，室温下kt/q＝26mv，利用最小二乘法拟合实现参数is、n的精确提取，继而实现对肖特基二极管的dciv曲线的确定，即非线性电阻rj的确定。

3.寄生电容cfp的精确提取及电荷(charge-based)模型的建立：

非线性电容，即压控电容cj在谐波仿真中会产生收敛性问题，因此需要根据不同的偏置电压，建立精确的电荷模型来完整表示压控电容cj；如图7所示，根据y参数虚部imag(y11)可以计算出不同偏置电压下压控结电容cj和寄生电容cfp之和(为倾斜直线的斜率)；同时，在偏置电压[v1,v2]范围内，结电容满足:

cj’是结电容cj和寄生电容cfp之和，所以cj’满足：

根据图7中imag(y11)对应的不同偏置电压下的cj’，利用最小二乘法进行参数拟合之后可以精确得到cj0、vj、fc、m和cfp；并且根据上式计算出的结电容cj的表达式可以计算出其在不同的偏置电压下的电荷(charge-based)模型，即：

q(v)＝∫cjdv。

4.rs的提取：

在较大偏置电压下，rs的影响不容忽略，针对其电压电流曲线dciv需要做出相应的修正，即根据修正后的dciv曲线表达式(其中n、is已经通过rj的参数拟合确定)，在[0,7v]直流测试条件下，结合相对较大偏置电压范围内，选择[6v,7v]范围内的不同电压和电流测试数据，进而可以提取rs参数值。

通过步骤1-4可以实现肖特基二极管的精确建模。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。